The production of melezitose in honeydew and its impact on honey bees (Apis mellifera L.)

Abstract

Honeydew honey is a honey type which is of high economic importance in Europe. Phloem sap feeding insects of the order Hemiptera (true bugs) excrete honeydew, the key component of honeydew honey. Beekeepers move their hives between forest regions so that their bees can process the honeydew into honey. In case of high osmolality in the phloem sap of the hemipterans’ host trees, they counteract osmotic pressure by osmoregulation and produce oligosaccharides such as melezitose. Melezitose-rich honeydew honey is a major issue for beekeepers; it crystallises and obstructs the combs, leading to an economical loss. Nevertheless, precise analyses of the conditions of the occurrence of melezitose have not been realised. Furthermore, it is not known which impacts the trisaccharide has on honey bee health and the honeydew flow disease documented in beekeepers’ journals can have one explanation in the nutrition on melezitose. In order to determine influence factors for the emergence of melezitose, more than 600 honeydew droplets from defined honeydew producer species were collected under different environmental conditions (hemipteran species (host tree specific), natural area, air temperature, relative humidity, altitude, time of the year and of the day) between 2016 and 2019. The sugar spectra were analysed by high performance anion exchange chromatography with pulsed amperometric detection. To obtain the impact of melezitose on honey bee health, additional feeding experiments with daily evaluation of food uptake, gut-body weight ratio and mortality have been realised between 2017 and 2019. Additionally, comprehensive 16S rRNA Illumina sequencing of the gut microbial community has been performed. Remarkable differences could be found in the amount of melezitose between honeydew samples collected from different honeydew producer species and according to different environmental conditions. Air temperature increases and decreases in relative humidity increased the melezitose production in honeydew by the observed seven hemipteran species. Both, scale insect species on Picea abies and aphid species on Abies alba produced significantly less honeydew containing melezitose than aphid species on Picea abies. Additionally, honeydew with increased melezitose content was significantly more frequent collected in natural areas with limited water reservoir capacities, at higher altitudes and years with low precipitation. All results lead to the conclusion that hemipteran species produce more melezitose when the host trees have less access to water, increasing the osmolality of the phloem sap and indirectly enhancing the osmoregulation with producing melezitose by hemipteran species. Bees fed with melezitose showed increased food uptake and higher gut-body weight ratio than the control groups. Furthermore, melezitose feeding caused disease symptoms such as swollen abdomen, abdomen tipping and impaired movement and a significantly higher mortality than in control groups. Gut microbiota analyses indicated a shift of the bacterial species Lactobacillus Firm-4 and Lactobacillus kunkeei in favour of Lactobacillus Firm-5 in melezitose fed bees. This PhD project provides the important knowledge about the indicators that point out an enhanced melezitose production. This is a valuable contribution to design a warning system for beekeepers that will help to prevent harmful nutrition for honey bees or crystallised honey in the future by timely removal of bee colonies from local regions at risk. Additionally, feeding experiments point out the high effort that is required for the degradation process of the large-molecule melezitose. This effort might lead to a higher uptake of food, heavier guts, shorter lifespan and a higher susceptibility to intestinal diseases. Finally, an evidence was presented that the lactic acid bacteria of the gut microbiota are significantly involved in the digestion of melezitose.

Honigtauhonig ist eine Honigsorte die in Europa eine hohe ökonomische Rolle spielt. Insekten der Ordnung Hemiptera (Schnabelkerfe) ernähren sich von Phloemsaft und scheiden den daraus entstehenden Honigtau wieder aus, welcher wiederum einen wesentlichen Bestandteil des Honigtauhonigs ausmacht. Imker versetzen ihre Bienenvölker zwischen den Waldregionen, sodass ihre Bienen den Honigtau in Honig weiterverarbeiten können. Bei einer hohen Osmolalität des Phloemsaftes der Wirtsbäume der Hemipteren, wirken diese dem osmotischen Druck durch Osmoregulation entgegen und produzieren Oligosaccharide wie Melezitose. Honigtauhonig mit einem hohen Anteil an Melezitose stellt eine große Problematik für Imker dar, da dieser schnell auskristallisiert und die Waben blockiert, welches zu ökonomischen Verlusten führt. Trotzdem ist bisher nicht präzise analysiert worden, unter welchen Bedingungen Melezitose bevorzugt produziert wird. Außerdem ist nicht bekannt was für Auswirkungen das Trisaccharid auf die Gesundheit von Honigbienen hat. Die Waldtrachtkrankheit, welche oft in Imkerzeitschriften dokumentiert wird, könnte unter anderem durch die Ernährung mit Melezitose erklärt werden. Um den Einfluss verschiedener Umweltfaktoren auf das Vorkommen von Melezitose zu ermitteln, wurden zwischen 2016 und 2019 mehr als 600 Honigtautropfen von bestimmten Honigtauerzeuger-Arten unter verschiedenen Umweltkonditionen gesammelt (Hemiptera Art (Wirtsbaum-spezifisch), Naturraum, Lufttemperatur, relative Luftfeuchte, Höhenmeter, Jahr, Monat und Tageszeit). Das Zuckerspektrum wurde mittels einer Ionenaustauschchromatographie mit pulsierter amperometrischer Detektion analysiert. Um die Auswirkungen von Melezitose auf die Gesundheit der Honigbiene zu testen, wurden zusätzlich zwischen 2017 und 2019 Fütterungsversuche durchgeführt, bei denen täglich die Futteraufnahme, das Darm-Körper-Gewichtsverhältnis und die Mortalität dokumentiert wurden. Zusätzlich wurden umfassende 16S rRNA Illumina Sequenzierungen der Darmbakteriengemeinschaft durchgeführt. Zwischen den gesammelten Honigtauproben der verschiedenen Honigtauerzeugerarten gemäß den verschiedenen Umweltbedingungen konnten bemerkenswerte Unterschiede festgestellt werden. Lufttemperaturzunahmen und Abnahmen in der relativen Luftfeuchte erhöhten die Melezitoseproduktion im Honigtau durch die beobachteten sieben Hemiptera Arten. Abhängig von den verschiedenen Umweltfaktoren konnten beachtliche Unterschiede des Melezitosegehaltes im Honigtau verschiedener Honigtauerzeuger festgestellt werden. Höhere Lufttemperaturen und niedrige relative Luftfeuchte führten zu höherer Melezitoseproduktion innerhalb der Hemiptera Arten. Sowohl die Schildlausarten auf Picea abies als auch die Rindenlausarten auf Abies alba produzierten signifikant weniger Honigtau welcher Melezitose enthielt, als die Rindenlausarten auf Picea abies. Außerdem wurde Honigtau mit erhöhtem Melezitosegehalt signifikant häufiger in Naturräumen mit limitierenden Wasserspeicherkapazitäten, in größeren Höhen und in Jahren mit geringerem Niederschlag gesammelt. Alle Ergebnisse führen zu der Annahme, dass Hemiptera Arten mehr Melezitose produzieren, wenn die Wirtsbäume weniger Zugang zu Wasser haben, welches die Osmolalität ihres Phloemsaftes erhöht und damit indirekt die Osmoregulation mit der Produktion von Melezitose durch die Hemiptera Arten begünstigt. Bienen, die mit Melezitose gefüttert wurden, zeigten eine höhere Futteraufnahme und ein höheres Darm-Körper Gewichtsverhältnis als die Kontrollgruppen. Des Weiteren führte das Füttern mit Melezitose zu Krankheitssymptomen wie geschwollenen Abdomen, Abdomen tippen, einer erschwerten Fortbewegung und einer signifikant höheren Mortalität als in den Kotrollgruppen. Die Darmbakterienanalysen ergaben eine Verschiebung der Bakterienart Lactobacillus Firm-4 und Lactobacillus kunkeei zugunsten von Lactobacillus Firm-5 in Bienen, die mit Melezitose gefüttert wurden. Diese Dissertation liefert wichtige Information über die Indikatoren für eine begünstigte Melezitoseproduktion. Dies ist ein wertvoller Beitrag für den Aufbau eines Warnsystems für Imker, welches helfen wird, schädliche Ernährung für Honigbienen oder kristallisierten Honig zu vermeiden, indem die Bienenkolonien rechtzeitig von den lokalen Risikoregionen entfernt werden. Des Weiteren zeigen die Fütterungsversuche den hohen Aufwand, der von den Bienen benötigt wird, um das große Molekül Melezitose abzubauen. Dies kann zu einer höheren Futteraufnahme, schwereren Därmen, kürzeren Lebensdauer und einer höheren Anfälligkeit für Darmkrankheiten führen. Schlussendlich wurde der Nachweis erbracht, dass die Milchsäurebakterien der Darmmikrobiota signifikant an der Verdauung von Melezitose beteiligt sind.