Hodnocení vlivu antropogenní zátěže na opylovače proteomickými metodami

Ing. Klára Šulcová

Doctoral thesis

Assessment of the influence of anthropogenic load on pollinators by proteomic methods

Abstract:

Včely jsou nejvýznamnější opylovači kulturních rostlin a zemědělských plodin. Kromě toho poskytují celou řadu pro člověka významných produktů. Včely jsou ovlivněny antropogenní činností a mnoha dalšími faktory, jako jsou patogeny a škůdci včel či nutričně nedostatečná dieta. Mnoho studií ukazuje, že za ztrátami včel v posledních několika letech stojí soubor více faktorů, které působí společně. Tato dizertační práce byla zaměřena na studium antropogenního vlivu a souvisejících faktorů na opylovače s použitím vysokokapacitních metod, zejména proteomické analýzy a analýzy pesticidů. Sledováním společného působení roztoče Varroa destuctor a viru deformovaných křídel byl zjištěn převážně aditivní efekt, který může vést ke zhroucení imunitního systému včel. Jejich společným působením jsou významně ovlivněny signalizačních dráhy jako zejména JAK/STAT a z širšího hlediska jsou ovlivněny dráhy zabraňující hojení ran (TGF-β indukované). V případě, že do této situace zasáhne ještě vliv pesticidu, může to pro včelstvo znamenat úplný kolaps. Při experimentu, kdy byla sledována distribuce imidaklopridu a jeho degradačních produktů ze zeminy do rostliny řepky olejky byla v zelených částech rostliny detekována přítomnost imidakloprid olefinu, zatímco v kořenech ne. Protože je imidakloprid-olefin pro včely více toxický než mateřská sloučenina, může jeho přítomnost v zelených částech rostlin představovat potenciální riziko pro necílové organismy včetně včel. Hodnocení akutních reálných otrav včely medonosné potvrdilo problémy s některými recentně zakázanými pesticidy (imidakloprid, thiakloprid, chlorpyrifos), ale také význam synergického účinku pro kombinaci pyretroidu s fungicidy a neonikotinoidu s fungicidy. Z výsledků vyplývá význam sledování kontaminace včelstva pesticidy analýzou pylu perga a včel z plodového plástu. Na základě těchto výsledků lze kromě tradiční analýzy uhynulých včel a podezřelého ošetřeného porostu indikovat potenciální chronický účinek pesticidů, kterým je však často ovlivněna jen určitá generace. Největší problém představuje situace, kdy je kontaminované celé včelstvo a ovlivněn plod a zejména matka. Při hodnocení chronického subletálního účinku neonikotinoidu imidaklopridu na čmeláka zemního byla zjištěna kumulace nebezpečného metabolitu imidakloprid-olefinu. Kvantitativní proteomickou analýzou bylo zjištěno potlačení mevalonátové dráhy, což se projeví narušením biosyntézy terpenoidů a porušením metabolismu mastných kyselin. V této dizertační práci byly získány imunitní markery důležité pro hodnocení vlivu patogenů na včely, ale je nutné se tímto tématem ještě více do hloubky zabývat. V budoucnu je také nutné zaměřit se na osud pesticidů v organismu, včetně sledování metabolitů a jejich vlivu na necílové organismy.

Abstract:

Bees are the most important pollinators of cultivated plants and agricultural crops. In addition, they provide a many of products important for humans. Bees are affected by anthropogenic activity and many other factors, such as pathogens and pests of bees or nutritionally pure diets. Numbers of studies show that the loss of bees in the last years is set of several factors which effect together. This dissertation was focused on the study of anthropogenic effects and related factors on pollinators using high-throughput methods, especially proteomic analysis and pesticide analysis. Observation at the joint action of mite Varroa destructor and the deformed wing virus was found to combine in additive effect, which can lead to the collapse of the bee´s immune system. Their joint action affects the signaling pathways, mainly JAK/STAT and others, like activating pathways preventing wound healing (TGF- β induced). If the pesticide is applied in this situation, it can result in a complete collapse of the bee colony. In our experiment, we observed the distribution of imidacloprid and its degradation products from the soil to the plant of oilseed rape, we detected imidacloprid-olefin in the green parts of the plant, only not in the roots. Because imidacloprid-olefin is more toxic to insects, including bees, than imidacloprid, its presence in the green parts of plants can impose a potential risk to non-target organisms, including bees. Evaluation of the acute poisoning incidents of honey bees indicated the right fulness of recent ban of somely pesticides (imidacloprid, thiacloprid, chlorpyrifos); however, it also indicated the importance of a synergistic effect for the combination of pyrethroids and neonicotinoids with fungicides. The results show the necessity of monitoring the contamination of bee colony by pesticide analysis of bee bread and bees from honeycomb. Based on these results, in addition to the traditional analysis of dead bees and suspected plant, in poisoning incidents can be indicated a potential chronic effect of pesticides. The biggest problem is the situation when bee colony is contaminated and brood, and especially queen is affected. Further study showed the chronic sublethal effect of the neonicotinoid imidacloprid on bumblebees as experimental model. The study indicated accumulation of the dangerous metabolite imidacloprid-olefin in bumblebees and proteomic analysis revealed suppression of the mevalonate pathway which results in disruption of terpenoid biosynthesis and fatty acid metabolism. Overall, in this dissertation thesis were obtained immune markers important for monitoring effect pathogens and pesticides on bees, but future research is necessary. In the future, it is also necessary to focus on the fate of pesticides in organisms, including monitoring of metabolites and their effect on non-target organisms.

Keywords

opylovači, pesticidy, neonikotinoidy, imidakloprid, Varroa destructor, virus deformovaných křídel

Keywords

pollinators, pesticides, neonicotinoids, imidacloprid, Varroa destructor, deformed wing virus

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 8. 12. 2020

Thesis defence

• Supervisor: prof. Ing. Pavel Ryšánek, CSc.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Doctoral programme / field:
Agricultural Specialization / Agricultural and Forestry Phytopathology and Plant Protection