Конкурс «Био/Мол/Текст»-2020/2021

Эта работа опубликована в номинации «Школьная» конкурса «Био/Мол/Текст»-2020/2021.

---

Генеральный партнер конкурса — ежегодная биотехнологическая конференция BiotechClub, организованная международной инновационной биотехнологической компанией BIOCAD.

---

Партнеры номинации — медико-биологическая школа «Вита» и «Новая школа».

---

Спонсор конкурса — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.

---

Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Зачем защищать пчел?

Медоносные пчелы (Apis mellifera) имеют большое значение для человечества и окружающей среды. Уже много лет пчел разводят для получения меда, воска, прополиса, пчелиного яда и других продуктов пчеловодства. A. mellifera — один из самых важных опылителей во всех изученных природных экосистемах, благодаря широкому распространению и универсальному поведению, связанному с поиском и добыванием пищи [1]. Пчелы опыляют растения, частями которых (например, орехами, ягодами, семенами, фруктами) питаются многие животные [2]. Опыление пчелами приводит к увеличению количества и качества семян и плодов, а также может служить для защиты сельскохозяйственных культур от вредителей [3]. Доказано, что опыляемая пчелами клубника дает больше коммерчески ценных плодов с более длительным сроком хранения по сравнению с самоопыляемой клубникой и клубникой, опыляемой ветром [4]. Перекрестное опыление, осуществляемое с помощью пчел, способствует генетической изменчивости, приспособляемости к меняющимся условиям среды и биоразнообразию. Эти насекомые — модельные организмы в научных исследованиях в области биологии развития, социобиологии, памяти, обучения и даже в исследованиях кишечной микробиоты [5].

К сожалению, жизнь пчел не так сладка, как производимый ими мед. По всему миру наблюдается явление, которое называется синдромом разрушения пчелиных семей (colony collapse disorder). Существует множество факторов, отрицательно влияющих на численность A. mellifera. Среди них наибольшее влияние имеют фрагментация и разрушение мест обитания, применение пестицидов, патогенные организмы и паразиты.

Фрагментация и разрушение мест обитания — одни из главных факторов, способствующих снижению численность пчел. Развитие сельского хозяйства, строительство дорог, городов приводят к сокращению цветочных лугов и мест гнездования диких пчел. Фрагментация среды обитания может изолировать виды, препятствуя потоку генов между популяциями и уменьшая генетическое разнообразие. В результате повышается уязвимость видов к болезням и паразитам [6].

Применение в сельском хозяйстве инсектицидов — пестицидов, используемых для борьбы с насекомыми-вредителями, — может представлять большую опасность также и для пчел. Прямой контакт пчелы с инсектицидами приводит к тому, что пчела умирает и не возвращается в улей. В этом случае пчела не заражает остальных членов пчелиной семьи и колония выживает. Но в другом случае пчела может принести инсектицид вместе с пыльцой или нектаром в улей, и тогда вся колония может погибнуть [7]. Очень токсичен для пчел класс инсектицидов, называемый неоникотиноидами.

Кроме того, пчелы страдают от широкого круга патогенных организмов (вирусы, грибы, бактерии и др.) и паразитов. Один из самых известных паразитов медоносной пчелы — это клещ Varroa destructor [8]. Именно ему и посвящена эта статья.

Varroa destructor и всё, что с ним связано

Прежде чем понять, какой вред приносят клещи этого вида и какие существуют способы борьбы с ним, важно разобраться, кто они такие, как они выглядят и что собой представляет их жизненный цикл.

Varroa destructor — вид клещей, паразитирующих на медоносных пчелах и вызывающих заболевание варроатоз. Клещи Varroa атакуют пчел на всех жизненных стадиях (Рис. 1). Родиной V. destructor считается Азия. Ареал паразита расширился до Европы в 1970-х годах, в США был обнаружение в 1980-х. Его первоначальный хозяин — китайская восковая пчела Apis cerana [9].

Морфология

У клещей этого вида присутствует половой диморфизм. Взрослые самцы (рис. 2а), играющие лишь репродуктивную роль, по размеру меньше самок. Их тело имеет форму груши и желтоватый окрас, ноги чуть темнее. Мужские хелицеры модицированы для переноса сперматозоидов и не приспособлены к захвату пищи [10]. А зрелые самки (рис. 2б) красновато-коричневого цвета. Их овальное тело сплющено и слегка изогнуто [11].

Жизненный цикл. Питание. Дыхание. Размножение

Паразит V. destructor тесно связан с организмом-хозяином и не ведет свободного образа жизни. Взрослая самка проводит зиму на теле хозяина, питаясь жировым телом пчелы, хотя ранее считалось, что эти клещи потребляют гемолимфу (рис. 3а, взрослая пчела) [12]. Дыхание клеща происходит с помощью специального органа — перитремы [13]. Весной для размножения самка клеща входит в ячейку, где находится пчелиный расплод, и остается в пище для расплода (рис. 3а, цифра 1) до того момента пока ячейка не будет закрыта (рис. 3а, цифра 2). Вероятно, таким образом она избегает обнаружения и удаления из ячейки рабочими пчелами [13]. Затем она начинает питаться незрелой пчелой и откладывать яйца (рис. 3а, цифры 3–8). В норме самка откладывает до пяти яиц в расплоде рабочих пчел и до шести яиц в расплоде трутней. Из одного неоплодотворенного яйца вылупляется самец, а из остальных оплодотворенных — самки [13]. Молодые клещи растут. Их стадии взросления: яйцо → протонимфа → дейтонимфа → взрослая особь (рис. 3б) [14]. Мать проявляет «родительскую заботу», создавая отверстия в кутикуле куколки пчелы, чтобы нимфы могли питаться. Еще не развитые мягкие хелицеры женских нимф не могут пробуравливать отверстия в кутикуле, а мужские хелицеры, как уже было отмечено выше, предназначены лишь для переноса сперматозоидов. Брачное поведение инициируется женскими половыми гормонами. Так молодая самка становится более привлекательной, чем старшие самки и нимфы [13]. Взрослые брат и сестры спариваются в ячейке. Зрелые клещи-самки покидают ячейку вместе со сформировавшейся пчелой и либо паразитируют на ней и потом атакуют новый расплод, либо нападают на личинки в еще не запечатанных ячейках. Незрелые самки и самцы умирают, так как не способны выжить вне ячейки (рис. 3а, цифра 9) [11].

Вред, который приносит V. destructor отдельно взятой пчеле и колонии в целом

Какой вред приносит V. destructor отдельной пчеле? Во-первых, масса тела молодой пчелы, подвергшейся влиянию паразита, ниже, чем масса тела здоровой. Потеря массы тела молоди зависит от того, сколько материнских клещей попало в ячейку и атаковало расплод и сколько раз произошло спаривание между потомством клеща-матери. Единичное заражение приводит к потере массы тела, в среднем, на 7%. Во-вторых, у зараженных пчел отмечается снижение продолжительности жизни и способности к нормальной навигации (из-за чего они могут подолгу не возвращаться в колонию или не возвращаться вообще) [13]. В-третьих, клещ ослабляет иммунную систему пчелы [15], что снижает сопротивляемость насекомого вирусам и другим патогенным организмам. Также под влиянием вирусов, переносчиками которых являются клещи варроа, из ячеек выходят особи с деформированными крыльями и лишенные способности к полету [10].

V. destructor может привести к снижению репродуктивной способности колонии. Трутни, атакованные клещами в период их развития, имеют значительно меньшие шансы к спариванию с пчелиной маткой. В инфицированных колониях роения (деления одной колонии на части) происходят реже [13]. Если уровень заражения клещами Varroa в колонии высокий, то пчелиная семья может полностью погибнуть за полгода — два года [15]. Необработанные от клещей колонии, в которых частота заражения взрослых пчел летом больше 30%, не имеют шансов выжить следующей зимой [13].

V. destructor и вирусы

V. destructor — переносчик разнообразных вирусов, атакующих медоносных пчел. Вирусов много, но мы коротко рассмотрим лишь некоторые. Вирус Кашмира (Kashmir bee virus) обычно не вызывает четко определенных симптомов заболевания, но является смертельным для пчелиных колоний. Вирус острого паралича (Acute bee paralysis virus) вызывает заболевание, симптомы которого — быстро прогрессирующий паралич, дрожь, неспособность летать, постепенное потемнение и выпадение волосков. В итоге инфекция приводит к быстрой смерти взрослых особей. Вирус Какуго (Kakugo virus) поражает мозг медоносных пчел и вызывает их агрессивное поведение. Зараженные вирусом мешотчатого расплода (Sacbrood virus) личинки теряют способность окукливаться, в их оболочках накапливается богатая частицами этого вируса жидкость и образуется «мешок»; в конечном счете личинки погибают [13], [16].

Самым известным и распространенным вирусом пчел считается вирус деформации крыла (Deformed wing virus) [13], [16]. Как можно понять из названия, вирус деформации крыла вызывает заболевание, явные симптомы которого — это изувеченные крылья пчел (рис. 4). Но есть и другие клинические признаки этой вирусной инфекции. Например, смерть куколки, раздутые, обесцвеченные и укороченные животы у молодых пчел. Зараженные вирусом деформации крыла пчелы нежизнеспособны и быстро погибают [17]. Вышеперечисленные признаки возникают только в присутствии переносчика — клеща V. destructor. Если же его нет, распространение вируса деформации крыла остается на низком уровне, а гибель пчелиной колонии в этом в случае случается очень редко [18].

Способы борьбы с V. destructor

Подробнее разобрав, какой вред приносит клещ V. destructor медоносным пчелами, мы выяснили, что паразитом он называется неспроста. Мало того что он паразит, так еще и переносчик самых разных вирусов, которые тоже не безобидны. Если колонию пчел атакуют клещи Varroa, то есть вероятность, что колония погибнет. Значит, необходимы какие-то меры по предотвращению заражения пчелиной колонии клещами. О том, какие сегодня существуют способы борьбы с варроа, расскажем далее. Чтобы научно-популярная статья не превратилась в полное пособие для пчеловодов, каждый метод будет описан кратко, но те, кто заинтересован в пчеловодстве, всегда сможет перейти по ссылкам к источникам.

Акарицидные химикаты

Акарициды — это пестициды, применяемые для уничтожения клещей, нарушения их роста и развития [19]. Часто используемыми синтетическими соединениями для борьбы с клещами Varroa (рис. 5) являются кумафос, флувалинат, флуметрин, амитраз («сильные» акарициды [13]), щавелевая и муравьиная кислоты и тимол («слабые» акарициды [13]). Ни один пестицид не дает 100%-ной эффективности. Почти все перечисленные выше химикаты имеют негативные побочные эффекты (например, нарушения развития и увеличение смертности расплода, взрослых пчел, нарушение обмена веществ и др.) [20]. Ко многим из этих препаратов клещи варроа развили резистентность [9].

Биологические и биотехнические методы

Эти методы борьбы с клещами Varroa, которые учитывают особенности природы хозяина и паразита, считаются реальным, устойчивым подходом к лечению варроатоза.

Один из биотехнических методов заключается в том, чтобы удалять клещей из запечатанных ячеек. Чаще клещи удаляются вместе с трутневым расплодом, что не влияет негативно на размер колонии или на производство меда. С расплодом рабочих пчел требуется другой подход. Матка должна отложить яйца в выбранные пчеловодом ячейки, затем извлекаются соты с расплодом, выборочно уничтожаются клещи при помощи муравьиной кислоты или тепла и обработанные соты возвращаются в улей. Следует признать, что это очень трудоемкая процедура, требующая много времени, сил и энергии, и рекомендуется не всегда [13], так как ячейки, в которых находятся паразиты, запечатаны, и пока молодая пчела оттуда не вылезет, не вылезут и клещи, или необходимо вскрыть ячейку и достать оттуда развивающуюся пчелу вместе с паразитом.

Пчеловоды из США, Канады и Европы используют хищного клеща Stratiolaelaps scimitus (рис. 6а) для борьбы с клещами Varroa в пчелиных колониях. Эти хищные клещи питаются варроа, но могут иногда питаться яйцами пчел и атаковать их личинок, однако существенной угрозы для колонии они не представляют [21]. Тем не менее эффективность S. scimitus в борьбе с V. destructor остается под сомнением [22] и нуждается в изучении [21].

В борьбе с клещами-паразитами пчел также применяют ложноскорпионов (рис. 6б), в частности книжного ложноскорпиона, Nesochernes gracilis и Heterochernes novaezealandiae [23].

Приятной новостью является и тот факт, что пчелы могут вырабатывать резистентность к клещам Varroa благодаря естественному отбору. Ключевым фактором естественного выживания пчелиных колоний, по-видимому, является снижение репродуктивного успеха V. destructor [24]. Во многих колониях, где развилась резистентность к паразиту, важно гигиеническое поведение пчел и уход за потомством [25].

Биологических и биотехнических методов (например, термообработка, использование вирусов, бактерий и других патогенных организмов, атакующих клещей Varroa и др. [13]) очень много, но многие из них не подтверждены исследованиями и испытаниями, либо их проводилось очень мало, поэтому перед тем, как использовать их на практике, стоит проверить, есть ли научно подтвержденные данные по этим способам борьбы.

Биоинженерные методы

Такие методы стали появляться сравнительно недавно, но играют большую роль в поиске эффективных и долго действующих лекарств для пчел и открывают новые пути для исследований в этой области. В конце января этого года в журнале Science была опубликована статья о генетически модифицированных бактериях кишечной микрофлоры медоносных пчел Snodgrassella alvi [26]. Эти бактерии позволяют запускать РНК-интерференцию у пчел и убивать клещей-паразитов Varroa. Данный метод является дешевым, простым в применении эффективным и долгосрочным в отличие от многих традиционных методов борьбы с V. destructor [27].

Заключение

Итак, сегодня мы познакомились с необычным персонажем с необычным названием, говорящим само за себя, — Varroa destructor. Destructor — разрушитель... «разрушитель» пчелиных жизней и пчелиных колоний. Клещ не только паразитирует на медоносных пчелах, имеющих огромное хозяйственное и экологическое значение, но и также переносит кучу разных вирусов, которые, в свою очередь, тоже приносят большой вред пчелам. Очевидно, что это просто так оставлять нельзя. Необходимо бороться с паразитами пчел (и не только пчел) и разрабатывать новые методы борьбы с ними.

Литература

1. Keng-Lou James Hung, Jennifer M. Kingston, Matthias Albrecht, David A. Holway, Joshua R. Kohn. (2018). The worldwide importance of honey bees as pollinators in natural habitats. Proc. R. Soc. B.. 285, 20172140;
2. Bradbear N. The importance of bees in nature. In: Bees and their role in forest livelihoods. Food and Agriculture Organization of the United Nations, Rome, 2009;
3. Bradbear N. The value of bees for crop pollination. In: Bees and their role in forest livelihoods. Food and Agriculture Organization of the United Nations, Rome, 2009;
4. Björn K. Klatt, Andrea Holzschuh, Catrin Westphal, Yann Clough, Inga Smit, et. al.. (2014). Bee pollination improves crop quality, shelf life and commercial value. Proc. R. Soc. B. 281, 20132440;
5. Hao Zheng, Margaret I. Steele, Sean P. Leonard, Erick V. S. Motta, Nancy A. Moran. (2018). Honey bees as models for gut microbiota research. Lab Anim. 47, 317-325;
6. Bees under siege from habitat loss, climate change and pesticides. (2019). Buglife;
7. Protecting pollinators from pesticides. Honey Bee Program;
8. D. Goulson, E. Nicholls, C. Botias, E. L. Rotheray. (2015). Bee declines driven by combined stress from parasites, pesticides, and lack of flowers. Science. 347, 1255957-1255957;
9. Ariela I Haber, Nathalie A Steinhauer, Dennis vanEngelsdorp. (2019). Use of Chemical and Nonchemical Methods for the Control of Varroa destructor (Acari: Varroidae) and Associated Winter Colony Losses in U.S. Beekeeping Operations. Journal of Economic Entomology. 112, 1509-1525;
10. Varroa mites (Varroatosis or Varroosis). (2015). Food and Agriculture Organization of the United Nations;
11. Species profile: Varroa destructor. (2020). Global Invasive Species Database;
12. Samuel D. Ramsey, Ronald Ochoa, Gary Bauchan, Connor Gulbronson, Joseph D. Mowery, et. al.. (2019). Varroa destructor feeds primarily on honey bee fat body tissue and not hemolymph. Proc Natl Acad Sci USA. 116, 1792-1801;
13. Peter Rosenkranz, Pia Aumeier, Bettina Ziegelmann. (2010). Biology and control of Varroa destructor. Journal of Invertebrate Pathology. 103, S96-S119;
14. Alison McAfee, Queenie WT Chan, Jay Evans, Leonard J Foster A Varroa destructor protein atlas reveals molecular underpinnings of developmental transitions and sexual differentiation — Cold Spring Harbor Laboratory;
15. Yves Le Conte, Marion Ellis, Wolfgang Ritter. (2010). Varroamites and honey bee health: canVarroaexplain part of the colony losses?. Apidologie. 41, 353-363;
16. Giuseppina Tantillo, Marilisa Bottaro, Angela Di Pinto, Vito Martella, Pietro Di Pinto, Valentina Terio. (2015). Virus infections of honeybees Apis Mellifera. Ital J Food Safety. 4;
17. Joachim R. de Miranda, Elke Genersch. (2010). Deformed wing virus. Journal of Invertebrate Pathology. 103, S48-S61;
18. Stephen J. Martin, Laura E. Brettell. (2019). Deformed Wing Virus in Honeybees and Other Insects. Annu. Rev. Virol.. 6, 49-69;
19. Коварные помощники человечества: пестициды;
20. Erik Tihelka. (2018). Effects of synthetic and organic acaricides on honey bee health: a review. SVR. 55;
21. Sabrina Rondeau, Pierre Giovenazzo, Valérie Fournier. (2018). Risk assessment and predation potential of Stratiolaelaps scimitus (Acari: Laelapidae) to control Varroa destructor (Acari: Varroidae) in honey bees. PLoS ONE. 13, e0208812;
22. Sabrina Rondeau, Pierre Giovenazzo, Valérie Fournier. (2019). The Use of the Predatory Mite Stratiolaelaps scimitus (Mesostigmata: Laelapidae) to Control Varroa destructor (Mesostigmata: Varroidae) in Honey Bee Colonies in Early and Late Fall. Journal of Economic Entomology. 112, 534-542;
23. S. Read, B. G. Howlett, B. J. Donovan, W. R. Nelson, R. F. van Toor. (2014). Culturing chelifers (Pseudoscorpions) that consume Varroa mites. J. Appl. Entomol.. 138, 260-266;
24. Melissa A.Y. Oddie, Bjørn Dahle, Peter Neumann. (2017). Norwegian honey bees surviving Varroa destructor mite infestations by means of natural selection. PeerJ. 5, e3956;
25. Jacques J. M. van Alphen, Bart Jan Fernhout. (2020). Natural selection, selective breeding, and the evolution of resistance of honeybees (Apis mellifera) against Varroa. Zoological Lett. 6;
26. Sean P. Leonard, J. Elijah Powell, Jiri Perutka, Peng Geng, Luke C. Heckmann, et. al.. (2020). Engineered symbionts activate honey bee immunity and limit pathogens. Science. 367, 573-576;
27. Robert J. Paxton. (2020). A microbiome silver bullet for honey bees. Science. 367, 504-506.