Riassunto
Ape gestita ( Apis mellifera) le colonie sono mantenute a densità molto maggiori rispetto alle colonie selvatiche o selvatiche presenti in natura, il che può avere effetti dannosi sulla salute e sulla sopravvivenza della colonia, sulla diffusione della malattia e sul comportamento alla deriva (movimento delle api tra colonie natali e non natali).
Abbiamo valutato gli effetti di un semplice intervento di gestione dell’apiario (alterando la densità e l’aspetto visivo delle colonie) sulla salute delle colonie.
Nello specifico, abbiamo stabilito tre configurazioni di apiario “alta densità/alta deriva” (“HD”) e tre “bassa densità/bassa deriva” (“LD”), ciascuna composta da otto colonie di api.
Gli alveari nella configurazione apiario HD erano dello stesso colore e posizionati a 1 m di distanza in un unico appoggio lineare, mentre gli alveari nella configurazione apiario LD erano posizionati a 10 m di distanza a diverse altezze, rivolti verso l’esterno in un cerchio,e reso visivamente distintivo con colori e simboli per ridurre la deriva accidentale tra le colonie.
Abbiamo studiato la trasmissione della malattia e la dinamica tra le configurazioni dell’apiario eliminando da tutte le colonie l’acaro parassitaVarroa destructor e successivamente inoculando due colonie scelte casualmente per apiario con dosi controllate di acari.
Abbiamo monitorato le colonie per due anni e abbiamo scoperto che la configurazione dell’apiario LD aveva una produzione di miele significativamente maggiore e una mortalità invernale ridotta.
L’inoculazione e l’intervento di gestione dell’apiario hanno interagito per influenzare i livelli di acari della covata, con i livelli più alti nelle colonie inoculate nella configurazione HD. Infine, le bottinatrici avevano una probabilità tre volte maggiore di andare alla deriva nelle configurazioni dell’apiario HD.
I nostri risultati suggeriscono che un cambiamento di gestione relativamente semplice, posizionando le colonie in cerchi visivamente complessi a bassa densità piuttosto che in supporti lineari visivamente simili ad alta densità, può fornire vantaggi significativi alla salute e alla produttività delle colonie di api mellifere gestite.
introduzione
Vi è ampia preoccupazione per il calo delle api mellifere ( Apis mellifera ) . Le colonie gestite sono tipicamente mantenute a una vicinanza e una densità che sono molti ordini di grandezza superiori alle loro controparti selvatiche, che comunemente variano in densità da 1 a 6 colonie per km 2 [ 3 , 4 ]. Gli apiari gestiti, al contrario, sono densamente organizzati con colonie tipicamente distanziate di ≤1 m l’una dall’altra [ 5] e può avere 40 colonie in un piccolo spazio. Tale drastica alterazione delle densità può avere serie implicazioni per la salute e la sopravvivenza della colonia, la trasmissione di malattie e il comportamento di deriva (cioè quando le api entrano in una colonia non natale).
La densità di popolazione è stata studiata come un fattore chiave nelle relazioni ecologiche fin da Malthus [ 6 ], che per primo descrisse le relazioni di mortalità e fecondità dipendenti dalla densità. La densità è conosciuta come un importante fattore di dinamica della popolazione in molti animali inclusi insetti [ 7 ], pesci [ 8 ], piante [ 9 ] e mammiferi [ 10 ]. La densità può anche essere un importante modulatore di altri fattori ecologici, compresi i modelli paesaggistici come la dimensione dell’area [ 11 ] e le interazioni ecologiche come gli effetti ben studiati della densità delle prede sui tassi di consumo dei predatori [ 12]. Gli studi hanno dimostrato in altre specie di insetti sociali che la competizione per lo spazio di foraggiamento è indicata nella distribuzione delle colonie di formiche vicine [ 13 ] e le formiche operaie nelle colonie affollate consumano più energia che può influire sulle prestazioni e sulla forma fisica della colonia [ 14 ].
Nei sistemi agricoli sono comuni densità elevate e l’affollamento può avere conseguenze negative sulle prestazioni degli animali. Ad esempio, densità elevate di allevamento possono aumentare la regolazione dei geni dello stress e sottoregolare i geni immunitari nei pesci [ 15 ], mentre le mucche in ambienti di gestione ad alta densità riducono la quantità di tempo che trascorrono nell’alimentazione [ 16 ]. Nelle api mellifere, l’affollamento intracolonia può avere effetti dannosi sulla produttività della colonia e sulla durata della vita delle api [ 17 , 18 ]. Le condizioni di bottinaggio affollato possono anche avviare segnali per fermare il bottinamento stesso o diminuire il reclutamento di nuovi foraggiatori, riducendo così l’efficienza di raccolta della colonia [ 19 , 20]. Inoltre, l’affollamento intercolonia potrebbe avere un effetto dannoso sugli errori di ritorno neli fuchi e aumentare i carichi di parassiti [ 5 ]. Al contrario, gli apiari a bassa densità potrebbero avere un impatto negativo sulla frequenza degli accoppiamenti per le api regine [ 21 ].
Studi ecologici sia teorici che empirici mostrano che la densità di popolazione è anche un fattore chiave nel guidare l’ecologia e la dinamica delle malattie [ 22 , 23 ]. L’ecologia della malattia prevede che una maggiore densità di ospiti e una maggiore miscelazione delle popolazioni ospiti comporteranno una maggiore trasmissione e oneri di malattia [ 24 ] e possono portare all’evoluzione di una maggiore virulenza dei parassiti [ 25 ].
Nel sistema delle api si ipotizza che l’aumento della densità e della trasmissione delle colonie probabilmente contribuisca all’evoluzione della virulenza dei patogeni e dei parassiti [ 26 ]. La componente parassita di questo studio si è concentrata sull’acaro ectoparassita obbligato Varroa destructor perché si presume che sia la più grande minaccia biotica per le api da miele [ 27 ]. v . È stato anche dimostrato che il parassitismo distruttore influenza la capacità di ritorno delle api da miele e potrebbe influenzare il comportamento alla deriva e la diffusione della malattia [ 28 ].
In un apiario tipico, le colonie sono disposte ravvicinate, allineate in fila con gli ingressi rivolti nella stessa direzione e magari dipinte dello stesso colore [ 5 ]. In questo sistema di gestione ci sono alte densità di colonie di api mellifere, affollamento di raccoglitrici e livelli sostanziali di miscelazione delle api tra queste colonie.
Questa miscelazione può avvenire intenzionalmente (trasferimento di favi per equalizzare la forza della colonia) o involontariamente attraverso tassi più elevati di api che si spostano in colonie visivamente simili [ 5 , 29 ]. Dato che tutti questi fattori sono coerenti con gli effetti negativi della densità e della configurazione dell’apiario [ 5], abbiamo ipotizzato che le pratiche standard di gestione dell’apicoltura aumenteranno la concorrenza per le risorse floreali tra le colonie, si tradurranno in maggiori oneri e trasmissione di malattie e influenzeranno negativamente la salute, la produttività e la sopravvivenza delle colonie.
In particolare, abbiamo previsto che per Varroa destructor ,i livelli negli apiari in configurazioni ad alta densità aumenterebbero più velocemente e manterrebbero un carico di acari più elevato durante l’esperimento rispetto alle configurazioni a bassa densità. Inoltre, ci aspettavamo che le colonie nelle configurazioni ad alta densità avessero una forza di colonia inferiore (misurata dalla produzione di adulti e covate, nonché dalla produzione di miele) e sopravvivenza, oltre a una maggiore V . oneri distruttori , V .trasmissione del distruttore e deriva dell’ape operaia. Infine, ci aspettavamo di osservare tassi di deriva più elevati negli apiari con la configurazione ad alta densità rispetto agli apiari con la configurazione a bassa densità.
Materiali e metodi
Panoramica
Al fine di determinare l’effetto della configurazione dell’apiario delle api da miele (una combinazione di spaziatura delle colonie, disposizione e complessità visiva) sulla salute delle colonie, sul carico di parassiti e sulla deriva delle api, abbiamo condotto uno studio di due anni che ha confrontato una densità lineare ad alta densità con una colorazione simile (alta densità, di seguito “HD”) con una configurazione circolare a bassa densità visivamente complessa (bassa densità, di seguito “LD”).
Abbiamo stabilito tre configurazioni di apiario HD e tre configurazioni di apiario LD nel giugno 2015 intorno ad Athens, Georgia, USA, gestite dall’Honey Bee Lab dell’Università della Georgia. Ogni apiario era distante almeno 3 km dall’apiario più vicino e consisteva di otto colonie inizialmente alloggiate in arnie standard Langstroth a cinque telai, per un totale di 48 colonie.
Abbiamo disposto le colonie HD in un supporto lineare con 1 m tra le colonie e con tutti gli ingressi rivolti nella stessa direzione (Figura 1A). Le colonie HD sono state tutte dipinte di bianco (cioè nessuna variabilità di colore) e poste ad un’altezza costante (20 cm) dal suolo. Abbiamo scelto un layout circolare per le colonie negli apiari LD con 10 m tra le colonie e tutti gli ingressi rivolti verso l’esterno dal centro del cerchio (Fig 1B). Per massimizzare la capacità delle api di distinguere visivamente le colonie, abbiamo dipinto le colonie LD di diversi colori, dipinto diversi simboli ai loro ingressi e posizionato le colonie a tre diverse altezze dal suolo (6, 20, 40 cm, con le colonie spazialmente più vicine a diverse altezze). Inizialmente abbiamo eliminato da tutte le colonie V . destructor e successivamente abbiamo inoculato due colonie scelte casualmente per apiario con 200 acari adulti per riflettere le infestazioni di acari naturali. Abbiamo monitorato le colonie per un periodo di due anni.
Abbiamo quindi quantificato l’effetto delle diverse configurazioni dell’apiario (HD vs. LD), incrociate sperimentalmente con V . infezione da distruttore su quattro aspetti della salute delle api da miele: 1) forza della colonia (misurata dalla popolazione di api adulte, dalla popolazione della covata e dalla produzione di miele); 2) sopravvivenza della colonia; 3) V . riproduzione e diffusione del distruttore ; e 4) comportamento alla deriva dell’ape operaia.
Forza della colonia e infezione da acari
Per ridurre al minimo la variazione, abbiamo iniziato con colonie altamente standardizzate. Abbiamo stabilito ogni colonia con una regina accoppiata e 1,1 kg (2,5 libbre) di api adulte, agitate in un pacchetto. Le regine provenivano tutte dallo stesso allevatore di regine nel sud della Georgia, negli Stati Uniti e le api adulte provenivano tutte da origini comuni. I pacchi sono stati trattati per V . distruttore utilizzando due metodi separati per garantire la massima distanza possibile dagli acari. Per prima cosa abbiamo utilizzato il metodo dello zucchero in polvere [ 30 ] per incoraggiare la toelettatura delle api e la rimozione degli acari. Le confezioni sono state quindi poste in una stanza buia per una notte a 16,6°C (62°F) e spruzzate con acqua zuccherata un’ora prima dell’applicazione di 30 ml di una soluzione di acido ossalico [ 31]. Ogni pacchetto è stato installato tre giorni dopo nell’apiario assegnato casualmente. Una tavola adesiva iniziale è stata lasciata in ogni colonia per 72 ore per garantire che le colonie fossero prive di acari Varroa destructor . Per studiare l’effetto combinato della densità dell’apiario, della disposizione delle colonie e della complessità visiva dell’apiario sulla dinamica dei parassiti, abbiamo selezionato casualmente due colonie in ciascun apiario e inoculato queste colonie con 200 Varroe adulte. Gli acari sono stati raccolti da colonie di origine al di fuori dell’esperimento setacciando zucchero a velo sulla colonia e raccogliendo gli acari dislocati sul fondo della colonia. Abbiamo usato piccoli pennelli in fibra naturale per posizionare gli acari sui filtri del caffè umidi. Abbiamo tenuto gli acari in un’incubatrice a 35°C (95°F) fino a quando non sono stati raccolti tutti gli acari. Abbiamo quindi trasferito tutti gli acari in modo uniforme su un telaio di covata aperto e abbiamo aspettato un minuto per assicurarci che gli acari si fossero attaccati alle cellule di cera in una colonia. Sottolineiamo che le colonie inoculati sono più vicini alla norma che si verificano condizioni di apicoltura (vale a dire un V . Distruttore onere acaro che si sarebbe trovato in un apiario tipico) rispetto al trattamento quasi completa liquidazione nel nostro esperimento dal V . distruttorele dinamiche della popolazione sono in uno stato di “scambio permanente” nelle aree ad alta densità di colonie [ 27 ]. In un ampio sondaggio di sei anni Traynor et al. [ 32 ] hanno scoperto che non è raro che le colonie di apicoltori abbiano livelli di acari diversi da zero in primavera. In tali condizioni è quasi impossibile per le colonie mantenere livelli di acari diversi da zero, come dimostrato da Delaplane e Hood [ 33] che hanno riportato popolazioni di acari medie di agosto di 111±69 in colonie in cui alcune colonie nell’apiario sono state continuamente trattate con acari e altre no. Per mantenere la nostra attenzione su queste colonie originali (e sulle loro regine), abbiamo messo in atto il controllo dello sciame sulle colonie che potrebbero sciamare suddividendole. Abbiamo standardizzato il controllo dello sciame per garantire che le piccole colonie non fossero compromesse dalla procedura. Un totale di 38 delle 48 colonie sono state divise per prevenire la sciamatura, tutte verificatesi nel marzo 2016. Abbiamo impiegato un test esatto di Fisher per determinare che non vi fosse una differenza significativa ( P = 0,29) nel numero di divisioni tra i nostri gruppi di trattamento . Durante l’esperimento, non abbiamo condotto alcuna misura di controllo contro V . distruttore. Le colonie sono state spostate in alveari da 10 telai e seperate in base alle esigenze di crescita e spazio di archiviazione. Abbiamo nutrito le colonie con una soluzione di sciroppo, una pratica comune nella gestione dell’apicoltura, che abbiamo standardizzato dando volumi uguali a tutte le colonie indipendentemente dalle necessità. Abbiamo continuato l’esperimento da giugno 2015 a maggio 2017, a quel punto solo 12 delle 48 colonie originarie erano ancora sopravvissute.
Raccolta dati
Valutazioni della forza della colonia
Per determinare l’effetto della densità e della disposizione dell’apiario sulla salute della colonia, abbiamo effettuato misurazioni periodiche della salute durante l’esperimento. Abbiamo seguito le linee guida per la valutazione della forza della colonia descritte in Delaplane et al. [ 34 ] per misurare la popolazione di api adulte, la quantità di covata e la quantità di miele immagazzinata per ciascuna colonia. Abbiamo eseguito queste valutazioni della colonia sette volte nei due anni dell’esperimento. Abbiamo anche registrato la data in cui ogni colonia è stata trovata morta (nessuna ape residente vivente) e l’ultima data nota in cui era viva per le analisi di sopravvivenza.
Misurazione V . infestazione del distruttore
Abbiamo misurato V . livelli di infestazione del distruttore in tre modi diversi. Innanzitutto, abbiamo utilizzato un metodo di lavaggio con alcol descritto da Fries et al. [ 35 ]. Questo metodo prevede il campionamento distruttivo di 300 api da una colonia in alcool e il conteggio di api e acari (che si staccano dalle api consentendo un conteggio più facile) per ottenere un livello relativo di acari sulla popolazione di api adulte. I lavaggi con alcol sono stati effettuati circa mensilmente durante l’estate e l’autunno e ogni 3 mesi durante l’inverno e la primavera. Abbiamo prelevato nove campioni di lavaggio con alcol durante l’esperimento. Secondo, abbiamo usato tavole appiccicose lasciato in una colonia per 72 ore [ 36 ], un metodo standard per valutare V . distruttorelivelli in una colonia raccogliendo gli acari che cadono e rimangono intrappolati su una tavola posta sul fondo di una colonia. Abbiamo misurato i livelli di acari con tavole appiccicose sette volte attraverso il primo anno di questo esperimento tra cui uno immediatamente dopo l’installazione del pacchetto di colonie confermano erano V . distruttore gratuito. Le tavole adesive sono state prese circa ogni due mesi durante il primo anno e non sono state continuate nel secondo anno dell’esperimento per motivi logistici. Terzo, abbiamo misurato la popolazione di acari nelle celle di covata aprendo 100 celle di covata coperte in ciascuna colonia e contando il numero di acari [ 37]. Gli acari nelle celle di covata sono stati esaminati approssimativamente a intervalli di 4 mesi. Abbiamo misurato i livelli di acari nelle celle di covata sei volte durante l’esperimento.
Comportamento alla deriva
Per quantificare i potenziali effetti del layout dell’apiario sul comportamento alla deriva, abbiamo etichettato le singole api con etichette numerate in modo univoco e utilizzato videocamere posizionate sopra ogni ingresso della colonia per registrare le api che entrano ed escono [ 38 ]. Abbiamo eseguito l’etichettatura e l’acquisizione video nel settembre 2015. Abbiamo etichettati i lavoratori appena emersi, assicurando che le api etichettate provenissero da quella colonia. Il tagging è stato suddiviso in tre settimane consecutive. Ogni settimana abbiamo etichettato fino a 100 api in tutte le colonie da un apiario HD e un apiario LD. Nei giorni 24 e 25 post-tagging, abbiamo registrato da cinque a sette ore di video in segmenti di un’ora in ogni colonia. Con collaboratori informatici, abbiamo sviluppato una pipeline di analisi video Matlab chiamata GRAPHITE per esaminare ogni fotogramma del video ed estrarre fotogrammi contenenti tag [ 38]. Utilizzando la pipeline, abbiamo identificato i tag nei video e determinato: da quale colonia proveniva l’ape etichettata; se l’ape stava entrando o uscendo; e se l’ape trasportasse un carico di polline.
analisi statistica
Panoramica
Abbiamo esplorato l’effetto di due principali variabili esplicative su diverse metriche della salute delle api, descritte sopra nella sezione sulla raccolta dei dati. Le variabili esplicative erano: (1) configurazione dell’apiario (la misura composita della densità dell’apiario, disposizione delle colonie e colore e simbolo delle colonie); (2) il trattamento dei parassiti (eliminato contro inoculato: se la colonia è stata inoculata con un standardizzato V . Distruttore infezione all’inizio dell’esperimento). Abbiamo condotto tre classi generali di analisi, basate sulle seguenti variabili di risposta: 1) infezione da acari a livello di colonia e parametri di salute della colonia; 2) sopravvivenza a livello di colonia; e 3) comportamento alla deriva.
Forza della colonia e infezione da acari
Misure longitudinali ripetute e progetti nidificati, utilizzati nel nostro esperimento, possono comportare un’autocorrelazione temporale e all’interno del soggetto che viola le ipotesi di indipendenza per i metodi di regressione parametrica e lineare. Pertanto, abbiamo utilizzato equazioni di stima generalizzate (GEE) per tenere conto di misure ripetute, inclusa l’autocorrelazione. Abbiamo usato la funzione ‘geeglm’ nel pacchetto ‘geepack’ v.1.2–1 [ 39 ] in R v.3.4.2 [ 40] per specificare e valutare i modelli GEE perché consente dati longitudinali con osservazioni mancanti. Abbiamo bloccato i dati per apiario e colonia e abbiamo utilizzato una struttura di autocorrelazione autoregressiva (AR1). Ciascun modello iniziale è stato specificato utilizzando le due variabili esplicative e la loro interazione. Nei casi in cui il GEE non è stato in grado di convergere, è stato applicato un test dei ranghi con segno di Wilcoxon a ciascuna data del campione ed è stata completata una procedura Benjamini-Hochberg per regolare il tasso di falsa scoperta dei test di confronti multipli.
Analisi di sopravvivenza
Abbiamo eseguito analisi di sopravvivenza sulle colonie utilizzando sia le variabili esplicative che la loro interazione, la configurazione dell’apiario e lo stato di inoculazione della colonia. Abbiamo inoltre completato un’analisi di sopravvivenza invernale separata dal V . l’ infezione da distruttore è implicata nella ridotta sopravvivenza invernale [ 41 , 42 ]. Le colonie sono state ispezionate periodicamente durante l’esperimento e non è stato possibile determinare il momento esatto della morte della colonia. Pertanto, abbiamo utilizzato un intervallo di data di morte della colonia osservata e la data dell’ultima vitalità nota della colonia. Data questa struttura di dati, abbiamo analizzato la sopravvivenza con modelli di rischio proporzionale di Cox con censura a intervalli tramite il pacchetto “frailtypack” [ 43] in R, che consente di specificare l’equivalente degli effetti casuali (solo apiario, poiché la sopravvivenza di una singola colonia nel tempo è la variabile di risposta). Poiché i dati di sopravvivenza invernale consistevano esclusivamente di dati binomiali in un singolo punto temporale (cioè, sopravvissuti rispetto a non sopravvissuti durante l’inverno), abbiamo impiegato un modello misto lineare generalizzato (GLMM) di errori binomiali separati utilizzando il pacchetto lme4 [ 44 ] in R con effetti casuali per l’identità della colonia, nidificata all’interno dell’apiario. Abbiamo testato il modello per l’eccessiva dispersione.
Analisi dei dati alla deriva
Per comprendere come lo stato di una colonia inoculata e la configurazione dell’apiario influenzino il comportamento di deriva delle api, abbiamo eseguito GLMM utilizzando il pacchetto lme4, con conteggi di eventi di deriva modellati con errori di Poisson. Il modello è stato testato per la sovradispersione. La deriva può anche essere correlata con i vicini situati prossimalmente. Abbiamo usato i correlogrammi di Mantel per valutare la correlazione tra la deriva e la posizione relativa della colonia (vicino più vicino, secondo vicino più vicino, terzo vicino più vicino, ecc.) con il pacchetto “vegano” in R [ 45 ], usando la correzione progressiva per confronti multipli.
Risultati
Panoramica
Abbiamo raccolto numerosi dati sulla forza delle colonie, sui livelli di acari e sul movimento delle singole api durante l’esperimento. Le valutazioni sulla salute della colonia hanno portato a 202 misurazioni ciascuna di: popolazione di api adulte, copertura della covata e stoccaggio del miele. Al fine di valutare V . livelli di distruttore durante l’esperimento, abbiamo raccolto 316 pannelli adesivi, 279 lavaggi con alcol (ognuno contenente circa 300 api operaie) e 208 conteggi di acari nella covata (ognuno comprendente 100 celle di covata). Abbiamo registrato e utilizzato la pipeline GRAPHITE per elaborare circa 1200 ore di tracciamento video di api etichettate individualmente. Abbiamo osservato 120 singole api etichettate in modo univoco in 242 momenti separati.
Forza della colonia
Il modello GEE di conservazione del miele non converge, probabilmente a causa del modello stagionale molto forte nella produzione di miele. È stato completato un test dei ranghi con segno di Wilcoxon per ciascuna delle date campione per i negozi di miele e dopo l’applicazione della procedura Benjamini-Hochberg per confronti multipli, le configurazioni LD avevano significativamente più depositi di miele in quattro delle cinque date campione ( P = 0,020, 0,010, 0,040;Fico 2e S1A Fig ), con l’unica data di campionamento non significativa essendo il primo campione. Nessuno dei modelli GEE per la popolazione di api adulte e la quantità di covata (che sono convergenti con successo) hanno avuto effetti fissi statisticamente significativi ( S1B e S1C Fig ).
