Аэродинамической трубе для запаха при посредничестве насекомых поведенческих анализов
Summary
Здесь мы описываем, строительство и использование аэродинамической трубе для запаха опосредованного поведения анализов с насекомыми. Аэродинамическая конструкция облегчает освобождение запах источников несколькими методами, с и без зрительных раздражителей. Аэродинамической эксперименты являются важными методами для определения функционально активных летучих химических веществ.
Abstract
Обоняние является наиболее важных чувств механизм многих насекомых взаимодействуют с окружающей их средой и аэродинамической трубе является отличным инструментом для изучения химическая Экология насекомых. Насекомые могут найти точечных источников в трехмерной среде через сенсорные взаимодействия и сложное поведение. Количественная оценка такого поведения является ключевым элементом в разработке новых инструментов для вредителей контроля и поддержки принятия решений. Аэродинамической трубе с разделом подходящий рейс с ламинарного воздушного потока, visual сигналы для бортового обратной связи и разнообразные возможности для применения запахи могут быть использованы для измерения сложного поведения, который впоследствии может позволить выявить привлекательные или репеллент запахи, насекомое летные характеристики, visual запах взаимодействия и взаимодействия между аттрактанты и запаха затяжной как фон запахи в окружающей среде. Аэродинамической держит преимущество изучения запаха при посредничестве поведенческие репертуар насекомого в лабораторных условиях. Поведенческие меры в контролируемых условиях обеспечивают связь между физиологии насекомых и области применения. Аэродинамической трубе должно быть гибким инструментом и должны легко поддерживать изменения в установки и оборудование для исследования различных вопросов. Основным недостатком в аэродинамической установки, описанных здесь, это фон чистый запах, который требует особого внимания при разработке синтетических летучие смеси для применения в полевых условиях.
Introduction
В ветровом туннеле является важным инструментом в исследованиях химическая Экология насекомых, которые позволяют лабораторные испытания ответы насекомых полет на semiochemicals. Выпуская запахи в контролируемых ветер поток, насекомых поведенческие реакции на эти стимулы могут отслеживаться непосредственно, изучая их наветренной полет к источнику. Обоняние является наиболее важным механизмом чувств, в которой многие насекомые взаимодействуют с их биотического окружающей среды1. Насекомых использовать запах подсказки для поиска подходящих партнеров для спаривания. Аналогичным образом они используют запах букеты из ресурсов узла чтобы найти пищу для себя, или потомство. Растения релиз цветочные запахи в сочетании с нектара и пыльцы награды для обеспечения эффективности насекомых опыление. Все эти сигналы летучих диффузного пассивно в окружающую среду и насекомых необходимо определять и интерпретировать их индивидуальные значения. Как летучих веществ выбрасываются в окружающую среду, молекулы путешествия с ветром как нитей, сохраняя начальной концентрации на большие расстояния по ветру, прежде чем в конечном итоге разобран и разбавлена турбулентности и диффузии2. Насекомые могут обнаружить малейшие изменения в летучих сигнала и направить их движение против ветра, к источнику. Насекомых отображения рейса поведение с быстро наветренной скачков при контакте с привлекательный запах, и литье боком на потерю переехать запах шлейфа3,4. Организация совместного локализованных обонятельных нейронов в членистоногих насекомых антенн можно облегчить поведенческих реакций в наступление и потери контактов шлейфа с замечательным высоким разрешением5 и включить насекомых различать подобные запах молекулы, поступающих из различных источников6. Визуальную обратную связь во время в полете, называется optomotor anemotaxis, имеет основополагающее значение для определения направления ветра, объектов и относительного смещения2,7. С помощью сенсорного взаимодействия и сложное поведение насекомых можно найти точечных источников в трехмерной среде.
Выявление аттрактантов насекомых и репелленты могут иметь несколько важных прикладных аспектов. Секс феромоны (внутривидовой сигналы) многих насекомых-вредителей могут быть синтезированы и выпустили в воздух, чтобы сорвать сопрягая поведение8. Феромоны и кайромонов (межвидовой сигналы) могут быть использованы для массового треппинга, привлекают и убить в мониторинге ловушки, чтобы дать прямую информацию о статусе вредителей. Средства от насекомых, таких как комары9, также могут изучаться в аэродинамической трубе bioassays. Эти методы играют важной частью комплексной борьбы с вредителями поддержки систем управления и решения для фермеров.
Аэродинамической bioassays, где запах опосредованного поведения репертуар вида может контролироваться, это мощный метод для выявления потенциальных новых инструментов для борьбы с вредителями для замены или смягчения последствий использования пестицидов.
Теоретическое обоснование аэродинамической конструкции является подробно описаны10. Здесь мы описываем аэродинамической конструкции, запах приложения и рейс поведения, который был использован в нескольких экспериментов для определения аэродинамической биопроб протокола. Аэродинамической трубе (рис. 1) в Nibio (Ås, Норвегия) изготовлен из прозрачного поликарбоната к царапинам. Рейс Арена — 67 см высотой, 88 см шириной и длиной 200 см. Перед полета Арена есть раздел Дополнительные поликарбоната, 30 см длиной. Эта часть аэродинамической служит раздел Утилита для применения запахов. Если летучих получить контакт с поликарбоната жилье в рейс Арена, они могут впоследствии быть переиздан и загрязнять между сессиями. На каждом конце раздела утилита поэтому существует перфорированной металлической сеткой. Обе сетки ограничить поток воздуха и создать небольшое избыточное давление на наветренной стороне. Это приводит к увеличению ламинарного потока на подветренной стороне. Наветренной решётка изготовлена из перфорированной металлической пластины с 8 мм отверстия равномерно рассредоточены по поперечное сечение туннеля для обеспечения что 54% открытая площадка. По ветру сетка имеет отверстий 3 мм и 51% открытая площадка. Это уменьшает турбулентность и гарантирует, что запах шлейфа путешествия централизованно вниз по длине на арене полета. Шлейф запаха будет иметь форму узкий конус и могут быть визуализированы с помощью дыма. На полу рейса Арена, пластик или бумага кругов различных размеров (от 5 до 15 см в диаметре) изложены дать насекомых визуальную обратную связь во время полета. Существует 25 x 50 см дверца на наветренной конце полета арены и в разделе утилиты. Между ветру окончания рейса Арена и секцией фильтра выхлопных газов есть открытая площадка 60 см для насекомых обработки. Этот доступ область покрыта по бокам с 0,8 мм отверстиями ткани, чтобы предотвратить насекомых, спасаясь в комнату.
Воздух поступает в первый корпус фильтра с помощью вентилятора. Воздух проходит через фильтр пыли, прежде чем он очищается 24 высокой емкости активные Фильтры угольные и выпущен в туннеле. Воздух, выход из туннеля проходит через аналогичный корпус фильтра перед освобождением обратно в комнату. Это может быть полезным для вытяжного воздуха снаружи здания через вытяжной шкаф. Вентиляторы на обоих корпусы запускаются с равными потока. Оба вентилятора имеют непрерывный диммер и калибруются на различных скоростях ветра с помощью расходомера. Скорость воздуха зависит от видов испытания. s 30 см-1 часто является хорошей отправной точкой. Для мелких насекомых идеальная скорость воздуха может быть уменьшен, и для сильной листовки, скорости полета может быть выше, чтобы увеличить расстояние относительного рейса.
Номер аэродинамической облегчает контроль температуры, влажности и освещенности. Светодиодные полосы размещены позади непрозрачной poly(methyl methacrylate) панель 3 мм для создания диффузного источника света выше и позади Арены полета. Как источники света можно управлять независимо.
Запах приложения можно достичь несколькими способами. Как правило запахов выпускаются в воздушный поток в центре наветренной окончания рейса Арена. В зависимости от исследования вопросов под рукой точки выхода может быть воздействию или покрыты. Стеклянный цилиндр (диаметр 10 см, длиной 12,5 см) с металлической сеткой (2 × 2 мм размер сетки) на подветренной стороне визуально может блокировать источник запахов и в то же время служить в качестве целевой платформы для насекомых. В многих экспериментов горизонтальный стекла платформа может использоваться для представления источников запаха, или визуальных сигналов недалеко от точки выхода. Существует также возможность освободить двух запахов в то же время, бок о бок, чтобы облегчить выбор анализов. Точки выхода затем помещаются 20 см друг от друга и запах шлейфов перекрываются с полпути вниз туннеля. Выбор может быть идентифицированы, который шлейфа насекомых после против ветра.
Аэродинамическая конструкция облегчает многочисленные летучие релиз методы. Например со специфическим запахом могут быть освобождены перед фон запах, такие как излучаемый11,урожай растений12. Кроме того различные визуальные раздражители могут быть протестированных13,14. Экспериментальной установки должны быть адаптированы для каждого вида и исследований вопрос.
Естественный запах источников, таких как части растений и синтетического запаха от колонок могут быть введены непосредственно в арену полета. Чтобы изолировать запах опосредованного поведения от visual, источник запахов могут быть покрыты или летучих веществ осуществляется на арену рейс через уголь отфильтрованных Лаборатория подачи воздуха извне. Затем источник запахов ограничивается стеклянную банку, и воздух выталкивается через jar в аэродинамической трубе через стекло и тефлоновые трубки. Скорость полета на момент освобождения должен соответствовать скорости ветра на арене.
Выпустить запахов на конкретные смесь отношения, может использоваться опрыскивателя. Опрыскиватель является ультразвуковые сопло с коническим наконечником и вставленные microbore для облегчения потока жидкости в 10 мкл мин-1. Сопло подключен к широкополосной ультразвуковой генератор и работает на 120 кГц. Шприцевой насос толкает образца запаха в сопло опрыскивателя. Фторированные этилена пропилена (FEP) трубки с внутренним диаметром 0,12 мм подключается Газонепроницаемая шприц 1 мл и сопла. Трубы адаптеров, которые набухают в этаноле и сжать в воздухе, облегчить обтягивающие не внутренним объемом. Размер капельки аэрозоля, создаваемые вибрации сопла зависит от частоты и зависит от конкретных растворителя используется. Маленькие капельки испаряются и принесены вниз аэродинамической как летучих веществ. Существуют также и другие проекты, распылитель и более дешевая версия, используя управляемые стеклянные капиллярные пьезо предоставляет аналогичные решения15.
Синтетических смесей или headspace коллекции может использоваться с распылителем. Образцы разрежаются с чистого этанола до требуемой концентрации. С нестабильной коллекций образец может быть разбавлен соответствуют время сбора. Это означает, что коллекцию летучих, отведать свыше 3 h следует разбавить до 1800 мкл, который на момент выпуска соответствует ставка от распылителя на 10 мкл мин-1 до 3 ч.
Определение поведения рейс может быть сделано непосредственно ручной наблюдения или post hoc анализа видео. Ориентированных на рейс следует отличать от случайных полета. Запах опосредованного поведения могут быть признаны следующими характеристиками: Зиг заг перелет через запах шлейфа, прямо наветренной полета внутри факела, и цикл обратно, если контакт с шлейфа теряется. После потери привлекательным шлейфа насекомых может также начать Зиг заг с увеличением арки восстановить потерянные шлейфа3,4. Это поведение является основополагающим в поле параметр где насекомых после привлекательный запах нужно справиться с турбулентности и изменение направления ветра. Схемы полета не является равномерным и варьируется в разных насекомых заказы. Например сильный листовки как blowflies имеют быстрее наветренной ориентации с широкой литья узором чем моли, и скорость ветра должна быть увеличена до содействия более длинный путь относительный полета.
Полета насекомых также может быть снят. С одной камерой можно описать простой лётные характеристики печати координаты y x16. Используя две камеры с синхронизированной захват экрана, 3D рейс могут быть восстановлены с помощью внешнего программного обеспечения17. Рейс Трек затем могут быть проанализированы давать информацию о скорость полета и расстояния, углы рейса в отношении направления ветра и подробности о лётных характеристик применительно к шлейф запаха. Есть пользовательские и торговое оборудование и программное обеспечение которое включить автоматическое отслеживание кадра. Калибровка кадры должны использоваться для ссылки на реальный мировое пространство, и прямолинейных широкоугольной линзы должны использоваться для сведения к минимуму искажения объектива. Для уменьшения визуальных фоновый шум, как кромки и углы в аэродинамической трубе Арена и максимизировать насекомых на фоне дискриминации следует соблюдать осторожность. С помощью инфракрасного источника света, отражение (например., от ночные комары) может быть снят с Монохромная CCD камеры17.
Protocol
Representative Results
Discussion
В ветровом туннеле является полезным инструментом для выявления привлекательных и репелленты запахов для многих насекомых4,9. С глубокими знаниями об экологии, биологии и поведения насекомых изучал его летные характеристики могут быть легко идентифици?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
М. Tasin было поддержано Советом Швеции исследования устойчивого развития (анкетах, гранта 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).
