[論文レビュー] Disease dynamics of Honeybees with Varroa destructor as parasite and virus vector

Yun Kang, Krystal Blanco+3 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2015

Insect and Pesticide Research参考文献 47被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、寄生性ミツバチダニ（バーロアデクターラ）の相互作用、5つの異なるウイルス伝播経路、およびミツバチ群れにおけるアレル効果を組み込んだ包括的なミツバチ-ダニ-ウイルス数学的モデルを開発した。主な発見は、成人ミツバチ対幼虫比が低いとシステムが不安定化し、集団崩壊症候群（CCD）に類似した崩壊を引き起こす可能性がある一方で、ウイルス感染はダニの圧力下でもシステムを逆に安定化させる可能性があることである。

ABSTRACT

We propose a honeybee-mite-virus model that incorporates (1) parasitic interactions between honeybees and the Varroa mites; (2) five virus transmission terms between honeybees and mites at different stages of Varroa mites: from honeybees to honeybees, from adult honeybees to phoretic mites, from honeybee brood to reproductive mites, from reproductive mites to honeybee brood, and from honeybees to phoretic mites; and (3) Allee effects in the honeybee population generated by its internal organization such as division of labor. We provide completed local and global analysis for the full system and its subsystems. Our analytical and numerical results allow us have a better understanding of the synergistic effects of parasitism and virus infections on honeybee population dynamics and its persistence. Interesting findings from our work include: (a) Due to Allee effects experienced by the honeybee population, initial conditions are essential for the survival of the colony. (b) Low adult honeybee to brood ratios have destabilizing effects on the system, generate fluctuated dynamics, and potentially lead to a \emph{catastrophic event} where both honeybees and mites suddenly become extinct. This catastrophic event could be potentially linked to Colony Collapse Disorder (CCD) of honeybee colonies. (c) Virus infections may have stabilizing effects on the system, and could make disease more persistent in the presence of parasitic mites. Our model illustrates how the synergy between the parasitic mites and virus infections consequently generates rich dynamics including multiple attractors where all species can coexist or go extinct depending on initial conditions. Our findings may provide important insights on honeybee diseases and parasites and how to best control them.

研究の動機と目的

• バーロアダニとウイルス感染がミツバチ個体群動態および存続に与える相乗効果を理解すること。
• ミツバチ群れにおけるアレル効果（分業制による駆動）が、群れの生存可能性と絶滅リスクに与える影響を調査すること。
• ミツバチとバーロアダニの異なる発生段階における5つの異なるウイルス伝播経路をモデル化すること。
• ミツバチ-ダニ-ウイルスシステムにおける共存、絶滅、またはカオス的ダイナミクスが生じる条件を分析すること。
• システムの不安定性と集団崩壊症候群（CCD）との潜在的関連性を検討すること。

提案手法

• 感受性および感染性ミツバチ（Sh, Ih）、感受性および感染性ダニ（Sm, Im）をモデル化する4次元常微分方程式系を構築した。
• ミツバチ同士、成虫ミツバチから寄生的ダニ、幼虫から成熟ダニ、成熟ダニから幼虫、ミツバチから寄生的ダニへのウイルス伝播の5つの伝播項を組み込んだ。
• 群れの組織と分業制を反映する非線形機能反応を通じて、ミツバチ個体群におけるアレル効果を導入した。
• 局所的およびグローバル安定性解析を完全に実施し、部分系および内部均衡点の解析も行った。
• 平均リャプノフ理論および比較定理を用いて、存続および絶滅の閾値を評価した。
• 数値シミュレーションを用いて、初期条件の変動に伴うマルチスタビリティ、共存、および災害的絶滅事象を探索した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミツバチ群れにおけるアレル効果は、ダニおよびウイルス圧下での長期的生存可能性と絶滅リスクにどのように影響するか？
• RQ2 ミツバチの成人ミツバチ対幼虫比が、ミツバチ-ダニ-ウイルスシステムの不安定化および突然の共絶滅を引き起こす要因として果たす役割は何か？
• RQ3 寄生的ダニの感染にかかわらず、ウイルス感染がシステムを安定化させ得るか。また、そのような条件下で病原体の持続性がどのように向上するか？
• RQ4 どのパrameter領域で、共存または相互絶滅を含む複数のアトラクタが現れるか？
• RQ5 本モデルのダイナミクスが、集団崩壊症候群（CCD）で観察された突然で説明不能な群れの崩壊をどの程度説明できるか？

主な発見

• アレル効果のため、初期のミツバチ群れのサイズと構成が生存に極めて重要であり、小規模または構造が不十分な群れは高い絶滅リスクを有する。
• 低成人-幼虫比はシステムを不安定化させ、フラクチュエートするダイナミクスを引き起こし、ミツバチおよびダニの災害的共絶滅の可能性を高める。
• 本モデルは、集団崩壊症候群（CCD）の潜在的メカニズムを同定した：徐々に減少するのではなく、不安定な初期条件によって引き起こされる突然のシステム崩壊。
• ウイルス感染は、ダニによる絶滅の可能性を低下させることで、システムを安定化させる可能性があり、ミツバチの健康におけるウイルスの複雑で非単調な役割を示唆している。
• システムはマルチスタビリティを示し、共存または相互絶滅の結果は初期条件に強く依存するため、早期介入の重要性が浮き彫りになる。
• 内部均衡点は、伝播率、死滅率、およびアレル効果の強度に関連する特定のパrameter制約下でのみ存在するため、持続可能な共存のための狭い範囲が存在することが示された。