Haemolymph sugar homeostasis and the control of the proventriculus in the honeybee (Apis mellifera carnica L.)

• Main Author: Blatt, Jasmina
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: 2001
• Subjects: Biene; Hämolymphe; Zucker; Trehalose; Proventriculus; ddc:570
• Online Access: https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/55; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-880; https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-880; https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/55/blatt.pdf

The proventriculus regulates the food passage from crop to midgut. As the haemolymph provides a constantly updated indication of an insect’s nutritional state, it is assumed that the factor controlling the proventri-culus activity is to be found in the haemolymph. The purpose of this doctoral thesis was to investigate how output (metabolic rate), input (food quality and food quantity) and internal state variables (haemolymph osmolarity and haemolymph sugar titer) affect each other and which of these factors controls the activity of the proventriculus in the honeybee. Therefore free-flying foragers were trained to collect con-trolled amounts of different sugar solutions. Immediately after feeding, metabolic rates were measured over different periods of time, then crop-emptying rates and haemolymph sugar titers were measured for the same individual bees. Under all investigated conditions, both the sugar transport rates through the proventriculus and the haemolyph sugar titers depended mainly on the metabolism. For bees collecting controlled amounts of 15 per cent, 30 per cent or 50 per cent sucrose solution haemolymph trehalose, glucose and fructose titers were constant for metabolic rates from 0 to 4.5 mlCO2/h. At higher metabolic rates, trehalose concentration decreased while that of glucose and fructose increased with the exception of bees fed 15 per cent sucrose solution. As the supply of sugar from the crop via the proventriculus was sufficient to support even the highest metabolic rates, the observed pattern must result from an upper limit in the capacity of the fat body to synthesise trehalose. The maximal rate of conversion of glucose to trehalose in the fat body was therefore calculated to average 92.4 µg glucose/min. However, for bees fed 15 per cent sucrose solution both the rate of conversion of glucose to trehalose and the rate of sugar transport from the crop to the midgut were limited, causing an overall decrease in total haemolymph sugar titers for metabolic rates higher than 5 mlCO2/h. Haemolymph sucrose titers were generally low but increased with increasing metabolic rates, even though sucrose was not always detected in bees with high metabolic rates. Though foragers were able to adjust their sugar transport rates precisely to their metabolic rates, a fixed surplus of sugars was transported through the proventriculus under specific feed-ing conditions. This fixed amount of sugars increased with increasing concentration and in-creasing quantity of fed sugar solution, but decreased with progressing time after feeding. This fixed amount of sugars was independent of the metabolic rates of the bees and of the molarity and viscosity of the fed sugar solution. As long as the bees did not exhaust their crop content, the haemolymph sugar titers were unaffected by the sugar surplus, by the time after feeding, by the concentration and by the viscosity of fed sugar solution. When bees were fed pure glucose (or fructose) solutions, un-usually little fructose (or glucose) was found in the haemolymph, leading to lower total haemolymph sugar titers, while the trehalose titer remained unaffected. In order to investigate the mechanisms underlying the regulation of the honeybee proven-triculus, foraging bees were injected either with metabolisable (glucose, fructose, trehalose), or non-metabolisable sugars (sorbose). Bees reacted to injections of metabolisable sugars with reduced crop-emptying rates, but injection of non-metabolisable sugars had no influence on crop emptying. Therefore it is concluded that the proventriculus regulation is controlled by the concentration of metabolisable compounds in the haemolymph, and not by the haemo-lymph osmolarity. A period of 10min was enough to observe reduced crop emptying rates after injections. It is suggested that glucose and fructose have an effect on the proventriculus activity only via their transformation to trehalose. However, when the bees were already in-jected 5min after feeding, no response was detectable. In addition it was investigated whether the overregulation is the result of feed-forward regulation for the imminent take-off and flight. In a first experiment, we investigated whether the bees release an extra amount of sugar solution very shortly before leaving for the hive. In a second experiment, it was tested whether the distance covered by the bees might have an influence on the surplus amount released prior to the take-off. In a third experiment, it was investigated if walking bees fail to release this extra amount of sugars, as they do not have to fly. Though we were not able to demonstrate that the overregulation is the result of feed-forward regulation for the imminent take-off and flight, it is conceivable that this phenome-non is a fixed reaction in foragers that can not be modulated. To investigate whether regulated haemolymph sugar titers are also observed in honeybee foragers returning from natural food sources, their crop contents and haemolymph sugar titers were investigated. While the quantity of the collected nectar was without influence on the haemolymph sugar titers, foragers showed increasing haemolymph sugar titers of glucose, fructose and sucrose with increasing sugar concentration of the carried nectar. In contrast no relationship between crop nectar concentrations and haemolymph trehalose titers was observed. We are sure that the regulation of food passage from crop to midgut is controlled by the trehalose titer. However, under some conditions the balance between consumption and income is not numerically exact. This imprecision depends on the factors which have an impact on the foraging energetics of the bees but are independent of those without influence on the foraging energetics. Therefore we would assume that the proventriculus activity is modulated by the motivational state of the bees. === Der Proventrikel reguliert den Nahrungstransport vom Kropf zum Mitteldarm. Da die Hämolymphe einen stets aktuellen Einblick in den Ernährungszustand eines Insekts gewährt, kann man annehmen, dass der die Proventrikelaktivität regulierende Faktor in der Hämolymphe zu finden ist. Das Ziel der vorliegenden Doktorarbeit war es, die gegenseitige Beeinflussung von Aufnahme (Futterqualität und –quantität), Verbrauch (Stoffwechselrate) und „internal state“ Variablen (Hämolymphosmolarität und –zuckerspiegel) zu untersuchen und herauszufinden, welcher dieser Faktoren die Aktivität des Proventrikels bei der Honigbiene kontrolliert. Zu diesem Zweck wurden frei fliegende Sammlerinnen trainiert, kontrollierte Mengen verschiedener Zuckerlösungen zu sammeln. Direkt nach dem Füttern wurden die Stoffwechsel-raten über bestimmte Zeiten gemessen, danach wurden Kropfentleerungsraten und Hämo-lymphzuckerspiegel der jeweiligen Bienen gemessen. Unter allen untersuchten Bedingungen waren sowohl die Zuckertransportraten durch den Proventrikel als auch die Hämolymphzuckerspiegel hauptsächlich von der Stoffwechselrate abhängig. Bei Bienen, die kontrollierte Mengen von 15-, 30- oder 50-prozentigen Saccharoselösungen gesammelt hatten, waren die Hämolymph-trehalose, -glucose und –fructosespiegel für Stoffwechselraten von 0 – 4,5 mlCO2/h konstant. Bei höheren Stoffwechselraten sank die Trehalosekonzentra-tion, während die von Glucose und Fructose stieg; eine Ausnahme stellten Bienen dar, denen 15-prozentige Saccharoselösung gefüttert worden war. Da die Zuckerversorgung aus dem Kropf über den Proventrikel ausreichte, um auch die höchsten Stoffwechselraten zu ermöglichen, müssen die beobachteten Verläufe von einer Limitierung des Fettkörpers hinsichtlich der Trehalosesynthese herrühren. Die maximale Umwandlungs-rate von Glucose zu Trehalose im Fettkörper wurde daher auf 92,4 µg Glucose/ Minute berechnet. Allerdings war sowohl die Umwandlungsrate von Glucose zu Trehalose als auch die Zuckertransportrate vom Kropf in den Mitteldarm bei Bienen limitiert, die 15-prozentige Saccharoselösungen gefüttert bekamen. Insgesamt führte das zu einem Absinken des Gesamt-Hämolymphzuckerspiegels bei Stoffwechselraten, die über 5 mlCO2/h lagen. Auch wenn die Sammlerinnen in der Lage waren ihre Zuckertransportrate genau an ihre Stoffwechselrate anzupassen, wurde unter bestimmten Bedingungen ein festgelegter Überschuss an Zuckern durch den Proventrikel transportiert. Dieser Überschuss an Zuckern vergrößerte sich mit zunehmender Konzentration und zunehmender Menge der gefütterten Zuck-erlösung, verkleinerte sich aber mit fortschreitender Zeit nach dem Füttern. Er war unab-hängig vom Stoffwechsel der Bienen und der Molarität und Viskosität der gefütterten Zuckerlösung. So lange die Bienen ihren Kropfinhalt nicht aufgebraucht hatten, waren die Hämolymphzuckerspiegel von dem Überschuss an transportiertem Zucker, von der Zeitspanne zwischen Füttern und Hämolymphentnahme sowie der Konzentration der gefütterten Lösung und deren Viskosität unbeeinflusst. Wenn die Bienen allerdings reine Glucose- (oder Fruc-tose-)lösungen gefüttert bekamen, wurde wesentlich weniger Fructose (oder Glucose) in der Hämolymphe gemessen, was zu niedrigeren Gesamt-Hämolymphzuckerspiegeln führte, während der Trehalosespiegel unbeeinflusst blieb. Um den Mechanismus zu untersuchen, der der Proventrikelregulierung unterliegt, wurden Sammlerinnen mit entweder verdaubaren (Glucose, Fructose oder Trehalose) oder unver-daubaren Zuckern (Sorbose) injiziert. Die Bienen reagierten auf die Injektionen der ver-daubaren Zucker mit einer Reduzierung der Kropfentleerungsrate, wohingegen die Injizierung nicht verdaubarer Zucker keinen Einfluss auf die Kropfentleerung hatte. Daraus wird geschlossen, dass die Proventrikelregulation von der Konzentration der verdaubaren Kompo-nenten in der Hämolymphe kontrolliert wird und nicht von der Hämolymph-osmolarität. Eine Zeitspanne von 10min reichte aus, um nach der Injektion reduzierte Kropfentleerungsraten zu beobachten. Es wird angenommen, dass Glucose und Fructose nur über die Umwandlung zu Trehalose einen Einfluss auf die Proventrikelaktivität haben. Wenn allerdings die Injektionen bereits 5min nach der Futteraufnahme stattfanden, wirkte sich das nicht auf die Kropfentleerungsrate aus. Weiterhin wurde untersucht, ob die Überregulation das Ergebnis einer „Vorschussregula-tion“ für den anstehenden Abflug und Flug ist. In einem ersten Experiment wurde untersucht, ob die Bienen diesen Überschuss erst direkt vor dem Abflug durch den Proventrikel lassen. In einem zweiten Experiment wurde untersucht, ob die Entfernung zwischen Stock und Futter-quelle einen Einfluss auf die Menge des transportierten Zuckerüberschusses hat. In einem dritten Experiment wurde untersucht ob laufende Bienen auch einen Überschuss an Zuckern durch den Proventrikel leiten, obwohl sie nicht fliegen müssen. Auch wenn wir nicht nach-weisen konnten, dass die Überregulation das Ergebnis einer Vorschussregulation für den anstehenden Abflug und Flug ist, ist es dennoch denkbar, dass dieses Phänomen eine festge-legte Reaktion der Sammlerinnen ist, die nicht moduliert werden kann. Um zu untersuchen, ob man auch bei Sammlerinnen, die von natürlichen Futterquellen kommen, regulierte Hämolymphzuckerspiegel findet, wurden deren Kropfinhalte und Hämolymphzuckerspiegel bestimmt. Während die Menge des gesammelten Nektars keinen Einfluss auf die Hämolymphzuckerspiegel hatte, hatten Sammlerinnen höhere Glucose-, Fructose- und Saccharosehämolymphzucker-spiegel, wenn der Nektar im Kropf höher konzentriert war. Im Gegensatz dazu wurde keine Beziehung zwischen Nektarkonzentration und Trehalosespiegel gefunden. Wir sind sicher, dass die Regulation des Futtertransports vom Kropf zum Mitteldarm über den Trehalosespiegel kontrolliert wird. Trotzdem ist die Bilanz zwischen Zuckertransportrate und Stoffwechsel nicht unter allen Bedingungen exakt ausgeglichen. Diese „Ungenauigkeit“ ist von denjenigen Faktoren abhängig, die einen Einfluss auf die Sammelenergetik der Sammlerinnen haben, aber unabhängig von den Faktoren, die keinen Einfluss auf die Sam-melenergetik haben. Daher nehmen wir an, dass die Proventrikelaktivität über die Motivation der Bienen moduliert werden kann.