Identification of diploid male bumblebees using microsatellites and geometric morphometrics

Abstract

Bumblebees, a pollinator, are haplodiploid with single-locus complementary sex determination (sl-CSD) and as a consequence can give rise to diploid males. Diploid males have previously been found to be associated with high costs and multiple severe effects. Mostly studied on Bombus terrestris, a common species, the frequency of diploid males have been suggested as a measure of inbreeding and therefore an effective tool in the monitoring of bumblebee populations. In this study, I have tested the common method of microsatellite analysis and the newer one of geometric morphometrics on two wild bumblebee species of concern, B. muscorum and B. sylvarum, from connected to isolated locations to detect diploid males. Three diploid males of B. muscorum were found in an isolated location, while one diploid male of B. sylvarum was found in a connected location through the aid of microsatellite analysis. Due to the few diploid males found the geometric morphometrics could not be tested as expected. Workers and haploid males of B. muscorum were compared instead, finding a difference in both wing shape and size. Microsatellite analysis was a promising tool for finding diploid males in the species here studied and probably would be for closely related species as well. Geometric morphometrics, while promising, calls for larger samples to be thoroughly evaluated. Among the studied locations the production of diploid males were in general concentrated to one isolated location, where inbreeding probably is occuring. The other locations seems, as of now, to be in a good condition in terms of their genetic variation.

Popular Abstract (Swedish)

Vägen till helvetet är kantad av defekta humlor

Pollination är avgörande både för grödor och vilda växter, men de senaste decennierna har antalet pollinatörer minskat, särskilt de viktiga humlorna. Humlor får avkomma på ett sätt som gör dem särskilt känsliga för inavel. Jag har prövat två metoder för att upptäcka inavel i två humlearter, mosshumla (Bombus muscorum) och haghumla (Bombus sylvarum), i olika populationer, med lovande resultat för humlors bevarande.

Syftet var att testa en beprövad metod av genetiska analyser och en relativt ny metod av geometriska analyser av vingen för att identifiera defekta hanar hos humlor i isolerade och oisolerade populationer. Den geometriska metoden, som är snabb och billig, kan förhoppningsvis vara ett alternativ till den långsammare och dyrare genetiska metoden.

Varför uppstår defekta hanar? Tänk dig en påse med olikfärgade kulor där varje färg är en genvariant. En humledrottning, som har en röd och en blå kula, parar sig med en hane som har en blå. Drottningen bestämmer vilka ägg som ska få en kula från både henne och hanen eller bara en kula från henne. Får ägget en kula, blå eller röd, utvecklas det till en hane och får ägget en röd och en blå utvecklas det till en hona. Skulle ägget få två blå kulor blir det en defekt hane. Varje population har en påse med kulor och sannolikheten att ett ägg får två likadana kulor beror på variationen och mängden av kulor i påsen. Är variationen och mängden stor, som i en oisolerad population, är sannolikheten låg och är variationen och mängden liten, som i en isolerad population, är sannolikheten hög. Hittar man defekta hanar tyder det på att populationen har få kulor med liknande färg, med andra ord den är inavlad.

I två av tio populationer hittade jag med den genetiska analysen defekta hanar, tre mosshumlor i Kvismaren och en haghumla på Revingehed. Metoden var konsekvent vid upprepade tester. Trots att den är tidskrävande och dyr visade den sig tillförlitlig, i linje med tidigare studier. Kvismaren är en plats, både geografiskt och från tidigare studier genetiskt, isolerad från de andra populationerna. Sammantaget pekar det på att mosshumlorna i Kvismaren är, eller på väg att bli, inavlade. Inaveln kan på sikt leda till att populationen dör ut. Revingehed däremot har en population som är oisolerad både geografiskt och, från tidigare studier, genetiskt. Den ensamma defekta hanen räcker inte för att tyda hur populationen mår eller var den är på väg. Kanske är hanen en slump, precis som sannolikheten att plocka samma kula två gånger är mindre men ändå händer då och då när påsen innehåller många färger av kulor.

De fyra defekta hanarna räckte inte för att utföra den geometriska analysen som tänkt genom att jämföra defekta med vanliga hanar, vilka i tidigare studier skiljt sig åt i form och storlek. Istället jämfördes vanliga hanar med honor av mosshumla och där observerade jag en liten skillnad både i form och i storlek på vingen. Den lilla skillnaden gör det svårare att med säkerhet särskilja humlorna, något som skulle kunna hjälpas av en större datamängd. En utmaning för en annars snabb och billig metod.

Var är vi på väg?
Den geometriska metoden kräver fler undersökningar för att utröna dess effektivitet medan den genetiska metoden förhoppningsvis kan användas för andra populationer och närbesläktade arter som ett säkert verktyg för att bedöma hälsan hos humlepopulationer. Det underlaget kan i sin tur vägleda naturvårdsinsatser för att bevara humlorna och säkra pollinationen för våra grödor och vilda växter. Genom att studera påsens färgade kulor kan vi nå en djupare förståelse för humlornas genetik samt få kunskaper om populationernas tillstånd vilket blir av allt större vikt i takt med de ökade utmaningarna som klimatförändringarna ställer på både naturen och samhället.

Masterexamensprojekt i zooekologi 30 hp 2023
Biologiska institutionen, Lunds universitet

Handledare: Bengt Hansson och Simon Jacobsen Ellerstrand
Handledarnas institution: Biologiska institutionen

• author: Holmberg, Isak
• supervisor: Bengt Hansson; Simon Jacobsen Ellerstrand
• organization: Degree Projects in Biology
• course: BIOM02 20222
• year: 2023
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Biology and Life Sciences
• language: English
• id: 9113465
• date added to LUP: 2023-04-14 11:46:21
• date last changed: 2023-04-14 11:46:21