Bienen: Virus Evolution and Toleranz

• Forschungsstelle: BLV
• Projektnummer: 1.11.02
• Projekttitel Englisch: Bees: Virus Evolution and Tolerance

Schlüsselwörter (Deutsch)

Bienenviren, Völkerverluste, Varroa destructor, Evolution

Schlüsselwörter (Englisch)

Bee viruses, colony collapse, Varroa destructor, evolution

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Die kürzlichen massiven Völkerverluste und der Rückgang an Bienenvölkern und Imkern seit 1985 sind erhebliche Bedrohungen für die zukünftige Bestäubung von Wild- und Kulturpflanzen in der Schweiz. Dies erfordert ein besseres Verständnis der Gesundheit von Honigbienen. Die Interaktionen zwischen dem Honigbienenvirus Deformed wing virus (DWV) und der ektoparasitischen Milbe Varroa destructor, die als Vektor fungiert, ist unzweifelhaft zentral, da alle Schweizer Völker mit beiden Pathogenen infiziert sind. Das Vorprojekt “virulence mechanisms of honeybee viruses (1.08.01)” war sehr erfolgreich, liess aber eine wichtige Frage offen: warum werden die Honigbienenviren virulenter? Das vorgeschlagene Nachfolgeprojekt wird daher versuchen, die interessante Beobachtung von Imkern zu erklären, warum Völker unmittelbar nach der Ankunft der Milbe viele höhere V. destructor Infektionen ertragen konnten als heutzutage (~10’000 bzw. ~3’000 Milben). Basierend auf den Ergebnissen des Vorprojektes stellen wir die Hypothese auf, dass DWV sich an den neuen Vektor V. destructor adaptiert und dadurch virulenter wird und Völkerverluste verursacht. Wir erwarten also eine enge Verbindung zwischen Bienen, Virus Evolution und Toleranz (=BVET). Aufgrund von Verschiebungen von vertikaler (wenig virulent) zu horizontaler Transmission (höhere Virulenz) und durch Selektion von Generalisten (Vermehrung in Bienen und Milben = weniger Anpassung an einen Wirt) evolviert DWV eine höhere Virulenz und erhöht somit Chancen für Völkerverluste. Wir erwarten daher eine Veränderung in der Virenpopulation, die Virulenz und/oder Wirtsspezifität verändert.

Um diese Hypothese zu testen, werden wir die einmalige Chance nutzen, die sich durch die kürzliche Entdeckung eines DWV strain (DWVo) ergibt, den wir auf der varroa Milben-Freien französischen Insel Ouessant gefunden haben und der sehr wenig virulent zu sein scheint. Dies reflektiert die vor - varroa Zeiten in Europa und ist somit eine ideale Option, um unsere Hypothese zu testen, da wir diesen DWVo strain mit anderen vergleichen können, die mit varroa in Kontakt waren. Wir werden zunächst das gesamte DWVo Genome charakterisieren und mit den DWV strains vergleichen, die wir während des Vorprojektes isoliert haben. Wir werden variable Regionen im DWV Genom identifizieren und lokalisieren, die vermutlich für Anpassungen an den neuen Vektor und/oder Änderungen in der Virulenz verantwortlich sind. Wir werden ausserdem genetische Variationen von DWVo produzieren und diese in experimentellen Ansätzen verfolgen, wenn wir sie zur Vermehrung in varroa zwingen bzw. aufeinanderfolgend in verschiedenen Bienen. Wir werden die Virulenz dieser gentischen Varianten testen durch: 1. Quantifizierung von klinischen Symptomen in erwachsenen Bienen (z.B. deformierte Flügel) nach Injektion im Puppenstadium, 2. Abschätzen der DWV Vermehrung nach Injektion in Bienen durch qPCR und 3. Detektion von DWV RNA in Bienenhaemolymphe nach oraler Infektion von Larven (in vitro Aufzucht).

Das vorgeschlagene Projekt wird signifikant unser Verständnis erhöhen von einem Schlüsselfaktor für die Gesundheit von Honigbienen in der Schweiz und anderswo. verbessern Ein besseres Verständnis der Zusammenhänge erscheint besonders deswegen wichtig, da weitere Vektoren von Bienenviren (z.B. Kleiner Beutenkäfer, Tropilaelaps Milben) wahrscheinlich in näherer Zukunft in der Schweiz auftreten werden. Deshalb benötigen wir dringend ein besseres Verständnis warum und wie diesen neuen Vektoren die Virulenz von Viren ändern. Diese neuen Grundlagen gelten auch für andere Viren / Vektoren Systeme. Zum jetzigen Zeitpunkt gibt es keine einzige Arbeit, die die Evolution von Viren Virulenz nach dem Auftreten eines invasiven Vektors untersucht.

Kurzbeschreibung (Englisch)

The recent major honeybee colony losses (Neumann and Carreck, 2010) and the overall decline of managed colonies and beekeepers since 1985 (Potts et al., 2010) are major challenges for future pollination of crops and wild plants in Switzerland, creating an urgent demand to improve our understanding of honey-bee health. The interface between the honeybee virus Deformed wing virus (DWV) and the ectoparasitic mite vector Varroa destructor is without question right at the core of honeybee health because all colonies in Switzerland are infected by both pathogens. The previously granted project “virulence mechanisms of hon-eybee viruses (1.08.01)” was very successful but left an important question: why are honeybee viruses ap-parently becoming more virulent? The proposed follow-up project therefore aims at explaining the intriguing beekeeper’s observations that much higher V. destructor infestation levels were tolerated by colonies imme-diately after it’s arrival compared to nowadays (~10’000 vs. ~3’000 mites). In light of results obtained by the previous project, we hypothesize that DWV is adapting to the new vector V. destructor, thereby evolving higher virulence and promoting colony collapse. Therefore, Bees, Virus Evolution and Tolerance seem to be linked (=BVET). According to shifts from vertical (low virulence) to horizontal transmission (higher viru-lence) and selection for generalists, we expect a drift in the viral population that might indicate a switch in virulence and/or a change in host specificity.
To test this hypothesis, we will take advantage of the unique chance of a DWV strain (DWVo), which we recently identified on the varroa mite-free French island Ouessant and which appears to be very low viru-lent, thereby reflecting the pre-varroa times in Europe. This is an ideal setting to test our hypothesis, because we can compare this DWVo strain with others, which have been exposed to varroa. First, we will characterize the entire DWVo genome and compare it with other DWV strains, which we have isolated during the previous project. We aim to identify and localize variable regions in the DWV genome that might reflect adaptations to the new vector and/or are involved in virulence. Moreover, we will produce DWVo genetic variants and use those in experimental assays to monitor their evolution when forced to replicate in varroa mites or after serial passages in successive bees. We will evaluate the virulence of these genetic variants by: 1. quantifying visible clinical symptoms in adult bees (e.g. deformed wings) after injection at the pupal stage 2. measuring DWV replication rate after injection into bees using qPCR and 3. detecting the DWV RNA in bee haemolymph after oral infection of larvae (in vitro rearing).
Our proposed project will contribute significantly to our understanding of the key factor detrimental for honeybee health in Switzerland and elsewhere. Such improved knowledge appears especially crucial in light of newly emerging honeybee virus vectors, which are likely to enter Switzerland in the nearby future (e.g. small hive beetle and Tropilaelaps mites). We therefore urgently need to have a better understanding why and how these new vectors change the virulence of honeybee viruses. Indeed, not a single study so far has addressed the evolution of virus virulence following the introduction of an invasive virus vector.

Projektziele (Englisch)

We aim to identify and localize variable regions in the DWV genome that might reflect adaptations to the new vector and/or are involved in virulence. These data will be essential to design more specific molecular tools in order to limit spreading of virulent viral strains involved in colony collapses.

Publikationen / Ergebnisse (Englisch)

Dainat, B.; Kuhn, R.; Cherix, D.; Neumann, P.; (2011). The ant pitfall for quantitative diagnosis of the ectoparasitic mite Varroa destructor, Apidologie 42: 740-742, doi: 10.1007/s13592-011-0071-3.

Gauthier, L. ; Ravallec, M. ; Tournaire, M. ; Cousserans, F. ; Bergoin, M. ; Dainat, B. ; de Miranda, JR. ; (2011). Viruses associated with ovarian degeneration in Apis mellifera L. queens, PLoS ONE 6(1): e16217.

Dainat, B.; Chen, YP.; Evans, JD.; Neumann, P.; (2011). Sampling and RNA quality for successful diagnosis of honey bee viruses using quantitative PCR, Journal of Virological Methods 174: 150-152, doi:10.1016/j.jviromet.2011.03.029.

Dainat, B.:  vanEngelsdorp, D.; Neumann, P.; (2012). Colony Collapse Disorder in Europe, Environmental Microbiology Reports 4 (1) : 123–125.

Dainat, B.; Evans, JD.; Chen, YP.; Gauthier, L.; Neumann, P.; (2012). Predictive markers of honeybee colony collapse, PLoS ONE 7(2) e32151. doi:10.1371/journal.pone.0032151.

Dainat,  B.; Evans, JD.; Chen, YP.;  Gauthier, L.; Neumann, P.; (2012). Dead or alive: deformed wing virus and Varroa destructor reduce the life span of winter honeybees, Applied and Environmental Microbiology 78(4):981-987.

Dietemann,  V.; Pflugfelder, J.; Anderson, D.; Charrière, JD.; Chejanovsky, N.; Dainat, B.; de Miranda, J.; Delaplane, K.; Dillier, FX.; Fuchs, S.; Gallmann, P.; Gauthier, L.; Imdorf,  A.;  Koeniger, N.;  Kralj,  J.; Meikle, W.; Pettis, J.; Rosenkranz, P.; Sammataro, D.; Smith, D.; Yañez, O.; Neumann, P.; (2012).

Varroa destructor: research avenues towards sustainable control, Journal of Apicultural Research 51 (1): 125-132.

Dainat, B.; Neumann, P.; (2012). A scientific note on clinical symptoms of deformed wing virus as a predictive field marker for winter losses of honey bee colonies, Journal of Invertebrate Pathology, in press

Zugehörige Dokumente

• Datenblatt [PDF] 59 kB
• Datenblatt 1.11.02 [PDF] 59 kB

URL-Adressen (Deutsch)

1.11.02 Gauthier Bienen: Virus Evolution and Toleranz (063-504/4/16)