Honigbienen (Apis mellifera carnica) regulieren die Temperatur ihrer Brut in einem sehr engen Temperaturfenster, da vor allem die gedeckelte Brut sehr temperaturempfindlich reagiert (Groh et al. 2004). Die Thermoregulation ist nicht – wie lange angenommen – Beiprodukt von alltäglichen Arbeiten der Bienen im Brutbereich, sondern eine aktive und Energie- und Zeitaufwändige eigene Tätigkeit. Arbeiterinnen ziehen sich mit ihren Beinen an die Brutoberfläche, drücken ihren warmen Thorax auf die Brutdeckel und verharren so für einige Minuten um mit der eigenen Körperwärme die Brut zu temperieren (Bujok et al. 2002). Wie erwartet korrelierte die Thoraxtemperatur einer Arbeiterin mit der Frequenz der abdominalen Atembewegungen, bei sehr hohen Thoraxtemperaturen (über 40°C) erreichten die Bienen Atemfrequenzen von über 8Hz. Eine weitere Methode die Brut effektiv zu wärmen übten Bienen aus, die leere Zellen im gedeckelten Brutbereich besuchen (Kleinhenz et al. 2003). Arbeiterinnen gingen dabei bevorzugt in Zellen, die von möglichst vielen gedeckelten Zellen umgeben waren. Sowohl die Dauer der Zellbesuche, als auch die mittlere Thoraxtemperatur bei Ein- und Austritt der Zelle korrelierten mit der Anzahl der benachbarten Brutzellen – je mehr Brutzellen eine leere Zelle in ihrer direkten Nachbarschaft hatte umso länger dauerte der Besuch einer Biene und umso höher ist die Ein- bzw. Austrittstemperatur der Biene. Mindestes 48 Stunden alte Bienen unterschieden sich signifikant in ihrem Wärmeverhalten von jüngeren Bienen. Tote gedeckelte Brut wurde in manchen Fällen über viele Tage (durchgehend bis 10 Tage) gewärmt, sie unterschied sich in ihrer Temperatur nicht von unbehandelter gedeckelter Brut. In weiteren Versuchen lag die Bruttemperatur von toter Brut zwar unter der eines Kontrollbereiches, die Temperatur lag aber weiterhin im optimalen Bereich von 33,5 bis 35°C (Groh et al. 2004). In diesen Versuchen wurde die tote Brut vor dem Einsetzen in den Beobachtungsstock wieder auf 35°C erwärmt. Wachskegel in gedeckelten Zellen wurden erkannt und ausgeräumt. Aktive Signale, die von der Brut ausgehen scheinen also nicht notwendig für die effektive Bruttemperaturregulierung zu sein. Untersuchungen mittels Laser-Doppler-Vibrometrie zeigten auch keine Hinweise auf eine mechanische Kommunikation zwischen den Puppen und den Arbeiterinnen. Das Brutwärmen scheint eine Aktion zu sein, die von den Bienen nur in Gemeinschaft sinnvoll durchgeführt werden kann. In einigen Fällen kam es während der Puppenphase zu unerklärlichen Abfällen in der Bruttemperatur, die nur durch einen positiven Rückkopplungseffekt seitens der Arbeiterinnen erklärt werden kann. Beim Brutwärmen spielen die Antennen der Arbeiterinnen wahrscheinlich eine wichtige Rolle. Während sich die Bienen beim aktiven Brutwärmen den Brutdeckel annähern sind die Antennenspitzen immer auf die Brutdeckel gerichtet. Fehlen den Arbeiterinnen die Antennen, dann ist die Thermoregulation eingeschränkt oder unzureichend. Die Bruttemperatur korreliert mit der Anzahl der abgetrennten Antennensegmente, je mehr Antennensegmente fehlen, desto weniger gut wird die Temperatur im Brutbereich hoch und konstant gehalten. Zusätzlich scheint es eine Lateralität in der Antennenfunktion zu geben, wurde die rechte Antenne gekürzt wärmten die Bienen die Brut signifikant schlechter, als beim Kürzen der linken Antenne. Durch das Kürzen der Antennen änderte sich auch das Verhalten der Tiere: Kontrollbienen verharrten ruhig im Brutbereich, während Bienen mit gekürzten Antennen teilweise ähnlich warm waren, aber nicht mehr das oben beschriebene aktive Brutwärmeverhalten zeigten. / Honey bees (Apis mellifera carnica) precisely regulate brood temperature in a range between 33 to 35°C, as the development of the larvae, especially the capped brood stages are very sensitive to temperature changes. The heat used for thermoregulation in the brood area is not a by-product of work, but an active time and energy consuming task called brood heating behaviour: worker bees pull their warm thoraces towards the brood caps and remain in that position for about 10 minutes to transfer their body heat to the brood caps and the brood (Bujok et al. 2002). As expected, thoracic temperatures of bees correlated with frequency of abdominal breathing movements; bees with high thoracic temperatures (above 40°C) showed abdominal movements of up to slightly over 8Hz. Honey bee workers use empty cells neighbouring the capped brood cells for brood heating (Kleinhenz et al. 2003). Therefore, bees preferred visiting cells neighboured by numerous brood cells. Both duration of cell visits and thoracic temperature of the bee correlated with the number of neighboured brood cells. Older bees (at least 48h) showed significantly higher thoracic temperatures than younger bees (up to 48h old) immediately before and after their cell visits. Dead capped brood were heated over several days and showed equivalent temperatures to living brood warmed by worker bees. In other cases, the brood temperature was lower, but still in the optimal temperature range of 33.5 to 35°C (Groh et al. 2004). In the experiments, the dead brood was killed by cold then warmed up again to 35°C before putting it into the observation hive. Capped brood cells filled with wax dummies were not heated and immediately cleared out. Mechanical signals from the brood seemed not to be important for the brood heating behaviour of the worker bees; observations with laser-vibrometry showed no signals coming from the brood demanding thermoregulation. The antennae of the bees seem to be very important for effective brood heating, since during brood heating behaviour the antennae point to the capped brood surface. Worker bees with shortened antennae showed inferior brood heating behaviour, while brood temperature correlated with number of missing antenna segments. Additionally, the effectiveness of brood heating seems to be linked to a underlying laterality of the antennas function, when parts of the right antenna were amputated, brood heating was worse than when parts of the left antenna were amputated. With the amputation of the antenna the behaviour of the bees changed: control bees remained very quiet in the capped brood area, while bees with amputated antenna with similarly warm thoraces did not show the typical brood heating behaviour anymore. In some observations brood temperature dropped for some hours and increased again in a way that can only be explained by positive feedback of brood heating of the worker bees. Brood heating appears to be a collective action.

The honeybee Apis mellifera is a social insect well known for its complex behavior and the ability to learn tasks associated with central place foraging, such as visual navigation or to learn and remember odor-reward associations. Although its brain is smaller than 1mm² with only 8.2 x 105 neurons compared to ~ 20 x 109 in humans, bees still show amazing social, cognitive and learning skills. They express an age – related division of labor with nurse bees staying inside the hive and performing tasks like caring for the brood or cleaning, and foragers who collect food and water outside the hive. This challenges foragers with new responsibilities like sophisticated navigation skills to find and remember food sources, drastic changes in the sensory environment and to communicate new information to other bees. Associated with this plasticity of the behavior, the brain and especially the mushroom bodies (MBs) - sensory integration and association centers involved in learning and memory formation – undergo massive structural and functional neuronal alterations. Related to this background my thesis on one hand focuses on neuronal plasticity and underlying molecular mechanisms in the MBs that accompany the nurse – forager transition. In the first part I investigated an endogenous and an internal factor that may contribute to the nurse - forager phenotype plasticity and the correlating changes in neuronal network in the MBs: sensory exposure (light) and juvenile hormone (JH). Young bees were precociously exposed to light and subsequently synaptic complexes (microglomeruli, MG) in the MBs or respectively hemolymph juvenile hormone (JH) levels were quantified. The results show that light input indeed triggered a significant decrease in MG density, and mass spectrometry JH detection revealed an increase in JH titer. Interestingly light stimulation in young bees (presumably nurse bees) triggered changes in MG density and JH levels comparable to natural foragers. This indicates that both sensory stimuli as well as the endocrine system may play a part in preparing bees for the behavioral transition to foraging. Considering a connection between the JH levels and synaptic remodeling I used gene knockdown to disturb JH pathways and artificially increase the JH level. Even though the knockdown was successful, the results show that MG densities remained unchanged, showing no direct effect of JH on synaptic restructuring. To find a potential mediator of structural synaptic plasticity I focused on the calcium-calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII) in the second part of my thesis. CaMKII is a protein known to be involved in neuronal and behavioral plasticity and also plays an important part in structural plasticity reorganizing synapses. Therefore it is an interesting candidate for molecular mechanisms underlying MG reorganization in the MBs in the honeybee. Corresponding to the high abundance of CaMKII in the learning center in vertebrates (hippocampus), CaMKII was shown to be enriched in the MBs of the honeybee. Here I first investigated the function of CaMKII in learning and memory formation as from vertebrate work CaMKII is known to be associated with the strengthening of synaptic connections inducing long term potentiation and memory formation. The experimental approach included manipulating CaMKII function using 2 different inhibitors and a specific siRNA to create a CaMKII knockdown phenotype. Afterwards bees were subjected to classical olfactory conditioning which is known to induce stable long-term memory. All bees showed normal learning curves and an intact memory acquisition, short-term and mid-term memory (1 hour retention). However, in all cases long-term memory formation was significantly disrupted (24 and 72 hour retention). These results suggests the necessity of functional CaMKII in the MBs for the induction of both early and late phases of long-term memory in honeybees. The neuronal and molecular bases underlying long-term memory and the resulting plasticity in behavior is key to understanding higher brain function and phenotype plasticity. In this context CaMKII may be an important mediator inducing structural synaptic and neuronal changes in the MB synaptic network. / Die Honigbiene Apis mellifera ist ein soziales Insekt, das bekannt ist für sein komplexes Verhalten und seine Fähigkeiten, Aufgaben in Bezug auf zentrales Sammelverhalten, zum Beispiel visuelle Navigation oder die Assoziation Duft – Belohnung, zu lernen, ist. Obwohl das Bienengehirn kleiner als 1mm² ist und im Vergleich zum dem des Menschen mit ~ 20 x 109 Neuronen nur 8.2 x 105 Neurone besitzt, verfügen Bienen trotzdem über beeindruckende soziale, kognitive und Lernfähigkeiten. Sie praktizieren eine altersabhängige Arbeitsteilung mit Ammen, die im Stock bleiben und Aufgaben wie das Versorgen der Brut übernehmen, und Sammlerinnen, die außerhalb des Stockes Futter und Wasser suchen. Dies fordert die Sammlerinnen zu neuen Aufgaben heraus, zum Beispiel hochentwickelte Navigation, drastischen Änderungen der sensorischen Umwelt, Lernen neuer Assoziationen und die Vermittlung der neuen Informationen an andere Bienen. Diese phänotypische Plastizität geht mit stark strukturellen und funktionell neuronalen Veränderungen im Gehirn und vor allem in den Pilzkörpern – sensorische Integrierungszentren, die an Lernen und Gedächtnisbildung beteiligt sind – einher. Passend dazu liegt ein Schwerpunkt meiner Arbeit darauf, die neuronale Plastizität und die molekularen Mechanismen im Pilzkörper, die mit der Wandlung der Amme hin zur Sammlerin zusammen hängen, zu untersuchen. Im ersten Teil werden ein endogener und ein interner Faktor, die zum Ammen - Sammlerinnen Übergang und den damit einhergehenden Änderungen im neuronalen Netzwerk beitragen könnten, untersucht: sensorische Input (Licht) und Juvenilhormon (JH). Junge Bienen wurden frühzeitig dem Licht ausgesetzt und anschließend synaptische Komplexe (Mikroglomeruli, MG) in den Pilzkörpern beziehungsweise JH aus der Hämolymphe quantifiziert. Die Ergebnisse zeigen, dass der Einfluss des Lichts tatsächlich eine plastische Verringerung der MG-Dichte auslöst und massenspektrometrische Messungen eine Zunahme an der JH-Menge in der Hämolymphe zeigen. Interessanterweise führt die Stimulation der jungen Ammen mit Licht zu Änderungen in der MG-Dichte und zu JH-Mengen, die vergleichbar sind mit den Werten bei natürlichen Sammlerinnen sind. Dies weist darauf hin, dass sowohl sensorische Stimuli als auch das Hormonsystem einen Beitrag zu der Vorbereitung der Bienen auf die bevorstehende Verhaltensänderung leisten. Um eine Verbindung zwischen der JH-Menge und synaptischen Umstrukturierungen in Betracht zu ziehen, habe ich einen Gen-Knockdown eingesetzt, um JH-Signalwege zu manipulieren und dadurch die JH-Menge künstlich zu erhöhen. Obwohl der Knockdown erfolgreich war, zeigen die Ergebnisse keinen direkten Zusammenhang zwischen der JH-Menge und einer synaptischer Umgestaltung. Um einen möglichen Vermittler von struktureller Plastizität zu finden, habe ich den Fokus im zweiten Teil meiner Arbeit auf die Calcium-Calmodulin-abhängige Protein-Kinase II (CaMKII) gerichtet. CaMKII ist ein Protein, das für seine Rolle sowohl in neuronaler und Verhaltensplastizität als auch in struktureller Plastizität bekannt ist. Daher ist es ein interessanter Kandidat, um molekulare Mechanismen zu untersuchen, die bei der MG-Umstrukturierung in den Pilzkörpern beteiligt sind. In Übereinstimmung mit dem hohen Vorkommen der CaMKII in Lernzentren in Vertebraten (Hippocampus) kommt CaMKII auch in hohem Maß in den Pilzkörpern der Biene vor. In dieser Arbeit habe ich zuerst die Funktion der CaMKII in Lernvorgängen und bei der Gedächtnisbildung untersucht, da bekannt ist, dass CaMKIII mit verstärkten synaptischen Verbindungen, die Langzeitpotenzierung und Gedächtnisbildung auslösen, in Zusammenhang gebracht wird. Der experimentelle Ansatz beinhaltet die Manipulation der CaMKII mit zwei verschiedenen Inhibitoren und einer spezifische siRNA, um einen CaMKII-Knockdown-Phänotyp zu erzeugen. Alle Substanzen wurden über den medialen Ocellartrakt injiziert, um zu gewährleisten, dass sie den Pilzkörper erreichen. Anschließend wurde eine klassische olfaktorische Konditionierung durchgeführt, die ein stabiles Langzeitgedächtnis induziert. Alle Bienen zeigten ein normales Lernverhalten, Kurzzeitgedächtnis und Mittelzeitgedächtnis (eine Stunde Speicherung) waren intakt. Jedoch war in allen Fällen das Langzeitgedächtnis beschädigt (24 und 72 Stunden Speicherung). Diese Ergebnisse legen nahe, dass CaMKII in den Pilzkörpern essentiell für das Auslösen von frühen und späten Formen des Langzeitgedächtnisses der Biene ist. Die neuronalen und molekularen Grundlagen des Langzeitgedächtnis sind der Schlüssel, um höhere Gehirnfunktionen und phänotypische Plastizität zu verstehen. CaMKII könnte ein wichtiger Vermittler sein, um strukturelle und neuronale synaptische Änderungen im Netzwerk des Pilzkörpers auszulösen.

University, Diss., 2006--Würzburg. / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2005.

Techn. Universiẗat, Diss., 2001--Berlin.

In dieser Arbeit untersuche ich das Verhalten von Arbeiterbienen beim Brutwärmen, die Wärmeübertragung von den Bienen auf die gedeckelte Brut, die thermophysikalischen Eigenschaften des Brutnests und spezielle Aspekte des Brutnestaufbaus, die für dieses Thema relevant sind und bisher nicht untersucht wurden. Meine Arbeit umfasst Verhaltensbeobachtungen und thermografische Messungen an individuellen Bienen, die Simulation des Heizverhaltens von Arbeiterinnen und das Messen der Temperaturänderungen in der Wabe, die Messung der thermophysikalischen Eigenschaften der Brutwabe und der Zellwände (Wärmeleitfähigkeit und Durchlässigkeit für Wärmestrahlung), die Auswertung von Brutzelltemperaturen als Ergebnis des Verhaltens von Arbeiterbienen, die Analyse der Anzahl und der räumlichen Verteilung von Brutlücken (Auswertung in 2-D und 3-D bezüglich beider Wabenseiten) und die Entwicklung spezifischer Computersoftware, die zur Erarbeitung dieser Ergebnisse unverzichtbar ist. Ein wichtiges Ergebnis dieser Arbeit ist die Entdeckung und Beschreibung eines bemerkenswerten, bislang unbekannten Verhaltens der Honigbiene: Die Aufrechterhaltung hoher Thoraxtemperaturen (TTh) bei Langzeitbesuchen in offenen Zellen („Lücken“) die verstreut in der gedeckelten Brutfläche vorkommen. Hier zeige ich, dass die Aufrechterhaltung der hohen TTh nicht auf den Zellinhalt (z. B. offene Brut) bezogen ist - in den meisten Fällen waren die besuchten Zellen ohnehin leer - sondern auf die direkt benachbarte gedeckelte Brut, mit der diese Zellen über gemeinsame Zellwände in Kontakt stehen. Dieses Verhalten liefert eine Erklärung für Langzeitzellbesuche von sehr langer Dauer ohne erkennbare Aktivität, die in früheren Arbeiten beschrieben aber nicht völlig verstanden wurden, und es rehabilitiert die scheinbar „faulen“ Bienen im Zellinnern. Diesem Verhalten kommt eine große Bedeutung für das Brutwärmen zu, da sich der aufgeheizte Thorax tief in der Wabe (fast an der Mittelwand) befindet wo der Wärmeverlust an die Luft minimiert ist und von wo bis zu 6 umliegende Puppenzellen gleichzeitig gewärmt werden können. Im Vergleich zum Brutwärmeverhalten an der Wabenoberfläche (Andrücken des Thorax an die Brutdeckel), wo nur 1 oder Teile von 3 Brutdeckeln mit dem Thorax in Berührung stehen, ist das Wärmen im Zellinnern mit derselben TTh bis zu 2,6-fach effizienter. Die Messung der thermophysikalischen Eigenschaften der Brutwabe und die Simulation des Brutwärmeverhaltens unter kontrollierten Bedingungen zeigen, dass sich die Wabe langsam aufwärmt und eher ein lokal begrenztes Wärmen als eine rasche Wärmeausbreitung über eine große Fläche begünstigt. Der Einflussbereich eines einzelnen Zellbesuchers hängt von seiner TTh und der Dauer des Zellbesuchs ab. Anstiege der Bruttemperatur in bis zu 3 Zellen Abstand zum Zellbesucher sind nachweisbar. Das hier beschriebene Brutwärmeverhalten im Innern von Lücken (offenen Zellen) bietet nicht nur neue Einsichten in das Bienenverhalten. Es ermöglicht auch eine Neubewertung der Lücken und ihrer Nützlichkeit für die Bienen. Eine von mir entwickelte Computersoftware („CombUse 2.0“) ermöglicht es, das Vorkommen und die räumliche Verteilung von Lücken mit hoher Genauigkeit auf der Ebene einzelner Zellen zu erfassen und auszuwerten. Die räumliche Verteilung der Lücken in der gedeckelten Brutfläche zeigt, dass schon bei geringen Lückenhäufigkeiten von ca. 4 bis 10 %, die in gesunden Kolonien normal sind, eine überraschend große Zahl gedeckelter Brutzellen (88 % bis 99 %, wenn die dreidimensionale Verteilung berücksichtigt wird) im Einflussbereich von Brut wärmenden Zellbesuchern sind. Obwohl das Brutwärmeverhalten im Zellinnern schwer zu entdecken und zu beobachten ist, führen die in dieser Arbeit präsentierten Daten zu dem Schluss, dass es sich dabei um einen wichtigen Bestandteil der Nestklimatisierung bei Honigbienen handelt. / In this thesis I investigate the behaviour of worker bees while incubating brood, heat transfer from bees to the sealed brood, the thermophysical properties of the brood nest and special aspects of brood nest architecture that are relevant for this topic but have not been investigated so far. My work comprises behavioural observations and thermographic measurements of individual bees, simulation of worker bees’ heating behaviour and measurement of temperature changes within the brood comb, the measurement of thermophysical properties of the brood comb and cell walls (thermal conductivity and transmission of thermal radiation), the analysis of brood cell temperatures as a result of the behaviour of worker bees, the analysis of the number and spatial distribution of brood gaps (analysis in 2-D and 3-D with regard to both sides of a comb) and the engineering of specific computer software which was indispensable to achieve these results. One major result of this work is the discovery and description of a very remarkable, hitherto unknown behaviour of the honeybee: the maintenance of high thorax temperatures (TTh) during long-time visits to open cells (“gaps”) which are scattered at low rates among the sealed brood. Here I show that the maintenance of high TTh is not related to the contents of the visited cells (anyway, they were empty in most cases) but to the presence of sealed brood which is directly adjacent to and sharing common cell walls with the visited cell. The discovery of this behaviour casts a positive light on apparently “lazy” bees and provides an explanation for long-time cell-visits with durations of several ten minutes which were described but not fully understood in earlier works by other authors. Moreover, this behaviour is of high relevance for brood incubation itself because the heated thorax is deep in the comb (almost down to the middle wall) where heat loss to the air is minimized and where up to 6 surrounding pupa cells can be warmed simultaneously. In comparison to specific brood incubation behaviour on the comb surface (pressing the thorax onto the brood caps), where only one or parts of three brood caps may be in touch with a heated thorax, heating inside cells with the same TTh is up to 2,6 times more efficient. The measurement of thermophysical properties of the brood comb and the simulation of worker heating under controlled conditions show that the comb warms up slowly and supports local heating rather than a rapid spread of heat all over the area. The radius-of-influence of a single cell visitor depends on its TTh and on the duration of the cell visit. Increases of brood temperature as far as three cells away from the cell visitor may be detected. The brood incubation behaviour via gaps (i.e. open cells) which I describe in this work does not only give new insights into bee behaviour. It also allows a reconsideration of the gaps them¬selves and their usefulness to the bees. A specific computer software (“CombUse 2.0”) which I developed for this work allowed me to register and analyze the spatial distribution of gaps with high precision on the level of cells, in contrast to rough estimations of brood areas and gap numbers which are commonly used in bee-breeding and population assessments. The analysis of the spatial distribution of gaps in the sealed brood area shows that even at small proportions of gaps (ca. 4 to 10 %, common to healthy colonies), a surprisingly large number (88 % to 99 %, if the three-dimensional distribution of gaps is considered) of sealed brood cells is within the reach of brood incubating worker bees visiting these gaps. Although brood incubation behaviour inside cells is very difficult to detect and observe, the data presented in this work strongly suggest that heating inside cells is an important part of nest climate control and other aspects of social life in honeybee colonies.

Ein grundlegender Faktor, der für das Überleben einer Kolonie sozialer Insekten ausschlaggebend ist, liegt in der Fähigkeit Nahrung durch sogenannte „Trophallaxis“ auszutauschen. Diese Fütterungskontakte sorgen für die gleichmäßige Verteilung der Nahrung innerhalb der Kolonie und werden als einer der Grundpfeiler der Sozialität der Staatenbildenden Insekten erachtet. Im Fall der Honigbienen finden diese Kontakte in vollkommener Dunkelheit statt. Damit es in dieser Situation überhaupt zum Nahrungsaustausch kommen kann, sind die Antennen von großer Wichtigkeit. Ein erster Schritt in den Verhaltensweisen, die der Rezipient eines trophallaktischen Kontaktes zeigt, ist der Kontakt einer Antennenspitze mit den Mundwerkzeugen des Donoren, da sich dort die regurgitierte Nahrung befindet. Diese Berührung hat aufgrund der gustatorischen Sensibilität der Antenne den Zweck, das angebotene Futter zu „erschmecken“. Die rechte Antenne wird vom Rezipienten eines trophallaktischen Kontakts signifikant häufiger eingesetzt als die linke Antenne. Die Präferenz für die rechte Antenne bleibt dabei auch erhalten, wenn ein Teil der Antennengeisel abgetrennt wurde, also die sensorischen Fähigkeiten der rechten Antenne stark beeinträchtigt wurden. Der Grund für die Präferenz der rechten Antenne könnte ihrer erhöhten Sensibilität gegenüber Zuckerwasser zugrunde liegen, da die rechte Antenne im Laborversuch signifikant stärker auf Stimulationen mit Zuckerwasser verschiedener Konzentrationen reagierte als die linke. Trophallaktische Kontakte sichern Individuen innerhalb einer Kolonie den Zugang zur lebenswichtigen Nahrung. Im Beispiel der Honigbienen ist ständige Zugriff auf Nahrung besonders wichtig, da es sich um ein heterothermes Tier handelt, das die Fähigkeit besitzt, aktiv seine Körpertemperatur zu regulieren. Obgleich jedes Individuum in der Lage ist, seine Körpertemperatur den eigenen Bedürfnissen anzupassen, ist diese Fähigkeit streng durch den in der Nahrung aufgenommenen Zucker reguliert. Im Gegensatz zu den Säugetieren oder Vögeln, die für eine Erhöhung des Blutzuckerspiegels auch auf Fett- oder Eiweißressourcen zurückgreifen können, ist die Honigbiene auf die Glucose aus der aufgenommenen Nahrung angewiesen. Die Ergebnisse dieser Untersuchung zeigen, dass der Zuckergehalt der aufgenommenen Nahrung positiv mit der Thoraxtemperatur der Bienen korreliert. Dieser Zusammenhang tritt auf, selbst wenn keine Wärmeerzeugung für die Brutpflege oder für das Erwärmen der Wintertraube notwendig ist und die Tiere außerhalb des Stockes ohne eigentliche Notwendigkeit für die Wärmeerzeugung in einem Käfig gehalten werden. Die Ergebnisse der Untersuchung zeigen, dass die Rezipienten beim Nahrungsaustausch eine signifikant höhere Thoraxtemperatur haben als die Donoren. Außerdem zeigen die Rezipienten nach der Fütterung signifikant häufiger Brutwärmeverhalten als die Donoren. Letztere haben eine signifikant niedrigere Thoraxtemperatur als die Rezipienten und zeigen eine Verhaltenstendenz, häufig zwischen Brutbereich und Honiglager hin- und her zu pendeln. Dabei nehmen sie im Honiglager Honig in ihren Kropf auf und füttern mit dieser Nahrung danach Bienen im Brutbereich. Außerdem zeigen die Ergebnisse, dass es einen wärmegesteuerten Auslösemechanismus gibt, der den Donoren und Rezipienten des trophallaktischen Kontakts dazu verhilft, trotz der Dunkelheit des Stocks praktisch verzögerungsfreie Nahrungsübertragung am Ort des höchsten Energieverbrauchs zu gewährleisten. Das Hervorwürgen von Nahrung angesichts einer Wärmequelle könnte seinen Ursprung in einer Beschwichtigungsgeste haben. Aggressive Tiere zeigen neben sichtbaren aggressiven Verhalten auch durch ihre erhöhte Körpertemperatur, dass sie bereit sind sich auf einen Kampf einzulassen. Die Temperaturerhöhung eines aggressiven Tieres beruht dabei auf der erhöhten Muskelaktivität, die vor allem bei Insekten dazu nötig ist, einen entsprechende Reaktion im Falle eines Kampfes oder der Flucht zeigen zu können. Wird ein Individuum mit Aggression konfrontiert, so bleibt ihm die Wahl sich auf einen Kampf einzulassen, zu flüchten oder durch eine Beschwichtigungsgeste eine Deeskalation der Situation einzuleiten. Besonders häufig wird für diesen Zweck Nahrung regurgitiert und dem dominanteren Tier angeboten, um einem Konflikt aus dem Weg zu gehen. Die Fähigkeit, Arbeiterinnen mit kleinen Portionen konzentrierter Nahrung zu versorgen trägt zu einer ökonomischen Verteilung der Ressourcen bei, die mit den physiologischen Bedürfnissen der Honigbienen konform geht und die ökologischen Erfordernisse des Stockes erfüllt. Das daraus resultierende Managementsystem, welches sparsam mit den Ressourcen haushaltet und auf die individuellen Bedürfnisse jeder einzelnen Biene einzugehen vermag, könnte ein Grund für die Fähigkeit der Honigbienen zur Entwicklung mehrjähriger Kolonien sein, die, anders als Hummeln oder Wespen, auch den Winter in gemäßigten Zonen als Gemeinschaft zu überstehen vermögen. / Like many other social insect societies, honeybees collectively share the resources they gather by feeding each other. These feeding contacts, known as trophallaxis, are regarded as the fundamental basis for social behavior in honeybees and other social insects for assuring the survival of the individual and the welfare of the group. In honeybees, where most of the trophallactic contacts are formed in the total darkness of the hive, the antennae play a decisive role in initiation and maintenance of the feeding contact, because they are sensitive to gustatory stimuli. The sequences of behaviors performed by the receiver bees at the beginning of a feeding contact includes the contact of one antenna with the mouthparts of a donor bee where the regurgitated food is located. The antennal motor action is characterized by behavioral asymmetry, which is novel among communicative motor actions in invertebrates. This preference of right over left antenna is without exception even after removal of the antennal flagellum. This case of laterality in basic social interaction might have its reason in the gustatory asymmetry in the antennae, because the right antenna turns out to be significantly more sensitive to stimulation with sugar water of various concentrations than the left one. Trophallactic contacts which guarantee a constant access to food for every individual in the hive are vitally important to the honeybee society, because honeybees are heterothermic insects which actively regulate their thoracic temperature. Even though the individual can regulate its body temperature, its heating performance is strictly limited by the amount of sugar ingested. The reason for this is that honeybees use mostly the glucose in their hemolymph as the energy substrate for muscular activity, and the heat producing flight muscles are among the metabolically most active tissues known. The fuel for their activity is honey; processed nectar with a sugar content of ~80% stored in the honeycomb. The results show that the sugar content of the ingested food correlates positively with the thoracic temperature of the honeybees even if they are caged and show no actual heating-related behavior as in brood warming or heating in the centre of the winter cluster. Honeybees actively regulate their brood temperature by heating to keep the temperature between 33 °C to 36 °C if ambient temperatures are lower. Heating rapidly depletes the worker’s internal energy; therefore the heating performance is limited by the honey that is ingested before the heating process. This study focused on the behavior and the thoracic temperature of the participants in trophallactic food exchanges on the brood comb. The brood area is the centre of heating activity in the hive, and therefore the region of highest energy demand. The results show that the recipients in a trophallactic food exchange have a higher thoracic temperature during feeding contacts than donors, and after the feeding contact the former engage in brood heating more often. The donor bees have lower thoracic temperature and shuttle constantly between honey stores and the brood comb, where they transfer the stored honey to heating bees. In addition, the results show a heat-triggered mechanism that enables donor and recipient to accomplish trophallactic contacts without delay in the total darkness of the hive in the brood area as the most energy consuming part of the hive. Providing heat-emitting workers with small doses of high performance fuel contributes to an economic distribution of resources consistent with the physiological conditions of the bees and the ecological requirements of the hive, resulting in a highly economical resource management system which might be one of the factors favouring the evolution of perennial bee colonies in temperate regions. The conclusion of these findings suggests a resource management strategy that has evolved from submissive placation behavior as it is seen in honeybees, bumblebees and other hymenopterans. The heat-triggered feedback mechanism behind the resource management of the honeybee´s thermoregulatory behavior reveals a new aspect of the division of labor and a new aspect of communication, and sheds new light on sociality in honeybees.

Harz ist ein klebriges Pflanzenprodukt mit einem oft intensiven aromatischen Geruch. Es wird von Bäumen produziert, um Wunden zu verschließen und schädliche Besucher abzuwehren. Einige Insektenarten haben jedoch die erstaunliche Fähigkeit entwickelt, mit der klebrigen Substanz umzugehen und sie sich gar zu Nutzen zu machen. So verwenden Bienen Harz beispielsweise zum Nestbau und zur Verteidigung ihrer Kolonien. Während allgemein bekannt ist, dass Bienen Pollen und Nektar sammeln, wird der Tatsache, dass sie auch Harz sammlen, allerdings sehr viel weniger Beachtung geschenkt. Ziel meiner Dissertation war es daher, herauszufinden, warum, wie und wo stachellose Bienen in Borneo (sieben untersuchte Bienenarten), Australien (acht Arten) und Costa Rica (27 Arten) Pflanzenharze sammeln und verwerten. Diese Arbeit behandelt somit die enge Beziehung zwischen einer eusozialen Insektengattung und einem chemisch und physiologisch hoch komplexen Pflanzenprodukt, das Bienen nicht nur als Nestmaterial und zur Verteidigung dient, sondern auch eine wesentliche Bedeutung für deren chemische Diversität hat. Stachellose Bienen verhalten sich hochgradig opportunistisch, wenn sie Harz sammeln, d.h. verschiedene Bienenarten sammeln Harz von denselben Baumarten, wobei sie nahezu jede verfügbare Harzquelle nutzen. Dabei finden und erkennen sie Harzquellen anhand einiger charakteristischer Mono- und Sesquiterpene, nutzen jedoch nicht das gesamte Harz-Bouquet. Die Menge an eingetragenem Harz unterscheidet sich zwischen verschiedenen Bienenarten und kolonien und varriert mit verschiedenen Umweltbedingungen. Insbesondere eine Bedrohung durch Fressfeinde (z. B. Ameisen) führt zu einer massiven Steigerung des Harzeintrages; eine manuelle Zerstörung des Nesteinganges hat dagegen relativ wenig Einfluss. Das eingetragene Harz wird zum Nestbau und zur Verteidigung gegen Fressfeinde und Mikroben genutzt. Darüber hinaus dient es als Quelle für Terpene, die von den Bienen in ihre chemischen Oberflächenprofile eingebaut werden (kutikuläre Terpene). Dabei übertragen sie nur einen Bruchteil (8 %) der gewaltigen Menge (>> 1000) an Terpenen, die man im Harz von Bäumen findet, auf ihre Oberfläche. Die übertragenen Terpene bleiben in ihrer Struktur unverändert, allerdings unterscheiden sich die Bienenarten in der Zusammensetzung der Terpenprofile auf ihrer Oberfläche, obwohl alle untersuchten Arten Harz von denselben Bäumen sammeln. Die unterschiedlichen Terpenprofile sowie die Tatsache, dass nur wenige Terpene aus dem Harz aufgenommen werden, deuten auf einen artspezifischen und bisher unbekannten Filterungsmechanismus bei stachellosen Bienen hin. Auch übersteigt durch die Aufnahme von Terpenen die chemische Diversität der Oberflächenprofile von stachellosen Bienen die zahlreicher anderer Hymenopteren. Da Bienen die Terpene aus dem Harz nur „filtern“, sie dabei aber nicht verändern, sind sämtliche Bienenarten aus Borneo, Australien und Costa den charakteristischen Harzprofilen von Bäumen aus ihren Ursprungsgebieten chemisch sehr ähnlich. Da in jeder tropischen Region andere Baumarten vorkommen, varriert die chemische Zusammensetzung der vorkommenden Harze und damit der kutikulären Terpene von dort vorkommenden Bienen. Die meisten Bienenarten mit kutikulären Terpenen findet man in Borneo, wo nahezu 100 % der untersuchten Arten aus Baumharzen gewonnene Terpene in ihre chemischen Profilen einbauen. Im Gegensatz dazu sind es in Costa Rica nur 40 % der untersuchten Arten. Auch sammeln in Borneo gelegentlich 9 von 10 Arbeiterinnen einer Tetragonilla collina Kolonie Harz, wohingegen in Australien maximal 10 % und in Costa Rica maximal 40 % der Arbeiterinnen einer Kolonie Harz sammeln. Das Vorherrschen von Harz und aus Harz gewonnenen Terpenen in der chemischen Ökologie von Bienen auf Borneo spiegelt das Vorherrschen einer bestimmten südostasiatischen Baumfamilie wieder: der Dipterocarpaceen, deren Holz ungewöhnlich harzig ist. Ein solch enger Zusammenhang zwischen der Chemie von Bienen und der von Baumharzen verdeutlicht die enge Beziehung zwischen stachellosen Bienen und den Bäumen in ihrem Habitat. Die kutikulären Terpene schützen ihre Träger vor Angreifern (z.B. Ameisen) und Mikrobenbefall. Dabei variiert eine bestimmte Gruppe – Sesquiterpene – am meisten zwischen den Arten. Diese Terpengruppe manipuliert die natürlichweise auftretende zwischen-artliche Aggression, indem sie letztere bei jenen Arten verringert, die selbst keine Sesquiterpene in ihrem Profil haben. Aggressionsminderung durch chemische Komponenten, welche aus der Umwelt aufgenommen werden, stellt somit einen bisher unbekannten Mechanismus dar, um Toleranz zwischen sonst aggressiven Arten zu erreichen. Eine derarte Herabsetzung von aggressiven Verhalten bei stachellosen Bienen kann darüber hinaus ein entscheidender Faktor für das Entstehen sogenannter Nestaggregationen sein. Dabei nisten Kolonien von Bienenarten mit und Bienenarten ohne Sesquiterpene in ihrem chemischen Profil in unmittelbarer Nachbarschaft, ohne gegeneinander aggressiv zu sein. Im Hinblick auf die zahlreichen Funktionen, die Harze und/oder aus dem Harz gewonnene Substanzen für stachellose Bienen haben, stellt Harz zweifelsohne eine bedeutende Ressource in der Welt der Bienen dar – eine Ressource, die einen direkten Einfluss auf deren chemische Ökologie, Verteidigungsmechanismen und zwischen-artliche Kommunikation ausübt. Wie genau die Bienen ihre artspezifischen Terpenprofile erzeugen, insbesondere, wie es ihnen gelingt, dabei ganze Terpengruppen auszuschließen, muss in zukünftigen Studien genauer untersucht werden. Auch stellt sich die Frage, wie wichtig eine hohe Diversität an Harzquellen und damit Baumarten für die Bienen ist! Es ist durchaus möglich, dass neben einer Vielfalt an Blütenpflanzenarten auch der „Harzreichtum“ für das Wohlergehen der Bienen eine entscheidende Rolle spielt. / Resin, a sticky sap emitting terpenoids and other volatiles, is produced by various plant species to seal wounds and protect themselves against herbivores and microbes. Among several other insects, bees have evolved the surprising ability to handle the repellent plant sap and use it to construct and defend their nests. Whereas the collection of pollen and nectar has been intensively studied in bees, resin collection has received only little attention. The aim of this dissertation was to better understand how the physiological and chemical properties of resin and resin-derived compounds (terpenes) affect the ecology of stingless bees. I therefore asked why, where and how stingless bees of Borneo (seven study-species), Australia (eight) and Costa Rica (27) collect and process plant resins, addressing the importance of a largely neglected resource not only for building and defensive properties, but also for the bees’ chemical diversity. Stingless bees are highly opportunistic resin foragers with all species collecting resin from a similar set of tree species. They locate and/or recognize resin sources on the basis of several volatile mono- and sesquiterpenes. I found that different bee species and even colonies significantly varied in the amount of resin collected. Predator attack (e.g., by ants) had the strongest affect on resin intake, whereas manual nest destruction only slightly increased the number of resin foragers. Resin is used to build, maintain and defend nests, but also as source for chemical compounds (terpenes) which stingless bees include in their surface profiles (chemical profiles). They directly transfer resin-derived compounds to their body surfaces (cuticular terpenes), but only include a subset (8 %) of the large number (>> 1000) of terpenes found in tree resins. This phenomenon can only be explained by a hitherto unknown ability to filter environmentally derived compounds which results in species-specific terpene profiles and thus in an increased chemical heterogeneity among species. Moreover, due to the addition of resin-derived substances the diversity of compounds on the bees’ body surfaces by far exceeds the chemical diversity of profiles in other hymenopterans. Because stingless bees filter but do not modify resin-derived compounds, species from Borneo, Australia and Costa Rica all resemble the characteristic resin of typical trees in their regions of origin. This chemical similarity reveals a strong correlation between the diversity of tree resins and the diversity of cuticular terpenes among stingless bees in a given habitat. Because different tree species are found in different tropical regions, the chemical composition of tree resins varies between tropical regions as does the composition of cuticular terpenes in bee species from these regions. Cuticular terpenes are however most common among stingless from Borneo, with 100 % of species studied having resin-derived terpenes in their chemical profiles. They are least common in Costa Rica, with only 40 % of species having terpenes. Likewise, resin collection was found to be highest in Tetragonilla collina colonies of Borneo where occasionally up to 90 % of foragers collected resin. By contrast, resin collection was only performed by 10 % of foragers of a given colony in Australia and by a maximum of 40 % in Costa Rica. The dominance of resin and resin-derived compounds in the chemical ecology of bees from Borneo may mirror the dominance of a particular Southeast Asian tree family: the highly resinous dipterocarps. Such a correlation between the chemistry of bees and the chemistry of tree resins therefore underlines the close relationship between stingless bees and the trees of their habitat. Cuticular terpenes are assumed to protect bees against predators and/or microbes. Sesquiterpenes, a specific group of terpenes, most vary between species and impair inter-specific aggression by reducing aggressive behavior in species without sesquiterpenes, thereby providing a novel mechanism to achieve interspecific tolerance among insects. Reduced interspecific aggression may also be an important factor enabling the non-aggressive aggregation of nests from stingless bee colonies of up to four different species, because such aggregations frequently comprise both species with and species without sesquiterpenes. Given its various functions, resin represents a highly important resource for stingless bees which directly affects their chemical ecology, defensive properties and inter-specific communication. It remains to be investigated how the bees influence the resin-derived terpene profiles on their body surface and in their nests, particularly how they manage to exclude entire groups of terpenes. Whether bees actually need a high diversity of different resin sources and therefore tree species to maintain the homeostasis of their colonies or whether they would do equally well with a limited amount of resin sources available, should also be addressed in future studies. Answers to this question will directly impair bee and forest management in (sub)tropical regions.

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.

Für die Honigbiene spielt der Geruchssinn eine entscheidende Rolle bei der Kommunikation innerhalb des Sozialstaates. Kastenspezifische, auf uweltbedingten Einflüssen basierende sowie altersbedingte Unterschiede im olfaktorisch gesteuerten Verhalten liefern ein hervorragendes Modellsystem für diese Studie, um die Entwicklung und Funktion neuronaler Plastizität im olfaktorischen System zu untersuchen. Diese Studie konzentriert sich auf Unterschiede zwischen Königinnen und Arbeiterinnen, den beiden weiblichen Kasten innerhalb des Bienestaates, sowie auf umweltbedingte Plastizität. Diploide Eier, aus denen sich Königinnen und Arbeiterinnen entwickeln, sind genetisch identisch. Dennoch entwickeln sich Königinnen wesentlich schneller zum Adulttier als Arbeiterinnen, sind als Imago größer, leben wesentlich länger und zeigen andere Verhaltensweisen. Diese Unterschiede werden durch eine differentielle larvale Fütterung initiiert. Im Anschluss an das Larvenstadium und somit nach erfolgter Kastendetermination, entwickeln sich die Bienen über eine Puppenphase (verdeckelte Phase) zum Imago. Adulte Bienen klimatisieren das zentrale Brutareal auf einer mittleren Temperatur von 35°C konstant. Bienen, die bei niedrigeren Temperaturen innerhalb des physiologisch relevanten Bereichs aufwachsen, weisen Defizite im olfaktorischen Lernverhalten und in der Tanzkommunikation auf. Mögliche neuronale Korrelate für altersbedingte, temperatur- und kastenspezifische Unterschiede im olfaktorisch gesteuerten Verhalten sollten in dieser Arbeit betrachtet werden. Die strukturellen Analysen konzentrierten sich dabei auf primäre (Antennalloben) und sekundäre (Pilzkörper-Calyces)olfaktorische Verarbeitungszentren im Gehirn von sich entwickelnden und adulten Tieren beider Kasten. Synchron verdeckelte Brutzellen beider Kasten wurden unter kontrollierten Bedingungen im Inkubator herangezogen. Neuroanatomische Untersuchungen wurden an fixierten Gewebeschnitten mittels einer Doppelfluoreszenzfärbung mit Fluor-Phalloidin und anti-Synapsin Immuncytochemie durchgeführt. Diese Doppelmarkierung ermöglichte die Visualisierung und Quantifizierung individueller Synapsenkomplexe (Microglomeruli) im Pilzkörper-Calyx. Phalloidin bindet an verschiedene F-Aktin Isoformen und kann zum Nachweis von F-Aktin im Insektennervensystem verwendet werden. F-Aktin wird während der Entwicklung in Wachstumskegeln und in adulten Gehirnen in präsynaptischen Endigungen und dendritischen Dornen exprimiert. Präsynaptische Elemente wurden durch den Einsatz eines spezifischen Antikörpers gegen das Drosophila-Vesikeltransportprotein Synapsin I charakterisiert. Mit Hilfe der konfokalen Laser-Scanning Mikroskopie wurde die exakte räumliche Zuordnung der Fluoreszenzsignale anhand optischer Schnitte durch die Präparate realisiert. Anhand dieser Methodik konnten erstmals über reine Volumenanalysen hinausgehende Messungen zur synaptischen Strukturplastizität im Pilzkörper-Calyx durchgeführt werden. Die Untersuchungen an Gehirnen in den verschiedenen Puppenstadien zeigten Unterschiede im Entwicklungsverlauf der Gehirne mit dem Fokus auf die Bildung antennaler Glomeruli und calycaler Microglomeruli. Unterschiede in der Gehirnentwicklung verdeutlichten die ontogenetische Plastizität des Gehirns der Honigbiene. Entsprechend der kürzeren Puppenphase der Königinnen bildeten sich sowohl antennale Glomeruli als auch alle Untereinheiten (Lippe, Collar, Basalring) des Calyx etwa drei Tage früher aus. Direkt nach dem Schlupf zeigten quantitative Analysen innerhalb der Pilzkörper-Calyces eine signifikant geringere Anzahl an Microglomeruli bei Königinnen. Diese neuronale Strukturplastizität auf verschiedenen Ebenen der olfaktorischen Informationsverarbeitung korreliert mit der kastenspezifischen Arbeitsteilung. Die Arbeit liefert Erkenntnisse über den Einfluss eines wichtigen kontrollierten Umweltparameters, der Bruttemperatur, während der Puppenphase auf die synaptische Organisation der adulten Pilzkörper-Calyces. Bereits geringe Unterschiede in der Aufzuchtstemperatur (1°C) beeinflussten signifikant die Anzahl von Microglomeruli in der Lippenregion des Calyx beider weiblicher Kasten. Die maximale Anzahl an MG entwickelte sich bei Arbeiterinnen bei 34.5°C, bei Königinnen aber bei 33.5°C. Neben dieser entwicklungsbedingten neuronalen Plastizität zeigt diese Studie eine starke altersbedingte Strukturplastizität der MG während der relativ langen Lebensdauer von Bienenköniginnen. Hervorzuheben ist, dass die Anzahl an MG in der olfaktorischen Lippenregion mit dem Alter anstieg (~55%), in der angrenzenden visuellen Collarregion jedoch abnahm (~33%). Die in der vorliegenden Arbeite erstmals gezeigte umweltbedingte Entwicklungsplastizität sowie altersbedingte synaptische Strukturplastizität in den sensorischen Eingangsregionen der Pilzkörper-Calyces könnte kasten- und altersspezifischen Anpassungen im Verhalten zugrunde liegen. / Olfaction plays an important role in a variety of behaviors throughout the life of the European honeybee. Caste specific, environmentally induced and aging/experiencedependent differences in olfactory behavior represent a promising model to investigate mechanisms and consequences of phenotypic neuronal plasticity within the olfactory pathway of bees. This study focuses on the two different female phenotypes within the honeybee society, queens and workers. In this study, for the first time, structural plasticity in the honeybee brain was investigated at the synaptic level. Queens develop from fertilized eggs that are genetically not different from those that develop into workers. Adult queens are larger than workers, live much longer, and display different behaviors. Developmental trajectory is mainly determined by nutritional factors during the larval period. Within the subsequent post-capping period, brood incubation is precisely controlled, and pupae are incubated close to 35°C via thermoregulatory activity of adult workers. Behavioral studies suggest that lower rearing temperatures cause deficits in olfactory learning in adult bees. To unravel possible neuronal correlates for thermoregulatory and caste dependent influences on olfactory behavior, I examined structural plasticity of developing as well as mature olfactory synaptic neuropils. Brood cells were reared in incubators and pupal as well as adult brains were dissected for immunofluorescent staining. To label synaptic neuropils, I used an antibody to synapsin and fluophore-conjugated phalloidin which binds to filamentous (F-) actin. During development, neuronal F-actin is expressed in growing neurons, and in the mature nervous system, F-actin is most abundant in presynaptic terminals and dendritic spines. In the adult brains, this double labeling technique enables the quantification of distinct synaptic complexes microglomeruli [MG]) within olfactory and visual input regions of the mushroom bodies (MBs) prominent higher sensory integration centers. Analyses during larval-adult metamorphosis revealed that the ontogenetic plasticity in the female castes is reflected in the development of the brain. Distinct differences among the timing of the formation of primary and secondary olfactory neuropils were also revealed. These differences at different levels of the olfactory pathway in queens and workers correlate with differences in tasks performed by both female castes. In addition to caste specific differences, thermoregulation of sealed brood cells has important consequences on the synaptic organization within the MB calyces of adult workers and queens. Even small differences in rearing temperatures affected the number of MG in the olfactory calyx lip regions. In queens, the highest number of MG in the olfactory lip developed at 1°C below the temperature where the maximum of MG is found in workers (33.5 vs. 34.5°C). Apart from this developmental neuronal plasticity, this study exhibits a striking age-related plasticity of MG throughout the extended life span of queens. Interestingly, MG numbers in the olfactory lip increased with age, but decreased within the adjacent visual collar of the MB calyx. To conclude, developmental and adult plasticity of the synaptic circuitry in the sensory input regions of the MB calyx may underlie caste- and age-specific adaptations and long-term plasticity in behavior.

With the progress in sequencing of the honey bee genome new data become available which allows the search and identification of genes coding for homologous proteins found in other organism. Two genes coding for c-type lysozymes were identified in the genome of A. mellifera through an online-based BLAST search. Expression of both intron-less genes seems not to be under the regulatory control of either of the two pathways involved in humoral insect immunity, i.e. Toll and Imd, since no NF-κB transcription factor binding sites are found upstream of the genes. The encoded Lys-1 and Lys-2 are 157 and 143 amino acid long, respectively, and share a sequence similarity of 90%. Further in silico analysis revealed a signal peptidase cleavage site at the N-terminus of each amino acid sequence, strongly suggesting a secretion of the enzymes into the surrounding environment of the producing cells. Sequence alignments of both amino acid sequences with other c-type lysozymes identified the highly conserved active site glutamic acid (Glu32) as well as eight highly conserved cysteine residues. However, an important aspartic acid (Asp50) in the active site that helps to stabilize a substrate intermediate during catalysis is replaced by a serine residue in the lysozymes of A. mellifera. The replacement of the active site aspartic acid in the honey bee lysozymes suggests a different catalytic mechanism and/or a different substrate-specificity in respect to other c-type lysozymes. Furthermore, 3D-models of Lys-1 and Lys-2 were generated based on the sequence similarity of A. mellifera lysozymes with other c-type lysozymes. The published 3D structure of the lysozyme from the silkmoth Bombyx mori, which shares the highest sequence similarity of all available structures with A. mellifera lysozymes, was used as template for the construction of the 3D-models. The models of Lys-1 and Lys-2 suggest that both enzymes resemble, in large part, the structure of B. mori lysozyme. In order to identify the set of AMPs in the hemolymph of A. mellifera, hemolymph of immunized bees was analyzed. Applying SDS-polyacrylamide gel electrophoresis and mass spectrometry on hemolymph from immunized bees, three out of the four peptides were identified, i.e. abaecin, defensin 1 and hymenoptaecin. Furthermore, Lys-2 was identified in the hemolymph by mass spectrometry, conclusively demonstrating the presence of a lysozyme in the hemolymph of A. mellifera for the first time. However, the protein levels of Lys-2 were not affected by bacterial injection, suggesting that the gene expression of the putative antibacterial protein is not under the regulatory control of the Imd and/or Toll pathway. Besides the abovementioned antimicrobial peptides, the 76 kDa large transferrin was also identified. Transferrin is an iron-binding protein that has been implicated in innate immunity in the honey bee. Furthermore, the effect of pathogenic dose, the timeline of peptide induction and the age-related accumulation of the aforementioned AMPs were studied. The intensity of expression of the antimicrobial peptides, abaecin, defensin 1, and hymenoptaecin as well as transferrin increased proportionally with the amount of bacteria injected into the hemocoel. No such effect was observed for the protein levels of Lys-2. Furthermore, up-regulation of the three antibacterial peptides and transferrin was observed within the first 24 h following infection with E. coli (gram-). Infection with the gram+ bacterium Micrococcus flavus resulted in high and moderate protein levels for transferrin and abaecin, respectively, whereas hardly any accumulation of hymenoptaecin was observed, indicating that the gene expression of abaecin and transferrin is somehow positively correlated, and would suggest a shared regulatory pathway that differs from that of hymenoptaecin. Although bacterial infections didn’t seem to stimulate the production of Lys-2, different concentrations in the hemolymph were observed in bees of different ages, suggesting a correlation between the expression of Lys-2 and the age-related division of labor of adult worker honey bees, also known as age polyethism. The results further allow a proposed causal connection between the age-dependent accumulation of Lys-2 and the hemolymph titer of the gonotrophic hormone juvenile hormone, which is the “behavioral pacemaker” in adult honey bees. / Mit der fortschreitenden Sequenzierung des Bienengenoms werden staendig neue Daten zur Verfuegung gestellt, die eine gezielte Suche und Identifizierung von homologen Protein in der Honigbiene ermoeglichen. Mittels einer web-basierenden BLAST-Suche konnten im Genom zwei Gene identifiziert werden, welche fuer Lysozyme des C-typs kodieren. Genauere Untersuchung der Genloci konnten zeigten, dass beide Geneabschnitte keine Bindestellen fuer Transkriptionsfaktoren der NF-κB-Familie aufweisen, und daher davon auszugehen ist, dass die Lysozyme-Gene nicht unter der Kontrolle der beiden regulatroischen Pathways Toll bzw. Imd, von denen man annimmt, dass sie die humorale Immunantwort regulieren, stehen. Die beiden Gene lyz1 und lyz2 kodieren ein 157 bzw. ein 143 Aminosaeure langes Protein, welche zu 90% sequenzielle Aehnlichkeiten aufweisen. Durch weitere in silico Analyse der Protein konnten an den N-termini Erkennungssignale der Signalpeptidase gefunden werden, welche darauf schliessen lassen, dass beide Lysozyme in die Zellumgebung sezerniert werden. Mittels Sequenzvergleiche beider A. mellifera Lysozyme mit anderen C-typ Lysozymen konnte die hochkonservierte und fuer den katalytische Aktivitaet essentielle Aminosaeure Glutamat 32 (Glu32), sowie acht konservierte Cysteine identifiziert werden. Erstaunlicherweise fehlt das fuer den katalytischen Mechanismus essentielle Aspartat 50 (Asp50), welches fuer die Stabilizierung von Intermediaerprodukten wichtig ist. In A. mellifera Lysozymen ist dieses Aspartat durch ein Serin substituiert, was darauf schliessen laesst, dass die beiden Enzyme einen anderen Mechanism und/oder eine andere Substratspezifitaet aufweissen als dies fuer die C-typ Familie der Fall ist. In diesem Zusammenhang wurde ein evolutionaerer Pathway vorgesschlagen, der eine moegliche Transition von Serin zu Aspartat erklaert. Schliesslich konnten aufgrund der Sequenzhomologien zu anderen C-typ Lysozyme und anhand von bestehende Strukturen, 3D-Strukturmodelle der beiden Lysozyme erstellt werde. Die Modelle haben gezeigt, dass die Struktur der beide Enzyme groessenteils den Strukturen andere C-typ Lysozyme gleicht. Zur Identifiezung vom AMPs in A. mellifera, wurde die Hemoplymphe immunisierte Bienen elektrophoretisch und massenspektrometrisch analysisiert. Die drei AMPs Abaecin, Defensin 1 und Hymenoptaecin konnten dabei verifiziert werden. Darueber hinaus wurde zum ersten Mal das Lys-2 in der Hemolymphe nachgewiessen. Anders als bei den drei Oben erwaehnten AMPs, wurde das Lys-2 jedoch nicht durch bakterielle Infektion induziert. Die konstitutive Expression des Lys-2 laesst darauf schliessen, dass es nicht, wie bereits erwaehnt, unter der Kontrolle der beiden immunspezifischen, regulatorischen Pathways Toll und Imd steht. Zusaetlich zu den AMPs wurde das 76 kDa grosse Transferrin, ein Eisen-bindendes Protein, identifiziert, welches eine Rolle in der angeborenen Immunitaet zugesprochen wird. Anhand der genauen Bestimmung der Peptide wurde desweiteren der Effekt der bakteriellen Dosis, der Zeitverlauf der Induktion und die alterabhaengige Induktion naeher untersucht. Die Intensitaet der Expression der AMPs Abaecin, Defensin 1 und Hymenoptaecin sowie Transferrin nahm proportional mit der Menge an injezierten Bakterien zu. Die Akkumulation von Lys-2 wurde dagegen nicht beeinflusst. Desweiteren konnte eine Hochregulierung der Expressionslevel der drei AMPs und Transferrin, nach erfolgter Infektion mit E. coli, innerhalb der ersten 24 Stunden beobachtet werden. Infektion mit dem gram+ Bakterium Micrococcus flavus resultiert dagegen in hoch bzw. moderate Expression von Transferin und Abaecin, jedoch war kaum ein Anstieg der Expression von Hymenoptaecin zu verzeichnen. Dies laesst daraus schliessen, dass die Expression von Abaecin und Transferrin positiv korreliert sind und spricht fuer einen gemeinsamen regulatorischen Pathway, der sich von dem des Hymenoptaecin unterscheidet. Trotz der Beobachtung, dass die Expression von Lys-2 nicht durch bakterielle Infection induziert wird, konnten unterschiedliche Expressionsmuster in Bienen unterschiedlichen Alters beobachtet werden, welche auf eine Korrelation zwischen der Expression des Lys-2 und der altersabhaengigen Arbeitsteilung adulter Honigbienen, dem sogenennten Alterspolythismus, schliessen lassen. Aufgrund dessen, koennte man einen kausalen Zusammenhang zwischen der alterabhaengigen Akkumulation des Lys-2 und dem Hemolymphtiter des gonotrophen Juvenilhormons, welches fuer die Verhaltensaenderung adulter Bienen verantwortlich ist, sehen.