Classical olfactory conditioning promotes long-term memory and improves odor-cued flight orientation in the South American native bumblebee Bombus pauloensis

Classical olfactory conditioning promotes long term memory and improves odor-cued flight orientation in the South American native bumblebee Bombus pauloensisFil: Nery, Denise. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias; ArgentinaFil: Palottini, Florencia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias; ArgentinaFil: Farina, Walter Marcelo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias; Argentin

The main component of an alarm pheromone of kissing bugs plays multiple roles in the cognitive modulation of the escape response

Innate responses in animals can be modulated by experience. Disturbed adults of the triatomine bug Triatoma infestans release an alarm pheromone (AP) that elicits an escape response in conspecific larvae. The main component of this AP, the isobutyric acid (IsoAc), alone has already shown to generate an escape response in this species. However, not much is known about the modulation of this behavior by non-associative and associative cognitive processes. We present here evidences of the cognitive capacities of T. infestans larvae in an escape context under different conditioning paradigms, including IsoAc in different roles. We show that: (1) the duration of a pre-exposure to IsoAc plays a main role in determining the type of non-associative learning expressed: short time pre-exposures elicit a sensitization while a longer pre-exposure time triggers a switch from repellence to attractiveness; (2) a simple pre-exposure event is enough to modulate the escape response of larvae to the AP and to its main component: IsoAc; (3) IsoAc and the AP are perceived as different chemical entities; (4) an association between IsoAc and an aversive stimulus can be created under a classical conditioning paradigm; (5) an association between IsoAc and a self-action can be generated under an operant conditioning. These results evince that IsoAc can attain multiple and different cognitive roles in the modulation of the escape response of triatomines and show how cognitive processes can modulate a key behavior for surviving, as it is the escaping response in presence of a potential danger in insects.Fil: Minoli, Sebastian Antonio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Biodiversidad y Biología Experimental y Aplicada. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Biodiversidad y Biología Experimental y Aplicada; ArgentinaFil: Palottini, Florencia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Biodiversidad y Biología Experimental y Aplicada. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Biodiversidad y Biología Experimental y Aplicada; ArgentinaFil: Manrique, Gabriel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Biodiversidad y Biología Experimental y Aplicada. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Biodiversidad y Biología Experimental y Aplicada; Argentin

Combined secondary compounds naturally found in nectars enhance honeybee cognition and survival

The alkaloid caffeine and the amino acid arginine are present as secondary compounds in nectars of some flower species visited by pollinators. Each of these compounds affects honeybee appetitive behaviours by improving foraging activity and learning. While caffeine potentiates responses of mushroom body neurons involved in honeybee learning processes, arginine acts as precursor of nitric oxide, enhancing the protein synthesis involved in memory formation. Despite existing evidence on how these compounds affect honeybee cognitive ability individually, their combined effect on this is still unknown. We evaluated acquisition and memory retention in a classical olfactory conditioning procedure, in which the reward (sucrose solution) contained traces of caffeine, arginine or a mixture of the two. The results indicate that the presence of the single compounds and their most concentrated mixture increases bees' learning performance. However, memory retention, measured in the short and long term, increases significantly only in those treatments offering combinations of the two compounds in the reward. Additionally, the most concentrated mixture triggers a significant survival rate in the conditioned bees. Thus, some nectar compounds, when combined, show synergistic effects on cognitive ability and survival in an insect.Fil: Marchi, Ignacio Luis. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias; ArgentinaFil: Palottini, Florencia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias; ArgentinaFil: Farina, Walter Marcelo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias; Argentin

Learning of a mimic odor combined with nectar nonsugar compounds enhances honeybee pollination of a commercial crop

The increasing demand on pollination services leads food industry to consider new strategies for management of pollinators to improve their efficiency in agroecosystems. Recently, it was demonstrated that feeding beehives food scented with an odorant mixture mimicking the floral scent of a crop (sunflower mimic, SM) enhanced foraging activity and improved recruitment to the target inflorescences, which led to higher density of bees on the crop and significantly increased yields. Besides, the oral administration of nonsugar compounds (NSC) naturally found in nectars (caffeine and arginine) improved short and long-term olfactory memory retention in conditioned bees under laboratory conditions. To test the effect of offering of SM-scented food supplemented with NSC on honeybees pollinating sunflower for hybrid seed production, in a commercial plantation we fed colonies SM-scented food (control), and SM-scented food supplemented with either caffeine, arginine, or a mixture of both, in field realistic concentrations. Their foraging activity was assessed at the hive and on the crop up to 90 h after treatment, and sunflower yield was estimated prior to harvest. Our field results show that SM + Mix-treated colonies exhibited the highest incoming rates and densities on the crop. Additionally, overall seed mass was significantly higher by 20% on inflorescences close to these colonies than control colonies. Such results suggest that combined NSC potentiate olfactory learning of a mimic floral odor inside the hive, promoting faster colony-level foraging responses and increasing crop production.Fil: Estravis Barcala, Maria Cecilia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias; ArgentinaFil: Palottini, Florencia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias; ArgentinaFil: Farina, Walter Marcelo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias; Argentin

Honey bee and native solitary bee foraging behavior in a crop with dimorphic parental lines

Insect pollination is issential for hybrid seed production systems, among which, introduced and native bees are the primary pollinating agents transferring pollen from male fertile (MF) to male sterile (MS) lines. On a highly dimorphic sunflower (Helianthus annuus) crop, we assessed the foraging behavior of solitary Melissodes bees and honey bees Apis mellifera. We found that Melissodes spp. were dominant in and showed fidelity to MF plants, gathering sunflower pollen efficiently throughout the day. In contrast, honey bees dominated on MS lines, mostly gathered nectar and exhibited high floral constancy, even after interacting with a second visitor. Also, honey bees carried sunflower pollen on their bodies while visiting MS inflorescences. This study highlights the need for a thorough understanding of the factors involved in a pollinator-dependent agroecosystem crop to assess the contribution of native bees on pollination of crops which offer resources spatially separated in two highly dimorphic parental lines.Fil: Estravis Barcala, Maria Cecilia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias; ArgentinaFil: Palottini, Florencia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias; ArgentinaFil: Farina, Walter Marcelo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias; Argentin

Odor Learning and Its Experience-Dependent Modulation in the South American Native Bumblebee Bombus atratus (Hymenoptera: Apidae)

Learning about olfactory stimuli is essential in bumblebees' life since it is involved in orientation, recognition of nest sites, foraging efficiency and food yield for the colony as a whole. To evaluate associative learning abilities in bees under controlled environmental conditions, the proboscis extension response (PER) assay is a well-established method used in honey bees, stingless bees and successfully adapted to bumblebees of the genus Bombus. However, studies on the learning capacity of Bombus atratus (Hymenoptera: Apidae), one of the most abundant native species in South America, are non-existent. In this study, we examined the cognitive abilities of worker bees of this species, carrying out an olfactory PER conditioning experiment. Bumblebees were able to learn a pure odor when it was presented in paired association with sugared reward, but not when odor and reward were presented in an unpaired manner. Furthermore, if the bees were preexposed to the conditioned odor, the results differed depending on the presence of the scent either as a volatile in the rearing environment or diluted in the food. A decrement in learning performance results from the non-reinforced pre-exposure to the to-be-conditioned odor, showing a latent inhibition phenomenon. However, if the conditioned odor has been previously offered diluted in sugared reward, the food odor acts as a stimulus that improves the learning performance during PER conditioning. The native bumblebee B. atratus is thus a new hymenopteran species capable of being trained under controlled experimental conditions. Since it is an insect increasingly reared for pollination service, this knowledge could be useful in its management in crops.Fil: Palottini, Florencia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Biodiversidad y Biología Experimental; ArgentinaFil: Estravis Barcala, Maria Cecilia. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Biodiversidad y Biología Experimental; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias; ArgentinaFil: Farina, Walter Marcelo. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Biodiversidad y Biología Experimental; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias; Argentin

Targeted crop pollination by training honey bees: advances and perspectives

As pollinator-dependent crops continue to expand globally, management strategies are needed to meet the current demand for pollination services. Improving the efficiency of pollinators depends on knowledge about crop plant biology as well as pollinator behavior. In this sense, we will review the scope and challenges of implementing a targeted pollination strategy based on the behavioral individual and social plasticity of the honey bee Apis mellifera. Here we summarize current knowledge on the bees´ ability to perceive, learn and generalize floral odors, the bias of their foraging preferences after in-hive experiences and the transfer of food source information within the social context of the colony, all aspects that impact on foraging decisions and can be used to direct pollinators to target crops. We focused on describing how key olfactory cues that mimic crop floral scents are acquired in the hive and propagate among colony mates to guide foraging to specific crops. Knowledge gaps, including volatiles variability between flowers of the same or different crop varieties, alternative managed pollinators, and potential impact on food industry are discussed.Fil: Farina, Walter Marcelo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Biodiversidad y Biología Experimental. Laboratorio del Grupo de Estudio de Insectos Sociales; ArgentinaFil: Arenas, Andres. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Biodiversidad y Biología Experimental. Laboratorio del Grupo de Estudio de Insectos Sociales; ArgentinaFil: Estravis Barcala, Maria Cecilia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Biodiversidad y Biología Experimental. Laboratorio del Grupo de Estudio de Insectos Sociales; ArgentinaFil: Palottini, Florencia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Biodiversidad y Biología Experimental. Laboratorio del Grupo de Estudio de Insectos Sociales; Argentin

Managed honeybees and South American bumblebees exhibit complementary foraging patterns in highbush blueberry

Despite Apis mellifera being the most widely managed pollinator to enhance crop production, they are not the most suitable species for highbush blueberries, which possess restrictive floral morphology and require buzz-pollination. Thus, the South American bumblebee Bombus pauloensis is increasingly managed as an alternative species in this crop alongside honeybees. Herein, we evaluated the foraging patterns of the two species, concerning the potential pollen transfer between two blueberry co-blooming cultivars grown under open high tunnels during two seasons considering different colony densities. Both managed pollinators showed different foraging patterns, influenced by the cultivar identity which varied in their floral morphology and nectar production. Our results demonstrate that both species are efficient foragers on highbush blueberry and further suggest that they contribute positively to its pollination in complementary ways: while bumblebees were more effective at the individual level (visited more flowers and carried more pollen), the greater densities of honeybee foragers overcame the difficulties imposed by the flower morphology, irrespective of the stocking rate. This study supports the addition of managed native bumblebees alongside honeybees to enhance pollination services and emphasizes the importance of examining behavioural aspects to optimize management practices in pollinator-dependent crops.Instituto de Ingeniería RuralFil: Estravis-Barcala, María Cecilia. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Biodiversidad y Biología Experimental; ArgentinaFil: Estravis-Barcala, María Cecilia. CONICET-Universidad de Buenos Aires. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias (IFIBYNE); ArgentinaFil: Macri, Ivana. CONICET-Universidad de Buenos. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias; ArgentinaFil: Macri, Ivana. Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria (INTA). Instituto de Ingeniería Rural; ArgentinaFil: Nery, Denise. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Biodiversidad y Biología Experimental; ArgentinaFil: Nery, Denise. CONICET-Universidad de Buenos Aires. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias (IFIBYNE); ArgentinaFil: Farina, Walter M. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Biodiversidad y Biología Experimental; ArgentinaFil: Farina, Walter M. CONICET-Universidad de Buenos Aires. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias (IFIBYNE); ArgentinaFil: Palottini, Florencia. CONICET-Universidad de Buenos Aires. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias (IFIBYNE); ArgentinaFil: Palottini, Florencia. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Biodiversidad y Biología Experimental; Argentin

Alarm pheromone of Triatoma infestans (Hemiptera: Reduviidae). Chemical and behavioral aspects

El objetivo general de esta Tesis fue analizar la feromona de alarma de la vinchuca Triatoma infestans y la respuesta de escape asociada. El estudio se realizó a través deexperimentos comportamentales de olfatometría complementados con técnicas dequímica analítica (e.g. SPME y GC-MS). Adicionalmente, se estudiaron procesoscognitivos asociados a la respuesta de escape. Hasta el presente, no se ha descripto enestadios larvales de Triatominae la presencia de glándulas exocrinas que típicamentese encuentran en estadios inmaduros de Heteroptera con funciones de alarma odefensa. Sin embargo, en nuestros experimentos encontramos una clara respuesta deescape de larvas de 4° estadio enfrentadas a olores provenientes de larvas del 5°estadio mecánicamente perturbadas; y una tendencia similar frente a olores de larvasdel 3er y 4º estadio perturbadas. Al analizar químicamente estos olores, se identificó uncompuesto volátil sugerido como, o parte de, una feromona de alarma emitida porestadios inmaduros de T. infestans (Capítulo1). En adultos, el componente principal dela feromona de alarma, el ácido isobutírico, es liberado por las glándulas de Brindley. Se analizó la dinámica de llenado de estas glándulas, a partir de la cuantificación de lamasa de dicho compuesto en insectos con distintos estados de desarrollo y condicionesde ayuno y perturbación. El contenido de ácido isobutírico en glándulas llenas deadultos sin perturbar (1 equivalente a adulto= 1EA) fue de 11,36 μg. Este contenidofue alcanzado gradualmente desde la ecdisis del imago hasta el endurecimiento de sucutícula. Luego, fue disminuyendo gradualmente al aumentar el número deperturbaciones, siendo posible la recuperación de dicho contenido luego de unaalimentación. Esta dependencia de la alimentación también se evidenció con laausencia de la respuesta de escape de larvas frente a volátiles emitidos por adultosperturbados ayunados (Capítulo 2). Con el fin de determinar qué compuestos volátilesde la feromona de alarma resultan activos, se analizó la respuesta de escape de larvasfrente a distintas dosis de volátiles individuales. Se encontró que las larvas fueronrepelidas por ácido isobutírico, ácido butírico, ácido acético y 2-metil-1-butanol. Frente a distintas mezclas de estos compuestos activos, se observaron respuestas derepelencia o de atracción (Capítulo 3). Finalmente, se analizó la plasticidadcomportamental controlada por la experiencia previa en T. infestans, bajo un contextode escape mediado por la feromona de alarma. Se pusieron a prueba distintas formasde aprendizaje, incluyendo protocolos asociativos y no asociativos, condicionamientosclásicos y operantes, y en todos los casos se obtuvo en mayor o menor grado algúntipo de modulación cognitiva en la respuesta de escape de las larvas frente al ácidoisobutírico (Capítulo 4).The general aim of this Thesis was to analyze the alarm pheromone of the kissing bug Triatoma infestans and the associated escape response. The study was carried outthrough behavioural experiments of olfactometry complemented by analyticalchemistry techniques (e.g. SPME and GC-MS). In addition, we studied cognitiveprocesses associated to the escape response. Until now, the presence of exocrineglands typically found on immature stages of Heteroptera with alarm or defencefunctions, has not been described in the larval stages of Triatominae. However, in ourexperiments we found a clear escape response of 4th instar larvae against odourscoming from mechanically disturbed 5th instar larvae, and a similar trend againstodours from disturbed 3rd and 4th instar larvae. A volatile suggested as, or part of, thealarm pheromone released by T. infestans larvae was identified by chemical analyses (Chapter 1). In adults, the main component of the alarm pheromone, the isobutyricacid, is released by the Brindley’s glands. We analyzed the filling dynamics of theseglands by quantifying this compound in insects with different states of developmentand conditions of starvation and disturbance. The isobutyric acid content in full glandsof undisturbed adults (1 adult equivalent= 1AE) was 11.36 μg per adult. This contentwas achieved gradually from the imaginal ecdysis up to the hardening of the cuticle. Then, it decreased gradually with the number of disturbance events, and fullyrecovered after feeding. This feeding dependence was also evidenced with the absenceof escape response by the larvae when they were submitted to volatiles emitted bystarved disturbed adults (Chapter 2). In order to determine which volatile compoundsof the alarm pheromone are active, we analyzed the escape response of larvae exposedto individual compounds at different doses. We found that larvae were repelled byisobutyric acid, butyric acid, acetic acid and 2-methyl-1-butanol. When tested againstdifferent mixtures of these active compounds, we observed both attraction andrejection responses (Chapter 3). Finally, we analyzed the behavioural plasticity of theescape response of larvae as determined by previous exposure to the alarm pheromone. Different forms of learning were tested, including associative and non-associativeprotocols, classic and operant conditioning, and in all cases there was at least somedegree of cognitive modulation in the escape response of larvae exposed to isobutyricacid (Chapter 4).Fil: Palottini, Florencia. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina