Ontogenetic and Individual Patterns of Volatiles in Honeybee Queens Apis mellifera and its Significance for the Acceptance of Queens in Honeybee Colonies

Publication Type

Doctoral thesis

Authors

Alkattea, Raghdan

Year of publication

2008

Das Sozialverhalten innerhalb eines Bienenvolkes (Apis mellifera L.) wird durch ein
wirkungsvolles Kommunikationsnetzwerk koordiniert, in dem Königinnenpheromone
eine zentrale Rolle bei der Kontrolle von Verhalten und Reproduktion der
Arbeiterinnen spielen. Die meisten Pheromone werden in der Mandibel- und der
Tergittaschendrüse gebildet. Die Perzeption dieser Pheromone durch die
Arbeiterinnen erfolgt durch Betasten mit den Antennen und Lecken an der Kutikula
der Königinnen. Die Arbeiterinnen eines Volkes sind in der Lage ihre eigene Königin
zu erkennen. Ungeschützt ins Bienenvolk eingebrachte fremde Königinnen werden
normalerweise von den Arbeiterinnen getötet. Es gibt zahlreiche Untersuchungen zu
Primer- und Releaser-Effekten von bestimmten Bestandteilen des
Königinnenpheromons. Nach wie vor ist aber nicht bekannt, wie die Arbeiterinnen
zwischen ihrer eigenen und fremden Königinnen unterscheiden. Die Tatsache, dass
Königinnen erfolgreich ausgetauscht werden können, nachdem man sie einige Tage
lang durch einen Käfig geschützt hat, zeigt, dass die Arbeiterinnen in der Lage sind,
den Geruch der Königin zu lernen. Vermutlich ist ein bestimmtes chemisches Muster
der Kutikula (Duft oder Geschmack) für die Erkennung und Akzeptanz als „eigen“
verantwortlich.
Diese Arbeit hat daher drei verschiedene Zielsetzungen:
- das Verhalten von Bienen gegenüber eigenen und fremden Königinnen
besser zu verstehen und bestimmte Verhaltensmerkmale der Interaktion
zwischen Königin und Arbeiterinnen in einem Biotest zu quantifizieren
- mit Hilfe des Rüssel-Reflexes (PER) zu prüfen, ob fremde und eigene
Königinnen anhand von Duftstoffen „erlernt“ werden können
- die Zusammensetzung der Kutikuladuftstoffe von Königinnen unterschiedlicher
Verwandtschaft und Paarungsstatus zu untersuchen
Für alle drei Ansätze wurden unbegattete und begattete Königinnen mit
unterschiedlichen Verwandtschaftsverhältnissen zueinander aufgezogen und in
Kirchhainer Begattungskästchen gehalten.
Der Arbeit lag die folgende Hypothese zu Grunde: Wenn Arbeiterinnen ihre Königin
anhand eines eindeutigen Dufts wahrnehmen und verwandte Königinnen ein
ähnlicheres chemisches Muster besitzen, sollte der Duft einer verwandten
Zusammenfassung
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Königinnen leichter gelernt oder akzeptiert werden, als der einer nicht verwandten
Königin.
Zunächst war es notwendig, einen speziellen Biotest zu entwickeln und zu etablieren,
der eine quantitative Erfassung des Verhaltens der Arbeiterinnen gegenüber der
Königin erlaubt, ohne die sozialen Interaktionen zwischen Königinnen und
Arbeiterinnen zu stören. Dieser „Käfig-Biotest“ besteht aus einer kleinen Holzkiste mit
einer Glasscheibe, einer Wabe mit 30-40 Arbeiterinnen und einer Königin. Für die
Versuche wurde die eigene Königin dieses Mini-Volkes entfernt und stattdessen eine
fremde Königin eingesetzt. Für einen Zeitraum von 2 Stunden wurden dann
bestimmte aggressive und „freundliche“ Handlungen der Arbeiterinnen gegenüber
der Königin aufgezeichnet.
In der ersten Testreihe wurden Königinnen mit unterschiedlichem
Verwandtschaftsgrad zur eigenen Königin verglichen. Die Ergebnisse zeigten
grundsätzlich eine aggressive Reaktion gegenüber der eingesetzten, fremden
Königin. Jedoch gab es deutlich weniger freundliches und vermehrt aggressives
Verhalten gegenüber Königinnen, die mit der ursprünglichen Königin nicht verwandt
waren im Vergleich zu verwandten Königinnen. Diese verwandtschaftsspezifischen
Unterschiede waren in allen Versuchen vorhanden, jedoch nur dann signifikant,
wenn unbegattete Königinnen ausgetauscht wurden, nicht aber bei begatteten
Königinnen. Während der Versuchsdauer nahm das aggressive Verhalten der
Arbeiterinnen im Allgemeinen ab. Auch hier zeigte sich eine Signifikanz nur bei
Versuchen mit unbegatteten Königinnen. Das weist darauf hin, dass zumindest bei
unbegatteten Königinnen die individuelle Erkennung durch Arbeiterinnen auf einem
verwandtschafts-spezifischen Duftmuster beruht.
Für die Lernversuche wurden ebenfalls Königinnen unterschiedlicher Verwandtschaft
verwendet. Die lebenden Königinnen wurden hier als Duftquelle für eine klassische
olfaktorische Konditionierung der Arbeiterinnen eingesetzt. Dabei wurde die Königin
so angeboten, dass die Arbeiterinnen den Körper der Königin nicht berühren
konnten. Die Lernkurven zeigen deutlich, dass die Arbeiterinnen fähig sind, den
Geruch der Königin zu lernen und daher als eine Art „Biosensor“ eingesetzt werden
können. Nachdem sie den Geruch der Königin gelernt hatten, wurden den
konditionierten Arbeiterinnen zum Test begattete und unbegattete Königinnen
angeboten, die einen unterschiedlichen Verwandtschaftsgrad mit der zuvor für die
Konditionierung eingesetzten Königin hatten.
Zusammenfassung
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Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Signale, die für das Lernen des individuellen
Dufts von begatteten und unbegatteten Königinnen verantwortlich sind, deutlich
unterscheiden. Die Arbeiterinnen konnten unabhängig von der Verwandtschaft
signifikant zwischen dem gelernten Geruch einer begatteten Königin und dem
anderer begatteter Königinnen unterscheiden. Im Gegensatz dazu konnten die
Arbeiterinnen unbegattete Königinnen nicht voneinander unterscheiden. Da die
Arbeiterinnen in diesem Versuch nur flüchtige Substanzen für das assoziative Lernen
nutzen konnten, lässt sich Folgendes daraus schließen: bei begatteten Königinnen
ist das volatile „Bouquet“ weder auf individueller Ebene noch in Bezug auf die
Verwandtschaft spezifisch. Nur bei begatteten Königinnen hat dieses Bouquet eine
individuelle Spezifität. Möglicherweise macht die große Menge an flüchtigen
Drüsensekreten (einschließlich der Hauptkomponente 9-ODA) die begattete Königin
„einzigartig“. Da die Arbeiterinnen aber in den Versuchen mit dem Käfig-Biotest
erkennen konnten, ob eine zugesetzte unbegattete Königin verwandt mit der eigenen
war oder nicht, muss diese Erkennung auf nicht-volatilen Substanzen der Kutikula
beruhen, die durch direkten Kontakt aufgenommen werden müssen. Wenn gelernte
und getestete Königinnen einen unterschiedlichen Begattungsstatus hatten, konnten
die Arbeiterinnen mit einer Ausnahme signifikant zwischen diesen Individuen
unterscheiden. Dies ist nicht überraschend, da die GC-MS-Analyse die großen
Unterschiede im Duftmuster von unbegatteten (=jungen) und begatteten (=älteren)
Königinnen bestätigt.
Von allen Versuchsgruppen wurden Extrakte von Kopf und Abdomen angefertigt und
anschließend im GC-MS analysiert. Insgesamt wurden 32 Substanzen des
Königinnen-Abdomens analysiert und die „chemische Distanz“ von Königinnen
unterschiedlicher Verwandtschaft (Schwestern im Vergleich mit nicht verwandter
Königin) und von Schwester-Königinnen unterschiedlichen Alters und
Begattungsstatus berechnet. Hierzu wurde die „Nei-Distanz“ zur Messung der
Ähnlichkeit der verschiedenen Muster herangezogen. Die Ergebnisse zeigten
zwischen Schwesterköniginnen eine signifikant höhere Übereinstimmung im
chemischen Muster als zwischen nicht-verwandten Königinnen.
Die „chemische Distanz“ nahm innerhalb der Gruppen von Schwester-Königinnen
über Halb-Schwestern zu nicht-verwandten Königinnen zu. Cluster-Analysen der Nei-
Distanz und eine multidimensionale Skalierung bestätigen deutlich die Unterschiede
zwischen nicht verwandten Königinnen und die Ähnlichkeit von
Zusammenfassung
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Schwesterköniginnen. Mit denselben statistischen Methoden konnte außerdem ein
deutlicher Unterschied zwischen Königinnen verschiedenen Alters und
Begattungsstatus gezeigt werden.
Die in dieser Arbeit dargelegten Ergebnisse bestätigen mit drei unterschiedlichen
Ansätzen, dass Arbeiterinnen in der Lage sind, den Duft ihrer eigenen Königin zu
lernen, wobei die Erkennungssignalen in Abhängigkeit des Begattungsstatus
variieren. Bei unbegatteten Königinnen konnte erstmalig nachgewiesen werden, dass
die Verwandtschaft zwischen verschiedenen Königinnen vermutlich anhand schwer
flüchtiger Substanzen erkannt wird. Die chemische Analyse beweist, dass das
Kutikulamuster der Königinnen nicht nur für die Unterscheidung des Alters, sondern
auch für die Unterscheidung der Verwandtschaft herangezogen werden kann.