Original article

Clinal nature of the frequencies of ovarioles and spermathecae in Cape worker honeybees, Apis mellifera capensis^*

Nature clinale de la fréquence des ovarioles et des spermathèques observée chez les ouvrières de l’abeille du Cap, Apis mellifera capensis

Klinale Veränderung der Häufigkeiten von Ovariolen und Spermatheken bei Arbeiterinnen der Kaphonigbiene, Apis mellifera capensis

¹ Ratchaburi Campus, King Mongkut’s University of Technology Thonburi, Bangkok, 10140, Thailand
² Bee Research Group, Department of Zoology and Entomology, University of Pretoria, Pretoria 0002, South Africa
³ Department of Statistics, Rhodes University, Grahamstown 6140, South Africa
⁴ Department of Zoology and Entomology, Rhodes University, Grahamstown 6140, South Africa

Corresponding author: S.E. Radloff, s.radloff@ru.ac.za

Received: 29 January 2009
Revised: 29 April 2009
Accepted: 22 May 2009

Abstract

It was determined that 300 Cape workers, Apis mellifera capensis (collected from each of 6 colonies at each of 5 localities about 200 km apart along an 800 km transect in the Western and Eastern Cape Provinces, South Africa) was the sample size required to statistically estimate the proportions of workers with spermathecae at each location at 95% confidence levels. Because of the extremely clinal nature of this honeybee population, we tested the hypotheses that (1) ovarian number and development of the spermatheca covary in Cape workers, and (2) covary clinally as well. A regression analysis revealed that the frequencies of bees with spermathecae significantly decreased from west to east, with Stellenbosch having the highest and Grahamstown the lowest frequencies. Spermatheca size also significantly decreased from west to east. A multiple regression analysis revealed that the number of ovarioles significantly decreased from west to east and also differed significantly between workers with and without a spermatheca. Moreover, the number of ovarioles was significantly correlated with the size of the spermatheca and workers without it had significantly fewer ovarioles. Both hypotheses are confirmed. The outcomes of these measurements will provide a more quantitative basis for estimates of effective social parasitism among these bees along a geographic continuum.

Zusammenfassung

Um bei der Kaphonigbiene, Apis mellifera capensis, eine Einschätzung des Anteils der Arbeiterinnen mit Spermatheken mit einer statistischen Sicherheit von 95 % zu erreichen wurde festgestellt, dass ein Probenumfang von 300 Arbeiterinnen benötigt wird. Proben dieser Größe wurden in Südafrika entlang eines 800 km langen Transects durch die westliche und östliche Kapprovinz an 5 je 200 km voneinander entfernten Orten von jeweils 6 Bienenvölkern pro Sammelort gesammelt. Ausgehend von der extrem klinalen Natur dieser Bienenpopulation prüften wir die Hypothesen dass (1) die Zahl der Ovarien mit der Entwicklung der Spermatheka kovariiert, und dass (2) diese Kovarianz klinal ausgeprägt ist. Die Bienen wurden präpariert, um die Häufigkeit und Größe der Spermatheken sowie die Zahl der Ovariolen bei Arbeiterinnen mit bzw. ohne Spermatheka festzustellen. Ausgehend von den beobachteten Häufigkeiten war der mindestens benötigte Probenumfang zur Bestimmung des Anteils von Arbeiterinnen mit Spermatheka mit einer Irrtumswahrscheinlichkeit von 5 % sehr variabel und für die verschiedenen Orte wie folgt: Stellenbosch N_min = 238, Heidelberg N_min = 111, George N_min = 55, Jeffereys Bay N_min = 77, und Grahamstown N_min = 6. Die mindestens benötigte Probengröße zur Bestimmung der tatsächlichen Anzahl der Ovariolen bei Arbeiterinnen mit bzw. ohne Spermatheka mit einer Irrtumswahrscheinlichkeit von 5 % lag zwischen 134 und 297.

Die natürliche geographische Verteilung beeinflusst die Häufigkeit und Größe der Spermatheken und die Anzahl der Ovariolen bei Arbeiterinnen der Kapbiene. Die Unterschiede in der Häufigkeiten von Spermatheken zwischen den verschiedenen Orten waren signifikant (Kruskal-Wallis ANOVA: H(4, N = 30) = 9,7, P = 0,0460, Tab. I). Mittels einer Regressionsanalyse wurde festgestellt, dass die Häufigkeit von Bienen mit Spermatheka von West nach Ost signifikant abnahm, wobei in Stellenbosch die größte und in Grahamstown die niedrigste Häufigkeit gefunden wurde (F_1,28, P < 0,0051). Der Mann-Whitney post-hoc Vergleich bestätigte, dass die prozentuale Häufigkeit von Spermatheken zwischen diesen beiden Orten signifikant verschieden war (U = 2,5, P < 0,0113). Ebenso nahm die Größe der Spermatheken von West nach Ost signifikant ab (F_4,652, P < 0,0001, Tab. I).

Die Unterschiede in der mittleren Anzahl von Ovariolen zwischen den Orten (ANOVA: F_4,1456, P < 0,0001) und zwischen Arbeiterinnen mit und ohne Spermatheka (ANOVA: F_1,1456, P < 0,0399, Abb. 2) waren signifikant. Es wurde kein signifikanter Interaktionseffekt zwischen den Orten und dem Vorhandensein bzw. Fehlen von Spermatheken gefunden (ANOVA: F_4,1456, P = 0,2152). Eine multiple Regressionsanalyse zeigte, dass die Anzahl der Ovariolen von West nach Ost signifikant abnahm und sich bei Arbeiterinnen mit und ohne Spermatheka signifikant unterschied (Multiple Regressionsanalyse: F_2,1473, P < 0,0001; West nach Ost, ß₁ = −0,176, t₁₄₇₃, P < 0,0001, Spermatheka vorhanden bzw. fehlt, ß₂ = 0,206, t₁₄₇₃, P < 0,0001). Darüber hinaus war die Anzahl der Ovariolen signifikant mit der Größe der Spermatheka korreliert (Korrelation: r = 0,22, P < 0,01, N = 606). Somit gibt es eine Reihe von Korrelationen für die Verstärkung von reproduktiven Organen bei Arbeiterinnen, hin zu einem Status, der mehr einer Königin entspricht. Dies geschieht in einer vollständig klinalen Weise und nimmt von West nach Ost ab. Diese beobachteten klinalen Änderungen lassen daher den Schluss auf eine ähnliche klinale Abnahme der Häufigkeiten dieser Gene in lokalen Populationen über Raum und Zeit zu.