TY  - THES
A1  - Azzami, Klara
T1  - Antibakterielle und antivirale Abwehrreaktionen in unterschiedlichen Entwicklungsstadien der Honigbiene (Apis mellifera)
T1  - Antibacterial and antiviral defence reactions in different developmental stages of the honey bee (Apis mellifera)
N2  - Das angeborene Immunsystem von Insekten besteht aus einer humoralen Komponente, einer zellulären Komponente und dem Prophenoloxidase-aktivierenden System. Fast alle Erkenntnisse über das angeborene Immunsystem stammen von Arbeiten mit Modellorganismen wie z.B. Drosophila oder Anopheles gambiae. Wie genau das Immunsystem der Honigbiene (Apis mellifera) funktioniert, ist jedoch noch relativ unbekannt. In der vorliegenden Arbeit wurden die unterschiedlichen Immunreaktionen aller drei Entwicklungsstadien der Honigbiene nach artifizieller Infektion mit Gram-negativen und Gram-positiven Bakterien (Escherichia coli und Micrococcus flavus) und dem Akuten Bienen Paralyse Virus (ABPV) untersucht und verglichen. Eine E. coli-Injektion zeigt bei Larven und adulten Arbeiterinnen nur wenig Auswirkung auf das äußere Erscheinungsbild und die Überlebensrate. In beiden Entwicklungsstadien wird die humorale Immunantwort stark induziert, erkennbar an der Expression der antimikrobiellen Peptide (AMPs) Hymenoptaecin, Defensin1 und Abaecin. Zusätzlich werden allein in Jungbienen nach bakterieller Infektion vier weitere immunspezifische Proteine exprimiert. Unter anderem eine Carboxylesterase (CE1) und das Immune-Responsive Protein 30 (IRp30). Die Expression von CE1 und IRp30 zeigt dabei den gleichen zeitlichen Verlauf wie die der AMPs. In Jungbienen kommt es zudem nach E. coli-Injektion zu einer raschen Abnahme an lebenden Bakterien in der Hämolymphe, was auf eine Aktivierung der zellulären Immunantwort schließen lässt. Ältere Bienen und Winterbienen zeigen eine stärkere Immunkompetenz als Jungbienen. Selbst nicht-infizierte Winterbienen exprimieren geringe Mengen der immunspezifischen Proteine IRp30 und CE1. Die Expression von IRp30 kann dabei durch Verwundung oder Injektion von E. coli noch gesteigert werden. Eine weitere Besonderheit ist die im Vergleich zu Jungbienen raschere Abnahme an lebenden Bakterien in der Hämolymphe bis hin zur vollständigen Eliminierung. Die Reaktion von Puppen auf eine bakterielle Infektion war völlig unerwartet. Nach Injektion von E. coli-Zellen kommt es innerhalb von 24 h p.i. zu einem tödlichen Kollaps, der sich in einer Graufärbung des gesamten Puppenkörpers äußert. Da keine Expression von AMPs nachzuweisen war, wird die humorale Immunantwort offensichtlich nicht induziert. Auch die zelluläre Immunantwort scheint nicht aktiviert zu werden, denn es konnte keine Abnahme an lebenden E. coli-Zellen beobachtet werden. Aufgrund dieser fehlenden Immunreaktionen vermehrt sich E. coli im Hämocoel infizierter Puppen und scheint damit deren Tod herbeizuführen. Nach viraler Infektion wurden in allen drei Entwicklungsstadien der Honigbiene gänzlich andere Reaktionen beobachtet als nach bakterieller Infektion. Bei dem verwendeten Akuten Bienen Paralyse Virus (ABPV) handelt es sich um ein Picorna-ähnliches Virus, dessen Vermehrung in der Hämolymphe über die massive Synthese der Capsidproteine verfolgt werden kann. Eine Injektion von sehr wenigen ABPV-Partikeln ins Hämocoel hat dramatische Auswirkungen auf Larven. Nach Virusinjektion kommt es innerhalb weniger Stunden zu einer raschen Virusvermehrung und schon 24 h p.i. zum Tod, häufig begleitet von einer Schwarzfärbung der gesamten Larve. Kurz vor dem Ableben kommt es neben dem Abbau hochmolekularer Speicherproteine zur Expression zahlreicher Proteine, die u.a. an der Translation oder dem Schutz vor oxidativem Stress beteiligt sind. Auf Jungbienen hat eine ABPV-Infektion keine so dramatischen Auswirkungen wie auf Larven. Sie zeigen lediglich Zeichen von Paralyse, zudem überleben sie länger bei höheren injizierten Partikelzahlen, die Virusvermehrung ist langsamer und es kommt zu keiner starken Veränderung des Hämolymph-Proteinmusters. Es konnte gezeigt werden, dass es in ABPV-infizierten Larven oder adulten Bienen zu keiner erkennbaren Aktivierung des humoralen Immunsystems in Form von exprimierten AMPs kommt. Zudem scheint die humorale Immunantwort auch nicht unterdrückt zu werden, denn nach gleichzeitiger Injektion von E. coli und ABPV kommt es neben der Expression viraler Capsidproteine auch zur Expression von AMPs. Zusätzlich konnte in Jungbienen nach Infektion mit ABPV eine zelluläre Immunantwort in Form von Nodulation ausgeschlossen werden. Ältere Bienen scheinen nicht nur mit bakteriellen Infektionen, sondern auch mit einer ABPV-Infektion besser zurechtzukommen. Bei einer Menge an ABPV-Partikeln, die in Jungbienen spätestens 72 h p.i. zum Tod führt, ist in Winterbienen eine Virusvermehrung erst ab 96 h p.i. erkennbar und diese beeinträchtigt die Überlebensrate kaum. Puppen sind einer Virusinfektion genauso schutzlos ausgeliefert wie einer Bakterieninfektion. Es kommt zwar zu keiner starken Änderung des äußeren Erscheinungsbildes, jedoch bleiben Puppen in ihrer Entwicklung komplett stehen. Das Virus muss sich daher stark vermehren, allerdings nicht überwiegend - wie bei Larven und adulten Bienen - in der Hämolymphe.
N2  - The innate immune system of insects comprises of a humoral component, a cellular component and the prophenoloxidase-activating system. Almost all knowledge about the innate immune system derives from model organisms like Drosophila or Anopheles gambiae. The exact mechanisms of the innate immune system of the honey bee (Apis mellifera) have yet to be discovered. This work investigates and compares the immune reactions of all three developmental stages of the honey bee after artificial infection with Gram-negative (Escherichia coli) and the Acute bee paralysis virus (ABPV). After injection of E. coli neither a change in the outer appearance nor a significant reduction of the survival rate of larvae or adult worker bees can be observed. In both developmental stages, a strong induction of the humoral immune response visible by the expression of the antimicrobial peptides (AMPs) hymenoptaecin, defensin1 and abaecin occurs. However, bacterial challenge of young adult worker bees leads to the expression of additional immune-specific proteins: a carboxylesterase (CE1) and the immune-responsive protein (IRp30). The expressions of CE1 and IRp30 show the same time course as the expression of AMPs. Furthermore, after injection of E. coli-cells into the haemocoel of young adult worker bees a fast decrease of living bacteria in the haemolymph could be observed. Older bees show a stronger immune competence in many ways. In winter bees even non-infected individuals express constitutively low amounts of the immune-responsive proteins IRp30 and CE1. The expression of IRp30 can still be enhanced by wounding or injection of E. coli. Moreover, older bees display a drastic reduction of living bacteria in the haemolymph as compared to young adult worker bees resulting in an almost complete elimination. Pupae in contrast react surprisingly different to a bacterial challenge. Injection of living E. coli-cells leads to a deadly collapse within 24 h p.i. accompanied by a colour change of the whole pupal body from white to grey. Since no visible expression of AMPs could be detected, the humoral immune response obviously was not induced. The same appears to be true for the cellular immune response, as no decrease in living E. coli-cells was observed upon infection. Because of this lack of humoral and cellular immune reactions, E. coli can proliferate in the haemocoel of infected pupae and potentially cause their death. All three developmental stages of the honey bee show completely different reactions to a viral infection than to a bacterial challenge. The Acute bee paralysis virus (ABPV) used in this study is a picorna-like virus with a positive, single-stranded RNA-genome and a non-enveloped protein capsid. Its proliferation in the haemocoel can be monitored by a massive synthesis of capsid proteins in the haemolymph. In contrast to a bacterial challenge, injection of only a few ABPV-particles into the haemocoel has tremendous effects on larvae. Injection of viral particles leads to a strong viral multiplication within hours and to death 24 h p.i. often accompanied by a colour change of the whole larva from pale-white to black. In addition to a visible degradation of high-molecular storage proteins shortly before the larvae die, the expression of proteins involved in translation or protection against oxidative stress can be observed. Young adult worker bees do not show such a tremendous reaction as larvae to a viral infection. They just display signs of paralysis. In contrast to larvae, young adult worker bees show better survival rates for higher numbers of injected virus-particles, the viral multiplication proceeds slower and there is no strong visible change of the haemolymph protein pattern. It could be demonstrated that no expression of AMPs and therefore no detectable activation of the humoral immune system by the virus occurs. But the humoral immune reponse also does not seem to be suppressed, since a simultaneous injection of E. coli and ABPV leads to the expression of viral capsid proteins in concert with the expression of AMPs. Additionally, nodulation, a prominent cellular immune response of young adult worker bees to bacterial infection, is likewise not initiated by ABPV-infection. Older bees apparently are not only capable of better fighting a bacterial infection, but also in surviving an ABPV-infection. Injection of an amount of viral particles leading to death of young adult worker bees within 72 h p.i., only leads to just detectable amounts of virus in winter bees 96 h p.i.. At the same time, the survival rate is not more impaired than after E. coli-injection. Pupae are as susceptible to a viral infection as to bacterial challenge. Although there is no strong visible change in the outer appearance, the pupaes’ development ceases within 3 d p.i.. This is possibly due to a strong multiplication of the virus, but obviously not mainly in the haemolymph, as it can be observed in larvae and adult bees as well.
KW  - Biene
KW  - Akute Paralyse <Bienenkrankheit>
KW  - Immunsystem
KW  - Akutes Bienen Paralyse Virus
KW  - angeborenes Immunsystem
KW  - honey bee
KW  - Acute bee paralysis virus
KW  - innate immune system
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-66452
ER  - 
TY  - THES
A1  - Münz, Thomas Sebastian
T1  - Aspects of neuronal plasticity in the mushroom body calyx during adult maturation in the honeybee Apis mellifera
T1  - Aspekte neuronaler Plastizität im Pilzkörper kalyx während der Adultreifung der Honigbiene Apis mellifera
N2  - Division of labor represents a major advantage of social insect communities that accounts for their enormous ecological success. In colonies of the honeybee, Apis mellifera, division of labor comprises different tasks of fertile queens and drones (males) and, in general, sterile female workers. Division of labor also occurs among workers in form of an age-related polyethism. This helps them to deal with the great variety of tasks within the colony. After adult eclosion, workers spend around three weeks with various duties inside the hive such as tending the brood or cleaning and building cells. After this period workers switch to outdoor tasks and become foragers collecting nectar, pollen and water. With this behavioral transition, workers face tremendous changes in their sensory environment. In particular, visual sensory stimuli become important, but also the olfactory world changes. Foragers have to perform a completely new behavioral repertoire ranging from long distance navigation based on landmark orientation and polarized-skylight information to learning and memory tasks associated with finding profitable food sources. However, behavioral maturation is not a purely age-related internal program associated with a change, for example, in juvenile hormone titers. External factors such as primer pheromones like the brood pheromone or queen mandibular pheromone can modulate the timing of this transition. In this way colonies are able to flexibly adjust their work force distribution between indoor and outdoor tasks depending on the actual needs of the colony. Besides certain physiological changes, mainly affecting glandular tissue, the transition from indoor to outdoor tasks requires significant adaptations in sensory and higher-order integration centers of the brain. 
The mushroom bodies integrate olfactory, visual, gustatory and mechanosensory information. Furthermore, they play important roles in learning and memory processes. It is therefore not surprising that the mushroom bodies, in particular their main input region, the calyx, undergo volumetric neuronal plasticity. Similar to behavioral maturation, plastic changes of the mushroom bodies are associated with age, but are also to be affected by modulating factors such as task and experience. 
In my thesis, I analyzed in detail the neuronal processes underlying volumetric plasticity in the mushroom body. Immunohistochemical labeling of synaptic proteins combined with quantitative 3D confocal imaging revealed that the volume increase of the mushroom body calyx is largely caused by the growth of the Kenyon cell dendritic network. This outgrowth is accompanied by changes in the synaptic architecture of the mushroom body calyx, which is organized in a distinct pattern of synaptic complexes, so called microglomeruli. During the first week of natural adult maturation microglomeruli remain constant in total number. With subsequent behavioral transition from indoor duties to foraging, microglomeruli are pruned while the Kenyon cell dendritic network is still growing. As a result of these processes, the mushroom body calyx neuropil volume enlarges while the total number of microgloumeruli becomes reduced in foragers compared to indoor workers. In the visual subcompartments (calyx collar) this process is induced by visual sensory stimuli as the beginning of pruning correlates with the time window when workers start their first orientation flights. The high level of analysis of cellular and subcellular process underlying structural plasticity of the mushroom body calyx during natural maturation will serve as a framework for future investigations of behavioral plasticity in the honeybee. 
The transition to foraging is not purely age-dependent, but gets modulated, for example, by the presence of foragers. Ethyl oleate, a primer pheromone that is present only in foragers, was shown to delay the onset of foraging in nurse bees. Using artificial application of additional ethyl oleate in triple cohort colonies, I tested whether it directly affects adult neuronal plasticity in the visual input region of the mushroom body calyx. As the pheromonal treatment failed to induce a clear behavioral phenotype (delayed onset of foraging) it was not possible to show a direct link between the exposure to additional ethyl oleate and neuronal plasticity in mushroom body calyx. However, the general results on synaptic maturation confirmed my data of natural maturation processes in the mushroom body calyx.
Given the result that dendritic plasticity is a major contributor to neuronal plasticity in the mushroom body calyx associated with division of labor, the question arose which proteins could be involved in mediating these effects. Calcium/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII) especially in mammals, but also in insects (Drosophila, Cockroach), was shown to be involved in facilitating learning and memory processes like long-term synaptic potentiation. In addition to presynaptic effects, the protein was also revealed to directly interact with cytoskeleton elements in the postsynapse. It therefore is a likely candidate to mediate structural synaptic plasticity. As part of my thesis, the presence and distribution of CaMKII was analyzed, and the results showed that the protein is highly concentrated in a distinct subpopulation of the mushroom body intrinsic neurons, the noncompact Kenyon cells. The dendritic network of this population arborizes in two calyx subregions: one receiving mainly olfactory input – the lip – and the collar receiving visual input. This distribution pattern did not change with age or task. The high concentration of CaMKII in dendritic spines and its overlap with f-actin indicates that CaMKII could be a key player inducing structural neuronal plasticity associated with learning and memory formation and/or behavioral transitions related to division of labor. Interestingly CaMKII immunoreactivity was absent in the basal ring, another subregion of the mushroom body calyx formed almost exclusively by the inner compact Kenyon cells and known to receive combined visual and olfactory input. This indicates differences of this mushroom body subregion regarding the molecular mechanisms controlling plastic changes in corresponding Kenyon cells.
How is timing of behavioral and neuronal plasticity regulated? The primer pheromone ethyl oleate was found in high concentrations on foragers and was shown to influence behavioral maturation by delaying the onset of foraging when artificially applied in elevated concentrations. But how is ethyl oleate transferred and how does it shift the work force distribution between indoor and outdoor tasks? Previous work showed that ethyl oleate concentrations are highest in the honeycrop of foragers and suggested that it is transferred and communicated inside the colony via trophallaxis. The results of this thesis however clearly show, that ethyl oleate was not present inside the honey crop or the regurgitate, but rather in the surrounding tissue of the honey crop. As additionally the second highest concentration of ethyl oleate was measured on the surface of the cuticle of forgers, trophallaxis was ruled out as a mode of transmission. Neurophysiological measurements at the level of the antennae (electroantennogram recordings) and the first olfactory neuropil (calcium imaging of activity in the antennal lobe) revealed that the primer pheromone ethyl oleate is received and processed as an olfactory stimulus. Appetitive olfactory conditioning using the proboscis extension response as a behavioral paradigm showed that ethyl oleate can be associated with a sugar reward. This indicates that workers are able to perceive, learn and memorize the presence of this pheromone. As ethyl oleate had to be presented by a heated stimulation device at close range, it can be concluded that this primer pheromone acts via close range/contact chemoreception through the olfactory system. This is also supported by previous behavioral observations.      
Taken together, the findings presented in this thesis revealed structural changes in the synaptic architecture of the mushroom body calyx associated with division of labor. For the primer pheromone ethyl oleate, which modulates the transition from nursing to foraging, the results clearly showed that it is received via the olfactory system and presumably acts via this pathway. However, manipulation experiments did not indicate a direct effect of ethyl oleate on synaptic plasticity.  At the molecular level, CaMKII is a prime candidate to mediate structural synaptic plasticity in the mushroom body calyx. Future combined structural and functional experiments are needed to finally link the activity of primer pheromones like ethyl oleate to the molecular pathways mediating behavioral and synaptic plasticity associated with division of labor in Apis mellifera. The here identified underlying processes will serve as excellent models for a general understanding of fundamental mechanisms promoting behavioral plasticity.
N2  - Arbeitsteilung stellt einen der wesentlichen Faktoren dar, der für den ökologischen Erfolg von sozialen Insektengemeinschaften verantwortlich ist. In Staaten der Honigbiene, Apis mellifera, umfasst die Arbeitsteilung verschiedene Aufgaben für die fertilen Königinnen und Drohnen (Männchen) beziehungsweise die gewöhnlicherweise sterilen Arbeiterinnen. Arbeitsteilung findet aber auch in Form eines altersabhängigen Polyethismus zwischen den Arbeiterinnen selber statt. Dies hilft ihnen die Vielzahl verschiedener Aufgaben im Stock zu bewältigen. Nach dem Schlupf verbringen die Arbeiterinnen etwa drei Wochen mit verschiedenen Aufgaben im Stock, wie beispielsweise Brutpflege oder Reinigen und Bauen neuer Wabenzellen. Nach dieser Zeit wechseln die Arbeiterinnen zu Aufgaben außerhalb des Stocks und werden Nektar-, Pollen- oder Wassersammlerinnen. Durch diesen Verhaltensübergang sind die Arbeiterinnen mit einem massiven Wandel ihrer sensorischen Umwelt konfrontiert. Im speziellen werden nun visuelle Reize wichtig, aber auch die olfaktorische Welt der Arbeiterinnen ändert sich. Sammlerinnen zeigen ein komplett neues Verhaltensrepertoire das von Langstreckennavigation, basierend Landmarken und dem Polarisationsmuster des Himmels, bishin zu Lern- und Gedächtnisaufgaben im Zusammenhang mit dem Auffinden profitabler Futterquellen reicht. Allerdings ist Verhaltensreifung kein rein altersbedingtes internes Programm beispielsweise basierend auf einer Veränderung des Juvenilhormon-Titers. Externe Faktoren wie beispielsweise die Primer Pheromone Brutpheromone oder Königinnenpheromon können den Zeitpunkt des Übergangs modulieren. Hierdurch sind Staaten in der Lage ihre Arbeiterkräfte flexibel zwischen Innen- und Außendienst Aufgaben zu verschieben. Neben bestimmten physiologischen Veränderungen, die vor allem Drüsengewebe betreffen, benötigt der Übergang vom Innendienst zum Außendienst deutliche Anpassungen sensorischer und höherer Integrationszentren im Gehirn. 
Die Pilzkörper integrieren olfaktorische, visuelle und mechanosensorische Informationen. Sie spielen weiterhin eine wichtige Rolle für Lern- und Gedächtnisvorgänge. Es ist daher nicht überraschend, dass die Pilzkörper, im Speziellen deren Haupteingangsregion, der Kalyx,  eine neuronale Volumensplastizität durchlaufen. Ähnlich wie die Verhaltensreifung, sind plastische Veränderungen im Pilzkörper mit dem Alter verbunden, werden aber auch durch modulierende Faktoren wie Aufgabe und Erfahrungen beeinflusst.
In meiner Dissertation habe ich detailliert die neuronalen Prozesse analysiert, die der Volumensplastizität des Pilzkörpers zugrunde liegen. Immunhistologische Färbungen synaptischer Proteine kombiniert mit quantitativer 3D Konfokalmikroskopie zeigten, dass die Volumenszunahme des Pilzkörpers hauptsächlich durch dendritisches Wachstum des Kenyon-Zellen-Netzwerks bedingt ist. Dieses Auswachsen wurde begleitet durch Veränderungen der synaptischen Architektur des Kalyx des Pilzkörpers, welcher in Form synaptischer Komplexe, sogenannter Mikroglomeruli organisiert ist. Während der ersten Woche der Adultreifung blieb die Gesamtzahl der Mikroglomeruli konstant. Im folgenden Verhaltensübergang von Innendienstaufgaben zum Sammeln, wurden die Mikroglomeruli zurückgetrimmt, während das dendritische Kenyon-Zell-Netzwerk weiterhin wuchs. Als Ergebnis dieser Prozesse vergrößerte sich das Volumen des Kalyx des Pilzkörpers während die Gesamtzahl der Mikroglomeruli bei Sammlerinnen im Vergleich zu Inndienst Arbeiterinnen reduziert war. In der visuellen Unterregion (Kragen des Kalyx) wurde dieser Prozess induziert durch sensorische Stimuli, da der Beginn des Zurücktrimmens mit dem Zeitfenster zusammenfiel, in dem die Arbeiterinnen ihre ersten Orientierungsflüge starteten. Der hohe Analysegrad der zellulären und subzellulären Prozesse, die der strukturellen Plastizität des Kalyx des Pilzkörpers während der natürlichen Reifung zugrunde liegen, wird zukünftigen Untersuchungen der Verhaltensplastizität bei Honigbienen als Referenz dienen. 
Der Übergang zur Sammlerin ist nicht rein altersabhängig, sondern wird beispielsweise durch die Gegenwart von anderen Sammlerinnen moduliert. Ethyloleat, ein Primer Pheromone das nur auf Sammlerinnen auftritt, verzögert das Einsetzen des Sammelns von Ammenbienen. Durch das Einbringen zusätzlichen Ethyloleats in Dreifach Kohorten, testete ich, ob es einen direkten Einfluss auf die neuronale Plastizität der visuellen Eingangsregion des Pilzkörper Kalyx hat. Da durch die Pheromon Behandlung kein eindeutiger Verhaltensphänotyp (verzögerter Sammelbeginn) induziert werden konnte, war es nicht möglich einen direkten Zusammenhang zwischen der verstärkten Ethyloleat-Exposition und der neuronalen Plastizität des Kalyx des Pilzkörpers herzustellen. Dennoch bestätigten die Beobachtungen der synaptischen Reifung meine generellen Daten zu den natürlichen Reifungsprozessen im Kalyx des Pilzkörper.
Basierend auf dem Ergebnis, dass dendritische Plastizität einen wesentlichen Anteil an der arbeitsteilungsbezogenen neuronalen Plastizität des Kalyx des Pilzkörper hat, stellte sich die Frage, welche Proteine daran beteiligt sein könnten diese Effekte zu vermitteln. Von der Calcium/Calmodulin abhängigen Kinase II (CaMKII) ist bekannt, dass sie speziell bei Säugetieren - aber bei Insekten (Drosophila, Schabe) - daran beteiligt ist, Lern- und Gedächtnisvorgänge, wie die Langzeitpotenzierung, zu ermöglichen. Neben präsynaptischen Effekten, wurde gezeigt, dass dieses Protein direkt mit Elementen des postsynaptischen Cytoskeletts interagieren kann. Als Teil meiner Dissertation habe ich das Vorkommen und die Verteilung der CaMKII analysiert. Ich konnte es hochkonzentriert in einer definierten Subpopulation der intrinsischen Pilzkörper-Neurone, den „nicht kompakten“ Kenyon Zellen, nachweisen. Das dendritische Netzwerk dieser Population verzweigt sich in zwei Kalyx Subregionen: eine olfaktorisch innervierte – die Lippe – und den Kragen, welcher optischen Eingang erfährt. Dieses Verteilungsmuster ändert sich nicht mit dem Alter oder der Aufgabe der Biene. Die hohe Konzentration von CaMKII in den dendritsichen Dornenfortsätzen und die gleichzeitige räumliche Überlappung mit f-Aktin, weisen darauf hin, dass CaMKII eine Schüsselrolle bei der Induzierung struktureller neuronaler Plastizität im Zusammenhang mit Lernen und Gedächtnisbildung und/oder Arbeitsteilung bezogener Verhaltensübergänge, zukommen könnte. Interessanterweise wies der Basalring, eine weitere Subregion des Kalyx des Pilzkörpers die dafür bekannt ist kombinierten visuellen und olfaktorischen Eingang zu erhalten und fast ausschließlich durch die „inneren kompakten“ Kenyon Zellen gebildet wird, keine Immunreaktivität auf. Dies deutet auf Unterschiede in den molekularen Mechanismen die plastische Veränderungen in den entsprechenden Kenyon zellen kontrollieren.
 Wie wird die zeitliche Abstimmung der Verhaltensplastizität und neuronalen Plastizität reguliert? Für das in hohen Konzentration auf Sammlerinnen vorkommende Primer Pheromon Ethyloelat konnte durch dessen Anwendung in erhöhten Konzentrationen gezeigt werden, dass es die Verhaltensreifung durch Verzögerung des  Sammelbeginns beeinflussen kann. Wie aber wird Ethyloleat transferiert und wie verschiebt es die Arbeitskräfteverteilung zwischen Innen- und Außendienst Aufgaben? Frühere Arbeiten zeigten die höchste Konzentration von Ethyloleat im Sozialmagen der Sammlerinnen und schlugen vor, dass es innerhalb der Kolonie über Trophollaxis transferiert und kommuniziert wird. 
Die Ergebnisse meiner Arbeit zeigten aber eindeutig, dass Ethyloleat nicht im Inhalt des Sozialmagen und auch nicht im Regurgitat, sondern nur im Gewebe des Sozialmagens vorhanden ist. Da zusätzlich die zweithöchste Konzentration von Ethyloleat auf der Oberfläche der Kutikula von Sammlerinnen gemessen wurde, wurde Trophollaxis als Übertragungsmodus ausgeschlossen. Neurophysiologische Messungen an der Antenne (Elektroantennografie), dem ersten olfaktorischen Neuropil (Calcium Imaging der Aktivität des Antennallobus), zeigten, dass Ethyloleat als olfaktorischer Reiz wahrgenommen und prozessiert wird. Appetitive olfaktorische Konditionierung mit Hilfe des Rüsselstreckreflexes wurde als Verhaltensparadigma verwendet um zu zeigen, dass Ethyloleat mit einer Zuckerbelohnung assoziiert werden kann. Dies deutet darauf hin, dass Arbeiterinnen in der Lage sind, die Anwesenheit dieses Pheromons zu perzipieren, zu erlernen und sich auch daran zu erinnern. Da Ethyloleat nur durch Erwärmung als Stimulus präsentiert werden konnte, lässt sich schlussfolgern, dass es über Nahbereichs/Kontakt-Chemorezeption durch das olfaktorische System wahrgenommen wird. Dies wird auch durch frühere Verhaltensbeobachtungen unterstützt.
Zusammengenommen, zeigen die in dieser Dissertation präsentierten Ergebnisse strukturelle Veränderungen in der synaptischen Architektur des Kalyx des Pilzkörpers in Zusammenhang mit Arbeitsteilung. Für das Primer Pheromone Ethyloleat, welches den Übergang von Ammendiensten zum Sammeln moduliert, zeigten die Ergebnisse eindeutig, dass es über das olfaktorische System wahrgenommen wird und vermutlich auch über diesen Weg seine Wirkung vermittelt. Dennoch konnten Manipulationsexperimente keine direkte Verbindung zwischen Ethyloleat und der synaptischen Reifung herstellen. Auf molekularer Ebene stellt CaMKII einen Topkandidaten dar, der strukturelle synaptische Plastizität im Kalyx des Pilzkörpers vermitteln kann. Eine Kombination struktureller und funktioneller Experimente ist der nächste logische Schritt um schlussendlich die Verbindung zwischen der Aktivität von Primer Pheromonen (wie Ethyloleat) und molekularen Signalwegen, die Verhaltensplastizität und synaptische Plastizität im Zusammenhang mit der Arbeitsteilung von Apis mellifera vermitteln, herzustellen. Die hierbei identifizierten zugrundeliegenden Prozesse werden als exzellente Modelle für ein generelles Verständnis der fundamentalen Mechanismen welche Verhaltensplastizität vermitteln, dienen.
KW  - Biene
KW  - Neuronale Plastizität
KW  - Pheromon
KW  - Neuronal plasticity
KW  - Honeybee
KW  - Pheromon communication
KW  - CaMKII
KW  - Division of labor
KW  - Neuronale Plastizität
KW  - Honigbiene
KW  - Pheromon Kommunikation
KW  - Arbeitsteilung
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-111611
ER  - 
TY  - THES
A1  - Seitz, Nicola
T1  - Bee demise and bee rise: From honey bee colony losses to finding measures for advancing entire bee communities
T1  - Bienenschwund und Bienenaufschwung: Von Honigbienen-Kolonieverlusten zur Förderung von gesamten Bienengemeinschaften
N2  - My dissertation comprises three studies: (1) an assessment of honey bee colony losses in the USA between 2014 and 2015, (2) an exploration of the potential of reclaimed sand mines as bee habitat, and (3) an evaluation of native and non-native pollinator friendly plants in regard to their attraction to bees. While the first study focuses on honey bees, the latter two studies primarily take wild bees or entire bee communities in focus.

The study on honey bee colony losses was conducted within the framework of the Bee Informed Partnership (BIP, beeinformed.org) and aligns with the annual colony loss surveys which have been conducted in the USA since the winter of 2006/2007. It was the fourth year for which summer and annual losses were calculated in addition to winter losses. Among participants, backyard beekeepers were the largest group (n = 5690), although sideline (n = 169) and commercial (n = 78) beekeepers managed the majority (91.7 %) of the 414 267 surveyed colonies. Overall, 15.1 % of the estimated 2.74 million managed colonies in the USA were included in the study. Total honey bee colony losses (based on the entirety of included colonies) were higher in summer (25.3 %) than in winter (22.3 %) and amounted to 40.6 % for the entire 2014/2015 beekeeping year. Average colony losses per beekeeper or operation were higher in winter (43.7 %) than in summer (14.7 %) and amounted to 49 % for the entire 2014/2015 beekeeping year. Due to the dominance of backyard beekeepers among participants, average losses per operation (or unweighted loss) stronger reflected this smaller type of beekeeper. Backyard beekeepers mainly named colony management issues (e.g., starvation, weak colony in the fall) as causes for mortality, while sideline and commercial beekeepers stronger emphasized parasites or factors outside their control (e.g., varroa, nosema, queen failure).

The second study took place at reclaimed sand mines. Sand mines represent anthropogenically impacted habitats found worldwide, which bear potential for bee conservation. Although floral resources can be limited at these habitats, vegetation free patches of open sandy soils and embankments may offer good nesting possibilities for sand restricted and other bees. We compared bee communities as found in three reclaimed sand mines and at adjacent roadside meadows in Maryland, USA, over two years. Both sand mines and roadsides hosted diverse bee communities with 111 and 88 bee species, respectively. Bee abundances as well as richness and Shannon diversity of bee species were higher in sand mines than at roadsides and negatively correlated with the percentage of vegetational ground cover. Species composition also differed significantly between habitats. Sand mines hosted a higher proportion of ground nesters, more uncommon and more ‘sand loving’ bees similar to natural sandy areas of Maryland. Despite the destruction of the original pre-mining habitat, sand mines thus appear to represent a unique habitat for wild bees, particularly when natural vegetation and open sand spots are encouraged. Considering habitat loss, the lack of natural disturbance regimes, and ongoing declines of wild bees, sand mines could add promising opportunities for bee conservation which has hitherto mainly focused on agricultural and urban habitats.

The third study was an experimental field study on pollinator friendly plants. Bees rely on the pollen and nectar of plants as their food source. Therefore, pollinator friendly plantings are often used for habitat enhancements in bee conservation. Non-native pollinator friendly plants may aid in bee conservation efforts, but have not been tested and compared with native pollinator friendly plants in a common garden experiment. In this study, we seeded mixes of 20 native and 20 non-native pollinator friendly plants in two separate plots at three sites in Maryland, USA. For two years, we recorded flower visitors to the plants throughout the blooming period and additionally sampled bees with pan traps. A total of 3744 bees (120 species) were sampled in the study. Of these, 1708 bees (72 species) were hand netted directly from flowers for comparisons between native and non-native plants. Depending on the season, bee abundance and species richness was either similar or lower (early season and for richness also late season) at native plots compared to non-native plots. Additionally, the overall bee community composition differed significantly between native and non-native plots. Furthermore, native plants were associated with more specialized plant-bee visitation networks compared to non-native plants. In general, visitation networks were more specialized in the early season than the later seasons. Four species (Bombus impatiens, Halictus poeyi/ligatus, Lasioglossum pilosum, and Xylocopa virginica) out of the five most abundant bee species (also including Apis mellifera) foraged more specialized on native than non-native plants. Our study showed that non-native plants were well accepted by a diverse bee community and had a similar to higher attraction for bees compared to native plants. However, we also demonstrated alterations in foraging behavior, bee community assemblage, and visitation networks. As long as used with caution, non-native plants can be a useful addition to native pollinator friendly plantings. This study gives a first example of a direct comparison between native and non-native pollinator friendly plants.
N2  - Meine Dissertation umfasst drei Studien: (1) eine Erfassung von Honigbienen-Kolonieverlusten in den USA zwischen 2014 und 2015, (2) die Erforschung des Potenzials renaturierter Sandminen als Habitat für Bienen und (3) eine Evaluierung nativer sowie standortfremder bestäuberfreundlicher Pflanzen hinsichtlich ihrer Attraktivität für Bienen. Während die erste Studie Honigbienen im Fokus hat, verschiebt sich der Fokus der zwei weiteren Studien hin zu Wildbienen bzw. gesamten Bienengemeinschaften.

Die Studie zu Honigbienenkolonieverlusten wurde im Rahmen des Bee Informed Partnerships (BIP, beeinformed.org) durchgeführt und reiht sich ein in die seit dem Winter 2006/2007 jährlich durchgeführten Untersuchungen in den USA. Es ist das vierte Jahr in dem Sommer- und Jahresverluste zusätzlich zu den Winterverlusten kalkuliert wurden. Unter den Teilnehmern bildete die Gruppe der Hobby-Imker den größten Anteil (n = 5690), obwohl nebenberufliche (n = 169) und kommerzielle (n = 78) Imker den Großteil (91,7 %) der 414 267 begutachteten Bienenvölkern bzw. Kolonien hielten. Insgesamt enthielt die Studie 15,1 % der auf 2,74 Mio. geschätzten Gesamtzahl an gehaltenen Bienenvölkern in den USA. Die Gesamtverluste an Honigbienenvölkern (basierend auf der Gesamtheit der erfassten Völker) waren im Sommer mit 25,3 % höher als im Winter mit 22,3 % und bezifferten sich auf 40,6 % für das gesamte Imkerjahr in 2014/2015. Durchschnittliche Kolonieverluste pro Imkerbetrieb waren höher im Winter (43,7 %) als im Sommer (14,7 %) und betrugen 49 % für das gesamte Imkerjahr in 2014/2015. Aufgrund der hohen Anzahl an Hobby-Imkern unter den Teilnehmern reflektieren die durchschnittlichen Kolonieverluste pro Imkerbetrieb (oder ungewichtete Verluste) v.a. die Situation dieser kleineren Imkerbetriebe. Hobby-Imker nannten als Gründe für die Honigbienenmortalität hauptsächlich Probleme des Koloniemanagements (z.B. Verhungerung, schwache Völker im Herbst), während nebenberufliche und kommerzielle Imker stärker Faktoren betonten, die außerhalb ihrer Kontrolle lagen (z.B. Varroamilben, Nosemasporen, Versagen der Königin).

Die zweite Studie fand in renaturierten Sandminen statt. Sandminen sind weltweit zu findende anthropogen veränderte Landschaften, die ein Potenzial für Bienenschutz haben. Obwohl florale Ressourcen in diesen Habitaten limitiert sein können, könnten die vegetationsfreien Flecken auf offenen Sandböden und Böschungen gute Nistplätze für auf Sand spezialisierte und andere Bienen bieten. Wir haben Bienengemeinschaften aus drei renaturierten Sandminen sowie jeweils nahe gelegenen bepflanzten Straßenrändern in Maryland, USA verglichen. Sowohl die Sandminen als auch die Straßenränder enthielten vielfältige Bienengemeinschaften mit 111 (Sandminen) und 88 (Straßenränder) Bienenarten. Bienenabundanz, Artenreichtum und Shannon Diversität waren höher in den Sandminen als an den Straßenrändern und korrelierten negativ mit dem Anteil an vorhandener Bodenvegetation. Darüber hinaus unterschied sich die Artzusammensetzung signifikant zwischen den beiden Habitattypen. Sandminen enthielten einen größeren Anteil an Bodennistern, mehr seltene Arten und mehr sandliebende Arten, ähnlich natürlicher sandiger Gebiete in Maryland. Trotz der Zerstörung des ursprünglichen prä-Minen Habitats, scheinen Sandminen daher ein einzigartiges Bienenhabitat für Wildbienen darzustellen, besonders wenn die natürliche Besiedlung von Vegetation und offene Sandflächen gefördert werden. Im Hinblick auf Habitatverluste, auf das Fehlen von natürlichen Landschaftsstörungen und auf den weiterschreitenden Rückgang an Wildbienen, könnten Sandminen eine vielversprechende Möglichkeit für Bienenschutz darstellen, der sich bisher stark auf landwirtschaftliche und urbane Habitate konzentrierte.

Bei der dritten Studie handelt es sich um eine experimentelle Feldstudie zu bestäuberfreundlichen Pflanzen. Bienen sind auf Pollen und Nektar von Pflanzen als Nahrungsquelle angewiesen. Aus diesem Grund werden bestäuberfreundliche Pflanzen oft für Habitatverbesserungen im Rahmen von Bienenschutzmaßnahmen gepflanzt. Standortfremde bestäuberfreundliche Pflanzen können dabei die Bienenschutzmaßnahmen unterstützen, wurden aber bisher nicht in einem Common Garden Experiment zusammen mit nativen bestäuberfreundlichen Pflanzen getestet bzw. verglichen. In dieser Studie haben wir Saatgutmischungen mit jeweils 20 nativen und 20 standortfremden Pflanzen in zwei separaten Plots in drei Gebieten in Maryland, USA ausgesät. Zwei Jahre lang protokollierten wir über die gesamten Blühzeiträume hinweg Pflanzenbesucher und sammelten Bienen mit Farbschalen. Insgesamt erfassten wir 3744 Bienen (120 Arten), von denen 1708 Individuen (72 Arten) per Hand direkt von den Blüten gesammelt wurden für die Vergleiche zwischen nativen und standortfremden Pflanzen. Abhängig von der Saison waren Bienenabundanz und Artenreichtum entweder ähnlich oder niedriger (frühe Saison und für Artenreichtum auch späte Saison) in nativen Plots verglichen mit den standortfremden Plots. Zusätzlich unterschied sich die Zusammensetzung der Bienengemeinschaft signifikant zwischen nativen und standortfremnden Pflanzen. Darüber hinaus waren die Bienen-Pflanzen-Besuchs-Netzwerke nativer Pflanzen spezialisierter als die Besuchs-Netzwerke standortfremder Pflanzen. Im Allgemeinen waren die Besuchs-Netzwerke in der frühen Saison spezialisierter als in der späten Saison. Vier Arten (Bombus impatiens, Halictus poeyi/ligatus, Lasioglossum pilosum, und Xylocopa virginica) der fünf am häufigsten vorkommenden Arten (zusätzlich auch Apis mellifera) fouragierten spezialisierter auf nativen Pflanzen als auf standortfremden Pflanzen. Unsere Studie zeigte, dass standortfremde Pflanzen weitläufig von einer artenreichen Bienengemeinschaft angenommen wurden und eine ähnliche bis höhere Attraktivität für Bienen aufwiesen verglichen mit nativen Pflanzen. Allerdings demonstrierten wir auch Änderungen im Fouragierverhalten, in der Zusammensetzung der Bienengemeinschaft und in den Besuchs-Netzwerken. Insgesamt kann ein vorsichtiger Einsatz standortfremder Pflanzen eine sinnvolle Ergänzung zu nativen bestäuberfreundlichen Anpflanzungen sein. Diese Studie stellt ein erstes Beispiel eines direkten Vergleichs von nativen und standortfremden bestäuberfreundlichen Anpflanzungen dar.
KW  - Biene
KW  - Wildbienen
KW  - Renaturierung <Ökologie>
KW  - Naturschutz
KW  - Honigbienen
KW  - exotische Pflanzen
KW  - Sandminen
KW  - Pflanzen-Bienen-Netzwerke
KW  - bestäuberfreundliche Pflanzen
KW  - wild bees
KW  - honey bees
KW  - sand mine
KW  - pollinator friendly plants
KW  - plant-bee visitation networks
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-184180
ER  - 
TY  - THES
A1  - Scholl, Christina
T1  - Cellular and molecular mechanisms contributing to behavioral transitions and learning in the honeybee
T1  - Zelluläre und molekulare Mechanismen, die zu Verhaltensänderungen und Lernen in der Honigbiene beitragen
N2  - The honeybee Apis mellifera is a social insect well known for its complex behavior and the ability to learn tasks associated with central place foraging, such as visual navigation or to learn and remember odor-reward associations. Although its brain is smaller than 1mm² with only 8.2 x 105 neurons compared to ~ 20 x 109 in humans, bees still show amazing social, cognitive and learning skills. They express an age – related division of labor with nurse bees staying inside the hive and performing tasks like caring for the brood or cleaning, and foragers who collect food and water outside the hive. This challenges foragers with new responsibilities like sophisticated navigation skills to find and remember food sources, drastic changes in the sensory environment and to communicate new information to other bees. Associated with this plasticity of the behavior, the brain and especially the mushroom bodies (MBs) - sensory integration and association centers involved in learning and memory formation – undergo massive structural and functional neuronal alterations. Related to this background my thesis on one hand focuses on neuronal plasticity and underlying molecular mechanisms in the MBs that accompany the nurse – forager transition. 
In the first part I investigated an endogenous and an internal factor that may contribute to the nurse - forager phenotype plasticity and the correlating changes in neuronal network in the MBs: sensory exposure (light) and juvenile hormone (JH). Young bees were precociously exposed to light and subsequently synaptic complexes (microglomeruli, MG) in the MBs or respectively hemolymph juvenile hormone (JH) levels were quantified. The results show that light input indeed triggered a significant decrease in MG density, and mass spectrometry JH detection revealed an increase in JH titer. Interestingly light stimulation in young bees (presumably nurse bees) triggered changes in MG density and JH levels comparable to natural foragers. This indicates that both sensory stimuli as well as the endocrine system may play a part in preparing bees for the behavioral transition to foraging.
Considering a connection between the JH levels and synaptic remodeling I used gene knockdown to disturb JH pathways and artificially increase the JH level. Even though the knockdown was successful, the results show that MG densities remained unchanged, showing no direct effect of JH on synaptic restructuring.
To find a potential mediator of structural synaptic plasticity I focused on the calcium-calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII) in the second part of my thesis. CaMKII is a protein known to be involved in neuronal and behavioral plasticity and also plays an important part in structural plasticity reorganizing synapses. Therefore it is an interesting candidate for molecular mechanisms underlying MG reorganization in the MBs in the honeybee. Corresponding to the high abundance of CaMKII in the learning center in vertebrates (hippocampus), CaMKII was shown to be enriched in the MBs of the honeybee. Here I first investigated the function of CaMKII in learning and memory formation as from vertebrate work CaMKII is known to be associated with the strengthening of synaptic connections inducing long term potentiation and memory formation. The experimental approach included manipulating CaMKII function using 2 different inhibitors and a specific siRNA to create a CaMKII knockdown phenotype. Afterwards bees were subjected to classical olfactory conditioning which is known to induce stable long-term memory. All bees showed normal learning curves and an intact memory acquisition, short-term and mid-term memory (1 hour retention). However, in all cases long-term memory formation was significantly disrupted (24 and 72 hour retention). These results suggests the necessity of functional CaMKII in the MBs for the induction of both early and late phases of long-term memory in honeybees. The neuronal and molecular bases underlying long-term memory and the resulting plasticity in behavior is key to understanding higher brain function and phenotype plasticity. In this context CaMKII may be an important mediator inducing structural synaptic and neuronal changes in the MB synaptic network.
N2  - Die Honigbiene Apis mellifera ist ein soziales Insekt, das bekannt ist für sein komplexes Verhalten und seine Fähigkeiten, Aufgaben in Bezug auf zentrales Sammelverhalten, zum Beispiel visuelle Navigation oder die Assoziation Duft – Belohnung, zu lernen, ist. Obwohl das Bienengehirn kleiner als 1mm² ist und im Vergleich zum dem des Menschen mit ~ 20 x 109 Neuronen nur 8.2 x 105 Neurone besitzt, verfügen Bienen trotzdem über beeindruckende soziale, kognitive und Lernfähigkeiten. Sie praktizieren eine altersabhängige Arbeitsteilung mit Ammen, die im Stock bleiben und Aufgaben wie das Versorgen der Brut übernehmen, und Sammlerinnen, die außerhalb des Stockes Futter und Wasser suchen. Dies fordert die Sammlerinnen zu neuen Aufgaben heraus, zum Beispiel hochentwickelte Navigation, drastischen Änderungen der sensorischen Umwelt, Lernen neuer Assoziationen und die Vermittlung der neuen Informationen an andere Bienen. Diese phänotypische Plastizität geht mit stark strukturellen und funktionell neuronalen Veränderungen im Gehirn und vor allem in den Pilzkörpern – sensorische Integrierungszentren, die an Lernen und Gedächtnisbildung beteiligt sind – einher. Passend dazu liegt ein Schwerpunkt meiner Arbeit darauf, die neuronale Plastizität und die molekularen Mechanismen im Pilzkörper, die mit der Wandlung der Amme hin zur Sammlerin zusammen hängen, zu untersuchen.
Im ersten Teil werden ein endogener und ein interner Faktor, die zum Ammen - Sammlerinnen Übergang und den damit einhergehenden Änderungen im neuronalen Netzwerk beitragen könnten, untersucht: sensorische Input (Licht) und Juvenilhormon (JH). Junge Bienen wurden frühzeitig dem Licht ausgesetzt und anschließend synaptische Komplexe (Mikroglomeruli, MG) in den Pilzkörpern beziehungsweise JH aus der Hämolymphe quantifiziert. Die Ergebnisse zeigen, dass der Einfluss des Lichts tatsächlich eine plastische Verringerung der MG-Dichte auslöst und massenspektrometrische Messungen eine Zunahme an der JH-Menge in der Hämolymphe zeigen. Interessanterweise führt die Stimulation der jungen Ammen mit Licht zu Änderungen in der MG-Dichte und zu JH-Mengen, die vergleichbar sind mit den Werten bei natürlichen Sammlerinnen sind. Dies weist darauf hin, dass sowohl sensorische Stimuli als auch das Hormonsystem einen Beitrag zu der Vorbereitung der Bienen auf die bevorstehende Verhaltensänderung leisten.
Um eine Verbindung zwischen der JH-Menge und synaptischen Umstrukturierungen in Betracht zu ziehen, habe ich einen Gen-Knockdown eingesetzt, um JH-Signalwege zu manipulieren und dadurch die JH-Menge künstlich zu erhöhen. Obwohl der Knockdown erfolgreich war, zeigen die Ergebnisse keinen direkten Zusammenhang zwischen der JH-Menge und einer synaptischer Umgestaltung.
Um einen möglichen Vermittler von struktureller Plastizität zu finden, habe ich den Fokus im zweiten Teil meiner Arbeit auf die Calcium-Calmodulin-abhängige Protein-Kinase II (CaMKII) gerichtet. CaMKII ist ein Protein, das für seine Rolle sowohl in neuronaler und Verhaltensplastizität als auch in struktureller Plastizität bekannt ist. Daher ist es ein interessanter Kandidat, um molekulare Mechanismen zu untersuchen, die bei der MG-Umstrukturierung in den Pilzkörpern beteiligt sind. In Übereinstimmung mit dem hohen Vorkommen der CaMKII in Lernzentren in Vertebraten (Hippocampus) kommt CaMKII auch in hohem Maß in den Pilzkörpern der Biene vor. In dieser Arbeit habe ich zuerst die Funktion der CaMKII in Lernvorgängen und bei der Gedächtnisbildung untersucht, da bekannt ist, dass CaMKIII mit verstärkten synaptischen Verbindungen, die Langzeitpotenzierung und Gedächtnisbildung auslösen, in Zusammenhang gebracht wird. Der experimentelle Ansatz beinhaltet die Manipulation der CaMKII mit zwei verschiedenen Inhibitoren und einer spezifische siRNA, um einen CaMKII-Knockdown-Phänotyp zu erzeugen. Alle Substanzen wurden über den medialen Ocellartrakt injiziert, um zu gewährleisten, dass sie den Pilzkörper erreichen. Anschließend wurde eine klassische olfaktorische Konditionierung durchgeführt, die ein stabiles Langzeitgedächtnis induziert. Alle Bienen zeigten ein normales Lernverhalten, Kurzzeitgedächtnis und Mittelzeitgedächtnis (eine Stunde Speicherung) waren intakt. Jedoch war in allen Fällen das Langzeitgedächtnis beschädigt (24 und 72 Stunden Speicherung). Diese Ergebnisse legen nahe, dass CaMKII in den Pilzkörpern essentiell für das Auslösen von frühen und späten Formen des Langzeitgedächtnisses der Biene ist. Die neuronalen und molekularen Grundlagen des Langzeitgedächtnis sind der Schlüssel, um höhere Gehirnfunktionen und phänotypische Plastizität zu verstehen. CaMKII könnte ein wichtiger Vermittler sein, um strukturelle und neuronale synaptische Änderungen im Netzwerk des Pilzkörpers auszulösen.
KW  - Biene
KW  - honeybee
KW  - learning and memory
KW  - division of labor
KW  - Lernen
KW  - Molekularbiologie
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-115527
ER  - 
TY  - THES
A1  - Lichtenstein, Leonie
T1  - Color vision and retinal development of the compound eye in bees
T1  - Farbensehen und retinale Entwicklung des Komplexauges bei Bienen
N2  - The superfamiliy of bees, Apiformes, comprises more than 20,000 species. Within the group, the eusocial species like honeybees and bumblebees are receiving increased attention due to their outstanding importance for pollination of many crop and wild plants, their exceptional eusocial lifestyle and complex behavioral repertoire, which makes them an interesting invertebrate model to study mechanisms of sensory perception, learning and memory. In bees and most animals, vision is one of the major senses since almost every living organism and many biological processes depend on light energy. Bees show various forms of vision, e.g. color vision, achromatic vision or polarized vision in order to orientate in space, recognize mating partners, detect suitable nest sites and search for rewarding food sources. To catch photons and convert light energy into electric signals, bees possess compound eyes which consists of thousands of single ommatidia comprising a fixed number of photoreceptors; they are characterized by a specific opsin protein with distinct spectral sensitivity. Different visual demands, e.g. the detection of a single virgin queen by a drone, or the identification and discrimination of flowers during foraging bouts by workers, gave rise to the exceptional sex-specific morphology and physiology of male and female compound eyes in honeybees. Since Karl von Frisch first demonstrated color vision in honeybees more than 100 years ago, much effort has been devoted to gain insight into the molecular, morphological and physiological characteristics of (sex-specific) bee compound eyes and the corresponding photoreceptors. However, to date, almost nothing is known about the underlying mechanisms during pupal development which pattern the retina and give rise to the distinct photoreceptor distribution. Hence, in Chapter 2 and 3 I aimed to better understand the retinal development and photoreceptor determination in the honeybee eye. In a first step, the intrinsic temporal expression pattern of opsins within the retina was evaluated by quantifying opsin mRNA expression levels during the pupal phase of honeybee workers and drones. First results revealed that honeybee workers and drones express three different opsin genes, UVop, BLop and Lop1 during pupal development which give rise to an ultraviolet, blue, and green-light sensitive photoreceptor. Moreover, opsin expression patterns differed between both sexes and the onset of a particular opsin occurred at different time points during retinal development. Immunostainings of the developing honeybee retina in Chapter 2 showed that at the beginning of pupation the retina consist only of a thin hypodermis. However, at this stage all retinal structures are already present. From about mid of pupation, opsin expression levels increase and goes hand in hand with the differentiation of the rhabdoms, suggesting a two-step process in photoreceptor development and differentiation in the honeybee compound eye. In a first step the photoreceptor cells meet its fate during late pupation; in a second step, the quantity of opsin expression in each photoreceptor strongly increase up to the 25-fold shortly after eclosion. To date, the underlying mechanisms leading to different photoreceptor types have been intensively studied in the fruit fly, Drosophila melanogaster, and to some extend in butterflies. Interestingly, the molecular mechanisms seemed to be conserved within insects and e.g. the two transcription factors, spalt and spineless, which have been shown to be essential for photoreceptor determination in flies and butterflies, have been also identified in the honeybee. In chapter 3, I investigated the expression patterns of both transcription factors during pupal development of honeybee workers and showed that spalt is mainly expressed during the first few pupal stages which might correlate with the onset of BLop expression. Further, spineless showed a prominent peak at mid of pupation which might initiates the expression of Lop1. However, whether spalt and spineless are also essential for photoreceptor determination in the honeybee has still to be investigated, e.g. by a knockdown/out of the respective transcription factor during retinal development which leads to a spectral phenotype, e.g. a dichromatic eye. Such spectral phenotypes can then be tested in behavioral experiments in order to test the function of specific photoreceptors for color perception and the entrainment of the circadian clock. In order to evaluate the color discrimination capabilities of bees and the quality of color perception, a reliable behavioral experiment under controlled conditions is a prerequisite. Hence, in chapter 4, I aimed to establish the visual PER paradigm as a suitable method for behaviorally testing color vision in bees. Since PER color vision has considered to be difficult in bees and was not successful in Western honeybees without ablating the bee’s antennae or presenting color stimuli in combination with other cues for several decades, the experimental setup was first established in bumblebees which have been shown to be robust and reliable, e.g. during electrophysiological recordings. Workers and drones of the bufftailed bumblebee, Bombus terrestris were able to associate different monochromatic light stimuli with a sugar reward and succeeded in discriminating a rewarded color stimulus from an unrewarded color stimulus. They were also able to retrieve the learned stimulus after two hours, and workers successfully transferred the learned information to a new behavioral context. In the next step, the experimental setup was adapted to honeybees. In chapter 5, I tested the setup in two medium-sized honeybees, the Eastern honeybee, Apis cerana and the Western honeybee, Apis mellifera. Both honeybee species were able to associate and discriminate between two monochromatic light stimuli, blue and green light, with peak sensitivities of 435 nm and 528 nm. Eastern and Western honeybees also successfully retrieve the learned stimulus after two hours, similar to the bumblebees. Visual conditioning setups and training protocols in my study significantly differed from previous studies using PER conditioning. A crucial feature found to be important for a successful visual PER conditioning is the duration of the conditioned stimulus presentation. In chapter 6, I systematically tested different length of stimuli presentations, since visual PER conditioning in earlier studies tended to be only successful when the conditioned stimulus is presented for more than 10 seconds. In this thesis, intact honeybee workers could successfully discriminate two monochromatic lights when the stimulus was presented 10 s before reward was offered, but failed, when the duration of stimulus presentation was shorter than 4 s. In order to allow a more comparable conditioning, I developed a new setup which includes a shutter, driven by a PC based software  program. The revised setup allows a more precise and automatized visual PER conditioning, facilitating performance levels comparable to olfactory conditioning and providing now an excellent method to evaluate visual perception and cognition of bees under constant and controlled conditions in future studies.
N2  - Die Bienen umfassen weltweit mehr als 20000 Arten, aber besonders eusoziale Honigbienen und Hummeln gewinnen durch ihre essenzielle Rolle bei der Bestäubung
vieler Wild- und Kulturpflanzen zunehmend an Bedeutung. Ihr einzigartiger eusozialer
Lebensstil, aber auch ihr komplexes Verhaltensrepertoire macht sie zu einem interessanten Insektenmodel, um Mechanismen sensorischer Wahrnehmung, sowie Fähigkeiten des Lernens und Gedächtnisses näher zu untersuchen. Da beinahe jeder lebende Organismus und viele biologische Prozessen durch Sonnenenergie beeinflusst werden, ist die Fähigkeit des Sehens im Tierreich weit verbreitet und zählt auch bei Bienen zu den wichtigsten sensorischen Sinnen. Um geeignete Nistplätze, Futterquellen oder auch Paarungsspartner zu finden, sowie zur Orientierung, nutzen Bienen verschiedenste Formen des Sehens, z. B. Farbensehen, achromatisches Sehen, oder auch das Polarisationssehen. Um Photonen einfangen und diese in ein elektrisches Signal für die weitere Verarbeitung umzuwandeln zu können, besitzen Bienen Komplexaugen, die sich aus mehreren tausend Einzelaugen, den sogeannten Ommatiden zusammensetzen. Jedes Ommatidium enthält eine festgelegte Anzahl an Photorezeptoren, welche durch ein spezifisches Opsin- Protein mit einer bestimmten spektralen Empfindlichkeit charakterisiert sind. Unterschiedliche visuelle Ansprüche wie zum Beispiel die Wahrnehmung einer einzelnen Königin während ihres Paarungsfluges durch einen Drohn oder die Identifizierung und Unterscheidung von Blüten während des Sammelflugs einer Arbeiterin, führten zu einer geschlechtsspezifischen Morphologie und Physiologie männlicher und weiblicher Komplexaugen. Seit Karl von Frisch vor mehr als 100 Jahren zeigen konnte, dass Honigbienen Farben wahrnehmen können, wurden viele Anstrengungen unternommen, ein besseres Verständnis für die molekularen und physiologischen Eigenschaften des (geschlechtsspezifischen) Bienenkomplexauges zu entwickeln. Dennoch ist bis heute wenig über die zugrundeliegenden Mechanismen bekannt, die während der Puppenentwicklung der Biene zur Bildung der Retina und der spezifischen Verteilung der Photorezeptoren innerhalb der Retina führen. Daher wurde in Kapitel 2 dieser Thesis das Ziel verfolgt, die retinale Entwicklung sowie die Determinierung der Photorezeptoren im Honigbienenauge weiter aufzuschlüsseln. In einem ersten Schritt wurde das zeitliche Opsinexpressionsmuster während der Puppenentwicklung von Drohnen und Arbeiterinnen der Honigbiene durch Quantifizierung der Opsin-mRNA Expression, untersucht. Erste Ergebnisse zeigten, dass Drohnen und Arbeiterinnen während ihrer Puppenentwicklung drei verschiedene Opsin-Gene, UVop, BLop und Lop1 exprimieren, welche letztendlich drei verschiedene Photorezeptortypen hervorbringen, einen ultraviolett- , blau- und grün-sensitiven Photorezeptor. Die Opsin-Expressionsmuster unterschieden sich nicht nur zwischen den Geschlechtern, sondern auch im Expressionsbeginn der jeweiligen Opsine während der Retinaentwicklung. Immunfärbungen der sich entwickelnden Retina zeigten außerdem, dass die Retina von Honigbienen zu Beginn ihrer Entwicklung zunächst nur aus einer sehr dünnen Hypodermis besteht, jedoch bereits alle retinale Strukturen enthält. Die Photorezeptordeterminierung bei Honigbienen lässt auf einen zweistufigen Prozess schließen, da ab etwa der Mitte der Verpuppung die Opsinexpression signifikant zunimmt und Hand in Hand mit der Differenzierung der Rhabdome verläuft. Im ersten Schritt, während der späten Puppenphase, erfolgt die Festlegung des Photorezeptortyps in den jeweiligen Photorezeptorzellen. Im zweiten Schritt, kurz nach dem Schlupf der Biene, nimmt dann die Quantität der Opsinexpression stark zu, nämlich bis um das 25-fache. Bisher wurden die zugrundliegenden Mechanismen, die die verschiedenen Photorezeptortypen determinieren, zum Teil in Schmetterlingen, aber besonders intensiv in der Taufliege, Drosophila melanogaster, untersucht. Interessanterweise scheinen die molekularen Mechanismen innerhalb der Insekten konserviert zu sein und beispielsweise die zwei Transkriptionsfaktoren, spalt und spineless, welche während der Photorezeptordeterminierung in Fliegen und Schmetterlingen eine essenzielle Rolle spielen, auch in der Honigbiene identifiziert. In Kapitel 3 habe ich die Expressionsmuster dieser beiden Transkriptionsfaktoren während der Puppenentwicklung von Honigbienenarbeiterinnen untersucht und konnte zeigen, dass spalt hauptsächlich in den ersten Puppenstadien exprimiert wird was vermutlich mit dem Beginn der BLop -Expression korreliert. Spineless zeigte hingegen in der Mitte der Puppenentwicklung einen markantes Maximum in seiner mRNA Expression, was mit der Expression von Lop1 zusammenhängen könnte. Ob spalt und spineless jedoch auch in der Honigbiene eine Rolle in der Photorezeptordeterminierung spielen, bleibt noch zu untersuchen. Zum Beispiel durch einen Knockdown/out des jeweiligen Transkriptionsfaktors während der Retinaentwicklung, der zu einem spektralen Phänotyp, beispielsweise einem dichromatischen Auge, führt. Solche spektralen Phänotypen könnten dann in Verhaltensexperimenten getestet werden, um Aufschluss über die Funktion einzelner Photorezeptoren für das Farbensehen und die Synchronisierung der inneren Uhr gewinnen zu können. Um jedoch die Farbunterscheidungsfähigkeiten von Bienen und die Qualität in der Farbwahrnehmung evaluieren zu können ist ein zuverlässiger Verhaltensversuch vonnöten. Daher war es in Kapitel 4 mein Ziel, das visuelle PER Paradigma als passende Verhaltensmethode für das Testen von Farbensehen in Bienen zu etablieren. Seit mehreren Jahrzehnten gilt die visuelle Konditionierung der PER bei Bienen als schwierig und war bei der europäischen Honigbiene bisher ohne ein Abschneiden der Antennen oder ohne Präsentation weiterer Cues, wie Duft oder Bewegenung, nicht erfolgreich. Daher wurde das experimentelle Setup zunächst bei Hummeln etabliert, welche sich schon in anderen Studien als zuverlässige und robuste Versuchstiere herausgestellt hatten, beispielsweise während elektrophysiologischer Untersuchungen. Arbeiterinnen und Drohnen der schwarzen Erdhummel, Bombus terrestris, waren fähig verschiedene monochromatische Lichtstimuli mit einer Zuckerbelohnung zu assoziieren und schafften es auch, einen unbelohnten von einem belohnten Farbstimulus zu unterscheiden. Auch konnten sie den gelernten Stimulus nach zwei Stunden erneut abrufen und Arbeiterinnen zeigten die Fähigkeit, die gelernte Information erfolgreich in einen neuen Verhaltenskontext zu übertragen. Im nächsten Schritt wurde der Versuchsaufbau für Honigbienen adaptiert, sodass ich diesen in Kapitel
5 bei zwei mittelgroßen Honigbienenarten, der asiatischen Honigbiene, Apis cerana, und in der europäischen Honigbiene, Apis mellifera, verwenden konnte. Beide Honigbienenarten waren fähig, zwei monochromatische Lichtstimuli, Blau und Grün, mit
Absorptionsmaxima von 435 nm und 528 nm, mit einer Belohnung zu assoziieren und zwischen beiden Stimuli zu unterscheiden. Ähnlich den Hummeln, konnten auch die asiatischen und europäischen Honigbienen den gelernten Stimulus erfolgreich nach zwei Stunden erneut abrufen. Die visuellen Konditionierungssetups und -Protokolle in meinen Untersuchungen unterschieden sich von denen vorangegangener Studien um einen entscheidenden Faktor, der von besonderer Bedeutung für eine erfolgreiche visuelle Konditionierung der PER von Bienen zu sein scheint, nämlich die Präsentationsdauer des konditionierten Stimulus. Da in vorangegangenen Studien eine visuelle Konditionierung der PER dazu tendierte nur dann erfolgsversprechend zu sein, wenn der konditionierte Stimulus für mehr als 10 s präsentiert wurde, habe ich in Kapitel 6 verschiedene Längen der Stimuluspräsentation systematisch getestet. Unmanipulierte Honigbienenarbeiterinnen konnten erfolgreich zwischen zwei monochromatischen Stimuli unterscheiden, wenn der Stimulus für 10 s präsentiert wurde, aber scheiterten, wenn die Stimuluspräsentation kürzer als 4 s war. Um ein vergleichbareres Konditionieren der Bienen zu ermöglichen, entwickelte ich ein neues Setup, welches einen Shutter beinhaltete, der durch ein PC basiertes Softwareprogramm gesteuert wurde. Das überarbeitete Setup ermöglicht eine präzisiere und automatisierte visuelle PER Konditionierung und bietet nun für zukünftige Studien eine exzellente Methode, visuelle Wahrnehmung und Kognition von Bienen unter konstanten und kontrollierten Bedingungen zu untersuchen.
KW  - Biene
KW  - Komplexauge
KW  - Farbensehen
KW  - bees
KW  - compound eyes
KW  - retinal development
KW  - color vision
KW  - Netzhaut
KW  - Entwicklung
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-150997
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schneider, Christof
T1  - Detecting the influence of different potential stress factors on the behavior of the honeybee Apis mellifera using Radiofrequency Identification (RFID)
T1  - Erfassung des Einflusses von unterschiedlichen Stressfaktoren auf das Verhalten der Honigbiene Apis mellifera mittels Radiofrequenz Identifikation (RFID)
N2  - This study was conducted to determine the influence of different stress factors on the honeybee Apis mellifera. The investigation was motivated by previous experiments that suggested the existence of an unspecific defense mechanism causing a generalized change of flight behavior after the onset of different diseases. This mechanism is thought to impede the ability of flight bees to return to their respective colonies thereby removing the disease from the colony over time. During the last years, the existence of such a “suicidal behavior” was supported by further studies. Thus, an unnoticed, potentially highly effective defense mechanism of social insects was revealed whose spectrum of activity and physiological basics require further investigation. Suggesting that the reaction by the bees is unspecific to different diseases as well as to other potential stress factors, this study was designed to investigate the influence of pathogens, insecticides, and different brood rearing temperatures on different parameters like lifespan, foraging activity, and foraging trip duration of worker bees.
N2  - Im Rahmen dieser Studie wurden Untersuchungen bezüglich der Auswirkungen von unterschiedlichen Belastungsfaktoren auf die Honigbiene Apis mellifera durchgeführt. Hintergrund waren Vermutungen, die nahe legten, dass Bienen auf Parasiten und Pathogene durch eine generalisierte Verhaltensänderung reagieren, die die Rückkehr der Bienen in das Volk behindert und damit Krankheit nach und nach aus dem Volk entfernt. Die Existenz eines solchen „suizidalen Verhaltens“ wurde zwischenzeitlich durch weitere Untersuchungen unterstützt. Hiermit wurde ein bislang unbeachteter und potentiell hochwirksamer Abwehrmechanismus sozialer Insekten gegen Pathogene und Parasiten aufgedeckt, dessen Wirkspektrum und physiologische Grundlagen noch erheblichen Aufklärungsbedarf haben. Es lag nun nahe, eine allgemeine und unspezifische Reaktion auf Stressfaktoren zu vermuten. In dieser Studie sollte daher der Einfluss von Pathogenen, Insektiziden sowie unterschiedlichen Brutaufzuchtbedingungen auf die Aktivität, das Flugverhalten und das Sammelverhalten messbar gemacht und untersucht werden.
KW  - Biene
KW  - Bienenkrankheit
KW  - Stress
KW  - Verhalten
KW  - Carnica-Biene
KW  - Nosema
KW  - Nosema apis
KW  - Imidacloprid
KW  - Bienenbrut
KW  - honey bee
KW  - imidacloprid
KW  - clothianidin
KW  - coumaphos
KW  - Nosema
KW  - brood development
KW  - behavioral change
KW  - RFID
KW  - radiofrequency identification
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-71344
ER  - 
TY  - THES
A1  - Gätschenberger, Heike
T1  - Die Expression humoraler und zellulärer Immunreaktionen bei Drohnenlarven und adulten Drohnen der Honigbiene (Apis mellifera)
T1  - Expression of humoral and cellular immune reactions of dronelarvae and adult drones of the honey bee (Apis mellifera)
N2  - Soziale Insekten wie die Honigbiene (Apis mellifera) besitzen ein breites Spektrum an Abwehrmechanismen gegen Pathogenbefall, sowohl auf der Ebene der Kolonie (soziale Immunität) als auch auf der Stufe des Individuums (angeborenes Immunsystem). Die Hauptaufgabe der relativ kurzlebigen Drohnen besteht in der Begattung von Jungköniginnen. Daher stellte sich die Frage, ob auch die Drohnen ähnlich den Arbeiterinnen mit energieaufwendigen Immunreaktionen auf Infektionen reagieren. Wie im Folgenden beschrieben, konnte ich nachweisen, dass Drohnen eine ausgeprägte Immunkompetenz besitzen. Das angeborene Immunsystem setzt sich aus humoralen und zellulären Abwehrreaktionen zusammen. Bei der humoralen Immunantwort werden bestimmte evolutionär konservierte Signalkaskaden aktiviert, an deren Ende die Expression einer Vielzahl von antimikrobiellen Peptiden (AMPs) und immunspezifischen Proteinen (IRPs) steht. Zur Analyse der humoralen Immunantwort wurden von mir zum einen Hemmhoftests durchgeführt, um die gesamte antimikrobielle Aktivität der Haemolymphe nach artifizieller Infektion zu ermitteln und zum anderen spezifische AMPs bzw. IRPs identifiziert. Hierzu wurden die Haemolymphproteine in ein- oder zwei-dimensionalen Polyacrylamidgelen aufgetrennt und ausgewählte Proteinbanden bzw. -spots mittels nano HPLC/Massenspektrometrie analysiert. Die Hauptkomponenten des zellulären Immunsystems sind Wundheilung, Phagozytose, Einkapselung und Nodulation. In meiner Arbeit habe ich zum ersten Mal Noduli bei infizierten Drohnen nachweisen können. Frisch geschlüpfte adulte Drohnen (1d) weisen ein breites Spektrum an Immunreaktionen auf, das sowohl humorale als auch zelluläre Immunantworten umfasst. Nach Infektion mit dem Gram-negativen Bakterium E.coli und verschiedenen bakteriellen Zellwandbestandteilen wie Lipopolysaccharid (LPS), Peptidoglycan (PGN) und 1,3ß-Glucan (Bestandteil von Pilzzellwänden), werden die AMPs Hymenoptaecin, Defensin 1 und Abaecin induziert. Desweiteren exprimieren junge adulte Drohnen eine Reihe hochmolekularer immunspezifischer Proteine (IRPs) wie z.B. Carboxylesterase (CE 1), eine Serinprotease, die möglicherweise an der Prozessierung der Prophenoloxidase beteiligt ist, ein Peptidoglycan-interagierendes Protein (PGRP-S2) und zwei Proteine unbekannter Funktion, IRp42 und IRp30. Parallel zu bekannten bienenspezifischen AMPs wurde ein animales Peptidtoxin (APT) in Drohnenlarven, adulten Drohnen und adulten Hummeln nach E.coli Infektion in der Haemolymphe nachgewiesen. Von dem als OCLP 1 (ω-conotoxin-like protein 1) benannten Peptid war bereits bekannt, dass es in Fischen paralytische und damit toxische Effekte auslöst. Meine Beobachtungen lassen vermuten, dass es sich bei OCLP 1 um ein Peptidtoxin mit antimikrobiellen Eigenschaften und damit um eine neue Klasse von AMPs handelt. Die allgemeine humorale Immunkompetenz scheint während der gesamten Lebensspanne adulter Drohnen (~ 7 Wochen) konstant zu bleiben, wie durch die gleichbleibende antimikrobielle Aktivität im Hemmhoftest gezeigt wurde. Junge Drohnen reagieren auf eine E.coli Infektion mit der Bildung zahlreicher Noduli (~1000 Noduli/Drohn), die vor allem entlang des Herzschlauches zu finden sind. Diese zelluläre Immunantwort nimmt mit dem Alter der Drohnen ab, so dass bei 18 d alten Drohnen nur noch rund 10 Noduli/Drohn gefunden werden. Auf der anderen Seite nimmt die phagozytotische Aktivität bei älteren Drohnen scheinbar zu. In einer Reihe von parallel laufenden Versuchsreihen konnte ich eindrucksvoll zeigen, dass zelluläre Immunreaktionen wie Phagozytose und Nodulation unmittelbar nach bakterieller Infektion einsetzen. Hierbei erreicht die Nodulibildung 8-10 h p.i. eine Plateauphase, wohingegen die humorale Immunantwort erst 6 h p.i. schwach einsetzt, danach stetig zunimmt und noch 72 h p.i. nachweisbar ist. Es ist mir gelungen, eine Methode zur künstlichen Aufzucht von Drohnenlarven zu etablieren. Diese ermöglichte konstante und sterile Versuchsbedingungen zur Untersuchung der Immunreaktionen von Larven. Nach Infektion mit E.coli reagieren Drohnenlarven mit einer starken Aktivierung ihrer humoralen Immunantwort durch die Expression von AMPs, jedoch werden keine hochmolekularen IRPs wie in adulten Drohnen hochreguliert. Zudem ist die Nodulibildung in Larven nur schwach ausgeprägt. Völlig unerwartete Beobachtungen wurden beim Studium der Immunkompetenz von Drohnenpuppen gemacht. Nach Injektion lebender E.coli Zellen in Drohnenpuppen stellte ich eine dramatische Veränderung im Aussehen der Puppen fest. Die Puppen verfärbten sich gräulich schwarz. Genauere Untersuchungen haben dann gezeigt, dass die Drohnenpuppen, wie auch die der Arbeiterinnen, offensichtlich keine zelluläre Abwehrreaktion aktivieren können und die humorale Immunantwort nur sehr schwach ausfällt und viel zu spät einsetzt.
N2  - Social insects like honey bees (Apis mellifera) possess a wide range of defence mechanisms against pathogens on the colony level (social immunity) as well as on the individual level (innate immunity). In early summer, honey bee colonies consist of about 50.000 workers, a few hundred drones and one queen. The main task of the short-lived drones is to mate with a virgin queen. This raises a question: do drones, similar to workers mount an energy-intense immune reaction to fend off infections? In my thesis I could show that drones exhibit an effective immune competence. The innate immune response is composed of a humoral and a cellular component. In the humoral immune response, evolutionally conserved signalling pathways are activated and lead to the induced synthesis of antimicrobial peptides (AMPs) and immune responsive proteins (IRPs). In order to analyse the humoral immune response, I conducted inhibition zone assays as well as one- and two-dimensional gelelectrophoresis. Afterwards, HPLC/MS was performed in order to identify specific protein spots. Wound healing, phagocytosis, encapsulation and nodulation are the principal components of the cellular immune system. In my work, I could show nodulation reactions in infected drones for the first time. Newly emerged drones (1d) respond to infections with a wide range of immune reactions, including humoral and cellular defence mechanisms. The AMPs hymenoptaecin, defensin 1 and abaecin are induced after infection with gram-negative E.coli, bacterial cell wall components like lipopolysaccharides (LPS), peptidoglycan (PGN) and 1,3ß-glucan (cell wall component of fungi). In addition, young drones express some high molecular immune responsive proteins (IRPs) like carboxylesterase (CE 1), a serine protease, that is potentially part of the prophenoloxidase activating system, further a peptidoglycan recognition protein (PGRP-S2) and with IRp30 and IRp42 two proteins of unknown function. IRp42 possibly belongs to the glycin-rich proteins (GRP) because of its glycin–rich regions. Glycin-rich proteins are known to participate in host defence in plants. IRp30 is a leucine-rich repeat containing protein with a C-terminal leucine zipper, which is common among Hymenopterans. Therefore it is possible for IRp30 to interact with other proteins, like cell wall structures of pathogens. I detected the bee-specific lysozyme 2 in the haemolymph of adult drones after septic infection. It belongs to the chicken (c)-type lysozymes like lysozyme 1, which are potentially active against gram-positive and gram-negative bacteria and fungi in insects. After E.coli infection, an animal peptide toxin (APT) was detected simultaneously to the known AMPs in the haemolymph of larvae, adult drones and adult bumble bees. It is known that this peptide, called OCLP 1 (ω-conotoxin-like protein 1), triggers paralytic and thus toxic effects in fish. My observations suggest that OCLP 1 is probably a peptide toxin with antimicrobial characteristics, and thus could belong to a new class of AMPs. Throughout their whole life (~ 7 weeks), adult drones maintain their immune competence. This was shown by the continuous antimicrobial activity of drone haemolymph in inhibition zone assays. After E.coli infection, young drones react with nodule formation (~1000 noduli/drone), which are mostly attached to the dorsal vessel. With increasing age, this type of cellular immune response weakens, so that 18d old drones only produce 10 noduli/drone. On the other hand, the phagocytic activity seems to increase in older drones In an array of parallel tests, I showed the immediate onset of the cellular immune reactions phagocytosis and nodulation upon septic infections. Nodule formation reaches a plateau 8-10 h p.i., whereas humoral immune response just begins to start 6 h p.i., continuously rises and is still measurable 72 h p.i.. I succeeded in establishing a method for rearing honey bee drone larvae artificially. This enabled constant and sterile conditions for the testing of immune reactions in larvae. A strong activation of humoral immunity with the expression of AMPs resulted from E.coli infection, yet no immune responsive proteins were induced like in adult drones. Moreover, nodule formation in larvae is weak. While studying immune competence of drone pupae, I made a surprising observation. There is a dramatic change in the physical appearance of drone pupae after injecting living E.coli bacteria. They change colour to a greyish black. Precise examinations revealed that there is no cellular immune response in drone pupae as well as in worker pupae, only a weak humoral immune reaction which is initiated too late.
KW  - Humorale Immunität
KW  - Zelluläre Immunität
KW  - Drohne
KW  - Biene
KW  - Apis mellifera
KW  - Drohnen
KW  - humorales und zelluläres Immunsystem
KW  - Apsi mellifera
KW  - drones
KW  - humoral and cellular Immune reactions
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-71960
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TY  - THES
A1  - Thom, Corinna
T1  - Dynamics and Communication Structures of Nectar Foraging in Honey Bees (Apis mellifera)
T1  - Dynamik und Kommunikation beim Nektarsammeln der Honigbiene
N2  - In this thesis, I examined honey bee nectar foraging with emphasis on the communication system. To document how a honey bee colony adjusts its daily nectar foraging effort, I observed a random sample of individually marked workers during the entire day, and then estimated the number and activity of all nectar foragers in the colony. The total number of active nectar foragers in a colony changed frequently between days. Foraging activity did not usually change between days. A honey bee colony adjusts its daily foraging effort by changing the number of its nectar foragers rather than their activity. I tested whether volatiles produced by a foraging colony activated nectar foragers of a non-foraging colony by connecting with a glass tube two colonies. Each colony had access to a different green house. In 50% of all experiments, volatile substances from the foraging colony stimulated nectar foragers of the non-foraging colony to fly to an empty feeder. The results of this study show that honey bees can produce a chemical signal or cue that activates nectar foragers. However, more experiments are needed to establish the significance of the activating volatiles for the foraging communication system. The brief piping signal of nectar foragers inhibits forager recruitment by stopping waggle dances (Nieh 1993, Kirchner 1993). However, I observed that many piping signals (approximately 43%) were produced off the dance floor, a restricted area in the hive where most waggle dances are performed. If the inhibition of waggle dances would be the only function of the brief piping signal, tremble dancers should produce piping signals mainly on the dance floor, where the probability to encounter waggle dancers is highest. To therefore investigate the piping signal in more detail, I experimentally established the foraging context of the brief piping signal, characterized its acoustic properties, and documented for the first time the unique behavior of piping nectar foragers by observing foragers throughout their entire stay in the hive. Piping nectar foragers usually began to tremble dance immediately upon their return into the hive, spent more time in the hive, more time dancing, had longer unloading latencies, and were the only foragers that sometimes unloaded their nectar directly into cells instead of giving it to a nectar receiver bee. Most of the brief piping signals (approximately 99%) were produced by tremble dancers, yet not all tremble dancers (approximately 48%) piped. This suggests that piping and tremble dancing have related, but not identical functions in the foraging system. Thus, the brief piping signals may not only inhibit forager recruitment, but have an additional function both on and off the dance floor. In particular, the piping signal might function 1. to stop the recruitment of additional nectar foragers, and 2. as a modulatory signal to alter the response threshold of signal receivers to the tremble dance. The observation that piping tremble dancers often did not experience long unloading delays before they started to dance gave rise to a question. A forager’s unloading delay provides reliable information about the relative work capacities of nectar foragers and nectar receivers, because each returning forager unloads her nectar to a nectar receiver before she takes off for the next foraging trip. Queuing delays for either foragers or receivers lower foraging efficiency and can be eliminated by recruiting workers to the group in shortage. Short unloading delays indicate to the nectar forager a shortage of foragers and stimulate waggle dancing which recruits nectar foragers. Long unloading delays indicate a shortage of nectar receivers and stimulate tremble dancing which recruits nectar receivers (Seeley 1992, Seeley et al. 1996). Because the short unloading delays of piping tremble dancers indicated that tremble dancing can be elicited by other factors than long unloading delays, I tested whether a hive-external stimulus, the density of foragers at the food source, stimulated tremble dancing directly. The experiments show that tremble dancing can be caused directly by a high density of foragers at the food source and suggest that tremble dancing can be elicited by a decrease of foraging efficiency either inside (e.g. shortage of receiver bees) or outside (e.g. difficulty of loading nectar) the hive. Tremble dancing as a reaction to hive-external stimuli seems to occur under natural conditions and can thus be expected to have some adaptive significance. The results imply that if the hive-external factors that elicit tremble dancing do not indicate a shortage of nectar receiver bees in the hive, the function of the tremble dance may not be restricted to the recruitment of additional nectar receivers, but might be the inhibition or re-organization of nectar foraging.
N2  - In meiner Doktorarbeit habe ich die Charakteristika des Nektarsammelns bei Honigbienen mit spezieller Betonung des zugehörigen Kommunikationssytems untersucht. Im Einzelnen habe ich die täglichen Änderungen in der Aktivität und Anzahl der Nektarsammlerinnen einer nicht- manipulierten Kolonie verfolgt, habe getestet, ob Nektarsammlerinnen durch ein chemisches Signal aktiviert werden können, und habe die Auslöser und Charakteristika zweier Signale des Nektarsammelkommunikationssytems, dem kurzen Pipingsignal und dem Zittertanz der Nektarsammlerinnen untersucht. Um die täglichen Änderungen des Sammelaufwandes einer Kolonie zu dokumentieren, habe ich an verschiedenen Tagen die Anzahl und Aktivität (Anzahl Fouragierflüge pro Tag und Biene) der Nektarsammlerinnen einer Kolonie gemessen. Dafür beobachtete ich jeweils den ganzen Tag eine zufällig ausgewählte Gruppe von individuell markierten Arbeiterinnen. Aufgrund der so gewonnen Daten konnte ich die Anzahl und Aktivität aller Nektarsammlerinnen in der Kolonie schätzen. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die absolute Anzahl von Nektarsammelerinnen regelmässig von Tag zu Tag änderte wahrscheinlich zurückzuführen auf die täglichen Änderungen im Nektarangebot, während sich die Aktivität der Sammlerinnen gewöhnlich nicht änderte. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Arbeiterin eher die Entscheidung trifft zu sammeln oder nicht zu sammeln, statt eine abgestufte Entscheidung über die Anzahl ihrer Sammelflüge. Für eine Honigbienenkolonie bedeutet dies, das ihre Sammeleffizienz stärker durch die Anzahl der Sammlerinnen als durch deren Aktivität reguliert wird. Möglicherweise kann eine vergängliche Nektarquelle besser von vielen Sammlerinnen, die zeitgleich arbeiten, ausgebeutet werden als von weniger Sammlerinnen die zwar ihre Aktivität steigern, aber sequentielle Sammelflüge machen müssen und damit die Quelle vor ihrem Verschwinden nicht vollständig ausbeuten können. Es ist seit langem bekannt, das der Schwänzeltanz der Honigbienen Sammlerinnen aktivieren kann. Ich habe untersucht, ob die flüchtigen Substanzen einer fouragierenden Kolonie die Sammlerinnen einer nicht-fouragierenden Kolonie aktivieren können. Um dies zu testen, verband ich die Eingangsbereiche zweier Kolonien mit einer Glasröhre, so das flüchtige Substanzen von einer zur anderen Kolonie geleitet werden konnten. Jede Kolonie hatte Zugang zu einem separaten Gewächshaus. Während eine der Kolonien gefüttert wurde, wurde die Aktivität der nicht- gefütterten Kolonie gemessen. In 50% der Experimente wurden die Sammlerinnen der Kolonie, die kein Futter zur Verfügung hatte, durch die flüchtige Substanzen aus der fouragierenden Kolonie zu dem Besuch Ihrer leeren Futterstation aktiviert. Die Ergebnisse zeigen damit, dass Honigbienen eine flüchtige Substanz produzieren können, die Sammlerinnen aktiviert. Die Fragen, ob es sich bei dieser Substanz um ein ‘signal’ (speziell für die Situation entwickelt) oder einen ‘cue’ (nicht speziell für die Situtation entwickelt, wirft aber brauchbare Information als Nebenprodukt ab) handelt, sowie die Bedeutung der Substanz für die Sammeleffizienz einer Honigbienekolonie, müssen jedoch noch etabliert werden. Das Pipingsignal der Nektarsammlerinnen stoppt Schwänzeltänze (Nieh 1993, Kirchner 1993). Ich beobachtete, dass viele der kurzen Pipingsignale (ca. 43%) unerwartet nicht auf dem Tanzboden produziert wurden. Die Beobachtungen deuten darauf hin, dass das kurze Pipingsignal nicht nur Schwänzeltänze stopt, sondern auch die Reaktionsschwelle für den Zittertanz senkt. Pipende Zittertänzerinnen fingen sehr frueh nach ihrer Rückehr in den Stock an zu tanzen. Daher untersuchte ich, ob die Zustände an der Futterstelle Zittertänze auslösen kann. Die Experimente zeigen, dass Zittertänze eine direkte Reaktion auf eine hohe Dichte von Sammlerinnen an der Futterstelle sein können. Dies lässt vermuten, dass Zittertänze eine generelle Reaktion sind auf Faktoren, die entweder innerhalb (z.B. durch lange Wartezeit) oder ausserhalb (z.B. durch Schwierigkeiten beim Trinken) des Stockes die Sammeleffizienz senken. Unter natürlichen Umständen scheinen Zittertänze regelmässig eine direkte Reaktion auf Stock-externe Faktoren zu sein, und werden daher einige Bedeutung im Sammelkommunikationssytem haben. Sofern die Stock-externen Faktoren nicht einen Mangel an Nektarabnehmerinnen im Stock anzeigen, könnte es sein, dass der Zittertanz nicht nur Nektarabnehmerinnen rekruitiert, sondern, ähnlich wie die kurzen Pipingsignale der Zittertänzerinnen, der Hemmung oder Re-organisation der Sammelaktivität einer Honigbienen Kolonie dient.
KW  - Bienen <Familie>
KW  - Kommunikation
KW  - Nahrungserwerb
KW  - Bienensprache
KW  - Biene
KW  - Nektar
KW  - Sammeln
KW  - Honigbiene
KW  - Kommunikation
KW  - Piping Signal
KW  - Flexibilität
KW  - Zittertanz
KW  - Honeybee
KW  - Nectar Foraging
KW  - tremble dance
KW  - worker piping
KW  - dynamics
Y1  - 2002
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-3601
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TY  - THES
A1  - Groh, Claudia
T1  - Environmental influences on the development of the female honeybee brain Apis mellifera
T1  - Der Einfluss von Umweltfaktoren auf die Entwicklung des Gehirns der weiblichen Honigbiene Apis mellifera
N2  - Für die Honigbiene spielt der Geruchssinn eine entscheidende Rolle bei der Kommunikation innerhalb des Sozialstaates. Kastenspezifische, auf uweltbedingten Einflüssen basierende sowie altersbedingte Unterschiede im olfaktorisch gesteuerten Verhalten liefern ein hervorragendes Modellsystem für diese Studie, um die Entwicklung und Funktion neuronaler Plastizität im olfaktorischen System zu untersuchen. Diese Studie konzentriert sich auf Unterschiede zwischen Königinnen und Arbeiterinnen, den beiden weiblichen Kasten innerhalb des Bienestaates, sowie auf umweltbedingte Plastizität. Diploide Eier, aus denen sich Königinnen und Arbeiterinnen entwickeln, sind genetisch identisch. Dennoch entwickeln sich Königinnen wesentlich schneller zum Adulttier als Arbeiterinnen, sind als Imago größer, leben wesentlich länger und zeigen andere Verhaltensweisen. Diese Unterschiede werden durch eine differentielle larvale Fütterung initiiert. Im Anschluss an das Larvenstadium und somit nach erfolgter Kastendetermination, entwickeln sich die Bienen über eine Puppenphase (verdeckelte Phase) zum Imago. Adulte Bienen klimatisieren das zentrale Brutareal auf einer mittleren Temperatur von 35°C konstant. Bienen, die bei niedrigeren Temperaturen innerhalb des physiologisch relevanten Bereichs aufwachsen, weisen Defizite im olfaktorischen Lernverhalten und in der Tanzkommunikation auf. Mögliche neuronale Korrelate für altersbedingte, temperatur- und kastenspezifische Unterschiede im olfaktorisch gesteuerten Verhalten sollten in dieser Arbeit betrachtet werden. Die strukturellen Analysen konzentrierten sich dabei auf primäre (Antennalloben) und sekundäre (Pilzkörper-Calyces)olfaktorische Verarbeitungszentren im Gehirn von sich entwickelnden und adulten Tieren beider Kasten. Synchron verdeckelte Brutzellen beider Kasten wurden unter kontrollierten Bedingungen im Inkubator herangezogen. Neuroanatomische Untersuchungen wurden an fixierten Gewebeschnitten mittels einer Doppelfluoreszenzfärbung mit Fluor-Phalloidin und anti-Synapsin Immuncytochemie durchgeführt. Diese Doppelmarkierung ermöglichte die Visualisierung und Quantifizierung individueller Synapsenkomplexe (Microglomeruli) im Pilzkörper-Calyx. Phalloidin bindet an verschiedene F-Aktin Isoformen und kann zum Nachweis von F-Aktin im Insektennervensystem verwendet werden. F-Aktin wird während der Entwicklung in Wachstumskegeln und in adulten Gehirnen in präsynaptischen Endigungen und dendritischen Dornen exprimiert. Präsynaptische Elemente wurden durch den Einsatz eines spezifischen Antikörpers gegen das Drosophila-Vesikeltransportprotein Synapsin I charakterisiert. Mit Hilfe der konfokalen Laser-Scanning Mikroskopie wurde die exakte räumliche Zuordnung der Fluoreszenzsignale anhand optischer Schnitte durch die Präparate realisiert. Anhand dieser Methodik konnten erstmals über reine Volumenanalysen hinausgehende Messungen zur synaptischen Strukturplastizität im Pilzkörper-Calyx durchgeführt werden. Die Untersuchungen an Gehirnen in den verschiedenen Puppenstadien zeigten Unterschiede im Entwicklungsverlauf der Gehirne mit dem Fokus auf die Bildung antennaler Glomeruli und calycaler Microglomeruli. Unterschiede in der Gehirnentwicklung verdeutlichten die ontogenetische Plastizität des Gehirns der Honigbiene. Entsprechend der kürzeren Puppenphase der Königinnen bildeten sich sowohl antennale Glomeruli als auch alle Untereinheiten (Lippe, Collar, Basalring) des Calyx etwa drei Tage früher aus. Direkt nach dem Schlupf zeigten quantitative Analysen innerhalb der Pilzkörper-Calyces eine signifikant geringere Anzahl an Microglomeruli bei Königinnen. Diese neuronale Strukturplastizität auf verschiedenen Ebenen der olfaktorischen Informationsverarbeitung korreliert mit der kastenspezifischen Arbeitsteilung. Die Arbeit liefert Erkenntnisse über den Einfluss eines wichtigen kontrollierten Umweltparameters, der Bruttemperatur, während der Puppenphase auf die synaptische Organisation der adulten Pilzkörper-Calyces. Bereits geringe Unterschiede in der Aufzuchtstemperatur (1°C) beeinflussten signifikant die Anzahl von Microglomeruli in der Lippenregion des Calyx beider weiblicher Kasten. Die maximale Anzahl an MG entwickelte sich bei Arbeiterinnen bei 34.5°C, bei Königinnen aber bei 33.5°C. Neben dieser entwicklungsbedingten neuronalen Plastizität zeigt diese Studie eine starke altersbedingte Strukturplastizität der MG während der relativ langen Lebensdauer von Bienenköniginnen. Hervorzuheben ist, dass die Anzahl an MG in der olfaktorischen Lippenregion mit dem Alter anstieg (~55%), in der angrenzenden visuellen Collarregion jedoch abnahm (~33%). Die in der vorliegenden Arbeite erstmals gezeigte umweltbedingte Entwicklungsplastizität sowie altersbedingte synaptische Strukturplastizität in den sensorischen Eingangsregionen der Pilzkörper-Calyces könnte kasten- und altersspezifischen Anpassungen im Verhalten zugrunde liegen.
N2  - Olfaction plays an important role in a variety of behaviors throughout the life of the European honeybee. Caste specific, environmentally induced and aging/experiencedependent differences in olfactory behavior represent a promising model to investigate mechanisms and consequences of phenotypic neuronal plasticity within the olfactory pathway of bees. This study focuses on the two different female phenotypes within the honeybee society, queens and workers. In this study, for the first time, structural plasticity in the honeybee brain was investigated at the synaptic level. Queens develop from fertilized eggs that are genetically not different from those that develop into workers. Adult queens are larger than workers, live much longer, and display different behaviors. Developmental trajectory is mainly determined by nutritional factors during the larval period. Within the subsequent post-capping period, brood incubation is precisely controlled, and pupae are incubated close to 35°C via thermoregulatory activity of adult workers. Behavioral studies suggest that lower rearing temperatures cause deficits in olfactory learning in adult bees. To unravel possible neuronal correlates for thermoregulatory and caste dependent influences on olfactory behavior, I examined structural plasticity of developing as well as mature olfactory synaptic neuropils. Brood cells were reared in incubators and pupal as well as adult brains were dissected for immunofluorescent staining. To label synaptic neuropils, I used an antibody to synapsin and fluophore-conjugated phalloidin which binds to filamentous (F-) actin. During development, neuronal F-actin is expressed in growing neurons, and in the mature nervous system, F-actin is most abundant in presynaptic terminals and dendritic spines. In the adult brains, this double labeling technique enables the quantification of distinct synaptic complexes microglomeruli [MG]) within olfactory and visual input regions of the mushroom bodies (MBs) prominent higher sensory integration centers. Analyses during larval-adult metamorphosis revealed that the ontogenetic plasticity in the female castes is reflected in the development of the brain. Distinct differences among the timing of the formation of primary and secondary olfactory neuropils were also revealed. These differences at different levels of the olfactory pathway in queens and workers correlate with differences in tasks performed by both female castes. In addition to caste specific differences, thermoregulation of sealed brood cells has important consequences on the synaptic organization within the MB calyces of adult workers and queens. Even small differences in rearing temperatures affected the number of MG in the olfactory calyx lip regions. In queens, the highest number of MG in the olfactory lip developed at 1°C below the temperature where the maximum of MG is found in workers (33.5 vs. 34.5°C). Apart from this developmental neuronal plasticity, this study exhibits a striking age-related plasticity of MG throughout the extended life span of queens. Interestingly, MG numbers in the olfactory lip increased with age, but decreased within the adjacent visual collar of the MB calyx. To conclude, developmental and adult plasticity of the synaptic circuitry in the sensory input regions of the MB calyx may underlie caste- and age-specific adaptations and long-term plasticity in behavior.
KW  - Biene
KW  - Neuroethologie
KW  - Geruchswahrnehmung
KW  - Gehirn
KW  - Ontogenie
KW  - Neuroethologie
KW  - Pilzkörper
KW  - Strukturplastizität
KW  - Mikroglomerulus
KW  - Honigbiene
KW  - soziale Insekten
KW  - neuroethology
KW  - mushroom body
KW  - structural plasticity
KW  - microglomerulus
KW  - honeybee
KW  - social insects
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-17388
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TY  - THES
A1  - Prusko, Carsten Dietmar
T1  - Evolutionary Diversification of Protein Functions : From Translation in Prokaryotes to Innate Immunity in Invertebrates
T1  - Evolutionäre Diversifikation von Proteinfunktionen: Von Translation in Prokaryoten zur Angeborenen Immunität in Invertebraten
N2  - With the progress in sequencing of the honey bee genome new data become available which allows the search and identification of genes coding for homologous proteins found in other organism. Two genes coding for c-type lysozymes were identified in the genome of A. mellifera through an online-based BLAST search. Expression of both intron-less genes seems not to be under the regulatory control of either of the two pathways involved in humoral insect immunity, i.e. Toll and Imd, since no NF-&#954;B transcription factor binding sites are found upstream of the genes. The encoded Lys-1 and Lys-2 are 157 and 143 amino acid long, respectively, and share a sequence similarity of 90%. Further in silico analysis revealed a signal peptidase cleavage site at the N-terminus of each amino acid sequence, strongly suggesting a secretion of the enzymes into the surrounding environment of the producing cells. Sequence alignments of both amino acid sequences with other c-type lysozymes identified the highly conserved active site glutamic acid (Glu32) as well as eight highly conserved cysteine residues. However, an important aspartic acid (Asp50) in the active site that helps to stabilize a substrate intermediate during catalysis is replaced by a serine residue in the lysozymes of A. mellifera. The replacement of the active site aspartic acid in the honey bee lysozymes suggests a different catalytic mechanism and/or a different substrate-specificity in respect to other c-type lysozymes. Furthermore, 3D-models of Lys-1 and Lys-2 were generated based on the sequence similarity of A. mellifera lysozymes with other c-type lysozymes. The published 3D structure of the lysozyme from the silkmoth Bombyx mori, which shares the highest sequence similarity of all available structures with A. mellifera lysozymes, was used as template for the construction of the 3D-models. The models of Lys-1 and Lys-2 suggest that both enzymes resemble, in large part, the structure of B. mori lysozyme. In order to identify the set of AMPs in the hemolymph of A. mellifera, hemolymph of immunized bees was analyzed. Applying SDS-polyacrylamide gel electrophoresis and mass spectrometry on hemolymph from immunized bees, three out of the four peptides were identified, i.e. abaecin, defensin 1 and hymenoptaecin. Furthermore, Lys-2 was identified in the hemolymph by mass spectrometry, conclusively demonstrating the presence of a lysozyme in the hemolymph of A. mellifera for the first time. However, the protein levels of Lys-2 were not affected by bacterial injection, suggesting that the gene expression of the putative antibacterial protein is not under the regulatory control of the Imd and/or Toll pathway. Besides the abovementioned antimicrobial peptides, the 76 kDa large transferrin was also identified. Transferrin is an iron-binding protein that has been implicated in innate immunity in the honey bee. Furthermore, the effect of pathogenic dose, the timeline of peptide induction and the age-related accumulation of the aforementioned AMPs were studied. The intensity of expression of the antimicrobial peptides, abaecin, defensin 1, and hymenoptaecin as well as transferrin increased proportionally with the amount of bacteria injected into the hemocoel. No such effect was observed for the protein levels of Lys-2. Furthermore, up-regulation of the three antibacterial peptides and transferrin was observed within the first 24 h following infection with E. coli (gram-). Infection with the gram+ bacterium Micrococcus flavus resulted in high and moderate protein levels for transferrin and abaecin, respectively, whereas hardly any accumulation of hymenoptaecin was observed, indicating that the gene expression of abaecin and transferrin is somehow positively correlated, and would suggest a shared regulatory pathway that differs from that of hymenoptaecin. Although bacterial infections didn’t seem to stimulate the production of Lys-2, different concentrations in the hemolymph were observed in bees of different ages, suggesting a correlation between the expression of Lys-2 and the age-related division of labor of adult worker honey bees, also known as age polyethism. The results further allow a proposed causal connection between the age-dependent accumulation of Lys-2 and the hemolymph titer of the gonotrophic hormone juvenile hormone, which is the “behavioral pacemaker” in adult honey bees.
N2  - Mit der fortschreitenden Sequenzierung des Bienengenoms werden staendig neue Daten zur Verfuegung gestellt, die eine gezielte Suche und Identifizierung von homologen Protein in der Honigbiene ermoeglichen. Mittels einer web-basierenden BLAST-Suche konnten im Genom zwei Gene identifiziert werden, welche fuer Lysozyme des C-typs kodieren. Genauere Untersuchung der Genloci konnten zeigten, dass beide Geneabschnitte keine Bindestellen fuer Transkriptionsfaktoren der NF-&#954;B-Familie aufweisen, und daher davon auszugehen ist, dass die Lysozyme-Gene nicht unter der Kontrolle der beiden regulatroischen Pathways Toll bzw. Imd, von denen man annimmt, dass sie die humorale Immunantwort regulieren, stehen. Die beiden Gene lyz1 und lyz2 kodieren ein 157 bzw. ein 143 Aminosaeure langes Protein, welche zu 90% sequenzielle Aehnlichkeiten aufweisen. Durch weitere in silico Analyse der Protein konnten an den N-termini Erkennungssignale der Signalpeptidase gefunden werden, welche darauf schliessen lassen, dass beide Lysozyme in die Zellumgebung sezerniert werden. Mittels Sequenzvergleiche beider A. mellifera Lysozyme mit anderen C-typ Lysozymen konnte die hochkonservierte und fuer den katalytische Aktivitaet essentielle Aminosaeure Glutamat 32 (Glu32), sowie acht konservierte Cysteine identifiziert werden. Erstaunlicherweise fehlt das fuer den katalytischen Mechanismus essentielle Aspartat 50 (Asp50), welches fuer die Stabilizierung von Intermediaerprodukten wichtig ist. In A. mellifera Lysozymen ist dieses Aspartat durch ein Serin substituiert, was darauf schliessen laesst, dass die beiden Enzyme einen anderen Mechanism und/oder eine andere Substratspezifitaet aufweissen als dies fuer die C-typ Familie der Fall ist. In diesem Zusammenhang wurde ein evolutionaerer Pathway vorgesschlagen, der eine moegliche Transition von Serin zu Aspartat erklaert. Schliesslich konnten aufgrund der Sequenzhomologien zu anderen C-typ Lysozyme und anhand von bestehende Strukturen, 3D-Strukturmodelle der beiden Lysozyme erstellt werde. Die Modelle haben gezeigt, dass die Struktur der beide Enzyme groessenteils den Strukturen andere C-typ Lysozyme gleicht. Zur Identifiezung vom AMPs in A. mellifera, wurde die Hemoplymphe immunisierte Bienen elektrophoretisch und massenspektrometrisch analysisiert. Die drei AMPs Abaecin, Defensin 1 und Hymenoptaecin konnten dabei verifiziert werden. Darueber hinaus wurde zum ersten Mal das Lys-2 in der Hemolymphe nachgewiessen. Anders als bei den drei Oben erwaehnten AMPs, wurde das Lys-2 jedoch nicht durch bakterielle Infektion induziert. Die konstitutive Expression des Lys-2 laesst darauf schliessen, dass es nicht, wie bereits erwaehnt, unter der Kontrolle der beiden immunspezifischen, regulatorischen Pathways Toll und Imd steht. Zusaetlich zu den AMPs wurde das 76 kDa grosse Transferrin, ein Eisen-bindendes Protein, identifiziert, welches eine Rolle in der angeborenen Immunitaet zugesprochen wird. Anhand der genauen Bestimmung der Peptide wurde desweiteren der Effekt der bakteriellen Dosis, der Zeitverlauf der Induktion und die alterabhaengige Induktion naeher untersucht. Die Intensitaet der Expression der AMPs Abaecin, Defensin 1 und Hymenoptaecin sowie Transferrin nahm proportional mit der Menge an injezierten Bakterien zu. Die Akkumulation von Lys-2 wurde dagegen nicht beeinflusst. Desweiteren konnte eine Hochregulierung der Expressionslevel der drei AMPs und Transferrin, nach erfolgter Infektion mit E. coli, innerhalb der ersten 24 Stunden beobachtet werden. Infektion mit dem gram+ Bakterium Micrococcus flavus resultiert dagegen in hoch bzw. moderate Expression von Transferin und Abaecin, jedoch war kaum ein Anstieg der Expression von Hymenoptaecin zu verzeichnen. Dies laesst daraus schliessen, dass die Expression von Abaecin und Transferrin positiv korreliert sind und spricht fuer einen gemeinsamen regulatorischen Pathway, der sich von dem des Hymenoptaecin unterscheidet. Trotz der Beobachtung, dass die Expression von Lys-2 nicht durch bakterielle Infection induziert wird, konnten unterschiedliche Expressionsmuster in Bienen unterschiedlichen Alters beobachtet werden, welche auf eine Korrelation zwischen der Expression des Lys-2 und der altersabhaengigen Arbeitsteilung adulter Honigbienen, dem sogenennten Alterspolythismus, schliessen lassen. Aufgrund dessen, koennte man einen kausalen Zusammenhang zwischen der alterabhaengigen Akkumulation des Lys-2 und dem Hemolymphtiter des gonotrophen Juvenilhormons, welches fuer die Verhaltensaenderung adulter Bienen verantwortlich ist, sehen.
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Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-18517
ER  -