Licht ins Dunkel des Bienenstocks –

Geheimnisse aus dem Bienenvolk

Global 2000 - Meet the Bees

4.April 2014

Jürgen Tautz, BEEgroup, Universität Würzburg

2

Im Sinne dieser Tagung

zwei Projektfelder der Würzburger BEEgroup

1.Gesundheitsforschung an Bienen

2.Bildungs- und Forschungsplattform HOBOS

Enorm hohe Populationsdichte

Bienenkrankheiten

Pathogen Organismus

Paenibacillus larvae (Amerikanische Faulbrut) Bakterien (Gram-positiv)

Melissococcus pluton (Europäische Faulbrut) Bakterien (Gram-positiv)

Ascosphaera apis (Kalkbrut) Pilz (Ascomycotina)

Nosema apis Protozoe (Microspora)

Varroa destructor Milbe (Parasitidae)

Akutes Bienen Paralyse Virus (ABPV) Dicistroviridae, Cripavirus

Kashmir Bienen Virus (KBV) "

Israelisches Akutes Paralyse Virus (IAPV) "

Black Queen Cell Virus (BQCV) "

Sackbrut Bienen Virus (SBV) Picornaviridae, Iflavirus

Deformed Wing Virus (DWV) "

Kakugo Virus (KV) "

Slow Bee Paralysis Virus (SBPV) "

Strategien der Pathogenabwehr bei Honigbienen

5

Honigbienen setzen vornehmlich sechs Verteidigungslinien ein: 1) Anlage und Bau des Nestes 2) Adaptive Verhaltensänderungen der befallenen Tiere 3) Verhalten, wie das Entfernen erkrankter Tiere aus dem Volk 4) Physikalische Barriere (z.B. die Kutikula; das Epithelium des Darmes) 5) Zelluläre Immunabwehr in Form von Wundheilung; Phagocytose; Nodulation; Einkapselung; Prophenoloxidase Aktivierung 6) Humorale Immunreaktion: simultane Induktion eines breiten Spektrums von antimikrobiellen Peptiden

Angeborenes

Immunsystem

6

-Umwelteinflüsse (angenommen 10 wichtige Faktoren)

-Krankheitserreger (angenommen 20 Arten an Viren, Bakterien, Pilzen)

-Parasiten (angenommen nur die Varroa)

treffen auf die bisher bekannten 6 Abwehrfronten seitens der Honigbiene

-Wie wirkt EIN Umweltfaktor, auf EINEN Aspekt der Abwehrfronten?

Nachdem das durchgearbeitet ist, sind die Kombinationen fällig:

-Wie wirken ZWEI Umweltfaktoren, auf EINEN Aspekt der Bienenbiologie?

Etc

Etc …

Das ergibt genau genommen ein kaum zu bewältigendes Forschungsprogramm

mit tausenden von Forschungsansätzen.

..und es wird noch komplexer, denn…

Extrem komplexes Problemfeld

7

DIE Honigbiene gibt es nicht

Analyse von Interaktionen der Honigbiene mit pathogenen Organismen

• Entwicklungsstadien

– Larven

– Puppen

– Jungbienen

– Winterbienen

• Kasten

– Arbeiterinnen

– Drohnen

– Königin

8

9

Viele sehr gut koordinierte Projekte sind ein Ausweg.

Diese Tagung zeigt ja wesentliche Ansätze.

Honigbienen verwenden die gleichen „Tricks“ wie Säugetiere

-sie füttern Ihre Larven mit „Schwesternmilch“

-sie halten Ihre Larven in einem „sozialen Uterus“ bei etwa 35 oC

Entwicklungsstadien der Honigbiene

11

Königin Arbeiterin Drohne

Ei

Larve

Vorpuppe

Puppe

Imago

In vivo und in vitro Aufzucht von Honigbienen-Larven

Brutnest mit Eiern und Larven in

unterschiedlichem

Entwicklungsstadium

4 3.5 3 2.5 2

Tage nach dem Schlupf

Zelluläres IS Humorales IS

• Wundheilung

• Phagocytose

• Nodulation

• Einkapselung

• Permeabilisierung von Zellwänden

• Veränderung der Ionenpermeabilität

• Inhibition der Zellwandsynthese

• Degradation der Zellwände

Antimikrobielle Peptide (AMPs)

Hämozyten:

Phenoloxidase

Prophenoloxidase

Chinone

Melanin

Serinprotease

Defensin

Angeborenes Immunsystem (IS)

Pilze Bakterien Viren

TOLL IMD JNK ?

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

Egg

Larva

Pupa

In vitro rearing of Apis mellifera

Imago

worker

Infection Proteomic analysis

Pathogen

(Viruses, Bacteria, Fungi)

FABP

Hymenoptaecin

Defensin 1

Abaecin

RJ n.i. PBS E. coli

24 h p.i.

97

68

45

29

21

12,5

6,5

3,5

„Herz“

16

Induzierbare Immunpeptide in der Hämolymphe

nach bakterieller Injektion (I)

ApoLp-II

Transferrin

IDGF4

SDR

FABP

ASP3c

CE

IRp30

H

D A

97

67

45

29

21

12,5

6,5

3,5

Hexamerine

MRJPs

SDR

FABP

Hymenoptaecin

Defensin1

Abaecin

n.i. PBS E. coli 682 GR n.i. PBS E. coli 682

Jungbienen 24 h p.i. Larven 24 h p.i.

(15 % PAA-Gel)

n.i. E. coli

0 d

(p6)

1 d p.i.

(p7)

4 d p.i.

(p10)

6 d p.i.

(p12)

n.i. E. coli

0 d

(p6)

1 d p.i.

(p7)

4 d p.i.

(p10)

6 d p.i.

(p12)

Jungbienen + weißäugige Puppen, 24 h p.i.

[kDa] n.i. E.c. n.i. PBS E. coli

ApoLp-I

Hexamerin 110

ApoLp-II

Transferrin/Hex 70a

Hex 70b/70c

Yippee/Aldolase

SDR

GST

Hymenoptaecin

Defensin1

29

21

12,5

6,5

3,5

45

97

67

Besonderheiten einer bakteriellen Infektion in Puppen (I)

Zeitlicher Verlauf der Expression antimikrobieller Peptide

L 6 h 12 h 24 h p.i.

Larven + 105 E. coli-Zellen

Jungbienen + 105 E. coli-Zellen

[kDa] 6 h 12 h 24 h p.i.

Larven + 105 Zellen E. coli

Apolipophorin-I

Hexamerin 110

Transferrin/Hexamerin 70a

Hexamerin 70b/70c

OBP14

Hymenoptaecin

Defensin1

97

68

45

29

21

12.5

6.5

VP 3

VP 4

[kDa]

200

116

67

45

29

21

14,4

6,5

VP 1

VP 2

1 MNAAFRNTIP ADQETNTSNV HNTQLASTSE ENSVETEQIT TFHDVETPNR

-51 IDTPMAQDTS SARSMDDTHS IIQFLQRPVL IDHIEVIAGS TADDNKPLNR

101 YVLNRQNPQP FVRSWTLPSV VLSAGGKGQK LANFKYLRCD VRVKIVLNAN

151 PFIAGRLYLA YSPYDDRVDP ARSILNTSRA GVTGYPGVEI DFQLDNSVEM

201 TIPYASFQEA YDLVTGTEDF VKLYLFTITP ILSPTSTSAS SKVDLSVYMW

251 LDNISLVIPT YRVNTSIVPN VRTVVQAVQN ITTRDSETIR KAMVALRKNN

301 KSTYDYIVQA LSSAVPEVKN VTMQINSKKN NPNKMATSVK EKPKSILKPK

351 TENPKIGPIS ELATGVNKVA NGIERIPVIG EMAKPVTSTI KWVADKIGSV

401 AAIFGWSKPR NLEQVNLYQN VPGWGYSLYK GIDNSVPLAF DPNNELGDLR

451 DVFPSGVDEM AIGYVCGNPA VKHVLSWNTT DKVQVPISNG DDWGGVIPVG

501 MPCYSKIIRT TENETTQTKT EVMDPAPCEY VCNMFSYWRA TMCYRIAIVK

551 TAFHTGRLEI FFEPGRIPIT TTKDNISPDL TQLDGIKAPS DNNYKYILDL

601 TNDTEITIRV PFVSNKMFMK STGIYGGNSE NNWDFSESFT GFLCIRPVTK

651 LMCPETVSNN VSIVVWKWAE DVVVVEPKPL LSGPTQVFQP PVTSADSINI

701 IDASMQINLA NKADENVITF FDSDNAEERN MEALLKGSGE QIMNLRSLLR

751 TFRTISENWN LPPNTKTAIT DLTDVADKEG RDYMSYLSYI YRFYRGGRRY

801 KFFNTTALKQ SQTCYIRSFL VPRYYTTDNT NNDGPSHITY PVLNPVHEVE

851 VPYYCQYRKL PVASTTDKGY DASLMYYSNV GTNQIVARAG NDDFTFGWLI

901 GTPQTQGITR TETK

VP 1

VP 4

VP 2

VP 3

*

IGR IRES I II III

Helikase 3C-Protease RdRp VP1 VP4 VP2 VP3

AUG UAA AUG UAA

605 6325 6509 9253

Vpg

(A)n

IRES

Nicht-Strukturproteine (ORF1) Capsidproteine (ORF2)

VP0

Struktur des Akuten Bienen Paralyse Virus (ABPV)

100 100 96 100 100 96 89 33 80 83 0 75 [%] Überlebensrate

Vermehrung von ABPV in der Hämolymphe von Bienenlarven

1

n.i.

16

n.i.

2 3

4 5

ABPV 103 ABPV 101

17

18 19

ABPV 103 ABPV 101

6 h p.i. 24 h p.i.

116

67

45

35

25

6 h p.i. 9 h p.i. 12 h p.i. 24 h p.i.

ABPV ABPV ABPV ABPV

[kDa] n.i. 103 101 n.i. 103 101 ABPV n.i. 103 101 n.i. 103 101 ABPV

VP 1 VP 2

VP 3

VP 1/4

VP 2

VP 3

VP 1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

ApoLp-I

VHDL

Hex 110

Hex70b/70c

IDGF4

24 h p.i.

n.i. n.i. E. coli E. coli ABPV ABPV

[kDa] Häm ÜS Sed Häm ÜS Sed Häm ÜS Sed ABPV

116

67

45

35

25

VP 1/4

VP 2

VP 3

ApoLp-I

Vitellogenin

ApoLp-II

Transferrin

IDGF4

VP 1

VP 2

VP 3

ABPV vermehrt sich in Hämozyten

Cl-

N+

N+

N+

N+

(CH2)3

C6F13

C6F13 (CH2)3

Br-

Br-

Cl-

Dp12F6

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

40 4 0,4 0,04

Üb

erle

ben

srat

e d

er L

arve

n [

%]

ABPV 104 Dp12F6 [µM]

Künstliche RNasen als antivirale Wirkstoffe:

Inaktivierung von ABPV

n.i.

PBS

40

4

ABPV 104 +

Dp12F6 [µM]

0,4

0,04

ABPV

-aRNase

1 2 3 4

n.i.

PBS

40

4

ABPV 104 +

Dp12F6 [µM]

0,4

0,04

ABPV

-aRNase

1 2 3 4

Zelluläre

Immunreaktionen

Nodulipräparation

25

Tergite

Herzschlauch

Trachee

Thorax

Abdomen

26

1000 µm

~100 Noduli / Arbeiterin

(1d)

~300-400 Noduli / Königin (7d)

~1000 Noduli / Drohn

(1d)

1000 µm 500 µm

1000 µm 500 µm

E. coli

ABPV

Trachee

Herzschlauch

Zelluläre Immunantwort in Jungbienen

Larven Puppen Jungbienen Winterbienen

Humorales IS (AMPs) + - ++ +

IRPs - - ++ +

Zelluläres IS

-Nodulation

-Phagozytose

+/-

+/-

-

-

++

+

-

++

Überlebensrate (%)

105 Zellen / Biene

100 0 100 100

Bakterielle Infektionen (E. coli)

n.i. E. coli n.i./E. coli n.i. E. coli

Virale Infektionen (ABPV)

Larven Puppen Jungbienen Winterbienen

Humorales IS (AMPs) - - - -

IRPs - - - -

Zelluläres IS

-Nodulation

-

-

-

-

Überlebensrate (%)

103 ABPV / Biene

0

(24h p.i.)

0

(48h p.i.)

0

(72h p.i.)

100

(72h p.i.)

n.i. E. coli ABPVn.i. E. coli ABPV

n.i./E. coli ABPV n.i./E. coli ABPV

n.i. E. coli ABPVn.i. E. coli ABPV

31

Verändert sich im Immunsystem etwas

im Leben einer Sammelbiene?

Zelluläres IS Humorales IS

• Wundheilung

• Phagocytose

• Nodulation

• Einkapselung

• Permeabilisierung von Zellwänden

• Veränderung der Ionenpermeabilität

• Inhibition der Zellwandsynthese

• Degradation der Zellwände

Antimikrobielle Peptide (AMPs)

Hämozyten:

Phenoloxidase

Prophenoloxidase

Chinone

Melanin

Serinprotease

Defensin

Angeborenes Immunsystem (IS)

Pilze Bakterien Viren

TOLL IMD JNK ?

0

5000

10000

15000

20000

25000

0 -1d (N=20)

1 -2d (N=20)

2 -3d (N=10)

3 -4d (N=20)

7-8d (N=20)

8-9d (N=10)

12-13d (N=10)

13-14d (N=20)

18-19d (N=20)

23-24d (N=10)

Zelle

n/µ

l

Dynamik der Hämozyten

Start: Außendienst

Dynamik der PO-Aktivität (Photometrie)

0

20

40

60

80

100

120

OD

/Vm

ax

Start: Außendienst

35

Sensoren

Daten

110 001 000 111

010 110 110 001

www.hobos.de

Bildung mit modernsten Mitteln

36

37

Thermokamera Stockeingang

Endoskopkameras im Bienenstock

in höchster Qualität

Beispielfragen: Was machen die Bienen nachts?

Was machen sie im Winter?

38

HOBOS – ein Bildungsportal für die unterschiedlichsten

Zielgruppen

39

A C

www.hobos.de 40

Klimatisierung des Stock-Inneren

aus Daten-Speicher

41

42

Kühlung des Stock-Inneren durch „Ventilatorbienen“

43

62000

62500

63000

63500

64000

64500

65000

65500

0

100

200

300

400

500

600

14:10 14:20 14:30 14:40

Gew

ich

t (g

)

Ein

- u

nd

Au

sfl

üg

e /

Min

ute

Uhrzeit

Einflüge Ausflüge Gewicht

Neue Entdeckungen -

Das Schwärmen aus dem Bienenstock (hier: 17.Mai 2012)

44

62000

62500

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64000

64500

65000

65500

35

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37

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14:10 14:20 14:30 14:40

Gew

ich

t (g

)

Tem

pera

tur

(°C

)

Uhrzeit

Wabengasse 4 Gewicht

Neue Entdeckungen -

Das Schwärmen aus dem Bienenstock (hier: 17.Mai 2012)

45

0

5

10

15

20

25

30

35

01.01.2013 10.01.2013 20.01.2013 30.01.2013 09.02.2013 19.02.2013 28.02.2013

Tem

pera

tur

(°C

)

Datum

Temperatur Wabengasse 4

Neue Entdeckungen -

Die Heiz-Spitzen im Winter

Neue Entdeckungen -

Eine bisher unbekannte Schlafhaltung

www.hobos.de

47

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !