Een eenvoudige Flight Mill voor de studie van Tethered Flight in Insecten
Summary
Flight in insects is influenced by a number of factors and the propensity to disperse is an important variable in understanding insect ecology and biological control strategies. We describe the construction and use of a simple, relatively inexpensive, and flexible flight mill for measuring parameters of tethered flight in insects.
Abstract
Flight in insects can be long-range migratory flights, intermediate-range dispersal flights, or short-range host-seeking flights. Previous studies have shown that flight mills are valuable tools for the experimental study of insect flight behavior, allowing researchers to examine how factors such as age, host plants, or population source can influence an insects’ propensity to disperse. Flight mills allow researchers to measure components of flight such as speed and distance flown. Lack of detailed information about how to build such a device can make their construction appear to be prohibitively complex. We present a simple and relatively inexpensive flight mill for the study of tethered flight in insects. Experimental insects can be tethered with non-toxic adhesives and revolve around an axis by means of a very low friction magnetic bearing. The mill is designed for the study of flight in controlled conditions as it can be used inside an incubator or environmental chamber. The strongest points are the very simple electronic circuitry, the design that allows sixteen insects to fly simultaneously allowing the collection and analysis of a large number of samples in a short time and the potential to use the device in a very limited workspace. This design is extremely flexible, and we have adjusted the mill to accommodate different species of insects of various sizes.
Introduction
Verschillende laboratoriumtechnieken ontwikkeld voor de studie van insecten vluchtgedrag 1,2. Deze variëren van eenvoudige statische tethering 3,4 tot geavanceerde apparaten die meer bewegingsvrijheid voor de tethered insect 5 toestaan. Tot op heden vlucht kamers 6-9 vertegenwoordigen de apparaten, zodat het hoogste niveau van de vrijheid van de vlucht in gecontroleerde omstandigheden. Deze techniek heeft twee belangrijke nadelen: het is moeilijk te gebruiken voor de studie van grote insecten en de handmatige procedure van gegevensverzameling is tijdrovend.
Vlucht molens vormen een van de meest voorkomende en betaalbare technieken voor de studie van insecten vliegen onder laboratoriumomstandigheden 10-12. Deze techniek is beter om statische tethering, want het biedt bewegende stimuli 13, maar het verschilt van een vrije vlucht gedragsmatige respons 14-16. Sommige aspecten van het gedrag van de vlucht op de molen en in het wild zijn similar 5,17 dus, ondanks een aantal beperkingen, vlucht molens vormen een haalbare optie is om vragen over het optreden van bepaalde vlucht gedrag reacties te onderzoeken, zoals het geval van trekkende soort vlucht. Ook vlucht molens zijn makkelijker te realiseren dan windtunnels en vlucht kamers en het verzamelen van gegevens kunnen eenvoudig worden geautomatiseerd. Zo onderzoekers geïnteresseerd in het vlieggedrag vinden vaak dat de vlucht molens zijn de beste keuze, maar moet zich bewust zijn van de mogelijke beperkingen van de methode. Hier is een flexibele en aanpasbare vlucht molen ontwerp gepresenteerd voor onderzoekers die hebben gekozen om de vlucht molens te gebruiken om vlieggedrag te onderzoeken.
Verschillende auteurs beschrijven alternatieve vlucht molen ontwerpen. In het algemeen het grootste deel van de vlucht freessysteem, dat wil zeggen de scharnierende arm molen, is vrij eenvoudig te realiseren. Minder eenvoudig is het elektronische gedeelte van de vlucht freessysteem, waarbij de registratie van de gegevens mogelijk maakt. Omgaan met electronic circuits ontwerp kan een uitdaging zijn, vooral voor de entomoloog of gedragsproblemen ecoloog ontbreekt in de achtergrond kennis van elektronica. Sommige auteurs beschrijven een ingewikkelde of verouderd elektronisch circuit component in hun vlucht molen ontwerp 18-21, of de beschrijving van het elektronische gedeelte van de vlucht molen ontbreekt 22,23. Andere ontwerpen beschrijven mechanisch ingewikkeld actographs, die vrij ingewikkeld om te realiseren, maar kan onderzoekers helpen om meer complexe gedragsobservaties 5 ondernemen.
In dit document een ontwerp voor een eenvoudig te bouwen, is relatief goedkoop vlucht molen voor de studie van tethered vlucht insecten beschreven. Samen met de extreem eenvoudige elektronische component, het ontwerp heeft een aantal voordelen. De vlucht molen is ontworpen voor gebruik in beperkte ruimten meestal verkrijgbaar in standaard insect ecologie laboratorium. De structuur is gemaakt van transparant acryl plastic zodat een enkele lichtbron gelijkmatig elk individu in afzonderlijke kamers van de molen kan bereiken. Gezien de doorzichtigheid van het materiaal en de geringe afmetingen kan de vlucht molen worden toegepast in een incubator voor gestandaardiseerde licht en temperatuur. Tenslotte kan de gehele structuur worden gemonteerd en eenvoudig te demonteren en eenmaal gedemonteerd kan worden opgeslagen in een kleine ruimte. Een ander voordeel van het ontwerp van de constructie is dat de vlucht molen kan worden aangepast aan de studie van insecten van verschillende afmetingen en met verschillende afstanden revolutie toelaten. Deze vlucht molen is gebruikt om gegevens op insecten zo divers in grootte te verzamelen en vorm als milkweed bugs, Oncopeltus F 24, kudzu bugs, Megacopta cribraria en begraven kevers, Nicrophorus vespilloides. De vlucht molen ontwerp zorgt ook voor hoge through-put die nodig zijn voor studies waarbij grote steekproeven. De gegevens kunnen worden verzameld met 8 simultane kanalen voor elke data loggers Used zodat een groot aantal individuen tegelijkertijd worden geanalyseerd en grote aantallen monsters kan op dezelfde dag behandeld. Geen dure software nodig om de gegevens te registreren en te visualiseren en de aangepaste schrift voor gegevensanalyse kunnen worden gewijzigd volgens de specifieke behoeften van proefopzet. Vlucht reactie is zeer variabel in verschillende insectensoorten. Dus, voordat het uitvoeren van een volledige vlucht molen experiment, voorproeven op de respons vlucht van het brandpunt insect model worden aanbevolen. Deze zullen een begrip van de omvang van de gedragsmatige variatie in vlucht reactie, die zal worden gebruikt om verfijnen aspecten van de vluchtanalyse zoals opnametijd of vliegsnelheid bereik te bieden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Een betaalbare, flexibele en verstelbare vlucht molen ontwerp.
Insect vlucht gedrag is van belang om een reeks van wetenschappers, van diegenen die geïnteresseerd zijn in de basis gedrag van insecten onder variabele omgevingen aan specialisten in biologische bestrijding, die nodig om te begrijpen hoe de omstandigheden van invloed op de neiging van een schadelijke soorten te verspreiden. Vlucht gedrag kan worden bestudeerd door verschillende methoden die variëren van de vlucht 'loopbanden en windtunnels die benadering veldomstandigheden aan tethered vlucht apparaten statisch. Gebonden vlucht molens, zoals hier gepresenteerd zijn beperkt doordat bepaalde aspecten vlucht, zoals veranderingen in hoogte, niet meetbaar 14. Echter, tethered vlucht molens toestaan insecten om ononderbroken te vliegen en dus kunnen onderzoekers parameters zoals snelheid, afstand en de frequentie van de vlucht kwantificeren en correleren deze parameters met de milieu-omstandigheden, fysiologie, en morphology.
De vlucht molen hier gepresenteerde werd ontworpen om onderzoekers zonder gespecialiseerde kennis van elektronica te bouwen en gebruik maken van een tethered vlucht molen om vlieggedrag bij insecten bestuderen mogelijk te maken. Een voordeel van dit ontwerp is dat de totale kosten van de vlucht molen is laag in vergelijking met andere ontwerpen. De totale kosten kunnen worden gehandhaafd duidelijk onder 300 US dollars. De kunststof acrylaat platen zijn het meest kostbare object. Het tweede voordeel is dat de vlucht molen is aanpasbaar voor het beperkte gecontroleerde toestand werkplekken in vele laboratoria, in tegenstelling tot gespecialiseerde windtunnel. Het gebruik van 3 mm dik transparant acrylaat platen betekent dat de constructie zowel transparant, om het observeren van insecten en ook lichtgewicht mogelijk maken, waardoor de vlucht molen naar de juiste locatie voor de vlucht proeven worden verplaatst. De gestapelde configuratie van de vlucht molen cellen maximaliseert het aantal monsters uitgevoerd terwijl het minimaliseren van de voetdrukken van de inrichting. Verder kan de inrichting eenvoudig worden gedemonteerd voor opslag. Bovendien werd de vlucht molen ontworpen dat grote aantallen individuen relatief eenvoudig bemonsteren. Elke vlucht molen bevat 8 cellen, waardoor de onderzoekers op de vlucht activiteit van meerdere personen tegelijkertijd op te nemen. Bevestigen insecten indirect de zwenkarm via een insect pin maakt individuele insecten snel worden geplaatst en verwijderd uit de vlucht mill. Tenslotte, de gegevensregistratie elektronica is eenvoudig en makkelijk te gebruiken, met vrij beschikbare software voor gegevensanalyse. Eenmaal gemonteerd, de vlucht molen maakt gebruik van eenvoudige IR-sensoren op de vlucht activiteiten vast te leggen. De passage van de folie vlag aan het einde van de arm door de infraroodstraal kan elke omwenteling van de arm op te nemen. Het tarief van de revolutie kunnen gegevens zoals snelheid, afgelegde afstand, de totale vliegtijd en patronen vlucht worden geregistreerd als input in een data-logger.
De vlucht molenkan worden aangepast voor verschillende soorten insecten. Het gebruik van onderhuidse stalen buizen voor de zwenkarm is effectiever dan andere opties, zoals houten stokjes of rietjes omdat, hoewel zwaarder, de weerstand geproduceerde verminderd met de kleine diameter, zodat zelfs kleine insecten-flight geteste. Recentelijk zijn kleine stukjes optische vezel gebruikt in een vlucht molen kleine insecten 25. Het gebogen einde van de arm kan worden gelijmd aan het anker onder verschillende hoeken ten opzichte van de steunas om de experimentele insect positie in zijn natuurlijke oriëntatie vlucht. In het ontwerp voorgesteld, waarbij de straal 10 cm lang, de totale afstand in één omwenteling is 62,8 cm. Verwijderen van de centrale verticale wand een alternatieve configuratie van de vlucht molen waarbij de arm radius kan worden verdubbeld in lengte groter insecten vangen en revolutie afstanden tot 1,20 m toestaan. In dit geval sterkere magneten recommended te huisvesten en te stabiliseren de arm langer molen.
Zoals de hele gezegd, de vlucht molen ontwerp is flexibel en aanpasbaar voor de insectensoorten van de rente en de onderzoekers zijn in staat om het voor hun specifieke behoeften. Dit omvat niet alleen de fysieke behoeften van de insecten, waaronder parameters zoals grootte, kracht, structuur van de opperhuid, maar ook biologische verschillen tussen soorten. Een mogelijk nadeel van alle vlucht molens is dat het ontbreken van de insecten tarsale support 'krachten' te vliegen, misschien om uitputting. Hoewel dit waar is in sommige soorten, bijvoorbeeld, zagen we het automatische respons met onze milkweed bug proeven, het is niet voor alle insecten die we hebben getest (bijvoorbeeld N. vespilloides). Maar zelfs met de automatische respons, hebben we nooit gezien insecten vliegen naar uitputting of de dood, omdat in een deel van de opname tijd dat we ervoor gekozen om de biologie van de insecten tegemoet. Het is dus belangrijk om te doeninleidende opmerkingen over het insect van belang zijn voor zijn gedrag in de vlucht molen begrijpen om het verzamelen van gegevens te optimaliseren. Een extra, goed bekend probleem met vlucht molens, is dat inertie beweging, zelfs na het insect is gestopt met actief vliegen kan handhaven. Het script voorzien rekeningen voor de Fouten bij het aflezen te wijten aan de traagheid van de vlucht molen, gekenmerkt door een snelle daling van de vliegsnelheid en de toenemende afstanden tussen pieken. Het script 'flight_analysis.py' ontdoet deze 'valse pieken "en bouwt een nieuw signaal voor analyse. De gebruiker kan de snelheid drempel voor correctie te kiezen, zoals uiteengezet in de aantekeningen in het script.
Een 5 V voeding voldoende om een leesbare spanningssignaal krijgen echter een motor met variabele uitgangsspanning kan worden gebruikt als energiebron om het vermogen te worden gevarieerd en derhalve optimaliseren werkspanning voor elke sensor. Een dergelijke oplossing kan ook helpen om de visualisatie kwaliteit o vergrotenf piek signalen in de software van de opname-interface. Uitgang van de sensor is opgenomen in de software-interface zoals gevormd door een basis en piekspanningen waar de basisspanning vertegenwoordigt het laagste uitgangsspanning van de sensor in rust (wanneer de infraroodstraal niet onderbroken), terwijl de piekspanning is de opkomst van basisspanning die optreedt wanneer de infraroodstraal wordt onderbroken als de arm reist door de balk. Ingangsspanning 5 V levert een toename van ongeveer 100 mV tegelijk de ingang tot 7 V verhoogt de piek stijgen tot 300 mV waardoor een duidelijker onderscheid basis en piekspanningen. De grootte van de gekozen Breadboard bepaalt hoeveel vlucht cellen kunnen worden ondergebracht. Om druppels in het spanningssignaal minimaliseren tijdens het opnemen van meerdere sensoren, wordt aanbevolen de weerstanden in afwisselende rijen langs de breadboard te plaatsen (zie figuur 3C).
Aanpasbare signaal standaardisatie en analysis scripts geschreven voor het open access programmeertaal Python.
De standaardisatie en de analyse van de spanning signaal worden uitgevoerd door het gebruik van op maat geschreven scripts in Python, dat is een gratis, op grote schaal gebruikt voor algemene doeleinden en high-level programmeertaal. De eindgebruiker kan gemakkelijk aanpassen van de scripts te werken met eigen opgegeven instellingen. De aanpassing wordt bereikt door simpelweg het veranderen van numerieke waarden of variabele namen. Notities over hoe de parameters aan te passen kan worden gevonden binnen de scripts zelf. De standaardwaarden van de scripts worden ingesteld op een fijnafstemming signaal normalisatie leveren, maar de gebruiker kan elke gewenste drempel volgens de waarde van de gemiddelde spanning van elk kanaal definiëren. In de vlucht analyse script, de functie flying_bouts van lijn 105 berekent de duur in seconden van de langste en kortste vliegen periodes, het percentage van de tijd doorgebracht in de vlucht over de totale opnametijd en het aantal vliegende bout evenements van een bepaalde duur range. De bereiken kunnen worden aangepast aan de gebruiker experimentele voorwaarden. Om dit te doen, alle numerieke waarden binnen de functie (inclusief die in de variabele, bijvoorbeeld in de variabele "flight_300_900") moeten worden veranderd om de gewenste waarde. Het aantal reeksen en de duur alleen afhankelijk van de specificaties van de gebruiker. Het script kan afdrukken op scherm van de resultaten van de analyse voor elk kanaal. Deze omvatten: de gemiddelde vliegsnelheid, totale vliegtijd, afgelegde afstand, kortste en langste vliegende aanvallen en vlucht samenstelling. Bovendien, het script geeft een * .DAT bestand voor elk kanaal en slaat deze op in de map-uitgang door de gebruiker opgegeven. Elk * .DAT bestand bevat twee kolommen: de eerste is de relatieve tijd van de piek evenement, de tweede is de gedetailleerde snelheid variatie tussen twee opeenvolgende piek gebeurtenissen. Dit bestand kan in Excel of R worden ingevoerd om een grafiek van de snelheidsvariatie produceren meer dande tijd en de vlucht activiteit patronen te visualiseren.
Samenvattend tonen deze resultaten aan dat de vlucht molen ontwerp eenvoudig en met succes kan worden geïmplementeerd voor de gedrags- studies naar die activiteitspatronen verschillende insecten modellen verzamelen. Dergelijke gegevens kunnen worden gebruikt om individuele variatie in bewegingspatronen zoals bijvoorbeeld afhankelijk fysiologie en morfologie te onderzoeken. Dit kan grote inzichten in de onderliggende fysiologische en morfologische kenmerken bepalen van individuele variatie in bewegingspatronen als foerageer- of trekkende activiteit, die uiteindelijk van invloed op de bevolking als geheel bieden. De gedetailleerde snelheidsvariatie de tijd kan worden gebruikt in combinatie met de gedetailleerde fysiologische en morfologische metingen met een instrument om consumptie- middelen of effecten van variatie in lijfdeel morfologie op vliegactiviteit bestuderen.
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Alfredo Attisano was supported by a European Social Fund studentship. James T. Murphy is supported by USDA-NIFA Award 2013-34103-21437.
Materials
| Data Logger | DATAQ Instruments, Ohio, USA | DI-149 | These particular data loggers were chosen because they can be easily connected via USB to a computer and come with free proprietary software (WinDaq/Lite, DATAQ Instruments, Ohio, USA) to visualize and record the sensor's output, increasing the affordability of the flight mill design. |
| Data Logger – potential alternative | A potential alternative to the DATAQ data loggers is an RS232 to USB adaptor, readily available through office or electronic supply stores. These should be able to read data directly from the serial port via the pyserial module. | ||
| Entomological pins | BioQuip | ||
| Hypodermic steel tubing 19 guage | Small Parts | B000FN5Q3I | Available through Amazon.com; other suppliers are available but be sure to purchase austenitic steel tubing to ensure the arm in non-magnetic |
| IR Sensors | Optek Technology Inc., Texas USA | OPB800W | |
| N42 neodymium magnets | Readily available; can be purchased through specialized magnet suppliers, hobby stores or Amazon | ||
| Plexiglass/perspex | Readily available at any hardware store | ||
| Polystyrene columns for support | Any polystyrene or styrofoam packing materials that might otherwise be discarded or recycled can be used to fashion the support columns for the flight mill. Otherwise, styrofoam insulation sheets are available at any hardware store. | ||
| Solderless Breadboard Power Supply Module | Arrela | MB102 | The 5V power unit, breadboard and solderless male-male jumper wires can be easily purchased as a kit. |
References
- Hardie, J. Flight Behavior in Migrating Insects. J. Agric. Entomol. 10, 239-245 (1993).
- Reynolds, D., Riley, J. Remote-sensing, telemetric and computer-based technologies for investigating insect movement: a survey of existing and potential techniques. Comput. Electron. in Agric. 35, 271-307 (2002).
- Davis, M. A. Geographic patterns in the flight ability of a monophagous beetle. Oecologia. 69, 407-412 (1986).
- Dingle, H., Blakley, N. R., Miller, E. R. Variation in body size and flight performance in milkweed bugs (Oncopeltus). Evolution. , 371-385 (1980).
- Gatehouse, A., Hackett, D. A technique for studying flight behaviour of tethered Spodoptera exempta moths. Physiol. Entomol. 5, 215-222 (1980).
- Grace, B., Shipp, J. A laboratory technique for examining the flight activity of insects under controlled environment conditions. Inter. J Biometeorol. 32, 65-69 (1988).
- Kennedy, J., Booth, C. Free flight of aphids in the laboratory. J. Exp. Biol. 40, 67-85 (1963).
- Kennedy, J., Ludlow, A. Co-ordination of two kinds of flight activity in an aphid. J. Exp. Biol. 61, 173-196 (1974).
- Laughlin, R. A modified Kennedy flight chamber. Aust. J. Entomol. 13, 151-153 (1974).
- Krell, R. K., Wilson, T. A., Pedigo, L. P., Rice, M. E. Characterization of bean leaf beetle (Coleoptera: Chrysomelidae) flight capacity. J. Kansas Entomol Soc. , 406-416 (2003).
- Liu, Z., Wyckhuys, K. A., Wu, K. Migratory adaptations in Chrysoperla sinica (Neuroptera: Chrysopidae). Environ. Entomol. 40, 449-454 (2011).
- Wang, X. G., Johnson, M. W., Daane, K. M., Opp, S. Combined effects of heat stress and food supply on flight performance of olive fruit fly (Diptera: Tephritidae). Ann. Entomol. Soc. Am. 102, 727-734 (2009).
- Dingle, H. . Migration: the biology of life on the move. , (2014).
- Blackmer, J. L., Naranjo, S. E., Williams, L. H. Tethered and untethered flight by Lygus hesperus and Lygus lineolaris (Heteroptera: Miridae). Environ. Entomol. 33, 1389-1400 (2004).
- Riley, J., Downham, M., Cooter, R. Comparison of the performance of Cicadulina leafhoppers on flight mills with that to be expected in free flight. Entomol. Exp. App. 83, 317-322 (1997).
- Taylor, R., Bauer, L. S., Poland, T. M., Windell, K. N. Flight performance of Agrilus planipennis (Coleoptera: Buprestidae) on a flight mill and in free flight. J. Insect Behav. 23, 128-148 (2010).
- Cooter, R., Armes, N. Tethered flight technique for monitoring the flight performance of Helicoverpa armigera (Lepidoptera: Noctuidae). Environ. Entomol. 22, 339-345 (1993).
- Chambers, D., Sharp, J., Ashley, T. Tethered insect flight: A system for automated data processing of behavioral events. Behav. Res. Meth. Instr. 8, 352-356 (1976).
- Clarke, J., Rowley, W., Christiansen, S., Jacobson, D. Microcomputer-based monitoring and data acquisition system for a mosquito flight. Ann. Entomol. Soc. Am. 77, 119-122 (1984).
- Resurreccion, A., Showers, W., Rowley, W. Microcomputer-interfaced flight mill system for large moths such as black cutworm (Lepidoptera: Noctuidae). Ann. Entomol. Soc. Am. 81, 286-291 (1988).
- Taylor, R., Nault, L., Styer, W., Cheng, Z. -. B. Computer-monitored, 16-channel flight mill for recording the flight of leafhoppers (Homoptera: Auchenorrhyncha). Ann. Entomol. Soc. Am. 85, 627-632 (1992).
- Bruzzone, O. A., Villacide, J. M., Bernstein, C., Corley, J. C. Flight variability in the woodwasp Sirex noctilio (Hymenoptera: Siricidae): an analysis of flight data using wavelets. J. Exp. Biol. 212, 731-737 (2009).
- Schumacher, P., Weyeneth, A., Weber, D. C., Dorn, S. Long flights in Cydia pomonella L. (Lepidoptera: Tortricidae) measured by a flight mill: influence of sex, mated status and age.. Physiol. Entomol. 22, 149-160 (1997).
- Attisano, A., Tregenza, T., Moore, A. J., Moore, P. J. Oosorption and migratory strategy of the milkweed bug, Oncopeltus fasciatus. An. Behav. 86, 651-657 (2013).
- Martini, X., Hoyte, A., Stelinski, L. L. Abdominal color of the Asian citrus psyllid (Hemiptera: Liviidae) is associated with flight capabilities. Ann. Entomol. Soc. Am. 107, 627-632 (2014).
