Sustainable Management of Resilient Bee Populations


Länderinstitut für Bienenkunde e.V., Germany

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The institute is engaged in fundamental and applied research related to honeybees and apiculture. Our fundamental research activities are focused on (i) bee diseases, (ii) bee genetics, and (iii) honey analysis and quality assurance. Financed by 5 German states, the insitute employs 11 permanent staff (3 Scientists). LIB has been very successful in acquiring external research funding, and as a result another 26 (15 Scientists) are involved in various research projects. The Institute is associated with the Humboldt University Berlin and the Free University of Berlin and is internationally very well connected. The broad range of activities allows for the direct implementation of scientific results into practice and supports the decision making process of governmental institutions regarding problems and developments in national and international apiculture.

SMARTBEES is coordinated by the institute; two research groups are engaged in the project, the bee genetics-group of Kaspar Bienefeld and the pathology-group of Elke Genersch.

The aims of LIB’s bee genetics group within SMARTBEES are:

“Preservation through utilization” - Facilitate sustainable breeding of endangered honeybee subspecies:

We are convinced that bee biodiversity is essential for sustainable beekeeping, because thousands of years of adaptation have led to a vitality advantage of local bees over imported stock. Also, bee diversity may include a diversity of resistance mechanisms towards pathogens and parasites that could boost selection of tolerant/resistant lines. However, the survival of locally-adapted bees is dependent on their acceptance by beekeepers. In many cases, no or little systematic breeding has been performed in these populations. As a result, they often lack behind regarding “classical” breeding traits like productiveness and gentleness, making them unpopular with beekeepers. Within SMARTBEES, we therefore want to help local subspecies of bees to catch up with Apis mellifera carnica and A.m. ligustica, and highlight their specific advantages. In particular, we plan to
  • Create a database (considering different European languages) of tested breeding queens for each Europen subspecies of A. mellifera (together with partners from the extension-group of the SMARTBEES-project)
  • On the basis of these databases, enable modern, internet-based selection for all subspecies. As world-leaders in this sector, running the platform, we will adjust the established mathematical methods for breeding value calculation to situations where knowledge about descent is patchy, and model the outcome of these adaptations.
  • Perform simulation studies for honeybee populations differing in size and infrastructure to provide advice on the best strategy for an efficient and sustainable breeding of each subspecies
  • Facilitate breeding for hygienic behavior in “minor” subspecies. Hygienic behavior is assumed to be the most important resistance mechanism towards Varroosis, which likely is the principal cause of colony losses in Europe. Using an infrared video-technique established at LIB, we will identify individual worker bees which show this rare trait. From these, our partners at Aarhus University and Genoskan SK will identify DNA-sequences that are typical of hygienic bees from the different subspecies. This information will then be used to create a DNA-chip, which can serve to measure hygienic behavior cheaply and efficiently.

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Explore the variety of resistance mechanisms towards Varroa mites:

Hygienic behavior is mainly known from A.m. carnica and A.m. ligustica. Corresponding data for other subspecies are lacking. Within SMARTBEES, we will therefore compare European subspecies regarding hygienic behavior. Additionally, we will look for other resistance traits, like the capacity of brood to reduce parasite fertility, and removal of mites by “grooming” of nestmates. Maybe some of the less-well studied subspecies present resistance mechanisms that are altogether new? Presence of resistance traits in “minor” subspecies could help to valorize these, and lead to new impulses for the selection of Varroa-resistant bees in general.

Aims of LIB’s bee pathology group within SMARTBEES are:

Honey bees (Apis mellifera) are host to several pathogens and the deformed wing virus (DWV) is one of the most prevalent honey bee viruses which can bedetected in honey bee colonies all over the world. DWV itself is a highly variable virus so that always several different virus variants, so called ‘mutant clouds’, are present in one single infected honey bee. Originally, DWV has coevolved with honey bees over millions of years. Usually infestations are characterized by invisible, so called ´covert-infections´, leading to non-obvious impairments of individual bees or colonies. Unfortunately, the introduction of the Varroa mite (Varroa destructor) to Europe about 40 years ago has dramatically affected the host-pathogen-interaction of honey bees and DWV.

During their reproduction phase, Varroa mites feed on the hemolymph of developing honey bee brood and in consequence they can ingest DWV-particles. DWV is able to propagate in mite cells and since it is a highly variable virus, many different variants can develop or a certain virus variant can propagate to a high copy number. The ´new´ DWV-variants can be transmitted to the honey bee brood when the mite feeds again on honey bee brood. Some DWV-variants of the mutant cloud are more dangerous (virulent) to the bee. In consequence, honey bees can develop ´overt infections´ which are obviously visible with symptoms such as crippled wings and shortened abdomens. Those infected bees die and heavily infected colonies can collapse. Hence, the recently introduced Varroa mite is a vector for DWV and thus we are especially interested in the triangular relationship between deformed wing virus-Varroa destructor-honeybee.

Therefore in SMARTBEES, our aim is to shed light on the molecular variations of DWV mutants that occur when the virus is transmitted by the mite. We want to determine which DWV-variants or which variations in the genetic information of DWV are more virulent or may be causative for the development of an overt infection with the typical symptoms of crippled wings. Thus we will collect bees with visible symptoms from different sites and analyze the genetic variety of DWV. Afterwards we will compare the different genetic DWV-variants with each other using a next generation sequencing approach (NGS) which will be performed by the project partner in Aarhus University (AU). We want to understand to what extend the virus changes in the mite, which DWV variants are more virulent and which genetic variations are present in virulent and avirulent mutant strains. Additionally, we want to determine the dynamic process of virus mutation and the changes in DWV as it moves from Insecta to Acari environments in vivo by infecting bees with characterized DWV preparations (mutant clouds characterized by AU). Then we want to re-isolate DWV from the bees and re-analyze the genomic sequence and sequence-space obtained from this host.

Studies on the cellular and molecular interactions between DWV and its honey bee host have been hampered by the complete lack of a cell culture system for viruses. To overcome this hurdle, we will test several cell lines for the infection and replication of DWV. We want to infect selected cell lines with characterized DWV-preparations and re-analyze the resulting sequences to determine the host-vector-pathogen triangular relationship on a more cellular and molecular level. Furthermore, we are interested in the reaction of the host immune system towards DWV-infections. We want to find and evaluate several immune genes which are regulated in a DWV-infected honey bee and provide the results to the work package 1 (WP1) for inclusion in the genetic selection for bees with increased resistance against virus infections.

To summarize, our aim is to obtain a more comprehensive insight into the dynamic triangular relationship of DWV, Varroa mite and honey bees in order to understand molecular processes which are involved during an infection with DWV. We want to depict and illustrate how the vector V. destructor influences the pathogen-host interaction and which impact different virus variants may have on the honey bee larvae, with the goal to encourage and convince beekeepers to perform a thorough and appropriate Varroa-treatment.
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Logo LIB
Unser Institut befasst sich mit grundlegenden und angewandten Forschungen zu Bienen und Imkerei. Dabei konzentrieren sich unsere Forschungsaktivitäten auf drei Bereiche, nämlich Bienenkrankheiten, Bienengenetik/Zucht, sowie Honiganalyse. Finanziert durch 5 Bundesländer, beschäftigt das LIB 11 Festangestellte (davon 3 Wissenschaftler). Da wir bei der Einwerbung von Drittmittelgeldern in den letzten Jahren sehr erfolgreich waren, arbeiten am Institut weitere 26 Mitarbeiter, darunter 15 Wissenschaftler, in verschiedenen Forschungsprojekten mit. Das LIB ist assoziiert mit der Humboldt- sowie der Freien Universität Berlin, und auch international sehr gut vernetzt. Unsere breite thematische Aufstellung erlaubt ein direktes Einfließen wissenschaftlicher Ergebnisse in die Praxis. Weiterhin unterstützen wir die Politik bei Entscheidungsprozessen zu Problemen und Entwicklungen der nationalen und internationalen Imkerei.

SmartBees wird durch das Institut koordiniert. Zwei Arbeitsgruppen beteiligen sich an dem Projekt, nämlich die Genetik-Gruppe um Kaspar Bienefeld und die Pathologie-Gruppe um Elke Genersch.

Die Ziele der Genetik-Gruppe des LIBs innerhalb von SmartBees sind die Folgenden:

Erhaltung durch Nutzbarmachung“ – Beseitigung von Hemmnissen für eine nachhaltige Zucht gefährdeter Honigbienen-Unterarten
Biodiversität ist nach unserer Überzeugung zentral für eine nachhaltige Bienenzucht. Jahrtausende der Anpassung haben dazu geführt, dass regional ansässige Bienenpopulationen in Bezug auf Vitalität und Krankheitsresistenz Vorteile gegenüber importiertem Material besitzen. Außerdem ist es wahrscheinlich, dass die Bienenvielfalt auch eine Vielfalt an Resistenzmechanismen gegenüber Parasiten und Pathogenen beinhaltet, die auch die Resistenz/-Toleranzzucht vorantreiben könnten. Allerdings kann eine Erhaltung der lokal angepassten Bienen nur erfolgen, wenn die Imker vor Ort gerne mit ihnen arbeiten. In vielen Fällen ist in den letzten Jahrzehnten keine oder kaum Zuchtauswahl in diesen Populationen erfolgt, so dass sie bezüglich „klassischer“ Selektionsmerkmale wie Honigertrag und Sanftmut hinterher hinken. Wir wollen SmartBees deshalb nutzen, um lokalen Unterarten/Populationen zu ermöglichen, züchterisch zu A. m. carnica und A. m. ligustica aufzuschließen. Im Einzelnen sind geplant:
  • Die Schaffung von mehrsprachigen Datenbanken getesteter Zuchtköniginnen für jede der Europäischen Unterarten der Honigbiene(in Zusammenarbeit mit den Partnern der „Extension“-Gruppe von SmartBees).
  • Die Ermöglichung moderner, Internet-basierter Zuchtplanung/Zuchtwertschätzung auf der Grundlage dieser Datenbanken. Als Betreiber der Zuchtplattform sind wir weltweit führend in diesem Sektor. Die mathematischen Modelle zur Zuchtwertschätzung werden wir an Situationen anpassen, in denen die Abstammung nur lückenhaft bekannt ist, und durch Modellierungen die Auswirkungen dieser Anpassungen auf den zu erwartenden Zuchtfortschritt berechnen.
  • Simulationsstudien für Bienenpopulationen unterschiedlicher Größe und Struktur, zur Ermittlung der im jeweiligen Fall optimalen Zuchtstrategie.
  • Erleichterung der Zucht auf Hygieneverhalten innerhalb der kleineren Unterarten. Das Hygieneverhalten ist das vermutlich wichtigste Resistenzmerkmal gegenüber der Varroose, die wiederum der wahrscheinlich wichtigste Faktor bei Völkerverlusten in Europa ist. Mithilfe einer am Institut etablierten Infrarot-Videotechnik wollen wir einzelne hygienische Bienen identifizieren. Aus diesen werden unsere Projektpartner von der Universität Aarhus und der Firma GenoSkan DNA-Sequenzen identifizieren, die als Marker für das Hygieneverhalten bei verschiedenen Unterarten dienen können. Diese Informationen sollen dann für einen DNA-Chip genutzt werden, mit dessen Hilfe das Hygieneverhalten billig und effizient gemessen werden kann.

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Erkundung der Vielfalt an Resistenzmechanismen gegenüber Varroa - Hygieneverhalten ist vor allem von A. m. carnica und A. m. ligustica bekannt. Entsprechende Daten zu anderen Unterarten sind rar. In SmartBees werden wir deshalb verschiedene Unterarten bezüglich der Intensität/Ausprägung dieses Verhaltens charakterisieren. Zusätzlich sollen aber auch weitere möglliche Resistenzmechanismen untersucht werden, wie etwa das Putzverhalten oder die Unterddrückung der Reproduktion der Milben. Vielleicht finden sich bei den weniger gut bekannten“ kleineren“ Unterarten sogar völlig neue Resistenzmechanismen. Das wäre nicht nur für die Akzeptanz dieser Unterarten in ihren Ursprungsgebieten gut, sondern auch für den Fortschritt der Toleranzzucht insgesamt.

Die Ziele der Bienenpathologie-Gruppe des LIB im Rahmen von SMARTBEES sind die folgenden:

Honigbienen (Apis mellifera) werden von einer Vielzahl an Krankheitserregern wie Bakterien, Pilzen und Viren befallen. Eines der am häufigsten vorkommenden Bienenviren ist das Flügeldeformationsvirus (Deformed Wing Virus, DWV). Es kann weltweit in nahezu allen Honigbienenpopulationen nachgewiesen werden. DWV ist ein hochvariables Virus, das sich auf Nukleinsäure-Ebene häufig verändert (mutiert). Somit können verschiedene Virusvarianten, (sogenannte Mutantenwolken) in einer infizierten Biene vorhanden sein. Prinzipiell stellt diese Eigenschaft kein Problem dar. Durch gemeinsame Evolution mit der Honigbiene hat sich DWV zu einem in der Regel unauffälligen Krankheitserreger entwickelt, sodass Infektionen gewöhnlich nicht sichtbar verlaufen (verdeckte Infektion - covert infection) und zu keinen erkennbaren Schädigungen der Einzelbiene oder des Bienenvolkes führen.

Doch unglücklicherweise hat die vor etwa 40 Jahren nach Europa eingeschleppte Varroamilbe Varroa destructor einen gravierenden Einfluss auf die Pathogen-Wirt-Interaktionen von DWV und Honigbienen genommen. Während ihrer Reproduktionsphase ernähren sich Varroamilben von der Hämolymphe der sich entwickelnden Bienenbrut. Dabei nehmen sie das in der Hämolymphe zirkulierende Virus auf, welches sich dann in den Milbenzellen vermehrt. Da es sich um ein stark mutierendes Virus handelt, können viele verschiedene Virusvarianten in der Milbe entstehen, oder es vermehrt sich eine bestimmte Variante besonders gut. Diese „neuen“ Virusvarianten können beim wiederholten Saugen an der Bienenbrut wieder von der Milbe auf die Puppe übertragen werden. Einige Varianten in der Virusmutantenwolke können gefährlicher (virulenter) für die Bienen sein, sodass eine Infektion erkennbar wird (sichtbare Infektion - overt infection). Die infizierten Tiere zeigen deutlich sichtbare Symptome wie z.B. Verkrüppelungen an den Flügeln und verkürzte Abdomen. Die infizierten Tiere sterben und stark infizierte Völker können an einer Infektion mit der virulenten DWV-Variante eingehen.
Die eingeschleppte Varroamilbe stellt also einen Überträger (Vektor) für DWV dar, der sich maßgeblich auf die Pathogen-Wirt-Interaktionen zwischen DWV und Honigbienen auswirkt und wir interessieren uns besonders für die triangulären Beziehungen zwischen Virus, Varroamilbe und Honigbienen.

In SMARTBEES ist es daher unser Anliegen, die unterschiedlichen genetischen Varianten von DWV näher zu untersuchen. Wir wollen herausfinden, welche DWV-Varianten oder genetischen Veränderungen von DWV virulenter als andere sind und welche Varianten mit den Symptomen der Flügelverkrüppelungen korreliert sind. Daher wollen wir infizierte (verkrüppelte) Bienen aus unterschiedlichen Regionen sammeln und die genetische Variabilität von DWV untersuchen. Wir wollen die genetischen Unterschiede der unterschiedlichen DWV-Isolate mit einem Next-Generation-Sequencing-Ansatz auf molekularer Ebene miteinander vergleichen. Für diese Untersuchungen werden wir von den Kooperationspartnern an der Universität in Aarhus (AU) unterstützt. Wir wollen verstehen, in welchem Ausmaß das Virus in den Milben mutiert, welche DWV-Varianten virulenter sind und welche genetischen Veränderungen in virulenten aber nicht in “harmlosen“ Virusvarianten vorhanden sind. Außerdem wollen wir den dynamischen Prozess der Virusmutation und der Veränderungen des Virus, wenn es zwischen Bienen und Milben übertragen wird, mit in vivo-Infektionsexperimenten und charakterisierten DWV-Isolaten, nachweisen. Danach wollen wir die neu entstandenen Virusvarianten wieder isolieren und die Genomsequenzen miteinander vergleichen.

Studien zu den zellulären und molekularen Interaktionen zwischen DWV und der Honigbiene waren bisher nicht möglich, da ein geeignetes Zellkultursystem für Honigbienenviren nicht vorhanden war. Um diese Hürde überwinden zu können, wollen wir verschiedene Insektenzelllinien darauf testen, ob sich DWV in ihnen vermehrt (repliziert). Wir wollen mehrere Zelllinien mit charakterisierten DWV-Isolaten infizieren und die Genomsequenz der sich vermehrenden Virusvarianten erneut untersuchen. Ein Vergleich der entstandenen Varianten soll Licht in die komplizierte Vektor-Pathogen-Wirt Beziehung bringen. Außerdem sind wir daran interessiert, wie das Immunsystem der Wirtstiere auf eine DWV-Infektion reagiert. Wir wollen Gene identifizieren, die an der Immunantwort bei einer Infektion mit DWV beteiligt sind und werden diese Ergebnisse den Kollegen, die am Arbeitspaket 1 (WP1) beteiligt sind, zur Verfügung stellen.

Unser Ziel ist es, einen umfassenderen Einblick in die dynamische Dreiecksbeziehung von DWV, Varroa destructor und der Honigbiene zu erhalten, um molekulare Prozesse, die an einer Infektion mit DWV beteiligt sind, besser verstehen zu können. Wir wollen herausfinden, wie die Varroamilbe die Pathogen-Wirt Interaktion zwischen DWV und Honigbiene beeinflusst und welche Auswirkungen unterschiedliche Virusvarianten auf Honigbienen haben können. Die neu gewonnenen Erkenntnisse sollen den Imkern anschaulich dargestellt werden und ihnen zeigen, warum eine gründliche und adäquate Varroabehandlung so essentiell für den Erhalt ihrer Bienenvölker ist.