במנהרת רוח עבור ריח מתווכת מבחני התנהגותי חרקים
Summary
כאן, אנו מתארים את הבנייה ואת השימוש במנהרת רוח עבור ריח מתווכת מבחני התנהגותי עם חרקים. העיצוב מנהרת רוח מקלה על שחרורו של ריח מקורות באמצעות מספר שיטות, עם וללא גירויים חזותיים. מנהרת רוח ניסויים הם אמצעי חשוב לזיהוי כימיקלים נדיפים פעיל בהתנהגותו.
Abstract
חוש הריח הוא מנגנון החישה החשוב ביותר בו חרקים רבים אינטראקציה עם הסביבה שלהם ואת במנהרת רוח היא כלי מצוין ללמוד אקולוגיה כימית חרקים. חרקים ניתן לאתר מקורות הצבע בסביבה תלת ממדי באמצעות אינטראקציה חושית והתנהגות מתוחכמים. כימות של התנהגות זו היא גורם מפתח בפיתוח של כלים חדשים לתמיכה שליטה והחלטה המזיק. במנהרת רוח עם מקטע טיסה מתאימה עם זרימת אוויר למינריות, רמזים חזותיים לקבלת משוב בזמן הטיסה, מגוון אפשרויות של יישום ריחות יכול לשמש כדי למדוד התנהגות מורכבת אשר כתוצאה מכך עשוי לאפשר זיהוי אטרקטיבי או ריח דוחה, תכונות הטיסה חרקים, אינטראקציות visual-ריח, אינטראקציות בין attractants לבין ריחות מתמשכת כמו רקע ריחות בסביבה. במנהרת רוח מחזיקה היתרון של הלומדים לריח מתווכת רפרטואר התנהגותי של חרק באווירה מעבדה. אמצעים התנהגותי באווירה מבוקרת מספקים את הקישור בין פיזיולוגיה חרקים שדה יישום. במנהרת רוח להיות כלי גמיש ועל צריך לתמוך בקלות את השינויים ההתקנה והחומרה כדי להתאים שאלות מחקריות שונות. החיסרון העיקרי של הגדרת מנהרת רוח המתוארים כאן, הוא הרקע ריח נקי אשר מצריך תשומת לב מיוחדת בעת פיתוח תערובת נדיף סינתטי עבור שדה יישום.
Introduction
מנהרת הרוח היא כלי חשוב בלימודי אקולוגיה כימית חרקים המאפשרים בדיקות מעבדה של טיסה חרקים התגובות semiochemicals. על ידי שחרור ריחות לזרם רוח מבוקרת, תגובה התנהגותית של החרקים לגירויים אלו יכול ישירות לפקח על ידי לימוד הטיסה שלהם נגד הרוח לכיוון המקור. חוש הריח הוא מנגנון החישה החשוב ביותר בו חרקים רבים אינטראקציה עם סביבה ביוטיים שלהם1. חרקים להשתמש ריח רמזים כדי למצוא שותפים מתאימים להזדווגות. באופן דומה, הם משתמשים ריח זרי ממשאבים המארח כדי למצוא מזון עבור עצמם, או הצאצא. צמחים משחררים ריחות פרחוניים בשילוב עם פרסים צוף ואבקה כדי להבטיח האבקה חרקים יעילות. כל הסימנים נדיפים אלה מפוזר באופן. פסיבי לסביבה ויש חרקים לזהות ולפענח רלוונטיות בודדים שלהם. כפי שיכללו חומרים נדיפים משתחררים לסביבה, המולקולות לנסוע עם הרוח כמו חוטים, שמירה על ריכוז הראשונית למרחקים גדולים בכיוון הרוח, לפני בסופו של דבר להיות שבור, מדולל על ידי מערבולת ו דיפוזיה2. חרקים יכולים לזהות שינויים ב נדיפים אות ולכוון את התנועה שלהם נגד כיוון הרוח, לכיוון המקור. חרקים להציג התנהגות טיסה עם עליות מהר נגד הרוח במגע עם ריח מושך, השלכת לצדדים על אובדן להעביר את הריח הפלום3,4. הסידור משותפת לשפות אחרות של חוש הריח נוירונים בריכוזים sensilla של מחושיהם חרקים יכולים להקל על תגובות התנהגותיות תחילת ואובדן של הפלומה קשר יוצא דופן ברזולוציה גבוהה5 ולאפשר החרקים להבחין בין דומה ריח מולקולות שמקורן מקורות שונים6. משוב חזותי בעת הטיסה, הנקרא optomotor anemotaxis, הוא היסוד לזהות את כיוון הרוח, אובייקטים ותזוזה יחסית2,7. על ידי שימוש אינטראקציה חושית והתנהגות מתוחכמים, חרקים ניתן לאתר מקורות הצבע סביבה תלת-ממדי.
זיהוי חרקים והדברה יכול לקבל מספר היבטים חשובים יישומית. סקס פרומונים (אותות intraspecific) של חרקים מזיקים רבים יכול להיות מסונתז ושוחרר לאוויר לשבש את התנהגות החיזור8. פרומונים והן kairomones (אותות interspecific) יכול לשמש השמנה המונית, למשוך ולהרוג בפיקוח מלכודות כדי לתת מידע ישיר של מצב המזיק. דוחי חרקים, כגון יתושים9, יכול להילמד גם ב- bioassays מנהרת רוח. שיטות אלה למלא תפקיד חשוב של הדברה משולבת מערכות תומכות החלטה וניהול עבור החקלאים.
Bioassays מנהרת רוח, היכן ניתן לנטר הרפרטואר התנהגות בתיווך ריח של המין, היא שיטה חזקה כדי לזהות כלים חדשים פוטנציאליים הדברה להחליף או להפחית את ההשפעה של שימוש בחומרי הדברה.
ההיגיון התיאורטי מאחורי העיצוב מנהרת רוח הוא מתואר באופן יסודי10. כאן, אנו מתארים את הבנייה מנהרת רוח, ריח יישום והתנהגות טיסה שבו נעשה שימוש בכמה ניסויים כדי לקבוע את פרוטוקול bioassay של מנהרת רוח. מנהרת הרוח (איור 1) ב Nibio (Ås, נורבגיה) נבנית פוליקרבונט שקוף לגרד עמידים. הזירה הטיסה הוא 67 ס מ, 88 ס”מ ו 200 ס מ. מול הזירה הטיסה, יש מקטע נוסף פוליקרבונט, 30 ס”מ. חלק זה של מנהרת הרוח משמש מקטע השירות עבור היישום של ריחות. אם שיכללו חומרים נדיפים קשר עם פוליקרבונט הדיור בזירה הטיסה, הם בהמשך להיות פרסמה מחדש, לזהם בין ההפעלות. בקצה אחד של המקטע השירות, יש לכן רשת מתכת מחורר. שתי רשתות להגביל את זרימת האוויר, ליצור הלחץ קלה בצד נגד הרוח. התוצאה היא זרימה שכבתית מוגברת בצד הרוח. הרשת נגד הרוח עשוי פלטת מתכת מחורר עם חורים 8 מ”מ הפזורים באופן שווה חתך של התעלה כדי לספק 54% לפתוח אזור. הרשת הרוח יש חורים של 3 מ מ, 51% לפתוח אזור. זה מפחית את המערבולת, מבטיחה כי הריח הפלום נסיעות מרכזי לאורך הזירה הטיסה. הפלומה ריח יש הצורה של קונוס צר, ניתן לאבחן על ידי השימוש של עשן. בקומה של הטיסה עיגולים ארנה, פלסטיק או נייר בגדלים שונים (מ 5 עד 15 ס מ קוטר) פרוסים לתת משוב חזותי חרקים במהלך הטיסה. יש שם דלת גישה 25 ב- 50 ס מ בקצה נגד הרוח של הזירה טיסה ובמקטע השירות. הסוף הרוח של הזירה טיסה בין המקטע מסנן פליטה, יש אזור פתוח 60 ס מ עבור טיפול חרקים. אזור גישה זה מכוסה בצדדים עם בד 0.8 מ מ מרושת למניעת חרקים לברוח לתוך החדר.
האוויר נשאב לתוך מסנן הדיור הראשונה על ידי מעריץ. האוויר עובר דרך מסנן אבק לפני זה זה לטהר על-ידי קיבולת גבוהה 24 מסנני פחם פעיל ושוחררה במנהרה. האוויר יציאה המנהרה הוא עבר דיור המסנן דומה לפני ששוחרר חזרה אל החדר. זה יכול להיות מועיל למצות את האוויר אל מחוץ לבניין דרך ברדס fume… האוהדים על שני בתי מסנן מופעלים עם זרימה שווה. שני מאווררים יש מתג דימר רציפה, מכוילים במהירויות רוח שונים באמצעות של זרימה. מהירות אוויר היא תלויה המינים שנבדקו. s 30 ס מ-1 לעתים קרובות נקודת התחלה טובה. עבור חרקים קטנים, מהירות אוויר אידיאלי עשוי להצטמצם, עבור עלונים חזקה, המהירות יכול להיות גבוה יותר כדי להגדיל את המרחק היחסי הטיסה.
החדר מנהרת רוח מקלה על השליטה של טמפרטורה, לחות, עוצמת האור. רצועות LED ממוקמים מאחורי חלונית poly(methyl methacrylate) אטום 3 מ מ כדי ליצור מקור אור מפוזר מעל ומאחורי הזירה הטיסה. שני מקורות אור יכול להיות נשלט באופן עצמאי.
יישום ריח יכולה להיות מושגת על ידי מספר דרכים. באופן כללי, ריחות משתחררים לתוך זרימת האוויר במרכז סוף הזירה טיסה נגד הרוח. בהתאם שאלות המחקר שלפנינו, מנקודת השחרור יכול להיות חשוף או מכוסה. גליל זכוכית (10 ס מ קוטר, 12.5 ס”מ) עם רשת מתכת (2 × 2 מ מ רשת שינוי גודל) בצד הרוח יכול מבחינה ויזואלית יחסום את מקור הריח, במקביל לשמש כמשטח נחיתה עבור חרקים. בניסויים רבים, משטח זכוכית אופקי יכול לשמש להצגת מקורות ריח או אותות חזותיים קרוב מנקודת השחרור. יש גם ההזדמנות לשחרר שני ריחות במקביל, לצד זה, כדי להקל על הבחירה מבחני. הנקודות שחרור ממוקמות מכן 20 ס מ זו מזו, הריח נוצות חופפים בחצי דרך המנהרה. ניתן לזהות את הבחירה אז על ידי הפלומה אילו החרק עוקב נגד כיוון הרוח.
העיצוב מנהרת רוח מקלה על אינספור שיטות לשחרור נדיפים. לדוגמה, ריח מסוים יכול להשתחרר מול ריח רקע כגון הנפלטת יבול הצמח11,12. בנוסף, גירויים חזותיים שונים יכול להיות נבדק13,14. הגדרת הניסוי חייב להיות מותאם לכל השאלות מינים ומחקר.
מקורות ריח טבעי, כגון חלקי הצמח וריחות סינטטיים של מתקני החלוקה שיוכל ישירות אל תוך הזירה הטיסה. לבודד אותו ריח מתווכת התנהגויות של visual, אפשר לכסות את מקור הריח, או שיכללו חומרים נדיפים נשא אל תוך הזירה טיסה באמצעות אספקת האוויר פחם מעבדה מסוננים מבחוץ. מקור הריח מוחזק ואז בתוך צנצנת זכוכית, האוויר הוא דחף את הצנצנת לתוך מנהרת הרוח via טפלון צינורות, צינורות זכוכית. המהירות בנקודת שחרורו צריך להתאים את מהירות הרוח בזירה.
לשחרור ריחות-יחסי תערובת ספציפית, ריסוס יכול לשמש. המרסס הוא זרבובית קולי עם טיפ חרוט, של microbore שנוספו כדי להקל על זרימת הנוזל-µL 10 דקות-1. הצינור מחובר לגנרטור אולטראסוניות בפס רחב, הפועלת על 120 קילו-הרץ. מזרק משאבה דוחפת את הדגימה ריח לתוך הצינור ריסוס. Fluorinated אתילן פרופילן (FEP) אבובים עם 0.12 מ”מ קוטר פנימי הוא המחבר את המזרק gastight 1 מ”ל הזרבובית. מתאמים אבובים להתנפח אתנול, לכווץ באוויר, מאפשרים התאמה הדוקה עם אין נפח פנימי. גודל droplet תרסיס המופקים התנודות של הצינור תדירות תלויה, תלוי הממס ספציפי משמש. טיפות קטנות להתאדות, מובאים למטה מנהרת הרוח כמו שיכללו חומרים נדיפים. עיצובים ריסוס אחרים קיימים גם, גרסה זולה יותר ניצול של אלמנט פייזו מונע זכוכית נימי ומספק פתרון דומה15.
תערובות סינתטי או קראוון אוספים יכול לשמש עם המרסס. הדגימות הן מדולל עם אתנול טהור ריכוזי הרצוי. עם אוספים נדיפים, הדגימה יכול להיות מדולל לגרזנים הזמן אוסף. משמעות הדבר היא כי צריך להיות מדולל אוסף נדיף שנדגמו מעל 3 h כדי 1800 µL, אשר בכל פרסום תעריף המרסס ב µL 10 דקות-1 מקביל 3 h.
הזיהוי של ההתנהגות טיסה יכול להיעשות ישירות על-ידי התבוננות ידנית או הוק לאחר ניתוח וידאו. הטיסה בכיוון צריך להבחין בין טיסה אקראית. ריח מתווכת ניתן לזהות התנהגות לפי המאפיינים הבאים: הפלום זיג-זג טיסה מעבר לריח, טיסה ישר נגד הרוח כאשר בתוך הפלומה, ובחזרה לולאה אם המגע עם הפלומה אובד. על אובדן הפלומה אטרקטיבי, החרקים יכול גם להתחיל זיג-זג עם הגדלת קשתות להתחבר מחדש הפלומה לאיבוד3,4. התנהגות זו היא מהותית הגדרת השדה שבו החרקים בעקבות ריח מושך צריך להתמודד עם מערבולות ואת הסטה כיווני רוחות. התבנית הטיסה אינה אחידה והיא משתנה לאורך ההוראות חרקים. לדוגמה, עלונים חזקים כגון והמזוהמים יש כיוון נגד הרוח מהר יותר עם דפוס הליהוק רחב יותר מאשר עש, מהירות הרוח צריך להיות מוגברת כדי להקל על מסלול טיסה יחסית יותר זמן.
גם יכול להיות מצולמת הטיסה של חרק. עם מצלמה בודדת, תכונות הטיסה פשוטה יכולה להיות מתוארת על ידי זוממים את קואורדינטות y x16. באמצעות שתי מצלמות עם לכידת מסגרת מסונכרן, הטיסה 3D יכול להיות שיחזר באמצעות תוכנה חיצונית של17. מסלול הטיסה ניתן לנתח אז לתת מידע על מהירות טיסה, מרחק, הזוויות טיסה ביחס כיוון הרוח, פרטים אודות המאפיינים טיסה ביחס הפלומה ריח. יש ציוד מותאם אישית והמסחרי והן תוכנות הזמינות המאפשרים מעקב תמונה אוטומטי. המסגרות כיול אמור לשמש כדי להפנות בחלל העולם האמיתי, העדשות מרובע אמור לשמש כדי למזער את עיוותי עדשה. צריך לקחת טיפול להפחתת רעשי רקע חזותי, כגון בקצוות ובפינות בזירה מנהרת רוח, וכדי להגדיל את החרק על רקע אפליה. באמצעות מקור אור אינפרא-אדום, ההשתקפות (למשל., מפני יתושים ליליים) יכול להצטלם עם מצלמות CCD17בשחור-לבן.
Protocol
Representative Results
Discussion
מנהרת הרוח הוא כלי שימושי לזיהוי ריחות אטרקטיבי וגם דוחה חרקים רבים4,9. עם ידע קול של אקולוגיה, ביולוגיה, התנהגות של החרק למד, מאפייניו הטיסה ניתן לזהות בקלות, התנאים הסביבתיים, מהירות הרוח, גירויים חזותיים ויישום ריח ניתן להתאימו. מומלץ כאשר החל לצאת עם זן חד?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מ Tasin נתמכה על ידי המועצה למחקר השבדי לפיתוח בר-קיימא (Formas, גרנט 2013-934).
Materials
| Flight arena | any | NA | Construct to fit the filter housing |
| Filter housing x 2 | Camfill Farr | Contains the dust and charcoal filters | |
| Fan x 2 | Fischbach | Model D640/E35 | Silent fan with continous dimmer switch |
| Perforated grids | any | NA | Two different open areas are needed, e.g. 54 and 51% |
| Flowmeter | Swema air | Swema air 300 | Identifying the wind speed |
| Ultrasonic sprayer | SonoTek | Sprayer nozzle with conical tip and inserted microbore | |
| Broadband ultrasonic generator | SonoTek | Function generator | |
| Syringe pump | CMA microdialysis | CMA 102 | Liquid delivery |
| FEP tubing | CMA microdialysis | 0.12 mm inner diameter | |
| Tubing adaptors | CMA microdialysis | Connectors for zero internal volume | |
| Gastight syringe | any | NA | 1000 µL syringe for headspace collections and synthetic blends |
| Gastight syringe | any | NA | 1000 µL syringe for cleaning sprayer |
| Torch | any | NA | Small light source for checking sprayer release |
| Timer | any | NA | Timer with alarm function |
| Holder for insect release | any | NA | Metal construction |
| Lighting | any | NA | LED is preferable due to low heat production |
| Moisturiser | any | NA | Size depends on volume of wind tunnel room |
| Temperature control | any | NA | Temperture range depends on species |
| Glass tubes | any | NA | Tubes (2.8 cm diameter, 13 cm long) for insects |
| Snap cap | any | NA | Snap cap that fits the glass tube |
| Gauze | any | NA | Fabric to close the glass tube |
| Rubber band | any | NA | To hold gauze in place |
| Glass cylinder | any | NA | Cylinder for odour containment and landing platform (10 cm diameter, 12.5 cm long) |
| Glass jars | any | NA | Glass jars for dynamic headspace collection |
| Connectors and tubes | any | NA | Tubes and connectors depends on type of glass jars |
| Air supply | any | NA | From laboratory air or bottles |
| Charcoal filters | any | NA | For cleaning the outside air sypply |
| Vial | any | NA | Small vial with water to keep plant material fresh |
| Oven | any | NA | Heat metal and glassware to 300 degrees to decontaminate |
References
- Hansson, B. S., et al. . Insect olfaction. , (1999).
- Murlis, J., Elkinton, J. S., Cardé, R. T. Odor Plumes and How Insects Use Them. Annual Review of Entomology. 37, 505-532 (1992).
- Todd, J. L., Baker, T., Hansson, B. Ch. 3. Insect olfaction. , 67-96 (1999).
- Carde, R. T., Willis, M. A. Navigational strategies used by insects to find distant, wind-borne sources of odor. Journal of Chemical Ecology. 34 (7), 854-866 (2008).
- Baker, T. C., Fadamiro, H. Y., Cosse, A. A. Moth uses fine tuning for odour resolution. Nature. 393 (6685), 530 (1998).
- Bruce, T. J. A., Wadhams, L. J., Woodcock, C. M. Insect host location: a volatile situation. Trends in Plant Science. 10 (6), 269-274 (2005).
- Srinivasan, M. V., Zhang, S. W. Visual motor computations in insects. Annual Review of Neuroscience. 27, 679-696 (2004).
- Rhainds, M., Kettela, E. G., Silk, P. J. Thirty-five years of pheromone-based mating disruption studies with Choristoneura fumiferana (Clemens) (Lepidoptera: Tortricidae). Canadian Entomologist. 144 (3), 379-395 (2012).
- Sharpington, P. J., Healy, T. P., Copland, M. J. W. A wind tunnel bioassay system for screening mosquito repellents. Journal of the American Mosquito Control Association. 16 (3), 234-240 (2000).
- Baker, T. C., Linn, C. E., Hummel, H. E., Miller, T. A. . Techniques in pheromone research. , 75-110 (1984).
- Knudsen, G. K., Tasin, M. Spotting the invaders: A monitoring system based on plant volatiles to forecast apple fruit moth attacks in apple orchards. Basic and Applied Ecology. 16 (4), 354-364 (2015).
- Knudsen, G. K., Norli, H. R., Tasin, M. The ratio between field attractive and background volatiles encodes host-plant recognition in a specialist moth. Frontiers in Plant Science. 8, (2017).
- Aak, A., Knudsen, G. K. Sex differences in olfaction-mediated visual acuity in blowflies and its consequences for gender-specific trapping. Entomologia Experimentalis et Applicata. 139, 25-34 (2011).
- Thöming, G., Norli, H. R., Saucke, H., Knudsen, G. K. Pea plant volatiles guide host location behaviour in the pea moth. Arthropod-Plant Interactions. 8 (2), 109-122 (2014).
- El-Sayed, A., Godde, J., Arn, H. Sprayer for quantitative application of odor stimuli. Environmental Entomology. 28 (6), 947-953 (1999).
- Haynes, K. F., Baker, T. C. An analysis of anemotactic flight in female moths stimulated by host odour and comparison with the males’ response to sex pheromone. Physiological Entomology. 14 (3), 279-289 (1989).
- Spitzen, J., Takken, W. Keeping track of mosquitoes: A review of tools to track, record and analyse mosquito flight. Parasites and Vectors. 11 (1), (2018).
- Masante-Roca, I., Anton, S., Delbac, L., Dufour, M. -. C., Gadenne, C. Attraction of the grapevine moth to host and non-host plant parts in the wind tunnel: effects of plant phenology, sex, and mating status. Entomologia Experimentalis et Applicata. 122 (3), 239-245 (2007).
- Johansen, H., et al. Blow fly responses to semiochemicals produced by decaying carcasses. Medical and Veterinary Entomology. 28, 9 (2014).
- Paczkowski, S., Maibaum, F., Paczkowska, M., Schutz, S. Decaying Mouse Volatiles Perceived by Calliphora vicina Rob.-Desv. Journal of Forensic Sciences. 57 (6), 1497-1506 (2012).
- Aluja, M., Prokopy, R. J. Host odor and visual stimulus interaction during intratree host finding behavior of Rhagoletis pomonella flies. Journal of Chemical Ecology. 19 (11), 2671-2696 (1993).
- Reeves, J. Vision should not be overlooked as an important sensory modality for finding host plants. Environmental Entomology. 40 (4), 855-861 (2011).
- Knudsen, G. K., et al. Discrepancy in laboratory and field attraction of apple fruit moth Argyresthia conjugella to host plant volatiles. Physiological Entomology. 33 (1), 1-6 (2008).
- Aak, A., Knudsen, G. K., Soleng, A. Wind tunnel behavioural response and field trapping of the blowfly Calliphora vicina. Medical and Veterinary Entomology. 24, 250-257 (2010).
- Montgomery, M. E., Wargo, P. M. Ethanol and other host-derived volatiles as attractants to beetles that bore into hardwoods. Journal of Chemical Ecology. 9 (2), 181-190 (1983).
- Skals, N., Anderson, P., Kanneworff, M., Löfstedt, C., Surlykke, A. Her odours make him deaf: Crossmodal modulation of olfaction and hearing in a male moth. Journal of Experimental Biology. 208 (4), 595-601 (2005).
- Willis, M. A., Avondet, J. L., Zheng, E. The role of vision in odor-plume tracking by walking and flying insects. Journal of Experimental Biology. 214 (24), 4121-4132 (2011).
- Martel, J. W., Alford, A. R., Dickens, J. C. Laboratory and greenhouse evaluation of a synthetic host volatile attractant for Colorado potato beetle, Leptinotarsa decemlineata (Say). Agricultural and Forest Entomology. 7 (1), 71-78 (2005).
- Salvagnin, U., et al. Adjusting the scent ratio: using genetically modified Vitis vinifera plants to manipulate European grapevine moth behaviour. Plant Biotechnology Journal. 16 (1), 264-271 (2018).
