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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.41.2008.tde-25082008-102643
Document
Author
Full name
Denise Loli
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2008
Supervisor
Committee
Bicudo, Jose Eduardo Pereira Wilken (President)
Berlinck, José Guilherme de Souza Chaui Mattos
Fernandez, Ana Maria Landeira
Gomes, Fernando Ribeiro
Oda, Gisele Akemi
Title in Portuguese
Termorregulação colonial e energética individual em abelhas sem ferrão Melipona quadrifasciata Lepeletier (Hymenoptera, Apidae, Meliponini)
Keywords in Portuguese
Abelhas sem ferrão
Fisiologia comparativa
Hormônio juvenil
Octopamina
Respirometria
Termogênese
Termorregulação
Abstract in Portuguese
Em abelhas eussociais o controle das condições internas do ninho é importante para a sobrevivência da colônia e um dos principais mecanismos para controle da temperatura colonial é a escolha do local de nidificação, como ocos de troncos de árvores, tal qual ocorre nas abelhas sem ferrão Melipona quadrifasciata, sistema biológico deste estudo. Além de mecanismos comportamentais, em Hymenoptera são também conhecidos mecanismos fisiológicos de termorregulação (termogênese) como a ocorrência de ciclos fúteis (descritos para mamangavas Bombus) e o tremor muscular. A termogênese em abelhas ocorre principalmente durante incubação da cria, atividades sociais e aquecimento pré-vôo. As aminas biogênicas desempenham um amplo espectro de funções em abelhas, e é sugerido que o sistema noradrenérgico/adrenérico de vertebrados é funcional e estruturalmente equivalente ao sistema octopaminérgico/tiraminérgico de insetos. O emprego de bloqueador beta-adrenérgico em abelhas pode levar a hipotermia, emergindo a hipótese de que haveria envolvimento de uma via octopaminérgica na energética e termogênese de abelhas. Os três principais aspectos da termorregulação focados neste trabalho são a termorregulação colonial, a energética individual e mecanismos de termogênese. Com relação à termorregulação colonial, o objetivo principal foi descrevê-la em duas regiões do ninho (discos de cria e potes de alimento), por meio de registro de séries temporais de temperatura e umidade relativa, e estudo da atividade externa de vôo. Foi detectada ritmicidade nas séries temporais de colônias abertas, com influência das periodicidades da temperatura ambiente, umidade relativa e luminosidade, sobre as séries temporais registradas dentro da colônia. As séries temporais de atividade de vôo apresentavam periodicidades similares às ambientais, mas também eram relacionadas às da cria. Em colônias fechadas, as séries temporais dos discos de cria apresentavam periodicidades próximas a 24h e 12h, sugerindo aspecto endógeno da regulação de temperatura e umidade próximo à cria. Também, objetivou-se caracterizar o efeito do tipo de iluminação e de diferentes temperaturas. Foram estudados, por meio de respirometria intermitente, os efeitos do ciclo claro/escuro a 28°C (fotoperíodo normal, fotoperíodo invertido, claro e escuro constante) sobre a taxa metabólica (TM), e os efeitos de diferentes temperaturas ambientais (10 a 40°C) sobre a TM e quociente respiratório (QR). Os diferentes ciclos de claro/escuro afetaram a TM, sendo observados, em fotoperíodo normal e claro constante valores de TM baixos entre 19h e 5h. Em fotoperíodo invertido, valores diminuídos foram registrados entre 6h e 18h, sugerindo um ritmo exógeno em resposta a mudanças fotoperiódicas. Entre 7h e 17h59, no claro, ressalta-se que não há diferenças estatisticamente significativas na TM. A temperatura tem um efeito significativo, com valores diminuídos a 35 e 40°C e mais ainda a 10°C. Entre 15 e 30°C não há diferenças significativas. Na terceira parte do trabalho objetivou-se verificar o efeito tempo-dependente de bloqueadores beta-adrenérgicos e octopaminérgicos (Alprenolol e Mianserina) sobre a TM e temperatura torácica de forrageadoras e verificar se a octopamina e methoprene (análogo de hormônio juvenil) compensam os efeitos dos bloqueadores. Também foi analisado se há alterações dos substratos energéticos catabolizados, considerando o QR e a atividade enzimática (Vmax de hexoquinase, trealase, HOAD e glicogênio fosforilase). Com o emprego dos bloqueadores, foram detectadas alterações no QR e na atividade das quatro enzimas. A diminuição da temperatura torácica obtida em forrageadoras tratadas com Alprenolol sugere o envolvimento de vias octopaminérgicas na termogênese em M. quadrifasciata; todavia, não se sabe se tais efeitos são decorrentes de interferências na produção de calor e/ou um subproduto da diminuição da TM. No nível colonial, ninhos tratados com os mesmos bloqueadores parecem apresentar periodicidades de séries temporais mais similares à da umidade relativa do ambiente e menos à da temperatura ambiente, sugerindo menor resposta às variações de temperatura. Os resultados não provam que há mecanismos de termogênese sem tremor muscular em abelhas, envolvendo octopamina e hormônio juvenil, mas indicam um possível envolvimento destas substâncias na taxa metabólica e oxidação de diferentes substratos energéticos. Sob uma visão comparativa, pode-se apontar semelhanças entre efeitos de modificações em vias octopaminérgicas/tiraminérgicas de insetos e noradrenérgicas/tiraminérgicas de vertebrados, quando à energética e termogênese. Os resultados não provam tal afirmação, mas apontam evidências do papel da via octopaminérgica na taxa metabólica e temperatura torácica de forrageadoras.
Title in English
Colonial thermoregulation and energetics in stingless bees Melipona quadrifasciata Lepeletier (Hymenoptera, Apidae, Meliponini).
Keywords in English
Melipona quadrifasciata
Colonial rhythm
Juvenile hormone
Octopamine
Stingless bess
Thermogenesis
Thermoregulation
Abstract in English
In eusocial insects, such as stingless bees, the control of nest conditions and maintenance of the colonial microclimate are important to brood incubation, development of eggs, larvae and pupae, and survival of the colony. One of the main thermoregulatory mechanisms to control nest temperature is the microhabitat selection to build the nest, such as tree holes, characteristic of the stingless bee Melipona quadrifasciata, the biological system chosen for this study. In addition to the behavioral mechanisms involved in thermoregulation, physiological mechanisms underlying thermogenesis are also found in Hymenoptera, such as futile cycles (in bumblebees) and shivering thermogenesis. Thermogenesis in bees is detected mainly during brood incubation, social interactions and pre-flight warming; additional possible physiological mechanisms have not yet been investigated with enough detail. Biogenic amines, especially octopamine, play important physiological roles in bees. Although octopamine and norepinephrine are chemically not identical, it appears that octopaminergic systems of invertebrates and noradrenergic systems of vertebrates are homologous. Oral treatment with beta-blockers can cause hypothermia, leading to the hypothesis that an octopaminergic pathway involved in bee energetics and thermogenesis might exist. The main aspects investigated in the present study are the colonial thermoregulation, the energetics of individual bees, and the mechanisms associated with thermogenesis in M. quadrifasciata. With regards to the colonial thermoregulation, temperature and humidity, time series were recorded inside and outside the nest, in two colonial compartments, i.e., brood and pots. In addition, flight activity was also recorded. Flight activity time series presented similar periodicities in both ambient and brood series. In closed colonies, maintained under constant conditions, the brood time series presented periodicities close to 24h and 12h, suggesting endogenous aspects and rhythm. Another goal of this study was to characterizing the effects of the light-dark cycles and ambient temperatures. This was achieved using intermittent respirometry, and the effects of the light-dark cycles at 28°C (normal photoperiod, inverted photoperiod, constant light and constant dark) on metabolic rate (MR), and the effects of different temperatures (10 40°C) on MR and respiratory quotient (RQ) were measured. The different light-dark cycles affected the MR under normal photoperiod and constant light. Two "platforms," with low MR values were detected between 19h and 5h. When the photoperiod was inverted, lower values were recorded in the dark phase, between 6h and 18h, resulting in an inverted pattern of MR, thus suggesting an exogenous response to photoperiodic changes. Between 7h and 17h59, in the light phase, metabolic rate did not change significantly. The temperature has a significant effect on MR and RQ of the foragers, and reduced values at 10, 35 and 40°C were detected. Between 15 and 30°C no significant differences were detected. In the third part of this work the aim was to verify the time-dependent effects of beta-blockers (Alprenolol and Mianserina) on MR and thoracic temperature of foragers, and to verify whether octopamine and methoprene (analogous to juvenile hormone) compensate the effects of beta-blockers. Alterations of substrates oxidation, considering the RQ and the activity (Vmax) of specific enzymes, such as hexokinase, trehalase, HOAD and glycogen phosphorylase, were also investigated. Treatments with blockers caused alterations in the RQ and in the enzyme activities of hexokinase, HOAD and glycogen phosphorylase. The reduced values of thoracic temperature in foragers treated with Alprenolol suggests the involvement of octopaminergic pathways in thermogenesis; however, it is not yet known if such effects are due to interferences in the heat production and/or represent a by-product of a reduced metabolic rate. At the colonial level, nests treated with blockers presented colonial time series periodicities more similar to the ambient humidity series than to the ambient temperature series, suggesting therefore that the responses to ambient temperature are reduced. These results do not prove that mechanisms of nonshivering thermogenesis are present in bees, involving both octopamin and juvenile hormone, but they can indicate possible involvements of these substances in metabolic rate, energetics and fuel utilization. Under a comparative approach, one can suggest similarities between the effects caused by modifications in the noradrenergic and octopaminergic pathways on the energetics and thermogenesis of M. quadrifasciata. The results, however, do not prove such hypothesis, but they suggest an octopaminergic influence on both metabolic rate and thoracic temperature of M. quadrifasciata foragers.
 
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Publishing Date
2008-09-24
 
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