Meting van insecten ontstaan patronen vereist precisie. Bestaande systemen zijn alleen semi-automatische en steekproef-grootte is beperkt. We hebben behandeld deze kwesties door het ontwerpen van een systeem met behulp van microcontrollers precies meten de tijd van de totstandkoming van grote aantallen opkomende insecten.
Bestaande systemen voor het meten van insecten ontstaan patronen hebben beperkingen; zij zijn slechts gedeeltelijk geautomatiseerd en zijn beperkt in het maximum aantal opkomende insecten die ze kunnen detecteren. Met het oog op een nauwkeurige meting van insecten ontstaan, is het noodzakelijk voor systemen semi-automatische en kunnen voor het meten van grote aantallen van opkomende insecten. We deze kwesties aangepakt door het ontwerpen en bouwen van een systeem dat is geautomatiseerd en opkomst van maximaal 1200 insecten kan meten. We bewerkt de bestaande “vallen-bal” systeem met behulp van Arduino microcontrollers verzamelen van gegevens automatiseren en uitbreiden van de grootte van de steekproef via meerdere gegevenskanalen. Meerdere gegevenskanalen zodat de gebruiker kan niet alleen hun steekproefgrootte te verhogen, maar voorziet ook in meerdere behandelingen tegelijkertijd worden uitgevoerd in een enkel experiment. Bovendien, we gemaakt een R-script om automatisch de gegevens visualiseren als een zeepbel complot, terwijl ook het berekenen van de mediane dag en de tijd van opkomst. Het huidige systeem werd ontworpen met behulp van 3D printen, zodat de gebruiker het systeem worden aangepast voor verschillende soorten insecten kunt wijzigen. Het doel van dit protocol is te onderzoeken van belangrijke vragen in chronobiology en stress fysiologie, met behulp van deze nauwkeurige en geautomatiseerde systeem voor het meten van insecten ontstaan patronen.
Nauwkeurig meten van de timing van terrestrische insect opkomst in experimentele instellingen is notoir moeilijk en vereist een zekere mate van automatisering. Verschillende mechanismen zijn ontworpen in het verleden, waarin beide een “vallen-bal”-principe, met behulp van dalende ballen en sensoren, of een “bang-box” met behulp van een trechter-type systeem1,2,3. Er zijn twee beperkingen met bestaande ontwerpen: 1) de gegevensverzameling is slechts gedeeltelijk geautomatiseerd, en 2) monstergrootte of het aantal opkomende insecten die kunnen worden ontdekt is beperkt. Deze problemen verminderen de precisie van gegevensverzameling, die belangrijk is aan het bestuderen van de timing van eclosion en/of ontstaan patronen. We deze problemen aangepakt door het ontwerpen van een systeem dat is geautomatiseerd en niet beperkt door de grootte van de steekproef, waardoor de gebruiker beter opkomst ritmes in antwoord op het milieu signalen te visualiseren.
Ons systeem is een verbetering aan het beginsel van vallen-bal, waarvan de meest recente versie infrarood sensoren gebruikt om te ontdekken insect opkomst in stappen van zes minuten2. Ons systeem nog gebruikt infrarood sensoren, maar bevat ook een Arduino microcontroller om vast te leggen van de datum en tijd van elk evenement van de ontstaan tot op de dichtstbijzijnde seconde. Gegevens worden automatisch opgeslagen op een veilige digitale (SD) kaart, die kan worden geëxporteerd als een door lijstscheidingstekens gescheiden bestand voor analyse. De analyse is geautomatiseerd met behulp van een aangepaste R-script, dat zal de gegevens als een zeepbel complot grafiek en identificeren van de mediane tijd en de dag van opkomst.
Meerdere kanalen kunnen gebruikers meer flexibiliteit in de data-acquisitie. Bijvoorbeeld, onze meerdere Kanaalweergave niet alleen minimaliseert de impact van een “verstopte” sensor, maar kan ook worden gebruikt om de steekproefgrootte te verhogen. Bovendien kan meerdere kanalen de gebruiker te wijzen behandelingen om specifieke kanalen zodat zij kunnen gelijktijdig worden uitgevoerd in een experiment. Met behulp van alle zes kanalen voorziet in ongeveer 1200 opkomende bijen worden geregistreerd in een enkel experiment. Om onze kennis, dit is de grootte van de grootste steekproef van alle huidige systeem meten insect ontstaan en heeft ons toegestaan om te observeren boete-schaal ontstaan patronen in antwoord op het milieu signalen. Ons systeem is ten slotte profiteert van het feit dat de meerderheid van de onderdelen 3D afgedrukt zijn. Hierdoor juist formaat onderdelen, waardoor de kans op fouten (zoals detector verstopping) tijdens operaties. Het staat ook voor aanpassingen voor andere onderzoeksystemen.
Het doel van dit protocol is naar aangepaste animatie een precieze en geautomatiseerde systeem opgezet voor meting van insecten opkomst, om te onderzoeken in de chronobiology en stress fysiologie vragen. Dit systeem is geweest, en blijft van doorslaggevend belang, bij het onderzoeken van de onbeantwoorde vragen met betrekking tot insect ontstaan patronen in antwoord op het milieu signalen. Hier beschrijven we de vergadering en het gebruik voor de detectie van de opkomst van de alfalfa leaf-snijden bijen, Megachile rotundata in lab gebaseerde experimentele instellingen. Het systeem is geautomatiseerd met behulp van een programmeerbare microcontroller en aanpasbaar met behulp van 3D gedrukte delen. Gedrukte rekken houden in plaats buizen met bijen nest cellen na een metalen BB. Op de opkomst, is de metalen BB bevrijd van de rek, het passeren van een infrarood sensor die de datum en de tijd van opkomst naar een SD-kaart opname. Het huidige ontwerp is geoptimaliseerd voor M. rotundata, maar met kleine aanpassingen zou kunnen worden aangepast voor andere soorten insecten.
Presenteren we een protocol voor de vergadering en het gebruik van een systeem dat voor nauwkeurige meting van de timing van insecten ontstaan zorgt. Dit systeem is opgelost twee problemen, die vorige ontwerpen beperkte: gedeeltelijke automatisering en beperkte steekproefomvang. We deze problemen opgelost door het verzamelen van de gegevens met behulp van microcontrollers, waardoor ons vergroten van de omvang van het monster met behulp van meerdere kanalen ook automatiseren. Het huidige ontwerp heeft zes kanalen, die een totaal van 1200 bijen kunnen houden. Extra kanalen kunnen worden toegevoegd of afgetrokken indien nodig, niet alleen voor verhoogde steekproefgrootte, maar ook om de effecten van meerdere behandelingen tegelijkertijd te onderzoeken. Kritische stappen, wijzigingen, beperkingen en toekomstige toepassingen worden hieronder besproken.
Het enige deel van het systeem dat is niet geautomatiseerd is het laden van de rekken met brood cellen, metalen BBs en airsoft pellets aan het begin van het experiment. Hoewel de rekken zo ontworpen zijn dat ze leunen moet terug iets om te voorkomen dat metalen BBs vallen wanneer de rekken staan rechtop, zorg worden genomen bij het plaatsen van de rekken om te voorkomen dat de onbedoelde uitstoot van metalen BBs. Zorg er ook voor dat de rekken zijn gelijk met de rand van de plank, zodat het dalende traject van de metalen BB uitgelijnd op de landingsbaan. Tot slot, blad puin duidelijk van de baan moet worden afgeveegd en het onderstel houdt de metalen BBs uit eerdere experimenten moet worden gewist om te voorkomen dat het blokkeren van de sensor. Gegevens worden automatisch opgenomen op een SD-kaart als een CSV-bestand, en het script is geschreven, zodat de Arduino wordt niet uitgevoerd, tenzij een SD-kaart aanwezig is. Het gegevensbestand is in RStudio en gevisualiseerde met behulp van de eerder genoemde R script handmatig geïmporteerd. Dit script zal automatisch grafiek van de gegevens als een zeepbel complot en identificeren van de mediane tijd en de dag van opkomst. De Arduino script is geschreven evenement gegevens toevoegt aan het einde van het bestand, waardoor gegevens verloren gaan in geval van een stroomstoring. Dit betekent echter ook dat zodra gegevens wordt gewonnen uit de SD-kaart, alle bestanden moeten worden gewist voordat de volgende experiment.
Wijzigingen aan de SketchUp-bestanden kunnen worden aangebracht om de grootte van de rekken voor insecten van verschillende maten, met verschillende grootte buizen worden gebruikt in de gemodificeerde rekken. Bovendien is de grootte van de airsoft pellet is belangrijk, omdat het voorkomt het insect uit de buis te verlaten, en pellets, van verschillende grootte kunnen ook nodig zijn. Een breed scala aan wijzigingen kan worden gemaakt aan de R-script om het uiterlijk van de zeepbel percelen en andere grafische parameters wijzigen.
We verlaagd het risico van valse positieven door code te schrijven een ontdendering die een bepaald kanaal gedurende één seconde schakelt nadat een metaal die BB is gedetecteerd waardoor een enkele metalen BB niet worden meegeteld als meerdere gegevenspunten. Hoewel, dit biedt de mogelijkheid van een gegevenspunt als veel bijen tegelijk komen wordt gemist, maar het feit dat de kanalen zijn onafhankelijke vermindert dit risico. Een andere beperking van het huidige systeem is dat afzonderlijke gegevenspunten zijn niet waarneembaar, dat wil zeggen, een dalende metaal BB niet te herleiden naar een specifiek individu. Bovendien, het huidige systeem meet opkomst maar niet eclosion ritmes in de M. rotundata, maar zou meten eclosion ritmes in soorten waar de opkomst en eclosion synoniem zijn. Tenslotte is het huidige ontwerp niet weerbestendig, beperking van het gebruik ervan aan gecontroleerde omgevingen.
Toekomstige toepassingen zijn onder andere onderzoek naar de effecten van andere abiotische en biotische milieu signalen voor timing ontstaan van M. rotundata. Bovendien, omdat insecten uiteenlopende omgevingen bezetten, relevante milieu signalen variëren tussen soorten. Opneming van meer insecten soorten is dus belangrijk om te onderzoeken hoe circadiane systemen ontwikkeld over taxa. Weinig er is bekend over hoe developmental voorwaarden invloed op de timing van volwassen ontstaan; Daarom kan ons systeem worden gebruikt om te ontcijferen van de effecten van behandelingen op ontstaan. Bovendien, combinaties van milieu signalen kunnen beïnvloeden insect reacties, dus op toekomstige experimenten meerdere milieu signalen te begrijpen hun relatieve gevolgen van de opkomst te nemen. Tot slot, de implementatie in het veld om te observeren hoe natuurlijke instellingen bemiddelen opkomst ritmes is van belang. Het gebruiksgemak van dit systeem, en de unieke combinatie van additieve productie, open-source programmering en waarneembare biologische eigenschappen, maken een kandidaat voor gebruik in een educatieve omgeving.
The authors have nothing to disclose.
Wij willen erkennen voor hun nuttige feedback over experimenten met behulp van het beschreven systeem de Insect cryobiologie en ecofysiologie werkgroep in Fargo, ND.
PLA printer filament | www.lulzbot.com | various | Catalog number varies by color |
0.5 mL microcentrifuge tubes | www.daigger.com | EF4254C | |
4.5 mm size "bb" metal pellets | www.amazon.com | B00419C1IA | Daisy 4.5 mm metal size bb pellets |
6.0 mm plastic "softair" pellets | www.amazon.com | B003QNELYE | Crosman 6 mm airsoft pellets |
Plastic corregated sheet | www.lowes.com | 345710 | Corrugated plastic sheet |
Infrared emmiter/detector pair | www.amazon.com | B00XPSIT3O | 5 mm diameter, 940 nm wavelength |
120 ohm resisitors | www.amazon.com | B01MSZK8DV | 120 ohm, 1/4 watt |
22 GA hookup wire | www.adafruit.com | 1311 | |
RJ45 jacks | www.sparkfun.com | PRT-00643 | |
Custom PCB board | www.pcbexpress.com | n/a | Can be printed from files included in the supplimental data |
Arduino Nano v 3.0 | www.roboshop.com | RB-Gra-01 | |
SD card module | www.amazon.com | DFR0071 | DFRobot SD card module |
Real Time Clock module | www.adafruit.com | 264 | DS1307 real time clock breakout board |
Temperature/humidity sensor | www.tinyosshop.com | G4F4494F29ED05 | DHT11 temperature/humidity sensor on breakout board |
470k ohm resistors | www.amazon.com | B00EV2R39Y | |
Female headers | www.adafruit.com | 598 | Break off to desired length |
Male headers | www.adafruit.com | 392 | Break off to desired length |
Ribbon wire | www.amazon.com | B00X77964O | 10 wire ribbon wire with connectors |
LCD screen | www.adafruit.com | 198 | |
Cat6 cable | www.amazon.com | B00N2VISLW | |
SD card | www.amazon.com | B00E9W1URM |