• Energy Research

Abstract Background Global warming is expected to impact the chemical communication between flowering plants and their pollinators. Surprisingly, it is unknown whether and how temperature-induced changes in scent emission affect pollinator behavior. Strawberry (Fragaria x ananassa) is a plant primarily pollinated by bees and hoverflies, with the former group being particularly attracted to the floral scent they emit. Results Using chemical analytical, electrophysiological, and behavioral approaches we tested whether temperature-induced shifts in floral scent of strawberry affect chemical communication with its main bee pollinators (Apis mellifera, Bombus terrestris, Osmia bicornis). While strawberry flowers in the optimum scenario released 10.4 ng/flower/hour, mainly p-anisaldehyde (81%) and seven other scent compounds, in the warmer scenario, the flowers did not emit any detectable scent. In the behavioral experiments, the pollinators were attracted by the scents of the optimum scenario. Conclusions We predict that the absence of detectable scent emissions from strawberry plants grown under heat stress will reduce the attractiveness of the flowers to the bee pollinators. Our study raises important ecological and agricultural questions, as decreased attractiveness of flowers to pollinators might potentially lead to insufficient bee pollination, with potential negative consequences for ecosystem functioning and crop yields, particularly in regions reliant on bees as primary pollinators. Given that our study centered on bee pollinators, it is needed to conduct further research to evaluate the impact on hoverflies.

La pollinisation animale peut avoir un impact sur la sécurité alimentaire car de nombreuses cultures dépendent des pollinisateurs pour produire des fruits et des graines. Cependant, les effets du changement climatique projeté sur les pollinisateurs de cultures et donc sur la production végétale ne sont pas encore clairs, en particulier pour les pollinisateurs sauvages et les réponses communautaires globales. À l'aide de la modélisation de la répartition des espèces, nous avons évalué les effets du changement climatique sur la répartition géographique de 95 espèces de pollinisateurs de 13 cultures brésiliennes, et nous avons estimé leurs impacts relatifs sur la production végétale. Nous avons décrit ces effets au niveau de la municipalité, et nous avons évalué les cultures qui ont été cultivées, le volume de production brute de ces cultures, la valeur totale de la production végétale et le nombre d'habitants. Dans l'ensemble, en tenant compte de toutes les espèces cultivées, nous avons constaté que le changement climatique prévu réduira la probabilité d'occurrence des pollinisateurs de près de 0,13 d'ici 2050. Nos modèles prédisent que près de 90 % des municipalités analysées seront confrontées à la perte d'espèces. Les diminutions de la probabilité d'occurrence des pollinisateurs ont varié de 0,08 (kaki) à 0,25 (tomate) et affecteront potentiellement 9 % (mandarine) à 100 % (tournesol) des municipalités qui produisent chaque culture. Les municipalités du centre et du sud du Brésil seront potentiellement confrontées à des impacts relativement importants sur la production agricole en raison de la perte de pollinisateurs. En revanche, certaines municipalités du nord du Brésil, en particulier dans le nord-ouest de l'Amazonie, pourraient potentiellement bénéficier du changement climatique car les pollinisateurs de certaines cultures pourraient augmenter. La baisse de la probabilité d'occurrence des pollinisateurs se trouve dans un grand nombre de municipalités ayant le PIB le plus faible et affectera également probablement certains endroits où la production agricole est élevée (20 % à 90 % du PIB) et où le nombre d'habitants est également élevé (plus de 6 millions de personnes). Notre étude met en évidence les municipalités clés où les cultures sont économiquement importantes et où les pollinisateurs seront potentiellement confrontés aux pires conditions en raison du changement climatique. Cependant, les pollinisateurs peuvent être en mesure de trouver de nouvelles zones appropriées qui ont le potentiel d'améliorer la production végétale. Les résultats présentés ici pourraient guider les décisions politiques en matière d'adaptation au changement climatique et de prévention de la perte d'espèces pollinisatrices et de production végétale. La polinización animal puede afectar a la seguridad alimentaria, ya que muchos cultivos dependen de los polinizadores para producir frutos y semillas. Sin embargo, los efectos del cambio climático proyectado en los polinizadores de cultivos y, por lo tanto, en la producción de cultivos aún no están claros, especialmente para los polinizadores silvestres y las respuestas agregadas de la comunidad. Utilizando modelos de distribución de especies, evaluamos los efectos del cambio climático en la distribución geográfica de 95 especies polinizadoras de 13 cultivos brasileños, y estimamos sus impactos relativos en la producción de cultivos. Describimos estos efectos a nivel de municipio, y evaluamos los cultivos que se cultivaron, el volumen de producción bruta de estos cultivos, el valor total de la producción de cultivos y el número de habitantes. En general, considerando todas las especies de cultivos, encontramos que el cambio climático proyectado reducirá la probabilidad de ocurrencia de polinizadores en casi 0.13 para 2050. Nuestros modelos predicen que casi el 90% de los municipios analizados se enfrentarán a la pérdida de especies. Las disminuciones en la probabilidad de ocurrencia de polinizadores variaron de 0.08 (caqui) a 0.25 (tomate) y potencialmente afectarán del 9% (mandarina) al 100% (girasol) de los municipios que producen cada cultivo. Los municipios del centro y sur de Brasil potencialmente enfrentarán impactos relativamente grandes en la producción de cultivos debido a la pérdida de polinizadores. Por el contrario, algunos municipios del norte de Brasil, particularmente en el noroeste de la Amazonía, podrían beneficiarse del cambio climático porque los polinizadores de algunos cultivos pueden aumentar. La disminución en la probabilidad de ocurrencia de polinizadores se encuentra en un gran número de municipios con el PIB más bajo y también es probable que afecte a algunos lugares donde la producción de cultivos es alta (20% a 90% del PIB) y donde el número de habitantes también es alto (más de 6 millones de personas). Nuestro estudio destaca los municipios clave donde los cultivos son económicamente importantes y donde los polinizadores enfrentarán potencialmente las peores condiciones debido al cambio climático. Sin embargo, los polinizadores pueden ser capaces de encontrar nuevas áreas adecuadas que tienen el potencial de mejorar la producción de cultivos. Los resultados que se muestran aquí podrían guiar las decisiones políticas para adaptarse al cambio climático y para prevenir la pérdida de especies polinizadoras y la producción de cultivos. Animal pollination can impact food security since many crops depend on pollinators to produce fruits and seeds. However, the effects of projected climate change on crop pollinators and therefore on crop production are still unclear, especially for wild pollinators and aggregate community responses. Using species distributional modeling, we assessed the effects of climate change on the geographic distribution of 95 pollinator species of 13 Brazilian crops, and we estimated their relative impacts on crop production. We described these effects at the municipality level, and we assessed the crops that were grown, the gross production volume of these crops, the total crop production value, and the number of inhabitants. Overall, considering all crop species, we found that the projected climate change will reduce the probability of pollinator occurrence by almost 0.13 by 2050. Our models predict that almost 90% of the municipalities analyzed will face species loss. Decreases in the pollinator occurrence probability varied from 0.08 (persimmon) to 0.25 (tomato) and will potentially affect 9% (mandarin) to 100% (sunflower) of the municipalities that produce each crop. Municipalities in central and southern Brazil will potentially face relatively large impacts on crop production due to pollinator loss. In contrast, some municipalities in northern Brazil, particularly in the northwestern Amazon, could potentially benefit from climate change because pollinators of some crops may increase. The decline in the probability of pollinator occurrence is found in a large number of municipalities with the lowest GDP and will also likely affect some places where crop production is high (20% to 90% of the GDP) and where the number of inhabitants is also high (more than 6 million people). Our study highlights key municipalities where crops are economically important and where pollinators will potentially face the worst conditions due to climate change. However, pollinators may be able to find new suitable areas that have the potential to improve crop production. The results shown here could guide policy decisions for adapting to climate change and for preventing the loss of pollinator species and crop production. يمكن أن يؤثر التلقيح الحيواني على الأمن الغذائي لأن العديد من المحاصيل تعتمد على الملقحات لإنتاج الفواكه والبذور. ومع ذلك، فإن آثار تغير المناخ المتوقع على ملقحات المحاصيل وبالتالي على إنتاج المحاصيل لا تزال غير واضحة، خاصة بالنسبة للملقحات البرية والاستجابات المجتمعية الكلية. باستخدام النمذجة التوزيعية للأنواع، قمنا بتقييم آثار تغير المناخ على التوزيع الجغرافي لـ 95 نوعًا من الملقحات لـ 13 محصولًا برازيليًا، وقمنا بتقدير آثارها النسبية على إنتاج المحاصيل. وصفنا هذه الآثار على مستوى البلدية، وقمنا بتقييم المحاصيل التي تمت زراعتها، وحجم الإنتاج الإجمالي لهذه المحاصيل، والقيمة الإجمالية لإنتاج المحاصيل، وعدد السكان. بشكل عام، بالنظر إلى جميع أنواع المحاصيل، وجدنا أن التغير المناخي المتوقع سيقلل من احتمال حدوث الملقحات بنحو 0.13 بحلول عام 2050. تتنبأ نماذجنا بأن ما يقرب من 90 ٪ من البلديات التي تم تحليلها ستواجه فقدان الأنواع. تراوح الانخفاض في احتمال حدوث الملقحات من 0.08 (البرسيمون) إلى 0.25 (الطماطم) ومن المحتمل أن يؤثر على 9 ٪ (الماندرين) إلى 100 ٪ (عباد الشمس) من البلديات التي تنتج كل محصول. من المحتمل أن تواجه البلديات في وسط وجنوب البرازيل تأثيرات كبيرة نسبيًا على إنتاج المحاصيل بسبب فقدان الملقحات. وعلى النقيض من ذلك، يمكن لبعض البلديات في شمال البرازيل، ولا سيما في شمال غرب الأمازون، أن تستفيد من تغير المناخ لأن الملقحات لبعض المحاصيل قد تزيد. تم العثور على انخفاض في احتمال حدوث الملقحات في عدد كبير من البلديات ذات أدنى ناتج محلي إجمالي ومن المحتمل أيضًا أن يؤثر على بعض الأماكن التي يكون فيها إنتاج المحاصيل مرتفعًا (20 ٪ إلى 90 ٪ من الناتج المحلي الإجمالي) وحيث يكون عدد السكان مرتفعًا أيضًا (أكثر من 6 ملايين شخص). تسلط دراستنا الضوء على البلديات الرئيسية حيث المحاصيل مهمة اقتصاديًا وحيث من المحتمل أن تواجه الملقحات أسوأ الظروف بسبب تغير المناخ. ومع ذلك، قد تتمكن الملقحات من العثور على مناطق مناسبة جديدة لديها القدرة على تحسين إنتاج المحاصيل. يمكن للنتائج الموضحة هنا أن توجه قرارات السياسة للتكيف مع تغير المناخ ومنع فقدان أنواع الملقحات وإنتاج المحاصيل.

Many wild plants and crops are pollinated by insects, which often use floral scents to locate their host plants. The production and emission of floral scents are temperature-dependent; however, little is known about how global warming affects scent emissions and the attraction of pollinators. We used a combination of chemical analytical and electrophysiological approaches to quantify the influence of a global warming scenario (+5 °C in this century) on the floral scent emissions of two important crop species, i.e., buckwheat (Fagopyrum esculentum) and oilseed rape (Brassica napus), and to test whether compounds that are potentially different between the treatments can be detected by their bee pollinators (Apis mellifera and Bombus terrestris). We found that only buckwheat was affected by increased temperatures. Independent of temperature, the scent of oilseed rape was dominated by p-anisaldehyde and linalool, with no differences in relative scent composition and the total amount of scent. Buckwheat emitted 2.4 ng of scent per flower and hour at optimal temperatures, dominated by 2- and 3-methylbutanoic acid (46%) and linalool (10%), and at warmer temperatures threefold less scent (0.7 ng/flower/hour), with increased contributions of 2- and 3-methylbutanoic acid (73%) to the total scent and linalool and other compounds being absent. The antennae of the pollinators responded to various buckwheat floral scent compounds, among them compounds that disappeared at increased temperatures or were affected in their (relative) amounts. Our results highlight that increased temperatures differentially affect floral scent emissions of crop plants and that, in buckwheat, the temperature-induced changes in floral scent emissions affect the olfactory perception of the flowers by bees. Future studies should test whether these differences in olfactory perception translate into different attractiveness of buckwheat flowers to bees.