气味介导的昆虫行为检测风洞

风洞是昆虫化学生态学研究中的一个重要工具, 它可以通过实验室测试昆虫对符号化学物质的飞行反应。通过向受控的气流中释放气味, 可以通过研究昆虫逆风向源头的飞行, 直接监测昆虫对这些刺激的行为反应。嗅觉是许多昆虫与其生物环境相互作用的最重要的感觉机制¹。昆虫利用气味暗示来寻找合适的伴侣交配。同样, 他们使用来自寄主资源的气味花束为自己或后代寻找食物。植物释放花气味结合花蜜和花粉奖励, 以确保昆虫授粉效率。所有这些不稳定的线索被动地扩散到环境中, 昆虫需要识别和解释它们的个体相关性。当挥发物被释放到环境中时, 分子作为细丝随风移动, 在顺风的远距离保持最初的浓度, 最终被分解并被湍流和扩散^{稀释 2}。昆虫可以检测到挥发性信号的微小变化, 并将它们的运动逆风引导到源头。昆虫在接触到有吸引力的气味时, 会表现出快速的逆风浪涌, 并在损失上侧投, 以重新定位气味^{羽流 3,4}。昆虫触角感光器中嗅觉神经元的共同局部排列, 可以促进对羽流接触的发生和丢失的行为反应, 具有显著的高分辨率⁵ , 并使昆虫能够区分相似的6. 产生于不同来源的气味^.在飞行过程中的视觉反馈, 称为光眼轴, 是识别风向、物体和相对位移^2,7的基础。通过使用感官互动和复杂的行为, 昆虫可以在三维环境中定位点源。

昆虫吸引剂和驱蚊剂的鉴定可以有几个重要的应用方面。许多害虫的性信息素 (种内信号) 可以合成并释放到空气中, 破坏交配行为⁸。信息素和凯罗蒙 (种间信号) 都可用于大规模捕获、吸引和杀死监测陷阱, 以提供害虫状况的直接信息。驱虫药, 如蚊子⁹, 也可以在风洞生物检测中进行研究。这些方法在农民虫害综合防治和决策支持系统中发挥着重要作用。

风洞生物检测, 其中气味介导的物种的行为曲目可以监测, 是一个强有力的方法, 以确定潜在的新的工具, 虫害控制, 以取代或减少农药使用的影响。

对风洞设计背后的理论推理进行了详细的描述。在这里, 我们描述了风洞的建设, 气味的应用和飞行行为已被用于几个实验, 以确定风洞生物测定方案。nibio (挪威) 的风洞 (图 1) 是由耐划伤的透明聚碳酸酯建造的。飞行竞技场高67厘米, 宽88厘米, 长200厘米。在飞行竞技场前, 有一个额外的聚碳酸酯部分, 长30厘米。风洞的这一部分是气味应用的实用部分。如果挥发物与飞行舞台上的聚碳酸酯外壳接触, 它们可能会在以后被重新释放并在两次飞行之间污染。因此, 在公用部分的每一端都有一个穿孔的金属网格。这两个网格都限制了气流, 并在逆风侧造成轻微的超压。这导致顺风侧的层流增加。逆风网格由一个穿孔的金属板制成, 8 毫米孔均匀地分布在隧道的横截面上, 以提供54% 的开放区域。顺风电网有3毫米的孔和51% 的开放区域。这减少了湍流, 并确保气味羽流沿着飞行竞技场的长度集中移动。气味羽流将有一个狭窄的锥的形状, 并可以通过使用烟雾可视化。在飞行竞技场的地板上, 设置了不同大小 (直径从5厘米到15厘米) 的塑料或纸圈, 让昆虫在飞行过程中得到视觉反馈。在飞行竞技场的逆风端和公用事业区有一个 2 5 元乘 5 0 厘米的进入门。在飞行竞技场的顺风端和排气过滤段之间, 有一个60厘米的昆虫处理开放区域。这个进入区域覆盖在两侧, 有0.8 毫米的网状织物, 以防止昆虫逃入房间。

空气由风扇吸入第一个过滤器外壳。空气通过灰尘过滤器, 然后通过24个大容量活性木炭过滤器进行净化, 并在隧道中释放。离开隧道的空气通过类似的过滤器外壳, 然后被释放回房间。这可能是有益的排气到建筑物的外部通过通风罩。两个滤清器外壳上的风扇以相同的流量运行。两个风扇都有一个连续的调光开关, 并使用流量计校准到不同的风速。空气速度取决于被测试的物种。30厘米^s-1通常是一个很好的起点。对于小昆虫, 理想的空气速度可能会降低, 对于强传单, 空速可以更高, 以增加相对飞行距离。

风洞室便于控制温度、湿度和光强。led 条被放置在一个3毫米不透明的聚 (甲基丙烯酸甲酯) 窗格后面, 以创建一个漫射光源的上方和飞行舞台后面。这两种光源都可以独立控制。

气味应用可以通过多种方式实现。一般来说, 气味会释放到飞行竞技场逆风端的中心的气流中。根据手头的研究问题, 释放点可以暴露或覆盖。在顺风侧带有金属网 (2×2 mm 网格大小) 的玻璃圆筒 (直径10厘米, 长12.5 厘米) 可以直观地阻挡气味源, 同时作为昆虫的着陆平台。在许多实验中, 水平玻璃平台可用于显示气味源, 或接近释放点的视觉信号。也有机会同时释放两个气味, 并排, 以方便选择检测。然后释放点被放置在20厘米之间, 气味羽流从隧道的中间重叠。然后可以确定昆虫逆风跟随羽流的选择。

风洞设计方便了众多挥发性释放方法。例如, 特定的气味可以在背景气味之前释放, 例如作物 11^{、12 发出}的气味。另外, 不同的视觉刺激可以测试 13^,14。实验设置必须适应每个物种和研究问题。

天然气味源, 如植物部件和来自分配器的合成气味, 可以直接引入飞行领域。为了将气味介导的行为与视觉隔离, 可以覆盖气味源, 或通过木炭过滤的实验室空气供应从外部携带到飞行舞台上的挥发物。气味来源然后被限制在一个玻璃瓶, 空气被推入风洞通过特氟龙管和玻璃管。释放点的空速应与竞技场上的风速相匹配。

要在特定的混合比下释放气味, 可以使用喷雾器。喷雾器是一种带有锥形尖端和插入微孔的超声波喷嘴, 以促进液体在 10μl min^-1处的流动。喷嘴连接到宽带超声波发生器, 工作方式为 120 khz。注射器泵正在将异味样品推入喷雾器喷嘴。内径 0.12 mm 的氟化乙烯丙烯 (fep) 管连接1毫升气密注射器和喷嘴。在乙醇中膨胀并在空气中收缩的管式适配器, 便于紧密配合, 无需内部体积。由喷嘴振动产生的气溶胶液滴大小取决于频率, 并且取决于所使用的特定溶剂。小液滴蒸发, 并作为挥发物被带下风洞。其他喷雾器的设计也存在, 使用压电驱动的玻璃毛细管的更便宜的版本提供了类似的解决方案¹⁵。

合成混音或顶空系列可与喷雾器一起使用。样品用纯乙醇稀释至所需浓度。使用挥发性集合, 可以稀释样品以对应于收集时间。这意味着采样超过3小时的挥发性集合应稀释到 1800μl, 在 10μl min^-1时从喷雾器释放的速率对应于3小时。

飞行行为的识别可以直接通过人工观察或事后视频分析来完成。定向飞行应区别于随机飞行。气味介导的行为可以通过以下特征来识别: 锯齿形飞行穿过气味羽流, 在羽流内的时候直冲逆风飞行, 如果与羽流失去接触, 则回滚。失去一个有吸引力的羽流后, 昆虫也可以开始曲折与增加拱门, 重新连接到丢失的羽流^3,4。这种行为是在野外环境中的根本, 在这种环境中, 遵循吸引人气味的昆虫需要应对动荡和风向的变化。飞行模式不均匀, 并在昆虫的订单不同。例如, 与飞蛾相比, 吹风机等强传单的逆风方向更快, 铸造模式更宽, 应提高风速, 以促进更长的相对飞行路径。

昆虫的飞行也可以拍摄。使用单个摄像机, 可以通过绘制 x y 坐标¹⁶来描述简单的飞行特性。通过使用两个具有同步帧捕获的摄像机, 可以使用外部软件¹⁷重建3d 飞行。然后可以对飞行轨道进行分析, 以提供飞行速度和距离、与风向有关的飞行角度以及与气味羽流有关的飞行特征的细节。有定制和商业设备和软件可用, 使自动帧的框架跟踪。校准帧应用于参考真实世界空间, 并应用直线广角镜头将镜头失真降至最低。应注意减少视觉背景噪音, 如风洞竞技场的边缘和角落, 并最大限度地区分昆虫的背景。通过使用红外光源, 可以用单色 ccd 摄像机17拍摄反射 (例如, 来自夜间蚊子).