Untersuchungen zur Funktion komplexer Lippenmuster der Sexualtäuschorchidee Ophrys heldreichii durch Lernversuche mit der Honigbiene

Sexualtäuschorchideen bieten ihren Bestäubern keine Belohnung sondern imitieren olfaktorische, visuelle und taktile Signale paarungsbereiter Weibchen, um potentielle Bestäubermännchen, hauptsächlich Hymenopteren, anzulocken. Bei der sogenannten Pseudokopulation, dem Versuch der Männchen mit der Blüte zu kopulieren, werden die Pollinien am Thorax oder Abdomen des Männchens angeheftet, sodass es bei Besuch einer weiteren Blüte zur Bestäubung kommt. Nahezu alle Arten der mediterranen Orchideengattung Ophrys betreiben sexuelle Täuschung. Während die meisten ein eher unauffälliges, einheitlich gefärbtes Labellum besitzen, zeigen die Blüten der Arten der Ophrys-holoserica-oestrifera-Gruppe, welche vor allem von Langhornbienen der Gattung Eucera und Tetralonia bestäubt werden, auffällige, sehr variable Muster. Diese Zeichnungen auf den Labella sind vermutlich nicht, wie lange angenommen, Imitationen weiblicher Signale, sondern dienen möglicherweise als Lernerleichterung für die Bestäuber, um ein Wiederkehren und damit eine Selbstbestäubung der Pflanzen zu verhindern. Hierfür müssten die Bienen jedoch in der Lage sein mit ihrem geringen räumlichen Auflösungsvermögen die kleinen und sehr komplexen Muster zu erkennen und zu differenzieren. Um herauszufinden, ob Blüten gleicher Pflanzen einander tatsächlich ähnlicher sind als jene verschiedener Pflanzen, wie es bisher angenommen wurde, wurden die Ähnlichkeiten der Muster auf den Labella von Ophrys heldreichii quantifiziert. Weiters wurden Verhaltensversuche mit Honigbienen durchgeführt, welche durch differentielle Konditionierung trainiert wurden zwischen unterschiedlichen Labellumzeichnungen zu unterscheiden. Dabei wurde untersucht, ob Muster verschiedener Pflanzenindividuen besser gelernt werden können als Muster desselben Blütenstandes und bis zu welchem Abstand zur Blüte die Tiere die Muster noch erkennen können. Die Quantifizierung der Ähnlichkeiten ergab zwischen den Mustern derselben Pflanze tatsächlich eine größere Übereinstimmung des Überlappungsgrades und des Schwarz-Weiß-Verhältnisses als zwischen jenen verschiedener Pflanzen. Die Verhaltensversuche zeigten, dass die Bienen in der Lage waren die variablen Blütenzeichnungen von Ophrys heldreichii zu erkennen und zu unterscheiden. Während Muster unterschiedlicher Pflanzen schnell gelernt und differenziert wurden, konnten die Tiere auch nach langem Training (bis zu 140 Entscheidungen) die Muster desselben Blütenstandes nicht, oder nur kaum, voneinander unterscheiden. Um die gelernten Bilder wiederzuerkennen mussten die Bienen sehr nah an die Stimuli heranfliegen, was darauf hindeuten könnte, dass sie hierfür die Strategie des „template-matchings“ anwandten. Diese Ergebnisse stützen die Hypothese, dass die variablen Muster auf den Blüten der Arten der Ophrys-holoserica-oestrifera-Gruppe der Lernerleichterung der Bestäuber dienen, um ein Wiederkehren dieser zu vermeiden und so das Risiko einer Selbstbestäubung zu reduzieren.Sexual deceptive orchids offer no reward for their pollinators; instead they mimic olfactory, visual and tactile signals of receptive females to attract males, mainly hymenopterans. During the so-called pseudocopulation, when a male attempts to copulate with the flower, the pollinia are transferred to its body, so that pollination can occur during a further visit on the next flower. Almost all species of the Mediterranean orchid genus Ophrys are sexual deceptive. While most species show an inconspicuous, uniform colored Labellum, members of the Ophrys-holoserica-oestrifera-group, which are pollinated primarily by long-horned bees of the genus Eucera and Tetralonia, possess conspicuous, variable patterns. These patterns are probably no imitations of female signals, as long assumed; instead they may have been involved to achieve pollinator’s learning. The patterns can prevent their return and so minimize the plant’s risk of self-pollination. However, this would require that bees, with their low visual spatial resolution, are able to detect and differentiate among the small and complex patterns. To determine if blossoms of the same plant are actually more similar than those of various plants, as was previously assumed, the similarities of the patterns of Ophrys heldreichii were quantified. Furthermore, various behavior experiments with honeybees were carried out. The bees were trained with differential conditioning to distinguish between labellum patterns. The study investigated whether pattern of different plants can be discriminated better than pattern of the same inflorescence and what is the minimum visual angle at which bees are able to recognize the stimuli. The quantification of the pattern similarity show that patterns of the same plant are indeed more similar to each other, than those of various plants, regarding to the degree of pattern overlap or the black-white-ratio. The results of the behavior experiments show, that bees are able to perceive and discriminate the different patterns of Ophrys heldreichii. While patterns of different plants could be quickly learned and differentiated, the bees were not, or just barely, able to discriminate between patterns of the same inflorescence, even after a long training period (up to 140 decisions). To recognize the learned images, the animals had to fly close to the stimuli which suggest, that they used a ‘template-matching’ strategy to solve the tasks. These results support the hypothesis that the variable pattern of the species of the Ophrys-holoserica-oestrifera group are used to increase the pollinators learning-efficiency in order to avoid a return to the same plant, and thus reduce the risk of self-pollination

Duration of approach, copulation and post-copulation scanning behavior of <i>Eucera berlandi</i> males on an <i>Ophrys heldreichii</i> flower.

<p>Boxes represent inter-quartile range with median values, whiskers represent the 5 and 95 percentiles.</p

Fast Fourier Transform (FFT) of stimuli used in the honeybee experiments.

<p>Whereas the two types of crosses (A) differ widely in their FFT, the <i>Ophrys</i> pattern of same inflorescences (B) as well as those from different plants (C) show high similarity in their FFTs.</p

Degree of similarity among patterns from three <i>O</i>. <i>heldreichii</i> populations.

<p>Each box consists of 15 comparisons of randomly chosen flowers of the same (dark grey) or from different inflorescences (light grey). Four different features were compared: (A) pattern overlap, (B) pattern symmetry, (C) relative pattern surface area, and (D) contour density. Boxes represent inter-quartile range with median values. Stars indicate statistical differences after Bonferroni correction (***, p<0.00025; **, p<0.0025; *, p<0.0125; n.s., not significant).</p

Scanning behavior of <i>Eucera berlandi</i> males after pseudocopulation on an <i>Ophrys heldreichii</i> flower (N = 10 flights).

<p>(A) Relative scanning duration at various distances from the flower. (B) Angular deviation of the bees’ longitudinal body axis and the straight line between bee and orchid flower. (C) Bee position during a scanning flight in one representative trial in top view (sequence length 100 seconds). Colors represent the probability of presence in each 5x5mm pixel. The asterisk marks the position of the flower. Error bars show the standard deviation from the mean in (A) and (B).</p