[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究构建了一个综合性的蜜蜂-螨虫-病毒数学模型，整合了寄生性螨虫（微孢子虫）的相互作用、五种不同的病毒传播途径，以及蜜蜂蜂群中的阿列效应。主要发现为：低成年蜂与幼虫比例会破坏系统稳定性，可能引发类似蜂群崩溃失调（CCD）的灾难性共灭绝；而病毒的感染在螨虫压力下反而可能起到稳定系统的作用。

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.

研究动机与目标

• 理解瓦螨（Varroa destructor）与病毒性感染对蜜蜂种群动态及持续性影响的协同效应。
• 研究由劳动分工驱动的蜜蜂蜂群中的阿列效应如何影响蜂群的生存与灭绝风险。
• 对蜜蜂与瓦螨在不同生命阶段之间的五种不同病毒传播途径进行建模。
• 分析蜜蜂-螨虫-病毒系统中共同存在、灭绝或混沌动态发生的条件。
• 探讨系统不稳定性与蜂群崩溃失调（CCD）之间潜在的关联。

提出的方法

• 构建一个四维常微分方程组，模拟易感与感染的蜜蜂（Sh, Ih）以及易感与感染的螨虫（Sm, Im）。
• 引入五项传播项：蜂对蜂传播、成年蜂对寄生性螨虫传播、幼虫对繁殖性螨虫传播、繁殖性螨虫对幼虫传播，以及蜂对寄生性螨虫的病毒传播。
• 通过非线性功能响应引入蜜蜂种群中的阿列效应，反映蜂群组织结构与劳动分工。
• 进行完整的局部与全局稳定性分析，包括子系统与内部平衡点的分析。
• 应用平均李雅普诺夫理论与比较定理，评估种群持续性与灭绝的临界阈值。
• 通过数值模拟探索在不同初始条件下系统的多稳定性、共存状态及灾难性灭绝事件。

实验结果

研究问题

• RQ1 蜜蜂蜂群中的阿列效应如何在螨虫与病毒压力下影响其长期生存与灭绝风险？
• RQ2 成年蜂与幼虫的比例在何种程度上会破坏蜜蜂-螨虫-病毒系统的稳定性，并可能触发突然的共灭绝？
• RQ3 尽管存在寄生性螨虫感染，病毒的感染是否能稳定系统？在何种条件下它们会增强疾病持续存在？
• RQ4 在何种参数范围内，系统表现出多重吸引子，包括共存或相互灭绝？
• RQ5 该模型的动力学在多大程度上可以解释蜂群崩溃失调（CCD）中观察到的突然且无法解释的蜂群崩溃？

主要发现

• 由于阿列效应，初始蜜蜂蜂群的大小与结构对生存至关重要——规模小或结构不良的蜂群面临极高的灭绝风险。
• 低成年蜂与幼虫比例会破坏系统稳定性，引发波动性动态，并增加蜜蜂与螨虫灾难性共灭绝的可能性。
• 该模型识别出蜂群崩溃失调（CCD）的潜在机制：系统因初始条件的不稳定性而突然崩溃，而非逐步衰退。
• 病毒的感染可通过降低螨虫驱动灭绝的可能性来稳定系统，表明病毒在蜂群健康中具有复杂且非单调的作用。
• 系统表现出多稳定性，共存或相互灭绝的结果在很大程度上取决于初始条件，凸显了早期干预的重要性。
• 内部平衡点仅在涉及传播率、死亡率与阿列效应强度的特定参数约束下存在，表明可持续共存的窗口极为狭窄。