| License: Publishing license for publications excluding print on demand (8MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-225056
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.22505
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 2 October 2012 |
| Referee: | Prof. Dr. Erhard Strohm and Prof. Dr. Joachim Ruther |
| Date of exam: | 31 October 2011 |
| Institutions: | Biology, Preclinical Medicine > Institut für Zoologie > Evolutionary Ecology (Prof. Dr. Erhard Strohm) |
| Keywords: | temperature, development, solitary bee, development time, synaptic organization, microglomeruli, cognitive abilities Temperatur, Entwicklung, Solitärbiene, Entwicklungsdauer, synaptische Organisation, Mikroglomeruli, kognitive Fähikeiten |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 570 Life sciences 500 Science > 590 Zoological sciences |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 22505 |
Abstract (English)
Temperature is one of the most important environmental factors for ectotherms and the temperature experienced during development affects many important life history traits in insects. The eusocial honeybees maintain a more or less constant temperature for their brood (34-35°C) via active thermoregulation. Small deviations from this optimal temperature range affected the synaptic organization in ...
Abstract (English)
Temperature is one of the most important environmental factors for ectotherms and the temperature experienced during development affects many important life history traits in insects. The eusocial honeybees maintain a more or less constant temperature for their brood (34-35°C) via active thermoregulation. Small deviations from this optimal temperature range affected the synaptic organization in the brain, behavioural performance, and learning and memory in adult honeybees. Larger deviations led to malformations and increased mortality. In contrast to honeybees, most bee species are solitary. Their offspring are largely exposed to the fluctuating ambient temperatures. If solitary bees showed the same negative effects of deviations from the optimal temperatures during development as honeybees, they would suffer huge fitness losses. Thus, solitary bees should have adapted to fluctuating and changing temperatures during development.
In this thesis, we investigated potential influences of temperature during development on body size, development time, synaptic organization in the brain, and cognitive abilities of the solitary Red mason bee, Osmia bicornis (Hymenopter, Megachilidae). We used three fluctuating (10-25, 15-30, and 20-35°C) as well as three constant temperature treatments (17.5, 22.5, and 27.5°C) plus one control group as a reference for natural temperature conditions. Moreover, we varied the duration of exposure to the different temperature treatments: In one year, O. bicornis offspring were exposed to the experimental temperatures during their entire development. In the following year, the respective temperature treatments were only applied during development inside the cocoon.
In general, body size decreased with increasing temperature during larval development. Bees attained higher prepupal weights under fluctuating conditions than in the correspondent constant temperature treatment. Increasing and fluctuating (vs. constant) temperatures accelerated development in almost all stages and temperature regimes. However, the prepupal stage was prolonged in the warm temperature treatments, but only in bees that had experienced these temperatures during entire development. Thus, the extension of the prepupal phase might be a mechanism to adjust adult eclosion to the onset of wintering temperatures when larval development was accelerated due to hot summers.
Regarding potential temperature effects on the brain of O. bicornis, we focused on the synaptic organization in the calyces of the mushroom bodies (MBs). The MBs are prominent neuropils in the insect brain that play an important role for learning, memory, and orientation. We analysed temperature effects on neuropil size as well as density and number of distinct synaptic complexes, the microglomeruli (MG), in the calyces and compared our results with data on honeybees. Temperature affected neuropil size, but this effect was largely compensated by a reciprocal effect on MG density – but only in bees that had experienced the experimental temperatures during entire development. As a result, overall MG numbers were hardly affected by developmental temperature in these bees. However, though we did not detect such a compensatory effect on MG density in bees that were exposed to the experimental temperatures only during post-larval development, the temperature effects on the brain, particularly on overall MG number, were considerably and significantly smaller in all experimental groups of O. bicornis than in honeybees.
To test whether temperature during post-larval development might influence the learning abilities of the bees, we developed a visual learning paradigm for O. bicornis. We found evidence for an innate preference for blue, but the bees were generally able to overcome this innate preference via conditioning. We did not detect an effect of developmental temperature on the abilities for visual learning and fast reversal learning.
Our studies on O. bicornis revealed considerable plasticity in body size and development time in response to different temperature treatments during development. In contrast, brain development and learning abilities seem to be largely buffered against temperature influences. Our results suggest that O. bicornis might use temperature during larval development as a cue for temperature conditions in their environment that allows the adjustment of several physiological processes in subsequent developmental stages to the prevailing conditions. Our results support the hypothesis that, in contrast to honeybees, solitary bees are adapted and, thus, less susceptible to variable and fluctuating temperatures during development.
Translation of the abstract (German)
Temperatur ist einer der bedeutendsten Umweltfaktoren für Ektotherme und die Temperatur während der Entwicklung beeinflusst viele wichtige Lebenslaufparameter von Insekten. Die eusozialen Honigbienen halten mittels aktiver Thermoregulation die Temperatur für ihre Brut mehr oder weniger konstant (34-35°C). Bereits geringe Abweichungen vom diesem optimalen Temperaturbereich beeinflussen ...
Translation of the abstract (German)
Temperatur ist einer der bedeutendsten Umweltfaktoren für Ektotherme und die Temperatur während der Entwicklung beeinflusst viele wichtige Lebenslaufparameter von Insekten. Die eusozialen Honigbienen halten mittels aktiver Thermoregulation die Temperatur für ihre Brut mehr oder weniger konstant (34-35°C). Bereits geringe Abweichungen vom diesem optimalen Temperaturbereich beeinflussen synaptische Strukturen im Gehirn, das Verhalten sowie Lernen und Gedächtnis von adulten Honigbienen. Größere Abweichungen führen zu Missbildungen und erhöhter Mortalität. Im Gegensatz zu Honigbienen sind die meisten Bienenarten solitär. Ihr Nachwuchs ist weitgehend den schwankenden Umgebungstemperaturen ausgesetzt. Würden bei solitären Bienen die gleichen negativen Effekte durch Abweichungen von den optimalen Entwicklungstemperaturen auftreten wie bei Honigbienen, so würden sie hohe Fitness-Einbußen erleiden. Deshalb sollten sich solitäre Bienen an fluktuierende und unbeständige Temperaturen während der Entwicklung angepasst haben.
In dieser Arbeit untersuchten wir mögliche Einflüsse der Entwicklungstemperatur auf Körpergröße, Entwicklungsdauer, synaptische Strukturen im Gehirn und kognitive Fähigkeiten bei der solitären Roten Mauerbiene, Osmia bicornis (Hymenoptera, Megachilidae). Wir verwendeten wir drei fluktuierende (10-25, 15-30 und 20-35°C) und drei konstante Temperaturbehandlungen sowie eine Kontrollgruppe als Referenz für natürliche Temperaturbedingungen. Außerdem variierten wir die Dauer der Temperaturbehandlungen: In einem Jahr wurde O. bicornis-Nachwuchs während der Gesamtentwicklung den Versuchstemperaturen ausgesetzt, im folgenden Jahr nur während der Entwicklung im Kokon.
Die Körpergröße nahm grundsätzlich mit steigender Temperatur während der Larvalentwicklung ab. Unter fluktuierenden Bedingungen erreichten die Tiere ein höheres Gewicht als in den entsprechenden konstanten Temperaturen. Steigende und fluktuierende (vs. konstante) Temperaturen beschleunigten die Entwicklung in fast allen Stadien und Temperaturbereichen. Das Präpuppenstadium allerdings war in den warmen Temperaturbehandlungen verlängert, jedoch nur bei den Bienen, die diese Temperaturen während ihrer Gesamtentwicklung erfahren hatten. Die Verlängerung der Präpuppenphase könnte ein Mechanismus zur Anpassung des Zeitpunkts des Erreichens des Adultstadiums an den Beginn des Winters sein, wenn die Larvalentwicklung aufgrund heißer Sommertemperaturen beschleunigt wurde.
Bezüglich möglicher Temperatureinflüsse auf das Gehirn von O. bicornis konzentrierten wir uns auf synaptische Strukturen innerhalb der Pilzköper. Die Pilzkörper sind wichtige Neuropile im Insektengehirn und spielen eine bedeutende Rolle für Lernen, Gedächtnis und Orientierung. Wir analysierten Temperatureffekte auf Neuropilgröße sowie Dichte und Anzahl bestimmter synaptischer Komplexe, den Mikroglomeruli (MG), in den Calyces und verglichen unsere Ergebnisse mit entsprechenden Daten für Honigbienen. Die Temperatur beeinflusste die Neuropilgröße, dieser Effekt wurde jedoch weitgehend durch einen reziproken Effekt auf die MG-Dichte kompensiert, sodass schließlich die Gesamtanzahl der MG kaum durch die Entwicklungstemperatur beeinflusst wurde – jedoch nur bei den Bienen, die die Versuchstemperaturen während ihrer Gesamtentwicklung erfahren hatten. Auch wenn wir bei den Bienen, die den Versuchstemperaturen nur während ihrer post-larvalen Entwicklung ausgesetzt waren, keinen reziproken Effekt auf die MG-Dichte finden konnten, so waren generell die Temperatureffekte auf das Gehirn – besonders auf die MG-Anzahl – in allen O. bicornis-Versuchsgruppen deutlich und signifikant kleiner als bei Honigbienen.
Um zu prüfen, ob sich die Temperatur während der post-larvalen Entwicklung auf die Lernfähigkeiten der Bienen auswirkt, entwickelten wir ein Lernparadigma für visuelles Lernen in O. bicornis. Wir fanden Anzeichen für eine angeborene Präferenz für Blau, die Bienen waren jedoch grundsätzlich in der Lage, diese Präferenz mittels Konditionierung zu überwinden. Wir fanden keinen Effekt der Entwicklungstemperatur auf die Fähigkeiten für visuelles und schnelles reziprokes Lernen.
Wir fanden eine beachtliche Plastizität der Köpergröße und der Entwicklungsdauer als Reaktion auf verschiedene Temperaturbehandlungen während der Entwicklung. Im Gegensatz dazu scheinen die Gehirnentwicklung und das Lernvermögen weitgehend gegen Temperatureinflüsse gepuffert zu sein. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass O. bicornis die Temperatur während der Larvalentwicklung als Signal für die Temperaturbedingungen in der Umgebung nutzen könnte, das die Anpassung einiger physiologischer Prozesse der folgenden Entwicklungsstadien an die vorherrschenden Bedingungen ermöglicht. Unsere Ergebnisse stützen die Hypothese, dass solitäre Bienen – im Gegensatz zu Honigbienen – an schwankende Temperaturen während der Entwicklung angepasst uns somit diesbezüglich weniger beeinflussbar sind.
Metadata last modified: 26 Nov 2020 05:49
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