Der Hoftierarzt

Forschende der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) untersuchten zusammen mit Kollegen aus Frankfurt, Oxford und Würzburg, wie das komplexe, kooperative Verhalten von Honigbienen (Apis mellifera) genetisch programmiert ist, so dass es an nachfolgende Generationen weitergegeben werden kann. Sie fanden die Antwort im sogenannten doublesex-Gen (dsx), wie sie in der Fachzeitschrift Science Advances erläutern.

Verhaltensinteraktionen zwischen Organismen sind grundlegend und vielfach angeboren. Jeder Mensch und jedes Tier interagieren auf die eine oder andere Art durch ihr Verhalten mit anderen Individuen ihrer sozialen Gruppe. Im Tierreich bringt dies erhebliche Vorteile bei der gemeinsamen Nahrungsbeschaffung, beim Schutz vor Feinden und bei der Aufzucht von Nachkommen.

Bei einigen Tieren wie der Honigbiene sind die sozialen Verhaltensbindungen so ausgeprägt, dass einzelne Individuen zusammen eine feste Gemeinschaft bilden. Zusammen funktionieren sie wie ein einzelner „Superorganismus“. Tausende von Arbeitsbienen schützen dabei durch ihr individuelles Verhalten die ganze Kolonie, ernähren sie und kümmern sich um die Brut.

Prof. Dr. Martin Beye, Leiter des Instituts für Evolutionsgenetik der HHU und Korrespondenzautor der nun in Science Advances erschienenen Studie, betont: „Das Verhaltensrepertoire der einzelnen Biene und die gemeinschaftliche Koloniefunktion sind nicht erlernt, sondern vererbt. Bisher war aber nicht bekannt, wie so komplexe Verhaltensweisen genetisch kodiert sind.“

Forschende der HHU um Beye und Erstautorin Dr. Vivien Sommer haben nun zusammen mit Kollegen von den Universitäten Frankfurt/Main, Oxford und Würzburg herausgefunden, dass ein spezielles Gen, genannt dsx, das arbeiterspezifische Verhalten kodiert.

Sommer: „Das Gen programmiert, ob eine Arbeiterin eine Aufgabe in der Kolonie aufnimmt und wie lange sie dies tut. Hierzu gehören beispielsweise auch Aspekte gemeinschaftlicher Arbeit wie die Versorgung der Larven oder die Beschaffung und der soziale Austausch von Nahrung.“

Für ihre Untersuchungen haben die Biologen das dsx-Gen bei einigen Bienen mithilfe der Genschere CRISPR/Cas9 verändert oder ausgeschaltet. Die entsprechend manipulierten Bienen haben sie mit einem QR-Code beklebt und ihr Verhalten im Bienenstock anschließend mit Kameras überwacht. Die entstandenen Videosequenzen wurden mit KI-Unterstützung ausgewertet, so dass die individuellen Verhaltensmuster der Bienen bestimmt werden konnten.

Sommer: „Unsere zentrale Frage war, ob und wie sich die angeborenen Verhaltensmuster durch die Veränderung des Gens verändern. Solche Änderungen müssen sich im Nervensystem der Arbeiterinnen widerspiegeln, wo ja die Steuerprogramme für das Verhalten ablaufen.“

Die Forschenden haben sogenanntes Grün fluoreszierendes Protein (kurz GFP) in die dsx-Sequenz integriert, so dass GFP zusammen mit dem dsx-Protein hergestellt wurde. Hierdurch konnten, mithilfe von Fluoreszenzmikroskopie, die neuronalen Verschaltungen sichtbar gemacht werden, sowohl bei den unveränderten Bienen als auch bei denjenigen mit genetischen Modifikationen. „Mit diesen Werkzeugen konnten wir genau sehen, welche Verbindungswege im Gehirn das dsx-Gen schafft, die wiederum die angeborenen Verhaltensmuster der Honigbiene regulieren“, sagt Doktorandin Jana Seiler, ebenfalls Koautorin der Studie.

„Die Ergebnisse deuten auf ein grundlegendes genetisches Programm hin, welches die neuronale Verschaltung und das Verhalten der Arbeiterin bestimmt“, meint Prof. Dr. Wolfgang Rössler vom Lehrstuhl für Verhaltensphysiologie und Soziobiologie, Kooperationspartner an der Universität Würzburg.

Im nächsten Schritt wollen die Forschenden den Schritt von der einzelnen Honigbiene hin zum Superorganismus Bienenvolk tun. Alina Sturm, ebenfalls Doktorandin an der HHU und Koautorin: „Wir hoffen, das Bindeglied zwischen individueller Programmierung und dem koordinierten Verhalten vieler Individuen zu finden.“

Originalpublikation:
Vivien Sommer, Jana Seiler, Alina Sturm, Sven Köhnen, Anna Wagner, Christina Blut, Wolfgang Rössler, Stephen F. Goodwin, Bernd Grünewald, Martin Beye. Dedicated developmental programing for group-supporting behaviors in eusocial honeybees. Science Advances (2024).

Quelle: Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf

Je ausgedehnter biologisch bewirtschaftete Landwirtschaftsflächen sind, desto besser können sich Populationen einer bestimmten Mauerbienenart entwickeln. Zu diesem Ergebnis kommt ein Forschungsteam unter der Leitung des Ulmer Bienenexperten Dr. Samuel Boff. Die Studie, die nun in der Fachzeitschrift Science of the Total Environment veröffentlicht wurde, weist nicht nur nach, dass in Gebieten, in denen chemische Pestizide eingesetzt werden und weniger Blüten als Nahrungsquellen verfügbar sind, weniger Bienen leben. Die Untersuchung belegt auch, dass eine konventionelle Landbewirtschaftung die Fortpflanzungskommunikation von Wildbienen stören kann.

Forschende beobachten seit Jahren, dass besonders in landwirtschaftlich intensiv genutzten Gebieten die Zahl von Wildbienen dramatisch sinkt. Wildbienen sind als Bestäuber für die Nahrungsmittelproduktion unverzichtbar und spielen eine sehr wichtige Rolle für die Erhaltung der biologischen Vielfalt. Der Rückgang der Tiere gefährdet die Ernährungssicherung und Ökosysteme weltweit. Um den Gründen für die sinkende Zahl an Wildbienen auf Landwirtschaftsflächen auf die Spur zu kommen, hat Dr. Samuel Boff vom Institut für Evolutionsökologie und Naturschutzgenomik der Universität Ulm mit weiteren Ulmer Forschenden und einem internationalen Team untersucht, wie sich unterschiedliche Bewirtschaftungsformen – biologisch versus konventionell – auf Wildbienenpopulationen auswirken. Im Fokus stand dabei die Mauerbienenart Osmia bicornis.

Überwachung mit „Bienenhotels“
Die Forschenden stellten für ihre Beobachtungen „Bienenhotels“, also künstliche Nisthilfen, in acht konventionell und sieben biologisch bewirtschafteten Betrieben in Baden-Württemberg auf. Für ein möglichst unverfälschtes Ergebnis wählten sie die überwachten Flächen jeweils so aus, dass sie den normalen Bewegungsradius der Bienen, der auf etwa 500 Meter um die Nistplätze herum begrenzt ist, abdeckten. Das Team dokumentierte Landschaftsmerkmale, darunter das Ausmaß biologisch bewirtschafteter Anbauflächen, sowie die Anzahl der Pflanzen, die als Nahrungsquelle dienen, und verglich die Anzahl der Bienennester und Nachkommen sowie die Körpergrößen des Nachwuchses. Zudem führten die Forschenden chemische Analysen der sogenannten kutikulären Kohlenwasserstoffe auf der Körperoberfläche der Bienen durch. Diese haben eine Schutzfunktion, dienen aber auch der sexuellen Kommunikation zwischen Geschlechtspartnern. Damit spielen die kutikulären Kohlenwasserstoffe eine wichtige Rolle bei der Fortpflanzung. Nachdem sie den Einfluss der Anbausysteme auf die chemische Zusammensetzung der Verbindungen festgestellt hatten, testeten die Forschenden in Laborexperimenten biologische Reaktionen, um nachzuvollziehen, inwiefern das jeweilige Anbausystem die chemischen Verbindungen an den Bienenkörpern beeinflusst und ob sich dies auf das Paarungsverhalten auswirkt.

Mehr Bio, mehr Nachwuchs
„Wir haben festgestellt, dass die Populationsgröße mit der Ausdehnung biologischer Landwirtschaft in der Landschaft zunimmt. In Regionen mit einem höheren Anteil an biologischem Landbau und keinem oder reduziertem Pestizideinsatz gab es eine höhere Blütenvielfalt und mehr verfügbare Nahrungsressourcen für Bestäuber. Hier haben wir mehr Weibchen gezählt, die Nester bauten, und die Anzahl der von ihnen gebauten Brutkammern sowie der Nachkommen war höher“, berichtet Projektkoordinator Boff. Die Körper des – geringeren – Nachwuchses von Bienen in konventionellen Gebieten waren indes größer. Möglicherweise, um aufgrund der schlechteren Nahrungsverfügbarkeit in der Umgebung ihrer Nester in den konventionellen Gebieten die Sammelfähigkeiten zu verbessern.

Gestörte sexuelle Kommunikation
„Die Studie belegt des Weiteren, dass konventionelle Landwirtschaft die chemische Kommunikation der Bienen stört. Die kutikulären Kohlenwasserstoffe auf der Körperoberfläche der untersuchten Bienen in konventionell bewirtschafteten Gebieten unterschieden sich von denen in biologischen“, sagt Professor Manfred Ayasse von der Universität Ulm. Der stellvertretende Leiter des Instituts für Evolutionäre Ökologie und Naturschutzgenomik ist Co-Autor der Studie. Besonders zwei Verbindungen, (Z)-11-Heptacosen und (Z)-9-Nonacosen, zeigten sich bei Weibchen aus konventionellen Betrieben häufiger. Im Labor beobachteten die Forschenden, dass diese Bienen eine stärkere sexuelle Anziehungskraft auf Männchen aus einem neutralen Gebiet ausübten. „Die Männchen zeigten gegenüber diesen Weibchen ausgeprägtere sexuelle Signale in Form von deutlicherem präkopulatorischen Verhalten, wie Flügelfächeln und Paarungsversuchen – ein Hinweis auf eine veränderte sexuelle Kommunikation in Folge des häufigeren Vorkommens der Verbindungen (Z)-11-Heptacosen und (Z)-9-Nonacosen bei den weiblichen Bienen aus konventionellen Betrieben“, erklärt Boff. Ein denkbarer Grund dafür ist, dass Bienen aus konventionellen Betrieben aufgrund kleinerer Populationen einer stärkeren Konkurrenzsituation ausgesetzt sind und daher mehr Sexualpheromone produzieren, um ihre Anziehungskraft zu steigern.

„Wir haben nachgewiesen, dass konventionelle landwirtschaftliche Praktiken nicht nur die Nahrungsquellen der Bienen beeinflussen, sondern auch tiefgreifende Auswirkungen auf ihr Fortpflanzungs- und Paarungsverhalten haben können“, unterstreicht Boff. „Wir wissen noch nicht, welche Folgen dies genau hat, aber unsere Ergebnisse heben den Einfluss des Anbausystems auf die Fortpflanzung der Wildbienen hervor. Die Auswirkungen der chemischen Veränderungen weiter zu untersuchen, etwa auf die molekularen Abweichungen und ob ähnliche Effekte auch bei anderen Bestäuberarten beobachtet werden können, sind wichtige Ansatzpunkte für weitere Untersuchungen.“

Gefördert wurde das Forschungsprojekt von der Aurelia-Stiftung und der Software AG-Stiftung (SAGST).

Quelle: Universität Ulm