Um simples vôo Mill para o Estudo da Amarrados no vôo Insetos
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
Várias técnicas laboratoriais têm sido desenvolvidas para o estudo do comportamento do inseto 1,2 vôo. Estas vão desde simples 3,4 tethering estático para dispositivos sofisticados que permitem maior liberdade de movimento para o inseto tethered 5. Para câmaras aéreas de data 6-9 representam os dispositivos que permitam o mais alto nível de liberdade de voo em condições controladas. Esta técnica tem dois grandes inconvenientes: é difícil de usar, para o estudo de grandes insectos e o procedimento manual de recolha de dados é demorado.
Moinhos aéreas representam uma das técnicas mais comuns e acessíveis para o estudo de voo do inseto em condições de laboratório 10-12. Esta técnica é preferível tethering estática porque oferece em movimento estímulos 13, mas ele difere de um voo gratuito de resposta comportamental 14-16. Alguns aspectos do comportamento de vôo no moinho e na natureza são similar 5,17 assim que apesar de algumas limitações, as usinas aéreas representam uma opção viável para investigar questões relacionadas com a ocorrência de determinadas respostas de comportamento de vôo, como é o caso do tipo de voo migratório. Além disso, as usinas de vôo são mais fáceis de perceber do que túneis de vento ou câmaras de voo e da coleta de dados pode ser facilmente automatizada. Assim, os pesquisadores interessados no comportamento de vôo muitas vezes achamos que as usinas de vôo são a melhor escolha, mas devem estar cientes dos potenciais limitações do método. Aqui, um design flexível e personalizável moinho de voo é apresentada para os pesquisadores que optaram por utilizar as usinas de vôo para investigar o comportamento de vôo.
Vários autores descrevem projetos alternativos moinho vôo. Em geral, a parte principal do sistema de moinho de voo, ou seja, o braço do moinho de giro, é bastante simples de realizar. Menos simples é a parte eletrônica do sistema de moinho de voo, que permite a gravação dos dados. Lidar com eldesign de circuitos ectronic pode ser um desafio, especialmente para o entomologista ou o ecologista comportamental com falta de conhecimentos de eletrônica de fundo. Alguns autores descrevem um complicado ou fora do componente de circuito eletrônico data na sua concepção moinho vôo 18-21, ou a descrição da parte eletrônica da fábrica de voo está faltando 22,23. Outros projetos descrever actographs mecanicamente complicados, que são bastante complicado de perceber, mas podem ajudar os investigadores a realizar observações comportamentais mais complexas 5.
Neste artigo um projeto para um simples de construir, moinho de voo relativamente barata para o estudo de voo tethered em insetos é descrita. Em conjunto com o componente electrónico extremamente simples, o desenho tem um número de vantagens. O moinho de voo é concebido para ser utilizado em espaços limitados os tipicamente disponíveis no laboratório padrão insectos ecologia. A estrutura é feita de acrílico transparente plastic de modo que uma única fonte de luz pode atingir uniformemente cada indivíduo em câmaras separadas do moinho. Dada a transparência do material e tamanho pequeno, o moinho de voo pode ser utilizado em uma incubadora de luz e temperatura condições padronizadas. Finalmente, a estrutura inteira pode ser montado e desmontado facilmente e, uma vez desmontada, que pode ser armazenado em um pequeno espaço. Outra vantagem da concepção da estrutura é que o moinho de voo pode ser modificado para permitir o estudo de insectos de diferentes tamanhos e utilizando diferentes distâncias revolução. Este moinho de voo foi usado para coletar dados sobre insetos tão diferentes em tamanho e forma como bugs serralha, Oncopeltus fasciatus 24, bugs kudzu, Megacopta cribraria, e besouros Enterrar, vespilloides Nicrophorus. O design moinho de vôo também permite alta through-put necessário para estudos que requerem grandes tamanhos de amostra. Os dados podem ser coletados por meio de 8 canais simultâneos para cada um dos registradores de dados used, de modo que um elevado número de indivíduos que podem ser analisados simultaneamente e um grande número de amostras podem ser tratadas no mesmo dia. Sem o software caro é necessário para gravar e visualizar os dados eo script personalizado escrito para a análise de dados pode ser modificado de acordo com as necessidades específicas do projeto experimental. Fuga resposta é altamente variável em diferentes espécies de insetos. Assim, antes de conduzir um experimento moinho pleno vôo, são recomendados testes preliminares sobre a resposta de voo do inseto modelo focal. Estes irão fornecer uma compreensão da extensão da variação em resposta comportamental voo, que vai ser utilizado para afinar aspectos da análise de voo, tais como tempo de gravação ou gama de velocidades de voo.
Protocol
Representative Results
Discussion
Um projeto moinho voo acessível, flexível e ajustável.
Comportamento de vôo de insetos é do interesse de uma gama de cientistas, de os interessados no comportamento básico de insetos em ambientes variáveis para especialistas em controle biológico que necessitam para compreender como as condições influenciar a propensão de uma espécie de pragas para dispersar. Comportamento de vôo pode ser estudada por vários métodos que vão desde '' esteiras de voo e túneis de vento que as condições de campo aproximados para dispositivos estáticos voos cativos. Moinhos de voos cativos, como a apresentada aqui, são limitados em que certos aspectos do vôo, tais como mudanças de altitude, não pode ser medido 14. No entanto, as usinas de voos cativos que permitem que os insetos de voar sem interrupção e, assim, permitir aos pesquisadores quantificar parâmetros como velocidade, distância e periodicidade de voo e correlacionar estes parâmetros com as condições ambientais, fisiologia e morphology.
O moinho de voo apresentado aqui foi projetado para permitir que pesquisadores sem conhecimento especializado de electrónica para construir e usar um moinho de voo tethered, a fim de estudar o comportamento de vôo nos insetos. Uma vantagem deste desenho é que o custo total do moinho de voo é baixo quando comparado com outros modelos. O custo global pode ser mantida bem abaixo de 300 dólares norte-americanos. As chapas acrílicas plásticas são o item mais caro. A segunda vantagem é que o moinho de voo é adaptável para os espaços de trabalho condição controlada limitados disponíveis em muitos laboratórios, em oposição a um túnel de vento especializado. O uso de chapas grossas de plástico transparente de acrílico de 3 mm significa que a estrutura seja transparente, para permitir a fácil observação dos insetos, e também o peso leve, permitindo que a fábrica de voo a ser transferida para o local apropriado para ensaios de vôo. A configuração empilhada das células moinho voo maximiza o número de amostras executado enquanto minimizando o péimprimir do dispositivo. Além disso, o dispositivo pode ser facilmente desmontada para armazenamento. Para além disso, o moinho de voo foi concebido para permitir que um grande número de indivíduos a serem amostrados de forma relativamente fácil. Cada moinho de voo contém 8 células, permitindo aos investigadores para registrar a atividade de vôo de várias pessoas simultaneamente. Colocar insectos indirectamente para o braço de articulação por meio de um pino de insectos permite insectos individuais a serem colocados no interior e removido do moinho de voo rapidamente. Finalmente, a electrónica de registo de dados é simples e fácil de usar, com um software livremente disponível para análise de dados. Uma vez montado, o moinho de vôo usa sensores simples IR para registrar a atividade de vôo. A passagem da folha da bandeira no final do braço através do feixe infravermelho permite que cada rotação do braço a ser gravado. A taxa de revolução permite que dados como velocidade, distância percorrida, tempo total de vôo e os padrões de voo a ser registrado como entrada em um data-logger.
O moinho de vooé capaz de ser adaptado para um número de diferentes tipos de insectos. O uso de tubos de aço hipodérmica para o braço de articulação é mais eficaz do que outras opções, tais como varas de madeira ou palhinhas porque, embora mais pesado, o arrasto produzido é reduzida pelo diâmetro estreito, permitindo que até mesmo pequenos insetos para ser testado pelo vôo. Recentemente, pequenos pedaços de fibra óptica têm sido utilizados num moinho de voo para pequenos insectos 25. O final curvada do braço pode ser colado ao induzido em diferentes ângulos em relação ao eixo de suporte, a fim de posicionar o insecto experimental em voo a sua orientação natural. Na concepção apresentada, na qual o raio é de 10 cm de comprimento, a totalidade da distância percorrida numa rotação é de 62,8 cm. Remoção da parede vertical central vai permitir que uma configuração alternativa do moinho de voo em que o raio do braço pode ser dobrada em comprimento para acomodar maiores insetos e revolução distâncias de até 1,20 m. Neste caso, ímãs mais fortes são recoded para acomodar e estabilizar o braço mais longo da usina.
Como afirmado por toda parte, o projeto moinho voo é flexível e adaptável para as espécies de insetos de interesse e pesquisadores são capazes de personalizá-lo para suas necessidades particulares. Isso inclui não apenas as necessidades físicas do inseto, incluindo parâmetros, tais como tamanho, poder, estrutura da cutícula, mas também diferenças biológicas entre as espécies. Uma desvantagem potencial para todas as fábricas de vôo é que a falta de "forças" de apoio tarsal os insetos de voar, talvez até a exaustão. Embora isto seja verdade em algumas espécies, por exemplo, observou-se a resposta de voo automático com os nossos ensaios milkweed bug, não é verdade para todos os insetos que testamos (por exemplo vespilloides N.). No entanto, mesmo com a resposta automática, nunca observada insetos voadores à exaustão ou morte, em parte por causa do tempo de gravação que escolheu para acomodar a biologia dos insetos. Assim, é importante para fazerobservações preliminares sobre o inseto de interesse para compreender seu comportamento no moinho de voo, a fim de otimizar a coleta de dados. Uma questão adicional, conhecido com moinhos de vôo, é que a inércia pode manter o movimento mesmo depois de o inseto parou de voar ativamente. O script fornecido contas para as leituras equivocadas devido à inércia do moinho de vôo, caracterizada pela rápida diminuição na velocidade de vôo e aumentando as distâncias entre os picos. O 'flight_analysis.py' roteiro descarta estes "falsos picos" e constrói um novo sinal para análise. O usuário pode escolher o limite de velocidade para a correção, como explicado nas notas previstas no roteiro.
Uma fonte de alimentação de 5 V é suficiente para obter um sinal de tensão de leitura, no entanto, uma unidade de alimentação com tensão de saída variável pode ser usada como fonte de energia para permitir a entrada de energia para ser variada e, assim, optimizar a tensão de funcionamento para cada sensor. Essa solução também pode ajudar a aumentar a qualidade de visualização of sinais de pico na interface de gravação do software. A saída do sensor é mostrada na interface de software como formado por uma base e de pico tensões em que a tensão de base, seja o menor tensão de saída do sensor em repouso (quando o feixe de infravermelhos não é interrompido), enquanto a tensão de pico é o aumento da tensão de base que ocorre quando o feixe de luz infravermelha é interrompida quando o braço se desloca através do feixe. Uma tensão de entrada de 5 V fornece um aumento de cerca de 100 mV, enquanto aumenta a entrada de 7 V aumenta aumento do pico a 300 mV permitindo uma discriminação mais clara das tensões de base e de pico. O tamanho da placa de ensaio sem solda escolhida determina quantas células aéreas podem ser acomodados. A fim de minimizar gotas no sinal de tensão durante a gravação a partir de vários sensores, recomenda-se colocar os resistores em linhas alternadas ao longo da placa de ensaio (ver a Figura 3C).
Padronização sinal customizável e analysis scripts escritos para o acesso aberto linguagem de programação Python.
A padronização e análise do sinal de tensão são realizadas usando scripts personalizados escritos em Python, que é uma linguagem livre, amplamente utilizado para uso geral e de alto nível de programação. O usuário final pode facilmente personalizar os scripts para trabalhar com configurações especificadas próprios. A personalização é conseguido simplesmente mudando valores numéricos ou nomes de variáveis. Notas sobre como personalizar os parâmetros podem ser encontradas dentro dos próprios scripts. Os valores padrão nos scripts estão definidas para oferecer um bom sinal de normalização melodia, mas o usuário pode definir qualquer limite desejado de acordo com o valor da tensão média para cada canal. No script de análise de vôo, os flying_bouts função de linha 105 calcula a duração em segundos do mais longo e mais curtos episódios de vôo, a percentagem de tempo gasto em vôo sobre o tempo total de gravação eo número de vôo ataque eventos de uma gama duração especificada. Os intervalos podem ser modificados de acordo com os requisitos do utilizador experimentais. A fim de fazer isso, todos os valores numéricos dentro da função (incluídos os do nome da variável, por exemplo no "flight_300_900" variável) precisa ser alterado para o valor desejado. O número de faixas ea sua duração depende simplesmente especificação do usuário. O script irá imprimir na tela os resultados da análise para cada canal. Estes incluem: velocidade média de vôo, o tempo total de voo, distância percorrida, e mais longos que voam episódios mais curtos e composição vôo. Além disso, o script retorna um arquivo DAT * para cada canal e salva-lo na pasta de saída especificado pelo usuário. Cada ficheiro * .DAT contém duas colunas: a primeira representa o tempo relativo do evento de pico, o segundo é a variação de velocidade entre dois eventos detalhada dos picos sucessivos. Este arquivo pode ser importado no Excel ou R para produzir um gráfico da variação de velocidade ao longotempo e visualizar os padrões de atividade de vôo.
Em conclusão, estes resultados demonstram que este projeto moinho de voo pode ser facilmente implementado com sucesso e para coletar dados para estudos comportamentais olhando para voar padrões de atividade em diferentes modelos de insetos. Tais dados podem ser utilizados para investigar a variação individual em padrões de movimento dependentes como por exemplo sobre a fisiologia e morfologia. Isso pode oferecer grandes insights sobre as características fisiológicas e morfológicas subjacentes que determinam a variação individual em padrões de movimento como forrageamento ou atividade migratória, o que acaba afetando a população como um todo. A variação da velocidade detalhado ao longo do tempo pode ser utilizado em combinação com as medições fisiológicas e morfológicas detalhadas, oferecendo uma ferramenta para estudar os padrões de consumo de recursos ou efeitos da variação na parte do corpo sobre a morfologia actividade de voo.
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).
