Böcekler Tethered Flight Araştırmaları Basit Uçuş Mill
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
Birçok laboratuar teknikleri böcek uçuş davranış 1,2 çalışması için geliştirilmiştir. Gergin böcek 5 için daha fazla hareket özgürlüğü sağlayan sofistike cihazlara basit statik bağlama 3,4 Bunlar arasında. Tarih uçuş odalarına 6-9 kontrollü koşullarda uçuş özgürlüğü en üst düzeyde sağlayan cihazlar temsil etmektedir. Bu teknik, iki ana dezavantajlara sahiptir: bu büyük böcekler çalışma ve veri toplama el yordamı kullanmak için zor zaman alıcıdır.
Uçuş fabrikaları laboratuvar koşullarında 10-12 altında böcek uçuş çalışma için en yaygın ve uygun fiyatlı tekniklerden birini temsil etmektedir. Bu teknik uyaranlara 13 hareket teklifler nedeniyle statik tethering tercih edilir, ancak serbest uçuş davranışsal tepki 14-16 farklıdır. Değirmen ve vahşi uçuş davranışının bazı yönleri vardır similagöçmen uçuş Çeşidi olduğu gibi r 5,17 nedenle bazı sınırlamalara rağmen, uçuş fabrikaları, özellikle uçuş davranış tepkilerinin ortaya çıkması ile ilgili soruları araştırmak için uygun bir seçenek oluşturmaktadır. Ayrıca, uçuş değirmenleri rüzgar tünellerinde veya uçuş odaları ve veri toplama kolaylıkla otomatik hale getirilebilir daha gerçekleştirmek kolaydır. Böylece, uçuş davranışları ile ilgilenen araştırmacılar sık sık uçuş fabrikaları en iyi seçimdir bulmak, ama yöntemin olası sınırlamaların farkında olmalıdır. Burada, esnek ve özelleştirilebilir uçuş değirmen tasarım uçuş davranışlarını araştırmak için uçuş değirmenleri kullanmaya seçtiniz araştırmacılar için sunulmuştur.
Birçok yazar, alternatif uçuş değirmen tasarımları açıklar. Uçuş değirmen sistemi, yani dönme fabrikasının kolunun genel ana bölümünde, gerçekleştirmek için oldukça basittir. Az basit veri kaydına izin verir uçuş değirmen sistemi, elektronik bir parçasıdır. El ile başa çıkmakectronic devreleri tasarımı, özellikle entomologist veya elektronik bilgi birikimi eksik davranışsal ekolojist için zor olabilir. Bazı yazarlar uçuş değirmen tasarımı 18-21 veya 22,23 eksik uçuş değirmen elektronik kısmının açıklamasında karmaşık veya tarih elektronik devre elemanları dışında açıklar. Diğer tasarımlar gerçekleştirmek için oldukça karmaşık ama daha karmaşık davranışsal gözlemler 5 üstlenmek için müfettişler yardımcı olabilir mekanik karmaşık actographs, açıklar.
Basit bir tasarım oluşturmak için bu yazıda, böceklerde gergin uçuş çalışma için nispeten ucuz uçuş değirmen açıklanmıştır. Birlikte, son derece basit bir elektronik bileşen, tasarım bir çok avantaj vardır. Uçuş değirmeni standart böcek ekolojik laboratuarda tipik olarak uygun kısıtlı alanlarda kullanılmak üzere tasarlanmıştır. Yapı saydam akrilik p dışında yapılırTek bir ışık kaynağı eşit değirmen ayrı odalarında her bireyin ulaşmak böylece lastic. Malzeme ve küçük boyutlu şeffaflığını göz önüne alındığında, bir uçuş değirmeni standart ışık ve sıcaklık koşulları için bir kuluçka makinesi içinde kullanılabilir. Demonte kez, o küçük bir alanda saklanabilir, Nihayet, tüm yapının monte edilebilir ve kolayca sökülüp. Tasarımından diğer bir avantajı, bir uçuş değirmen, farklı büyüklükte ve farklı dönme böcekler mesafeler ile çalışma sağlamak için değiştirilebilir olmasıdır. Bu uçuş değirmen, Oncopeltus fasciatus 24, kudzu böcek, Megacopta cribraria ve gömme böcekleri, Nicrophorus vespilloides boyutu gibi çeşitli böcekler hakkında veri toplamak ve milkweed böcek olarak şekillendirmek için kullanılır olmuştur. Uçuş değirmen tasarımı aynı zamanda büyük örneklem büyüklüğü gerektiren çalışmalar için gerekli through-put yüksek sağlar. Veri dataloggerların u her biri için 8 eşzamanlı kanalları kullanarak toplanabilirsed yüzden birey yüksek sayıda eş zamanlı olarak analiz edilebilir ve örnekler çok sayıda aynı gün içinde ele alınabilir. No pahalı yazılım verilerini kaydetmek ve görselleştirmek için gerekli olan ve veri analizi için özel yazılmış bir senaryo deney tasarımı özel ihtiyaçlarına şu değiştirilebilir. Uçuş yanıt farklı böcek türleri olarak çok değişkendir. Böylece, tam bir uçuş değirmen deney yapmadan önce, fokal böcek modelinin uçuş cevabına ön testler önerilmektedir. Bunlar kayıt süresi veya uçuş hızı aralığı olarak uçuş analizi ince ayar yönlerine kullanılacak uçuş yanıt davranış değişimi, ölçüde bir anlayış sağlayacaktır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bir, uygun fiyatlı, esnek ve ayarlanabilir uçuş değirmen tasarımı.
Böcek uçuş davranış koşulları dağıtmak için bir haşere türünün eğilimini nasıl etkilediğini anlamak için gerek biokontrol uzmanları değişken ortamlarda böceklerin temel davranışları ilgilenenler gelen bilim adamlarından oluşan bir dizi ilgi çekicidir. Uçuş davranışı yaklaşık saha koşulları gergin uçuş cihazlarını statik için uçuşun 'koşu bandı' ve rüzgar tünellerinde aralığı çeşitli yöntemlerle ele alınabilir. Gergin Uçuş değirmenleri, burada sunulan gibi, böyle bir irtifada değişiklikler gibi uçuşun belirli yönleri, sınırlı, 14 olarak ölçülemez. Ancak, gergin uçuş değirmenleri böcekler kesintisiz sinek ve böylece araştırmacılar, uçuş hızı, mesafe ve dönemsellik gibi parametreleri ölçmek için izin ve çevre koşulları, fizyoloji ve m bu parametreleri ilişkilendirmek için izin veriyoruzorphology.
Burada sunulan uçuş değirmen inşa etmek ve böceklerde uçuş davranışlarını araştırmak için bir gergin uçuş değirmen kullanmak için elektronik uzman bilgisi olmadan araştırmacılar izin verecek şekilde tasarlanmıştır. Bu tasarımın bir avantajı uçuş değirmen toplam maliyeti, diğer tasarımlara göre düşük olmasıdır. Toplam maliyeti çok altında 300 dolar korunabilir. Plastik akrilik levhalar en pahalı kalemi vardır. İkinci avantaj, özel bir rüzgar tünelinde karşı uçuş değirmen, bir çok laboratuarda sınırlıdır, kontrol koşulu çalışma alanları için adapte edilebilir. 3 mm kalınlığında saydam akrilik plastik levha kullanılması yapısı uçuş denemeleri için uygun bir yere taşınmasını uçuş değirmeni sağlayan böceklerin kolay gözlem ve aynı zamanda hafif izin, hem de şeffaf olduğu anlamına gelir. Uçuş değirmen hücrelerinin yığılmış yapılandırma ayak en aza indirirken numune sayısı koşmak maksimizeCihazın yazdırın. Dahası, cihaz kolayca depolama için demonte edilebilir. Ayrıca, uçuş değirmen nispeten kolay numune alınacak bireylerin büyük sayılar için izin verecek şekilde tasarlanmıştır. Her uçuş değirmen aynı anda birden fazla kişinin uçuş faaliyetini kaydetmek için araştırmacıların sağlayan 8 hücreler içerir. Bireysel böcekler hızla uçuş değirmenden yerleştirilir ve kaldırılması için bir böcek pin yoluyla dönme kola dolaylı böcekleri takılması verir. Son olarak, veri kaydı elektronik veri analizi için serbestçe kullanılabilir yazılım ile, basit ve kullanımı kolaydır. Bir kez monte uçuş değirmen uçuş aktivitesini kaydetmek için basit kızılötesi sensörleri kullanır. Kızılötesi ışın yoluyla kolun ucunda folyo bayrağının geçişi kolunun her devri kaydedilmesini sağlar. Devrimin hızı, katedilen mesafe, toplam uçuş süresi ve uçuş desenleri bir veri kaydedici girdi olarak kaydedilmek üzere hız gibi verileri verir.
Uçuş değirmenBöceklerin farklı bir dizi için adapte edilmesi mümkündür. Hatta ağır olsa üretilen sürükleyin hatta küçük böcekler uçuş test olmasını sağlayan, dar çapı azalır, çünkü dönme kolu için hypodermic çelik boru kullanımı, ahşap sopa veya içme payet gibi diğer seçenekler, daha etkili. Son zamanlarda, fiber optik küçük parçalar küçük böcekler 25 için uçuş değirmeni içinde kullanılmıştır. Kolun bükülmüş biten doğal uçuş yönünde deneysel böcek yerleştirmek için destek eksenine göre farklı açılarda armatür yapıştırılmış olabilir. Yarıçap uzunluğu 10 cm olan sunulan tasarım, içinde, tek devrim gitti tüm mesafesi 62,8 cm dir. Merkezi bir dikey duvar çıkarma kolu yarıçapı daha büyük böcekler karşılamak için uzunluğu iki katına ve devrim 1.20 m'ye kadar mesafeler edilebileceği uçuş değirmenin alternatif bir yapılandırma sağlayacaktır. Bu durumda, daha güçlü mıknatısların yapılması önerilmiştir olanded karşılamak ve daha uzun tesisin kolunu stabilize etmek.
Boyunca belirtildiği gibi, uçuş değirmen tasarımı, esnek ve ilgi böcek türleri için uyarlanabilir ve araştırmacılar kendi özel ihtiyaçları için özelleştirmek mümkün. Bu boyut, güç, manikür yapısı gibi parametreler değil, aynı zamanda türler arasında biyolojik farklılıklar içeren böcek sadece fiziksel ihtiyaçlarını kapsamaktadır. Tüm uçuş fabrikaları için bir potansiyel dezavantajı tarsal support 'güçlerinin böceklerin olmaması, belki de yorgunluktan, uçmak olmasıdır. Bu, bazı türlerde doğru olmakla birlikte, örneğin, bizim milkweed hata denemeleri ile otomatik uçuş yanıtı, biz (örneğin N. vespilloides için) test tüm böcekler için geçerli değildir gözlendi. Kayıt süresi biz böceklerin biyolojisi karşılamak için seçtim çünkü Ancak, hatta otomatik tepki ile, biz kısmen bitkinlik ya da ölüme uçan böcekler gözlenen asla. Böylece, bunu yapmak için önemli olduğunuilgi böceğin üzerine ön gözlemler veri toplama optimize etmek için uçuş değirmen davranışını anlamak için. Uçuş fabrikaları ile ek, tanınmış bir sorun, atalet böcek aktif uçan durduktan sonra bile hareket koruyabilirsiniz olmasıdır. Script uçuş hızı hızlı azalma ile karakterize zirveleri arasındaki mesafeleri artan nedeniyle uçuş değirmen atalet yanlış okumaları hesaplarını sağladı. Betik 'flight_analysis.py' bu 'sahte zirveleri' atar ve analiz için yeni bir sinyal oluşturur. Komut verilen notlarda açıklanmıştır gibi kullanıcı, düzeltme hızı eşiğini seçebilirsiniz.
A 5 V güç kaynağı ancak değişken çıkış gerilimine sahip bir güç ünitesi güç girişi değişik olmasını sağlayacaktır ve böylelikle her sensör için çalışma voltajı optimize etmek için güç kaynağı olarak kullanılabilir, okunabilir bir gerilim sinyali elde etmek yeterlidir. Böyle bir çözüm, aynı zamanda görselleştirme kalitesi o artırmak için yardımcı olabiliryazılımın kayıt arayüzü f zirve işaretleri. Baz gerilim tepe gerilimi baz gerilim yükselişi ise (IR ışını kesintiye değildir) istirahat sensöründen düşük çıkış gerilimini temsil eden bir taban ve tepe gerilimlerine oluşturduğu olarak sensörün çıkış yazılım arayüzü gösterilir kol kiriş dolaşır olarak IR ışını kesildiğinde ortaya çıkar. 7 V girişi artırırken 5 V giriş gerilimi taban ve tepe gerilimler net bir ayrımcılık sağlayan 300 mV zirvenin yükselişini artıran yaklaşık 100 mV bir artış sağlar. Seçilen solderless breadboard büyüklüğü birçok uçuş hücreleri kalabilirler nasıl belirler. Çoklu sensörlerden gelen kayıt sırasında gerilim sinyali düşüşünü en aza indirmek için, bu (bakınız Şekil 3C) deneysel devre boyunca alternatif sıralardaki dirençleri yerleştirilmesi önerilir.
Özelleştirilebilir sinyal standardizasyon ve analizleri:açık erişim programlama dili Python yazılı s komut.
Voltaj sinyalinin standardizasyon ve analiz ücretsiz, yaygın olarak kullanılan genel amaçlı ve yüksek seviyeli bir programlama dilidir Python, özel yazılmış komut dosyalarını kullanarak tarafından yürütülmektedir. Son kullanıcının kolayca kendi belirtilen ayarlarla çalışmak için komut özelleştirebilirsiniz. Özelleştirme sadece sayısal değerleri veya değişken adlarını değiştirerek elde edilir. Parametreleri özelleştirmek için nasıl notlar komut kendileri içinde bulunabilir. Komut varsayılan değerleri ince ayar sinyali standardizasyonu sağlamak için ayarlanmış, ancak kullanıcı her kanal için ortalama gerilim değerine göre istenilen eşiğini tanımlayabilirsiniz. Uçuş analiz komut olarak, hat 105 fonksiyon flying_bouts en uzun saniye süresini ve kısa uçan nöbetleri, toplam kayıt zamanla uçuş harcanan zamanın yüzdesini ve olayın nöbeti uçan sayısını hesaplarBelirtilen süre aralığı s. Aralıklar kullanım deney ihtiyaçlarına göre değiştirilebilir. Bunu yapmak için, işlev içinde bütün sayısal değerler (değişken "flight_300_900, örneğin," değişken adı olanlar dahil) arzu edilen bir değere değiştirilmesi gerekir. Aralıkları ve süreleri sayısı sadece kullanıcının özelliklerine bağlıdır. Komut ekranda her kanal için analiz sonuçlarını basacaktır. Bunlar şunlardır: ortalama uçuş hızı, toplam uçuş süresi, mesafe seyahat kısa ve en uzun uçan nöbetleri ve uçuş bileşimi. Ayrıca, script her kanal için bir * DAT dosyası döndürür ve kullanıcı tarafından belirlenen çıktı klasörüne kaydeder. Her * .DAT dosyası iki sütun içerir: Birincisi zirve olayın nispi zamanı temsil, ikinci iki ardışık tepe olaylar arasında detaylı hız çeşididir. Bu dosya üzerinde hız değişiminin grafiğini üretmek için Excel veya R alınabilirZaman ve uçuş aktivitesi desenleri görselleştirmek.
Sonuç olarak, bu sonuçlar, bu uçuş değirmen tasarımı kolayca ve başarıyla farklı böcek modellerinde etkinlik kalıplarını uçan bakarak davranışsal çalışmalar için veri toplamak için uygulanabilir olduğunu göstermektedir. Bu tür veriler, fizyoloji ve morfolojisi, örneğin bağımlı hareket şekilleri içinde bireysel varyasyonda araştırmak için kullanılabilir. Bu sonuçta bir bütün olarak nüfus etkileyen yiyecek arama veya göçmen aktivite gibi hareket desenleri bireysel varyasyon belirleyen altta yatan fizyolojik ve morfolojik özellikleri seyircilerden büyük anlayışlar sunabilir. Zamanla detaylı hız değişimi, kaynak tüketimi kalıplarını veya uçuş faaliyeti vücut parçası morfolojisi varyasyon etkilerini incelemek için bir araç sunan detaylı fizyolojik ve morfolojik ölçümleri ile kombinasyon halinde kullanılabilir.
Declarações
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. |
Referências
- 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).
