昆虫出现模式的测量需要精确。现有系统仅半自动, 样本规模有限。我们通过设计一个使用微控制器的系统来精确测量大量新出现的昆虫的出现时间来解决这些问题。
现有的昆虫出现模式的系统有局限性;它们只是部分自动化, 并且在它们能检测到的新出现昆虫的最大数量中受到限制。为了获得昆虫出现的精确测量, 系统必须半自动, 能够测量大量的新出现的昆虫。我们通过设计和构建一个自动化的系统来解决这些问题, 该系统可以测量多达1200名昆虫的出现。我们使用 arduino 微控制器修改了现有的 “落球” 系统, 以自动收集数据, 并通过多个数据通道扩大样本规模。多个数据通道使用户不仅能够增加样本大小, 还可以在一次实验中同时运行多个处理。此外, 我们还创建了一个 r 脚本, 将数据自动可视化为气泡图, 同时计算出现的中位日和时间。目前的系统是使用三维打印设计的, 这样用户就可以修改系统, 以便针对不同种类的昆虫进行调整。该协议的目的是研究时间生物学和压力生理学中的重要问题, 使用这个精确的自动化系统来测量昆虫的出现模式。
在实验环境中准确测量陆生昆虫出现的时间是众所周知的困难, 需要一定程度的自动化。过去设计了几种机制, 要么采用 “落球” 原理, 使用落球和传感器, 要么采用漏斗式系统1、2、3的 “爆炸箱”。现有设计有两个限制: 1) 数据收集只是部分自动化, 2) 样本大小或可以检测到的紧急昆虫数量有限。这些问题降低了数据收集的精度, 这对研究外露和出现模式的时间具有重要意义。我们通过设计一个自动化且不受样本大小限制的系统来解决这些问题, 使用户能够更好地可视化出现节奏以响应环境提示。
我们的系统是对落球原理的改进, 最新版本的降球原理使用红外传感器以 6分钟的增量探测昆虫的出现2。我们的系统仍然使用红外传感器, 但也集成了 arduino 微控制器, 以记录每个出现事件的日期和时间到最近的秒。数据会自动存储到安全的数字 (sd) 卡中, 该卡可以作为逗号分隔的文件导出进行分析。分析是通过使用自定义 r 脚本自动化的, 该脚本将数据绘制为气泡图, 并确定出现的中位时间和日期。
多个通道使用户在数据采集方面有更大的灵活性。例如, 我们的多通道设计不仅最大限度地减少了 “堵塞” 传感器的影响, 还可用于增加样品尺寸。此外, 多个通道允许用户指定特定通道的处理方法, 以便它们可以在实验中同时运行。使用所有六个通道可以在一个实验中记录大约1200只新兴蜜蜂。据我们所知, 这是目前测量昆虫出现的系统中最大的样本规模, 使我们能够观察到针对环境线索的精细规模的出现模式。最后, 我们的系统受益于大多数部件都是3d 打印的这一事实。这将创建精确大小的组件, 从而降低在操作过程中发生错误 (如探测器堵塞) 的可能性。它还允许为其他研究系统进行定制。
该协议的目的是定制建立一个精确的自动化系统来测量昆虫的出现, 研究时间生物学和压力生理学中的问题。该系统一直是并将继续是调查与昆虫出现模式有关的未回答问题以应对环境线索的关键。在这里, 我们描述了它的组装和用于发现紫花苜蓿切叶蜜蜂, megachile 圆形数据在实验室的实验设置。该系统使用可编程微控制器实现自动化, 并可使用3d 打印部件进行定制。印刷衣架固定在含有蜜蜂巢细胞的管之后, 金属 bb。出现后, 金属 bb 从机架中释放, 通过红外传感器记录出现的日期和时间到 sd 卡。目前的设计针对m. rotundata进行了优化, 但稍作调整后, 可以适应其他种类的昆虫。
我们提出了一个组装和使用系统的协议, 可以精确测量昆虫出现的时间。该系统解决了两个限制了以前设计的问题: 部分自动化和有限的样品尺寸。我们通过使用微控制器自动收集数据来解决这些问题, 这也使我们能够通过使用多个通道来增加样本量。目前的设计有六个频道, 总共可以容纳1200只蜜蜂。如果需要, 可以添加或减去其他通道, 不仅可以增加样本量, 还可以同时调查多种治疗的效果。下面将讨论关键步骤、修改、限制和未来的应用。
系统中唯一没有自动化的部分是在实验开始时将机架装上育苗电池、金属 bb 和空气软颗粒。虽然机架的设计使其稍微向后倾斜, 以防止金属 bb 在机架直立时掉落, 但在放置机架时必须小心, 以防止金属 bb 的意外释放。此外, 确保机架与机架边缘齐平, 使金属 bb 的坠落轨迹与跑道对齐。最后, 应清除跑道上的叶片碎片, 并清除从以前的实验中持有金属 bb 的底盘, 以防止传感器堵塞。数据将作为 csv 文件自动记录到 sd 卡中, 并编写脚本, 以便除非存在 sd 卡, 否则 arduino 将不会运行。数据文件手动导入到 rstudio 中, 并使用前面提到的 r 脚本进行可视化。此脚本将自动将数据绘制为气泡图, 并确定出现的中位时间和日期。arduino 脚本被写入将事件数据追加到文件的末尾, 以防止在发生电源故障时丢失数据。但是, 这也意味着, 一旦从 sd 卡中提取数据, 就应该在下一次实验之前清除所有文件。
可以对张草图文件进行修改, 以调整不同尺寸昆虫的机架大小, 修改后的机架中使用不同尺寸的管。此外, 空气软颗粒的大小是重要的, 因为它可以防止昆虫离开管, 和颗粒不同的大小, 以及可能需要。可以对 r 脚本进行各种更改, 以更改气泡图的外观和其他图形参数。
我们通过编写一个可在检测到金属 bb 后禁用任何给定通道一秒钟的借记代码来降低误报的风险, 从而防止单个金属 bb 被视为多个数据点。虽然, 这就造成了一个数据点被错过的可能性, 如果许多蜜蜂同时出现, 但事实是渠道是独立的, 减少了这种风险。目前系统的另一个局限性是, 个别数据点无法识别,即金属 bb 下降不能追溯到特定的个人。此外, 目前的系统测量的是圆形数据的出现而不是收缩节律, 但将测量出现和反转是同义词的物种的收缩节律。最后, 目前的设计不耐候性强, 将其使用限制在受控环境中。
未来的应用包括研究其他非生物和生物环境线索对m. rotundata的时间出现的影响。此外, 由于昆虫占据不同的环境, 相关的环境线索因物种而异。因此, 吸收更多的昆虫物种对于研究分类群间的生物钟系统是如何进化的非常重要的。人们对发育条件如何影响成人出现的时间了解甚少;因此, 我们的系统可以用来解读治疗对出现的影响。此外, 环境线索的组合会影响昆虫的反应, 因此未来的实验应该包含多种环境线索, 以了解它们对出现的相对影响。最后, 在现场部署, 观察自然环境如何调节出现节奏是令人感兴趣的。该系统的易用性, 以及其添加剂制造、开源编程和可观察到的生物特性的独特组合, 使其成为教育环境中使用的候选系统。
The authors have nothing to disclose.
我们要感谢 nd 法戈的昆虫冷冻生物学和生态生物学工作组对使用所述系统进行的实验的有益反馈。
PLA printer filament | www.lulzbot.com | various | Catalog number varies by color |
0.5 mL microcentrifuge tubes | www.daigger.com | EF4254C | |
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Arduino Nano v 3.0 | www.roboshop.com | RB-Gra-01 | |
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Female headers | www.adafruit.com | 598 | Break off to desired length |
Male headers | www.adafruit.com | 392 | Break off to desired length |
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Cat6 cable | www.amazon.com | B00N2VISLW | |
SD card | www.amazon.com | B00E9W1URM |