TY  - THES
A1  - Nguyen, Tu Anh Thi
T1  - Neural coding of different visual cues in the monarch butterfly sun compass
T1  - Neuronale Kodierung verschiedener visueller Signale im Sonnenkompass des Monarchfalters
N2  - Monarch butterflies are famous for their annual long-distance migration. Decreasing temperatures and reduced daylight induce the migratory state in the autumn generation of monarch butterflies. Not only are they in a reproductive diapause, they also produce fat deposits to be prepared for the upcoming journey: Driven by their instinct to migrate, they depart from their eclosion grounds in the northern regions of the North American continent and start their southern journey to their hibernation spots in Central Mexico. The butterflies cover a distance of up to 4000 km across the United States. In the next spring, the same butterflies invert their preferred heading direction due to seasonal changes and start their northward spring migration. The spring migration is continued by three consecutive butterfly generations, until the animals repopulate the northern regions in North America as non-migratory monarch butterflies. The monarch butterflies’ migratory state is genetically and epigenetically regulated, including the directed flight behavior. Therefore, the insect’s internal compass system does not only have to encode the butterflies preferred, but also its current heading direction. However, the butterfly’s internal heading representation has to be matched to external cues, to avoid departing from its initial flight path and increasing its risk of missing its desired destination. During the migratory flight, visual cues provide the butterflies with reliable orientation information. The butterflies refer to the sun as their main orientation cue. In addition to the sun, the butterflies likely use the polarization pattern of the sky for orientation. The sky compass signals are processed within a region in the brain, termed the central complex (CX). Previous research on the CX neural circuitry of the monarch butterflies demonstrated that tangential central complex neurons (TL) carry the visual input information into the CX and respond to a simulated sun and polarized light. However, whether these cells process additional visual cues like the panoramic skyline is still unknown. Furthermore, little is known about how the migratory state affects visual cue processing. In addition to this, most experiments studying the monarch butterfly CX focused on how neurons process single visual cues. However, how combined visual stimuli are processed in the CX is still unknown.
This thesis is investigating the following questions:
1)	How does the migratory state affect visual cue processing in the TL cells within the monarch butterfly brain?
2)	How are multiple visual cues integrated in the TL cells?
3)	How is compass information modulated in the CX?
To study these questions, TL neurons from both animal groups (migratory and non-migratory) were electrophysiologically characterized using intracellular recordings while presenting different simulated celestial cues and visual sceneries. I showed that the TL neurons of migratory butterflies are more narrowly tuned to the sun, possibly helping them in keeping a directed flight course during migration. Furthermore, I found that TL cells encode a panoramic skyline, suggesting that the CX network combines celestial and terrestrial information. Experiments with combined celestial stimuli revealed that the TL cells combine both cue information linearly. However, if exposing the animals to a simulated visual scenery containing a panoramic skyline and a simulated sun, the single visual cues are weighted differently. These results indicate that the CX’s input region can flexibly adapt to different visual cue conditions. Furthermore, I characterize a previously unknown neuron in the monarch butterfly CX which responds to celestial stimuli and connects the CX with other brain neuropiles. How this cell type affects heading direction encoding has yet to be determined.
N2  - Monarchfalter sind berühmt für ihre jährlichen Migrationsflüge. Sinkende Temperaturen und die verkürzte Tageslichtbestrahlung induzieren die Migration in einer Herbstgeneration der Monarchfalter. Sie sind nicht nur in reproduktiver Diapause, sondern produzieren Fettreserven für die bevorstehende Reise: Getrieben von ihrem Migrationsinstinkt verlassen sie ihre Schlüpfstätten in den nördlichen Regionen des Nordamerikanischen Kontinents und starten ihre südliche Wanderung zu ihren Überwinterunsgstätten in Zentralmexiko. Dabei legen die Schmetterlinge Strecken von bis zu 4000 km durch die Vereinigten Staaten zurück. Im nächsten Frühling kehren die gleichen Schmetterlinge ihre Vorzugsrichtung durch die jahreszeitlich bedingten Veränderungen um und die Tiere bewegen sich nordwärts. Die Frühlingsgeneration wird insgesamt über drei Schmetterlingsgeneration durchgeführt, bis die Tiere die nördlichen Regionen in Nordamerika wieder als nicht-migrierende Monarchfalter besiedeln. Der Migrationsstatus der Monarchfalter ist genetisch und epigenetisch reguliert, was auch das gerichtete Flugverhalten einschließt. Demnach muss das interne Kompasssystem der Falter nicht nur die bevorzugte, sondern auch die aktuelle Flugrichtung prozessieren. Die interne Repräsentation der Flugrichtung des Falters muss jedoch mit der Umwelt abgeglichen werden, ansonsten droht das Tier von der ursprünglichen Flugrichtung abzuweichen und erhöht das Risiko den Wunschort nicht zu erreichen. Während des Migrationsfluges bieten visuelle Signale verlässliche Orientierungsinformationen. Dabei ist die Sonne ihre Hauptorientierungsreferenz. Zusätzlich zur Sonne nutzen die Schmetterlinge vermutlich noch das Polarisationsmuster des Himmels zur Orientierung. Diese Himmelskompasssignale werden im Gehirn in einer Gehirnregion, den Zentralkomplex, integriert. Vergangene Forschungsprojekte am Zentralkomplex haben gezeigt, dass tangentiale Zentralkomplex-Neurone (TL) die visuellen Signale in den Zentralkomplex leiten und auf eine simulierte Sonne und polarisiertes Licht sensitiv sind. Ob diese Zellen noch weitere visuelle Signale verarbeiten, wie zum Beispiel den Horizont eines Panoramas, ist nicht bekannt. Auch ist der Einfluss des Migrationsstatus auf die visuelle Signalverarbeitung im Zentralkomplex bisher unerforscht. Des Weiteren haben die meisten Experimente am Zentralkomplex des Monarchfalters den Fokus auf die Verarbeitung einzelner simulierter visueller Reize gelegt. Wie aber Kombinationen aus Stimuli im Zentralkomplex verarbeitet werden, ist nicht bekannt. 
 
Diese Dissertation beschäftigt sich mit folgenden Fragen: 
1)	Wie beeinflusst der Migrationsstatus die visuelle Reizverarbeitung in TL-Zellen im Monarchfaltergehirn?
2)	Wie werden mehrere visuelle Reize in TL-Zellen miteinander kombiniert?
3)	Wie wird Kompassinformation im Zentralkomplex moduliert?
In diesem Zusammenhang wurden TL-Neurone aus beiden Gruppen (migrierende und nichtmigrierende Monarchfalter) elektrophysiologisch mittels intrazellulärer Aufnahmen charakterisiert, während den Tieren unterschiedliche simulierte Himmelkompasssignale und visuelle Szenerien präsentiert wurden. Hierbei konnte ich zeigen dass die TL-Neuronen in migrierenden Tieren ein engeres Tuning zur Sonne aufwiesen, was den Tieren helfen könnte, eine gerichtete Flugrichtung zu halten. Außerdem antworten die TL-Neurone auf ein Panorama, womit der Zentralkomplex in der Lage wäre, Himmelskompasssignale mit terrestrischer Information zu kombinieren. In Experimenten mit zwei kombinierten simulierten Himmelskompasssignalen konnte ich zeigen, dass die TL-Zellen beide Signalinformationen linear miteinander verrechnen. Wenn die TL-Zellen jedoch mit einer visuellen Szenerie stimuliert werden, welche eine simulierte Sonne und ein Panorama beinhaltet, werden die einzelnen visuellen Signale unterschiedlich gewichtet. Die Ergebnisse sind ein Hinweis darauf, dass die Eingangsregion im Zentralkomplex sich flexibel an die visuellen Signalbedingungen anpassen können. Außerdem habe ich ein bis dahin unbekanntes Neuron während meiner Studien charakterisieren können, welches auf simulierte Himmelskompasssignale antwortet und den Zentralkomplex mit anderen Neuropilen im Gehirn verbindet. Wie dieser Neuronentyp Einfluss auf die Kodierung der Flugrichtung nimmt, muss in der Zukunft weiter erforscht werden.
KW  - Monarchfalter
KW  - Danaus plexippus
KW  - Gehirn
KW  - Orientierung
KW  - Visuelle Wahrnehmung
KW  - monarch butterfly
KW  - brain
KW  - orientation
KW  - visual perception
KW  - central complex
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-303807
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rutschmann, Benjamin
T1  - Occurrence and population density of wild-living honey bees in Europe and the impact of different habitat types on their foraging and overwintering success
T1  - Vorkommen und Populationsdichte von wild lebenden Honigbienen in Europa und die Auswirkungen unterschiedlicher Habitattypen auf ihr Sammelverhalten und den Überwinterungserfolg
N2  - The original habitat of native European honey bees (\(Apis\) \(mellifera\)) is forest, but currently there is a lack of data about the occurrence of wild honey bee populations in Europe. Prior to being kept by humans in hives, honey bees nested as wild species in hollow trees in temperate forests. However, in the 20th century, intensification of silviculture and agriculture with accompanying losses of nesting sites and depletion of food resources caused population declines in Europe. When the varroa mite (Varroa destructor), an invasive ectoparasite from Asia, was introduced in the late 1970s, wild honey bees were thought to be eradicated in Europe. Nevertheless, sporadic, mostly anecdotal, reports from ornithologists or forest ecologists indicated that honey bee colonies still occupy European forest areas. In my thesis I hypothesize that near-natural deciduous forests may provide sufficient large networks of nesting sites representing refugia for wild-living honey bees. Using two special search techniques, i.e. the tracking of flight routes of honey bee foragers (the “beelining” method) and the inspection of known cavity trees, I collected for the first time data on the occurrence and density of wild-living honey bees in forest areas in Germany (CHAPTER 3). I found wild-living honey bee colonies in the Hainich national park at low densities in two succeeding years. In another forest region, I checked known habitat trees containing black woodpecker cavities for occupation by wild-living honey bee colonies. It turned out that honey bees regularly use these cavities and occur in similar densities in both studied forest regions, independent of the applied detection method. Extrapolating these densities to all German forest areas, I estimate several thousand wild-living colonies in Germany that potentially interact in different ways with the forest environment. I conclude that honey bees regularly colonize forest areas in Germany and that networks of mapped woodpecker cavities offer unique possibilities to study the ecology of wild-living honey bees over several years.
While their population status is ambiguous and the density of colonies low, the fact that honey bees can still be found in forests poses questions about food supply in forest environments. Consequently, I investigated the suitability of woodlands as a honey bee foraging habitat (CHAPTER 4). As their native habitat, forests are assumed to provide important pollen and nectar sources for honey bee colonies. However, resource supply might be spatially and temporally restricted and landscape-scale studies in European forest regions are lacking. Therefore, I set up twelve honey bee colonies in observation hives at locations with varying degree of forest cover. Capitalizing on the unique communication behaviour, the waggle dance, I examined the foraging distances and habitat preferences of honey bees over almost an entire foraging season. Moreover, by connecting this decoded dance information with colony weight recordings, I could draw conclusions about the contribution of the different habitat types to honey yield. Foraging distances generally increased with the amount of forest in the surrounding landscape. Yet, forest cover did not have an effect on colony weight. Compared to expectations based on the proportions of different habitats in the surroundings, colonies foraged more frequently in cropland and grasslands than in deciduous and coniferous forests, especially in late summer when pollen foraging in the forest is most difficult. In contrast, colonies used forests for nectar/honeydew foraging in early summer during times of colony weight gain emphasizing forests as a temporarily significant source of carbohydrates. Importantly, my study shows that the ecological and economic value of managed forest as habitat for honey bees and other wild pollinators can be significantly increased by the continuous provision of floral resources, especially for pollen foraging.
The density of these wild-living honey bee colonies and their survival is driven by several factors that vary locally, making it crucial to compare results in different regions. Therefore, I investigated a wild-living honey bee population in Galicia in north-western Spain, where colonies were observed to reside in hollow electric poles (CHAPTER 5). The observed colony density only in these poles was almost twice as high as in German forest areas, suggesting generally more suitable resource conditions for the bees in Galicia. Based on morphometric analyses of their wing venation patterns, I assigned the colonies to the native evolutionary lineage (M-lineage) where the particularly threatened subspecies \(Apis\) \(mellifera\) \(iberiensis\) also belongs to. Averaged over two consecutive years, almost half of the colonies survived winter (23 out of 52). Interestingly, semi-natural areas both increased abundance and subsequent colony survival. Colonies surrounded by more semi-natural habitat (and therefore less intensive cropland) had an elevated overwintering probability, indicating that colonies need a certain amount of semi-natural habitat in the landscape to survive. Due to their ease of access these power poles in Galicia are, ideally suited to assess the population demography of wild-living Galician honey bee colonies through a long-term monitoring.
In a nutshell, my thesis indicates that honey bees in Europe always existed in the wild. I performed the first survey of wild-living bee density yet done in Germany and Spain. My thesis identifies the landscape as a major factor that compromises winter survival and reports the first data on overwintering rates of wild-living honey bees in Europe. Besides, I established methods to efficiently detect wild-living honey bees in different habitat. While colonies can be found all over Europe, their survival and viability depend on unpolluted, flower rich habitats. The protection of near-natural habitat and of nesting sites is of paramount importance for the conservation of wild-living honey bees in Europe.
 
N2  - Das ursprüngliche Habitat der Westlichen Honigbiene (\(Apis\) \(mellifera\)) ist der Wald, doch derzeit fehlt es an Daten über das Vorkommen von wilden Honigbienenpopulationen in Europa. Bevor die Honigbiene von Menschen in künstlichen Behausungen gehalten wurde, nistete sie in den gemäßigten Breiten in hohlen Bäumen als wild lebende Art. Doch die Intensivierung der Forst- und Landwirtschaft, der damit einhergehende Verlust von Nistplätzen und die Verschlechterung der Nahrungsressourcen führten zu einem Rückgang der Honigbienenpopulationen im 20. Jahrhundert. Nachdem die Varroa-Milbe (Varroa destructor), ein invasiver Ektoparasit, in den späten 1970er-Jahren aus Asien eingeschleppt wurde, nahm man an, dass wilde Honigbienen in Europa ausgestorben seien. Nichtsdestotrotz gaben sporadische, hauptsächlich anekdotische Berichte von Ornithologen oder Waldökologen Anlass zur Vermutung, dass Honigbienenvölker immer noch in europäischen Wäldern zu finden seien.
In meiner vorliegenden Dissertation stelle ich die Hypothese auf, dass naturnahe Laubwälder ein ausreichend großes Netz von Nistplätzen bieten und als Zufluchtsorte für wild lebende Honigbienen fungieren können. Mit Hilfe zweier spezieller Suchtechniken – dem Nachverfolgen der Flugrouten von Honigbienen-Sammlerinnen (die ‚Bee-Lining‘-Methode) und der Inspektion bekannter Baumhöhlen – habe ich erstmalig Daten über das Vorkommen und die Populationsdichte von wild lebenden Honigbienen in deutschen Waldgebieten gesammelt (CHAPTER 3). In zwei aufeinanderfolgenden Jahren habe ich wild lebende Honigbienenvölker im Hainich Nationalpark entdeckt, wobei die Populationsdichten gering waren. In einem anderen Waldgebiet habe ich kartierte Habitatbäume mit Höhlen des Schwarzspechts auf ihre Besiedlung mit Honigbienenvölker hin überprüft. Es stellte sich heraus, dass Honigbienen diese Schwarzspechthöhlen regelmäßig nutzen und in ähnlich niedrigen Dichten in beiden untersuchten Waldgebieten vorkommen. Mittels Extrapolation schätze ich die Zahl der wild lebenden Bienenvölker in allen deutschen Waldgebieten auf mehrere Tausend, die auf vielfältige Weise mit der Waldumgebung interagieren können. Zusammenfassend zeigte sich, dass Honigbienen regelmäßig deutsche Waldgebiete bewohnen und dass Daten über kartierte Spechthöhlen eine einmalige Möglichkeit bieten, die Ökologie der Honigbienen als Wildtier mittels eines Langzeitmonitorings zu untersuchen. 
Auch wenn der Populationsstatus noch ungeklärt und die Populationsdichte gering ist, wirft die Existenz wild lebender Honigbienen Fragen bezüglich der Nahrungsversorgung im Wald auf. Folglich habe ich untersucht, ob eine ausreichende Futterversorgung für Honigbienen in Wäldern gegeben ist (CHAPTER 4). Wälder gelten als der ursprüngliche Lebensraum der Westlichen Honigbiene und man nimmt an, dass sie wichtige Pollen- und Nektarquellen für Honigbienenvölker liefern. Das Nahrungsangebot könnte jedoch räumlich und zeitlich begrenzt sein, wobei hierzu bislang Studien in europäischen Waldregionen fehlen. Daher habe ich zwölf Honigbienenvölker in Beobachtungsstöcken, jeweils an Orten mit unterschiedlichem Waldanteil, aufgestellt. Indem ich mir das einzigartige Kommunikationsverhalten – den Schwänzeltanz – zu Nutzen machte, untersuchte ich Sammeldistanzen und Habitatpräferenzen von Honigbienen über fast eine ganze Bienensaison hinweg. Darüber hinaus konnte ich durch die Verknüpfung der entschlüsselten Tanzinformationen mit Gewichtsaufzeichnungen der Bienenvölker Rückschlüsse auf den Beitrag der verschiedenen Habitattypen zum Honigertrag der Völker ziehen. Die Entfernungen bei der Nahrungssuche nahmen grundsätzlich mit dem Waldanteil in der umgebenden Landschaft zu. Obwohl Bienenvölker, die tiefer im Wald stationiert waren, weiter fliegen mussten, war ihre Gewichtszunahme nicht reduziert. Im Vergleich zu den Erwartungen, die sich aus den flächenmäßigen Anteilen der verschiedenen Habitate in der Umgebung ergeben, sammelten die Völker häufiger in Acker- und Grasland als in Laub- und Nadelwald, wobei der Spätsommer die schwierigste Zeit für die Pollenversorgung im Wald war. Auf die Phase im Frühsommer von Mitte Mai bis Mitte Juli bezogen, in der die Völker an Gewicht zunahmen, wurde der Wald zum Sammeln für Nektar/Honigtau beinahe erwartungsgemäß genutzt. Das unterstreicht die Bedeutung des Waldes als wichtige Quelle für Kohlenhydrate während eines kurzen Zeitraums im Jahr. Meine Untersuchungen zeigen, dass der ökologische und ökonomische Wert von Wirtschaftswald als Lebensraum für Honigbienen und andere Bestäuber durch die kontinuierliche Versorgung von Blütenressourcen, insbesondere in Bezug auf Pollen, erheblich gesteigert werden kann. 
Die Dichte wild lebender Honigbienenvölker und deren Überleben ist durch mehrere Faktoren bestimmt die lokal variieren, weshalb es äußerst wichtig ist, die Ergebnisse hinsichtlich verschiedener Regionen zu vergleichen. Im Zuge dieser Arbeit habe ich daher zusätzlich noch eine wild lebende Honigbienenpopulation in Galicien im Nordwesten Spaniens untersucht, wo die Bienenvölker in hohlen Strommasten nisteten (CHAPTER 5). Die beobachtete Völkerdichte war allein in diesen Strommasten fast doppelt so hoch wie in deutschen Waldgebieten, was auf grundsätzlich geeignetere Bedingungen für Bienen in Galicien schließen lässt. Anhand morphometrischer Analysen der Flügeläderung habe ich die Bienenvölker der einheimischen Evolutionslinie (M-Linie) zugeordnet, zu der auch die besonders bedrohte Unterart \(Apis\) \(mellifera\) \(iberiensis\) gehört. In zwei aufeinander folgenden Jahren überlebte im Durchschnitt fast die Hälfte der Bienenvölker den Winter (23 von 52). Interessanterweise waren in naturnahen Gebieten sowohl die Häufigkeit als auch das Überleben der Bienenvölker höher. Kolonien, die von mehr naturnahen Lebensräumen (und damit weniger intensiv genutzten Ackerflächen) umgeben waren, wiesen eine höhere Überwinterungswahrscheinlichkeit auf, was darauf hindeutet, dass die Kolonien einen gewissen Anteil an naturnahem Lebensraum in der Landschaft zum Überleben benötigen. Diese Strommasten in Galicien sind aufgrund ihrer leichten Zugänglichkeit ideal geeignet, um die Populationsdemografie der dortigen wild lebenden Honigbienen durch ein Langzeit-Monitoring zu untersuchen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Honigbienen wohl ununterbrochen als wild lebende Spezies in Europa existierten. Im Zuge meiner Doktorarbeit habe ich die erste quantitative Untersuchung wild lebender Honigbienen in Deutschland und Spanien durchgeführt. Meinen Ergebnissen zufolge ist die Landschaft ein entscheidender Faktor, der das Winterüberleben beeinflusst. Zudem beinhaltet meine Arbeit die ersten Daten über Überwinterungsraten von wild lebenden Honigbienen in Europa. Weiters habe ich Methoden entwickelt, um wild lebende Honigbienen in verschiedenen Lebensräumen zuverlässig und schnell zu finden. Alle drei Studien meiner Dissertation betonen, wie wichtig es ist, naturnahe Gebiete für den Schutz von wild lebenden Honigbienen zu erhalten. Zwar sind wild lebende Bienenvölker überall in Europa zu finden, doch ihre Überlebensfähigkeit hängt von blütenreichen, nicht mit Pestiziden belasteten Lebensräumen ab. Der Schutz von Lebensräumen und Nistplätzen ist für die Erhaltung der wild lebenden Honigbienen in Europa von größter Bedeutung.
KW  - Biene
KW  - wild-living honey bees
KW  - honey bee density
KW  - feral bees
KW  - forest landscape
KW  - waggle dance decoding
KW  - bee-lining
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-286732
ER  - 
TY  - THES
A1  - Değirmenci [née Pölloth], Laura
T1  - Sugar perception and sugar receptor function in the honeybee (\(Apis\) \(mellifera\))
T1  - Zuckerwahrnehmung und Zuckerrezeptorfunktion in der Honigbiene  (\(Apis\) \(mellifera\))
N2  - In the eusocial insect honeybee (Apis mellifera), many sterile worker bees live together with a reproductive queen in a colony. All tasks of the colony are performed by the workers, undergoing age-dependent division of labor. Beginning as hive bees, they take on tasks inside the hive such as cleaning or the producing of larval food, later developing into foragers. With that, the perception of sweetness plays a crucial role for all honeybees whether they are sitting on the honey stores in the hive or foraging for food. Their ability to sense sweetness is undoubtedly necessary to develop and evaluate food sources. Many of the behavioral decisions in honeybees are based on sugar perception, either on an individual level for ingestion, or for social behavior such as the impulse to collect or process nectar. In this context, honeybees show a complex spectrum of abilities to perceive sweetness on many levels. They are able to perceive at least seven types of sugars and decide to collect them for the colony. Further, they seem to distinguish between these sugars or at least show clear preferences when collecting them. Additionally, the perception of sugar is not rigid in honeybees. For instance, their responsiveness towards sugar changes during the transition from in-hive bees (e.g. nurses) to foraging and is linked to the division of labor. Other direct or immediate factors changing responsiveness to sugars are stress, starvation or underlying factors, such as genotype. 
Interestingly, the complexity in their sugar perception is in stark contrast to the fact that honeybees seem to have only three predicted sugar receptors. 
In this work, we were able to characterize the three known sugar receptors (AmGr1, AmGr2 and AmGr3) of the honeybee fully and comprehensively in oocytes (Manuscript II, Chapter 3 and Manuscript III, Chapter 4). We could show that AmGr1 is a broad sugar receptor reacting to sucrose, glucose, maltose, melezitose and trehalose (which is the honeybees’ main blood sugar), but not fructose. AmGr2 acts as its co-receptor altering AmGr1’s specificity, AmGr3 is a specific fructose receptor and we proved the heterodimerization of all receptors. With my studies, I was able to reproduce and compare the ligand specificity of the sugar receptors in vivo by generating receptor mutants with CRISPR/Cas9. With this thesis, I was able to define AmGr1 and AmGr3 as the honeybees’ basis receptors already capable to detect all sugars of its known taste spectrum.
In the expression analysis of my doctoral thesis (Manuscript I, Chapter 2) I demonstrated that both basis receptors are expressed in the antennae and the brain of nurse bees and foragers. This thesis assumes that AmGr3 (like the Drosophila homologue) functions as a sensor for fructose, which might be the satiety signal, while AmGr1 can sense trehalose as the main blood sugar in the brain. Both receptors show a reduced expression in the brain of foragers when compared with nurse bees. These results may reflect the higher concentrated diet of nurse bees in the hive. The higher number of receptors in the brain may allow nurse bees to perceive hunger earlier and to consume the food their sitting on. Forager bees have to be more persistent to hunger, when they are foraging, and food is not so accessible. The findings of reduced expression of the fructose receptor AmGr3 in the antennae of nurse bees are congruent with my other result that nurse bees are also less responsive to fructose at the antennae when compared to foragers (Manuscript I, Chapter 2). This is possible, since nurse bees sit more likely on ripe honey which contains not only higher levels of sugars but also monosaccharides (such as fructose), while foragers have to evaluate less-concentrated nectar. 
My investigations of the expression of AmGr1 in the antennae of honeybees found no differences between nurse bees and foragers, although foragers are more responsive to the respective sugar sucrose (Manuscript I, Chapter 2). Considering my finding that AmGr2 is the co-receptor of AmGr1, it can be assumed that AmGr1 and the mediated sucrose taste might not be directly controlled by its expression, but indirectly by its co-receptor. My thesis therefore clearly shows that sugar perception is associated with division of labor in honeybees and appears to be directly or indirectly regulated via expression. 
The comparison with a characterization study using other bee breeds and thus an alternative protein sequence of AmGr1 shows that co-expression of different AmGr1 versions with AmGr2 alters the sugar response differently. Therefore, this thesis provides first important indications that alternative splicing could also represent an important regulatory mechanism for sugar perception in honeybees.
Further, I found out that the bitter compound quinine lowers the reward quality in learning experiments for honeybees (Manuscript IV, Chapter 5). So far, no bitter receptor has been found in the genome of honeybees and this thesis strongly assumes that bitter substances such as quinine inhibit sugar receptors in honeybees. With this finding, my work includes other molecules as possible regulatory mechanism in the honeybee sugar perception as well. We showed that the inhibitory effect is lower for fructose compared to sucrose. Considering that sugar signals might be processed as differently attractive in honeybees, this thesis concludes that the sugar receptor inhibition via quinine in honeybees might depend on the receptor (or its co-receptor), is concentration-dependent and based on the salience or attractiveness and concentration of the sugar present. 
With my thesis, I was able to expand the knowledge on honeybee’s sugar perception and formulate a complex, comprehensive overview. Thereby, I demonstrated the multidimensional mechanism that regulates the sugar receptors and thus the sugar perception of honeybees. With this work, I defined AmGr1 and AmGr3 as the basis of sugar perception and enlarged these components to the co-receptor AmGr2 and the possible splice variants of AmGr1. I further demonstrated how those sugar receptor components function, interact and that they are clearly involved in the division of labor in honeybees. In summary, my thesis describes the mechanisms that enable honeybees to perceive sugar in a complex way, even though they inhere a limited number of sugar receptors. My data strongly suggest that honeybees overall might not only differentiate sugars and their diet by their general sweetness (as expected with only one main sugar receptor). The found sugar receptor mechanisms and their interplay further suggest that honeybees might be able to discriminate directly between monosaccharides and disaccharides or sugar molecules and with that their diet (honey and nectar).
N2  - Beim dem eusozialen Insekt Honigbiene (Apis mellifera) leben tausende sterile Arbeitsbienen zusammen mit einer fortpflanzungsfähigen Königin in einem Volk. Alle Aufgaben in der Kolonie werden von diesen Arbeiterinnen erledigt, während sie eine altersabhängige Arbeitsteilung durchlaufen. Als Stockbienen beginnend übernehmen sie Aufgaben im Stock wie die Reinigung oder die Produktion von Larvenfutter und entwickeln sich später zu Sammlerinnen. Das Wahrnehmung von Süße spielt für alle Honigbienen eine entscheidende Rolle, egal ob sie auf den Honigvorräten im Stock sitzen oder nach Nahrung suchen. Ihre Fähigkeit Süße zu wahrzunehmen ist zweifellos notwendig, um Nahrungsquellen zu identifizieren und zu bewerten. Viele der Verhaltensentscheidungen bei Honigbienen basieren auf ihrer Zuckerwahrnehmung, entweder auf individueller Ebene für die Nahrungsaufnahme oder für soziales Verhalten wie beispielsweise das Sammeln oder Verarbeiten von Nektar. Honigbienen zeigen auf vielen Ebenen ein komplexes Spektrum bei der Wahrnehmung von Süße. Sie können mindestens sieben Zuckerarten wahrnehmen und sammeln diese für ihren Stock. Darüber hinaus scheinen sie zwischen diesen Zuckern unterscheiden zu können oder zeigen zumindest klare Präferenzen beim Sammeln. Außerdem ist die Zuckerwahrnehmung bei Honigbienen nicht starr. Ihre Zuckerwahrnehmung ändert sich, wenn sie von einer Stockbiene (z. B. Ammen) zum Nahrungssammeln außerhalb des Stockes übergehen, und ist somit mit ihrer Arbeitsteilung verbunden. Andere direkte oder unmittelbare Faktoren, die die Reaktion auf Zucker verändern, sind Stress, Hunger oder zugrunde liegende Faktoren wie der Genotyp.
Interessanterweise steht die Komplexität der Zuckerwahrnehmung in starkem Kontrast zu der Tatsache, dass Honigbienen bisher anscheinend nur drei mögliche Zuckerrezeptoren haben.
In dieser Arbeit konnten wir die drei bekannten Honigbienenzuckerrezeptoren (AmGr1, AmGr2 und AmGr3) in Xenopus-Oozyten vollständig und umfassend charakterisieren (Manuscript II, Chapter 3 und Manuscript III, Chapter 4). Wir konnten zeigen, dass AmGr1 ein breitdetektierender Zuckerrezeptor ist, der auf Saccharose, Glukose, Maltose, Melezitose und Trehalose (der Hauptblutzucker bei Honigbienen), aber nicht auf Fruktose reagiert. AmGr2 fungiert als ein Co-Rezeptor, der die Spezifität von AmGr1 verändert. AmGr3 ist ein spezifischer Fruktoserezeptor und wir haben die Heterodimerisierung der Rezeptoren überprüft. Mit meinen Studien konnte ich die gefundene Ligandenspezifität der Zuckerrezeptoren in vivo reproduzieren und vergleichen, indem ich Rezeptormutanten mit CRISPR/Cas9 generierte. Dabei konnte ich AmGr1 und AmGr3 als die Basisrezeptoren von Honigbienen definieren, die bereits alle Zucker ihres bekannten Geschmacksspektrums detektieren können.
In der Expressionsanalyse meiner Doktorarbeit (Manuscript I, Chapter 2) konnte ich zeigen, dass beide Basisrezeptoren in den Antennen und im Gehirn von Ammenbienen und Sammlerinnen exprimiert werden. Diese Arbeit geht davon aus, dass AmGr3 (wie das Homologe in Drosophila) als Sensor für Fruktose fungiert, die das Sättigungssignal sein könnte, während AmGr1 Trehalose als Hauptblutzucker im Gehirn wahrnehmen kann. Beide Rezeptoren zeigen eine reduzierte Expression im Gehirn von Sammlerinnen im Vergleich zu Ammenbienen. Diese Ergebnisse könnten die höher konzentrierte Ernährung der Ammenbienen im Stock widerspiegeln. Die höhere Anzahl an Rezeptoren im Gehirn könnte es den Ammenbienen ermöglichen frühzeitiger Hunger wahrzunehmen und die Nahrung, auf der sie sitzen aufzunehmen. Sammelbienen dagegen müssen beim Sammeln und dem reduzierten Nahrungsangebot ausdauernder sein. Die gemessene reduzierte Expression des Fruktoserezeptors AmGr3 in den Antennen von Ammenbienen entsprechen meinen anderen Ergebnissen, wonach Ammenbienen im Vergleich zu Sammelbienen an den Antennen auch weniger empfindlich auf Fruktose reagieren (Manuscript I, Chapter 2). Dies ist möglich, da Ammenbienen eher auf reifem Honig sitzen, der nicht nur einen höheren Zuckergehalt, sondern auch vermehrt Monosaccharide (wie Fructose) enthält, während Sammelbienen weniger konzentrierten Nektar bewerten müssen.
Meine Untersuchungen zur Expression von AmGr1 in den Antennen von Honigbienen ergaben keine Unterschiede zwischen Ammenbienen und Sammlerinnen, obwohl Sammlerinnen empfindlicher auf den entsprechenden Zucker Saccharose reagieren. Angesichts unserer Ergebnisse, dass AmGr2 der Co-Rezeptor von AmGr1 ist, kann die Hypothese aufgestellt werden, dass AmGr1 und der vermittelte Saccharose-Geschmack möglicherweise nicht direkt durch seine Expression, sondern indirekt durch seinen Co-Rezeptor reguliert werden. Meine Dissertation zeigt somit deutlich, dass die Zuckerwahrnehmung bei Honigbienen mit Arbeitsteilung verbunden ist und direkt oder indirekt über die Expression geregelt zu werden scheint.
Der Vergleich mit einer anderen Charakterisierungsstudie, durchgeführt an anderen Bienenrassen und damit einer alternativen Proteinsequenz von AmGr1, zeigt, dass die Co-Expression verschiedener AmGr1-Varianten mit AmGr2 die Zuckerantwort unterschiedlich verändert. Daher liefert diese Arbeit erste wichtige Hinweise darauf, dass alternatives Spleißen auch bei Honigbienen einen wichtigen Regulationsmechanismus für die Zuckerwahrnehmung darstellen könnte. 
Des Weiteren habe ich herausgefunden, dass der Bitterstoff Chinin die Qualität der Belohnung in Lernexperimenten für Honigbienen senkt (Manuscript IV, Chapter 5). Bisher wurde kein Bitterrezeptor im Genom von Honigbienen gefunden und diese Arbeit deutet darauf hin, dass Bitterstoffe wie Chinin Zuckerrezeptoren in Honigbienen hemmen. Mit dieser Erkenntnis schließt meine Dissertation auch andere Moleküle als mögliche Regulationsmechanismen in die Zuckerwahrnehmung der Honigbiene ein. Wir haben gezeigt, dass die hemmende Wirkung bei Fruktose im Vergleich zu Saccharose geringer ist. Unter der Berücksichtigung, dass Zuckersignale bei Honigbienen möglicherweise unterschiedlich attraktiv verarbeitet werden, kommt meine Arbeit zu dem Schluss, dass die Hemmung der Zuckerrezeptoren durch Chinin bei Honigbienen abhängig ist von der verwendeten Konzentration, der Bedeutung bzw. Attraktivität des Zuckers und seiner Konzentration.
Mit meiner Doktorarbeit konnte ich das Wissen über die Zuckerwahrnehmung der Honigbiene insgesamt erweitern und einen komplexen, umfassenden Überblick formulieren. Ich konnte den mehrdimensionalen Mechanismus aufzeigen, der die Zuckerrezeptoren und damit die Zuckerwahrnehmung von Honigbienen reguliert. Ich konnte AmGr1 und AmGr3 als Basis der Zuckerwahrnehmung definieren und diese Komponenten auf den Co-Rezeptor AmGr2 und die möglichen Spleißvarianten von AmGr1 erweitern. Ich habe außerdem gezeigt, wie diese Zuckerrezeptorkomponenten funktionieren, interagieren, und dass sie eindeutig an der Arbeitsteilung bei Honigbienen beteiligt sind. Zusammenfassend beschreibt meine Dissertation die Mechanismen, die es Honigbienen ermöglichen, Zucker auf komplexe Weise wahrzunehmen, selbst wenn sie eine begrenzte Anzahl von Zuckerrezeptoren besitzen. Meine Daten deuten stark darauf hin, dass Honigbienen Zucker und ihre Nahrung nicht nur aufgrund ihrer generellen Süße unterscheiden können (wie dies mit nur einem Hauptzuckerrezeptor zu erwarten wäre).
Die gefundenen Zuckerrezeptormechanismen und deren Zusammenspiel legen nahe, dass Honigbienen möglicherweise direkt zwischen Monosacchariden und Disacchariden bzw. Zuckermolekülen und damit zwischen ihrer Nahrung (Honig und Nektar) unterscheiden können.
KW  - Biene
KW  - Apis mellifera
KW  - responsiveness
KW  - honeybee
KW  - sugar receptor
KW  - sugar perception (fructose, sucrose)
KW  - AmGr1, AmGr2, AmGr3
KW  - PER
KW  - division of labor
KW  - CRISPR/Cas9
KW  - bitter taste
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-321873
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schilcher, Felix
T1  - Regulation of the nurse-forager transition in honeybees (\(Apis\) \(mellifera\))
T1  - Regulation des Ammen–Sammlerinnen-Übergangs in Honigbienen (\(Apis\) \(mellifera\))
N2  - Honeybees are among the few animals that rely on eusociality to survive. While the
task of queen and drones is only reproduction, all other tasks are accomplished by sterile
female worker bees. Different tasks are mostly divided by worker bees of different ages
(temporal polyethism). Young honeybees perform tasks inside the hive like cleaning and
nursing. Older honeybees work at the periphery of the nest and fulfill tasks like guarding
the hive entrance. The oldest honeybees eventually leave the hive to forage for resources
until they die. However, uncontrollable circumstances might force the colony to adapt or
perish. For example, the introduced Varroa destructor mite or the deformed wing virus
might erase a lot of in-hive bees. On the other hand, environmental events might kill a
lot of foragers, leaving the colony with no new food intake. Therefore, adaptability of
task allocation must be a priority for a honeybee colony.
In my dissertation, I employed a wide range of behavioral, molecular biological and analytical techniques to unravel the underlying molecular and physiological mechanisms of
the honeybee division of labor, especially in conjunction with honeybee malnourishment.
The genes AmOARα1, AmTAR1, Amfor and vitellogenin have long been implied to
be important for the transition from in-hive tasks to foraging. I have studied in detail
expression of all of these genes during the transition from nursing to foraging to understand how their expression patterns change during this important phase of life. My focus
lay on gene expression in the honeybee brain and fat body. I found an increase in the
AmOARα1 and the Amforα mRNA expression with the transition from in-hive tasks to
foraging and a decrease in expression of the other genes in both tissues. Interestingly,
I found the opposite pattern of the AmOARα1 and AmTAR1 mRNA expression in the
honeybee fat body during orientation flights. Furthermore, I closely observed juvenile
hormone titers and triglyceride levels during this crucial time. Juvenile hormone titers
increased with the transition from in-hive tasks to foraging and triglyceride levels decreased.
Furthermore, in-hive bees and foragers also differ on a behavioral and physiological level.
For example, foragers are more responsive towards light and sucrose. I proposed that
modulation via biogenic amines, especially via octopamine and tyramine, can increase
or decrease the responsiveness of honeybees. For that purpose, in-hive bees and foragers were injected with both biogenic amines and the receptor response was quantified
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using electroretinography. In addition, I studied the behavioral response of the bees to
light using a phototaxis assay. Injecting octopamine increased the receptor response and
tyramine decreased it. Also, both groups of honeybees showed an increased phototactic
response when injected with octopamine and a decreased response when injected with
tyramine, independent of locomotion.
Additionally, nutrition has long been implied to be a driver for division of labor. Undernourished honeybees are known to speed up their transition to foragers, possibly to
cope with the missing resources. Furthermore, larval undernourishment has also been
implied to speed up the transition from in-hive bees to foragers, due to increasing levels
of juvenile hormone titers in adult honeybees after larval starvation. Therefore, I reared
honeybees in-vitro to compare the hatched adult bees of starved and overfed larvae to
bees reared under the standard in-vitro rearing diet. However, first I had to investigate
whether the in-vitro rearing method affects adult honeybees.
I showed effects of in-vitro rearing on behavior, with in-vitro reared honeybees foraging
earlier and for a shorter time than hive reared honeybees. Yet, nursing behavior was
unaffected.
Afterwards, I investigated the effects of different larval diets on adult honeybee workers.
I found no effects of malnourishment on behavioral or physiological factors besides a
difference in weight. Honeybee weight increased with increasing amounts of larval food,
but the effect seemed to vanish after a week.
These results show the complexity and adaptability of the honeybee division of labor.
They show the importance of the biogenic amines octopamine and tyramine and of the
corresponding receptors AmOARα1 and AmTAR1 in modulating the transition from inhive bees to foragers. Furthermore, they show that in-vitro rearing has no effects on
nursing behavior, but that it speeds up the transition from nursing to foraging, showing
strong similarities to effects of larval pollen undernourishment. However, larval malnourishment showed almost no effects on honeybee task allocation or physiology. It seems
that larval malnourishment can be easily compensated during the early lifetime of adult
honeybees.
N2  - Honigbienen gehören zu den wenigen Spezies, die in eusozialen Gemeinschaften leben.
Die eierlegende Königin und die männlichen Drohnen dienen nur der Fortpflanzung. Alle
anderen Arbeiten von den sterilen Arbeiterinnen ausgeführt werden. Die Arbeitsteilung
wird meistens anhand des Alters der Bienen organisiert. Junge Arbeiterinnen bleiben im
Inneren der Kolonie und führen beispielsweise Putzarbeiten und Ammentätigkeiten aus.
Mit zunehmendem Alter verlagern sich ihre Tätigkeiten immer mehr in Richtung des
Nestausgangs wo sie, unteranderem als Wächterbienen, den Stockeingang bewachen.
Die ältesten Honigbienen verlassen das Nest, um Honig, Pollen, Wasser oder Propolis
zu sammeln, bis sie am Ende sterben.
Allerdings können unvorhersehbare Ereignisse dazu führen, dass sich die Kolonie anpassen muss, um nicht unterzugehen. Krankheiten wie der Flügeldeformationsvirus oder
die, durch den Menschen eingeführte, Varroa destructor Milbe können auf einen Schlag
eine große Zahl an Bienen auslöschen. Des Weiteren können beispielsweise starke Unwetter dafür sorgen, dass etliche Sammlerinnen auf ihrem Sammelflug sterben und die
Kolonie ohne neuen Nektar oder Pollen zurückgelassen wird. Es liegt auf der Hand, dass
eine starre Arbeitsverteilung nicht ausreicht, um solchen Umständen entgegenzuwirken
und, dass eine gewisse Flexibilität notwendig ist.
In meiner Dissertation habe ich eine weitreichende Anzahl an verhaltensbiologischen und
molekularbiologischen Techniken verwendet, um die molekularen und physiologischen
Mechanismen der Arbeitsteilung bei Honigbienen aufzuklären, vor allem im Bezug auf
den Übergang von Ammenbienen zu Sammlerinnen.
Es ist seit langer Zeit bekannt, dass die Gene AmOARα1, AmTAR1, Amfor und Vitellogenin beim Übergang von Ammenbienen zu Sammlerinnen von zentraler Bedeutung
sind. Deshalb habe ich die Expression dieser Gene, sowohl im Gehirn als auch im Fettkörper, in genau diesem Zusammenhang betrachtet und die unterschiedlichen Veränderungen der Expressionsmuster während dieser wichtigen Phase im Leben einer Honigbiene
analysiert.
Ich konnte zeigen, dass sowohl die mRNA Expression des AmOARα1 und des Amforα
beim Übergang von Ammenbienen zu Sammlerinnen anstieg, während die Expression der
anderen Kandidatengene im gleichen Zeitraum sowohl im Gehirn als auch im Fettkörper
abfiel. Interessanterweise zeigten die Expressionsmuster des AmOARα1 und des Am3
TAR1, während der Orientierungsflüge, genau in die entgegengesetzte Richtung.
Zusätzlich habe ich mir bei denselben Bienen auch den Juvenilhormongehalt in der Hämolymphe und die Menge an Triglyceriden im Fettkörper angeschaut. Der Juvenilhormongehalt nahm schlagartig zu, als die Bienen mit dem Sammeln begannen. Die Menge
an Triglyceriden nahm allerdings von Ammenbienen, über Bienen während des Orientierungsfluges zu Sammlerinnen konstant ab.
Des Weiteren war bereits bekannt, dass sich Ammenbienen und Sammlerinnen nicht
nur auf genetischer, sondern auch auf verhaltensbiologischer und physiologischer Ebene
voneinander unterscheiden. Zum Beispiel sind Sammlerinnen empfindlicher für Licht und
Saccharose. Ich stellte die Hypothese auf, dass die Empfindlichkeit von Honigbienen für
solche Schwellen durch biogene Amine, insbesondere Oktopamin und Tyramin, moduliert
werden kann. Oktopamin sollte die Empfindlichkeit von Bienen erhöhen, wohingegen
Tyramin diese verringern sollte.
Hierfür injizierte ich Stockbienen und Sammlerinnen beide biogenen Amine und analysierte
die Rezeptorantwort mit einem Elektroretinogramm (ERG) und die Lichtempfindlichkeit
in einer Phototaxisarena.
Oktopamininjektion führte dazu, dass die Rezeptorantwort im ERG erhöht wurde und
dass beide Gruppen eine erhöhte Lichtempfindlichkeit aufwiesen. Tyramin hatte in beiden Experimenten genau den gegenteiligen Effekt.
Allerdings kann der Ammen-Sammlerinnen-Übergang nicht nur durch biogene Amine
moduliert werden, auch die Ernährung hat einen großen Einfluss. Zum Beispiel fangen
unterernährte Honigbienen eher an zu sammeln als satte Honigbienen. Des Weiteren
sollte auch die larvale Unterernährung bereits einen Einfluss auf die spätere Arbeitsteilung haben, da man bei Arbeiterinnen, die im Larvenstadium bereits unterernährt
waren, eine erhöhte Menge an Juvenilhormon festgestellt hatte. Dies sieht man auch
beim Übergang von Ammenbienen zu Sammlerinnen.
Deshalb nutzte ich eine Methode zur artifiziellen Aufzucht von Honigbienen, um die Standarddiät, die diese normalerweise erhalten, zu variieren. Allerdings musste ich zuerst den
Effekt der in-vitro Aufzucht auf im Stock aufgezogene Honigbienen untersuchen.
Ich konnte zeigen, dass die artifizielle Aufzucht das Sammelverhalten erwachsener Honigbienen signifikant beeinflusste, während das Ammenverhalten der in-vitro aufgezogenen
Bienen nicht beeinflusst wurde. Artifiziell aufgezogene Honigbienen begannen, im Vergleich zu normalen Bienen, früher zu sammeln und sammelten für eine kürzere Zeit.
Danach zog ich unterernährte, normal ernährte und überfütterte Honigbienen in-vitro
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auf. Ich fand Unterschiede im Gewicht zwischen den Behandlungsgruppen. Unterernährte Bienen waren die leichtesten und überfütterte Bienen wogen am meisten. Dieser
Unterschied verschwand aber über die Zeit. Des Weiteren konnte ich keinen Einfluss der
Ernährung auf das Ammenverhalten oder das Sammelverhalten zeigen.
Dieser Ergebnisse zeigen sowohl die Komplexität als auch das Anpassungsvermögen der
Arbeitsteilung von Honigbienen. Sie zeigen, dass sowohl die beiden biogenen Amine Oktopamin und Tyramin, als auch die dazugehörigen Rezeptoren AmOARα1 und AmTAR1
bei der Modulation des Ammen-Sammlerinnen-Übergangs eine große Rolle spielen. Des
Weiteren zeigen die Ergebnisse des Vergleichs von artifiziell und im Stock aufgezogenen Bienen, starke Gemeinsamkeiten zu einer larvalen Unterernährung mit Pollen. Jedoch scheint eine allgemeine larvale Unterernährung kaum einen Effekt auf den AmmenSammlerinnen-Übergang zu haben. Diese scheint während der ersten Lebenstage von
Honigbienen relativ leicht kompensiert werden zu können.
KW  - Biene
KW  - juvenile hormone
KW  - nurse bee
KW  - forager
KW  - division of labor
KW  - malnourishment
KW  - diet
KW  - bee
KW  - honeybee
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-289352
ER  -