Met behulp van vlucht molens te meten vlucht neiging en prestaties van de westerse maïs wortel worm, Diabrotica maïswortelboorder virgifera maïswortelboorder virgifera (Leconte)
Summary
Vlucht molens zijn belangrijke hulpmiddelen om te vergelijken hoe leeftijd, geslacht, parings status, temperatuur of verschillende andere factoren het vluchtgedrag vaneen insect kunnenbeïnvloeden. Hier beschrijven we protocollen om Tether en meten de neiging van de vlucht en de prestaties van de westerse maïs wortel worm onder verschillende behandelingen.
Abstract
De westelijke maïs wortel worm, Diabrotica maïswortelboorder virgifera maïswortelboorder virgifera (Leconte) (Coleoptera: Chrysomelidae), is een economisch belangrijke plaag van maïs in het noorden van de Verenigde Staten. Sommige populaties hebben resistentie ontwikkeld tegen beheersstrategieën, waaronder transgene maïs die insecticide toxines produceert die zijn afgeleid van de bacterie Bacillus thüriensis (BT). Kennis van westerse maïs wortel worm dispertie is van cruciaal belang voor modellen van weerstand evolutie, verspreiding, en mitigatie. Vluchtgedrag van een insect, vooral over een lange afstand, is inherent moeilijk te observeren en karakteriseren. Vlucht molens bieden een middel om direct te testen van de ontwikkeling en fysiologische effecten en de gevolgen van de vlucht in het laboratorium dat niet kan worden verkregen in veldstudies. In deze studie werden vlucht molens gebruikt om de timing van de vlucht activiteit, het totale aantal vluchten en de afstand, duur en snelheid van vluchten die door vrouwelijke wortel wormen werden genomen tijdens een testperiode van 22 uur te meten. Zestien vlucht molens werden ondergebracht in een milieu kamer met programmeerbare verlichting, temperatuur en vochtigheidscontrole. De beschreven vlucht molen is van een typisch ontwerp, waarbij een vluchtarm vrij is om over een centraal draaischarnier te roteren. De rotatie wordt veroorzaakt door een vlucht van een insect dat aan één uiteinde van de vluchtarm is vastgebonden en elke rotatie wordt door een sensor met een tijdstempel geregistreerd. RAW-gegevens worden gecompileerd door software, die vervolgens worden verwerkt om samenvattings statistieken te verstrekken voor vlucht parameters die van belang zijn. De moeilijkste taak voor elke vlucht molen studie is de bevestiging van de Tether aan het insect met een lijm, en de gebruikte methode moet worden afgestemd op elke soort. De bevestiging moet sterk genoeg zijn om het insect in een stijve oriëntatie te houden en om loslating tijdens beweging te voorkomen, terwijl het de natuurlijke vleugel beweging tijdens de vlucht niet verstoort. Het bevestigingsproces vereist Behendigheid, finesse en snelheid, waardoor videobeelden van het proces voor wortel wormen van waarde worden.
Introduction
De westelijke maïs wortel worm, Diabrotica maïswortelboorder virgifera maïswortelboorder virgifera Leconte (Coleoptera: Chrysomelidae), werd geïdentificeerd als een plaag van gecultiveerde maïs in 19091. Tegenwoordig is het de belangrijkste plaag van maïs (Zea mays L.) in de U.S. Corn Belt, met larvale voeding op maïs wortels waardoor het grootste deel van het verlies van de opbrengst in verband met deze plaag. De jaarlijkse kosten voor het beheer en maïs productieverliezen als gevolg van maïs wortel worm worden geschat op $1.000.000.0002overschrijden. De Western Corn root worm is zeer aanpasbaar, en populaties hebben resistentie ontwikkeld tegen meerdere management strategieën, met inbegrip van insecticiden, gewasrotatie, en transgene BT Corn3. Het bepalen van de ruimtelijke dimensies waarop tactieken moeten worden toegepast om de lokale ontwikkeling van resistentie te beperken, of een weerstands hotspot, is afhankelijk van een beter begrip van dispertie4. Mitigatiemaatregelen zullen niet succesvol zijn als ze beperkt zijn tot te klein van een ruimtelijke schaal rond een weerstands hotspot, omdat resistente volwassenen buiten het mitigatie gebied5zullen dispergeren. Het begrijpen van vluchtgedrag van Western Corn root worm is belangrijk om effectieve resistentiemanagement plannen voor deze plaag te creëren.
Verspreiding door de vlucht speelt een belangrijke rol in de volwassen westerse maïs wortel worm levensgeschiedenis en ecologie6, en de vluchtgedrag van deze plaag kan worden bestudeerd in het laboratorium. Er kunnen verschillende methoden worden gebruikt om het vluchtgedrag in het laboratorium te meten. Een actograph, die de vlucht in een verticaal vlak beperkt, kan de hoeveelheid tijd meten die een insect tijdens de vlucht uitoefent. Actografen zijn gebruikt om de vluchtduur en de periodieke patronen van de westerse maïs wortel worm mannetjes en vrouwtjes te vergelijken met verschillende leeftijden, lichaamsmaten, temperaturen, insecticide gevoeligheid en insecticide blootstelling7,8, 9. Flight tunnels, die bestaan uit een tracking kamer en gestuurde luchtstroom, zijn vooral nuttig voor het onderzoeken van het gedrag van insecten vliegen bij het volgen van een geur pluim, zoals kandidaat feromone-componenten10 of plant-vluchtige stoffen11. Vlucht molens zijn misschien wel de meest voorkomende methode voor laboratorium studies van insecten vluchtgedrag en kan verschillende aspecten van de vlucht neiging en prestaties karakteriseren. Laboratorium vlucht molens zijn gebruikt in studies van de westerse maïs wortel worm te karakteriseren neiging om korte en aanhoudende vluchten evenals hormonale controle van aanhoudende vlucht12,13.
Flight Mills bieden een relatief eenvoudige manier om insecten vluchtgedrag onder laboratoriumomstandigheden te bestuderen door onderzoekers in staat te stellen verschillende vlucht parameters te meten, waaronder periode snelheid, afstand en duur. Veel van de vandaag gebruikte vlieg molens zijn afgeleid van de rotondes van Kennedy et al.14 en Krogh en Weis-Fogh15. Vlucht molens kunnen verschillend zijn in vorm en grootte, maar het basisprincipe blijft hetzelfde. Een insect wordt aangebonden en gemonteerd op een radiale horizontale arm die vrij is om te roteren, met minimale wrijving, over een verticale as. Als het insect naar voren vliegt, is het pad beperkt tot cirkelen in een horizontaal vlak, waarbij de afgelegde afstand per rotatie wordt bepaald door de lengte van de arm. Een sensor wordt meestal gebruikt om elke rotatie van de arm veroorzaakt door de vlucht activiteit van het insect te detecteren. Onbewerkte gegevens omvatten rotaties per tijdeenheid en tijd van de vlucht van de dag is opgetreden. De gegevens worden in een computer ingevoerd voor opname. Gegevens van meerdere vlucht molens worden vaak parallel, in essentie tegelijkertijd, geregistreerd, waarbij de banken van 16 en 32 vlieg molens gebruikelijk zijn. De onbewerkte gegevens worden verder verwerkt door aangepaste software om waarden te leveren voor variabelen zoals vliegsnelheid, totaal aantal afzonderlijke vluchten, afstand en duur gevlogen, enzovoort.
Elke insectensoort is verschillend als het gaat om de beste methode voor Tethering vanwege morfologische variabelen zoals de totale grootte, grootte en vorm van het doelgebied voor het bevestigen van de Tether, zachtheid en flexibiliteit van het insect, de behoefte en de methode voor anesthetisering, potentieel voor het vervuiling van de vleugels en/of hoofd met misplaatste of overloop lijm, en veel, veel meer details. In de gevallen van gevisualiseerde Tethering van een plataspid bug16 en een Ambrosia Beetle17, de respectieve doelgebieden voor Tether gehechtheid zijn relatief groot en vergevingsgezind van onnauwkeurige lijm plaatsing omdat het hoofd en de vleugels zijn enigszins goed gescheiden van de bevestigings plaats. Dit is niet te bagatelen de moeilijkheid van het binden van deze insecten, die eist voor elke soort. Maar de westelijke maïs wortel worm is een bijzonder uitdagend insect om Tether: de halsschild is smal en kort, waardoor zeer nauwkeurige bevestiging met een minimale hoeveelheid lijm (tandheelkundige Wax in dit geval) noodzakelijk om interferentie met de opening van de Elytra te voorkomen voor de vlucht en met het hoofd, waarbij contact met de ogen of antennes het gedrag kan beïnvloeden. Tegelijkertijd moet de Tether stevig worden bevestigd om te voorkomen dat deze sterke flyer wordt verlodder. De demonstratie van het Tethering van root worm volwassenen is het belangrijkste aanbod in dit document. Het zou van nut moeten zijn voor anderen die met deze of soortgelijke insecten werken, waar de methode die hier is gevisualiseerd, een nuttige optie zou kunnen zijn.
Dit artikel beschrijft methoden die worden gebruikt om effectief Tether en karakteriseren de vlucht activiteit van de westerse maïs wortel worm volwassenen die werden gekweekt op verschillende larvale dichtheden. De vlucht molens en software die in deze studie werden gebruikt (Figuur 1) werden afgeleid van ontwerpen die op het Internet werden geplaatst door Jones et al.18 Tethering-technieken werden gewijzigd van de beschrijving in Stebbing et al.9 een array van 16 vlucht molens was gehuisvest in een milieu kamer, ontworpen om de verlichting, vochtigheid en temperatuur te regelen (Figuur 2). Met behulp van deze of soortgelijke setup samen met de volgende technieken testen factoren die van invloed kunnen zijn op de neiging van de vlucht en de prestaties van de westerse maïs wortel worm, met inbegrip van leeftijd, geslacht, temperatuur, photoperiod, en vele anderen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het karakteriseren van het vluchtgedrag van de West-maïs wortel worm is belangrijk voor het bedenken van effectieve resistentie beheersplannen. Vluchtgedrag van deze plaag is bestudeerd in het laboratorium met behulp van verschillende methoden, waaronder actografen, vlucht tunnels, en vlucht molens. Vlucht molens, zoals beschreven en geïllustreerd in dit document, laten insecten toe om ononderbroken vluchten te maken, zodat onderzoekers vlucht parameters zoals afstand, duur, frequentie en snelheid van individuele vluch…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
E.Y.Y. Graduate assistentschap werd gesteund door de National Science Foundation I/ucrc, het Center for arthropod Management Technologies, onder Grant No. IIP-1338775 en industriepartners.
Materials
| Butane multi-purpose lighter | BIC | UXMPFD2DC | To soften wax when tethering |
| Clear polystyrene plastic vial (45-ml) | Freund Container and Supply | AS112 | To hold beetle while anesthetizing |
| Dehydrated culture media, agar powder | Fisher Scientific | S14153 | To make agar for holding moisture for adults |
| Delrin rod (1" diameter, 3.75" long) | Many suppliers: can use cheapest on the internet. | For post of flight mill | |
| Dental wax | DenTek | 47701000335 | Adheres wire tether to prothorax |
| Ferrite ring magnets (OD: 0.69”, ID: 0.29”, Thickness: 0.118”; 7oz pull) | Magnet Shop | 63B06929118 | Opposing – to generate the float. |
| Hall effect sensor | Optikinc | OHN3120U | Look under magnetic sensors on the left side of the Optekinc website then look for the part number. A link is given for current suppliers. |
| Hypodermic tubing (22 gauge; 0.0358” OD x 0.01975” ID x 0.004” wall) | Small Parts, Inc. | HTX-22T-12 | Used for flight mill arms and main axis rod. |
| Incubator (104.1 x 85.4 x 196.1 cm) | Percival Scientific | I-41VL | |
| LabVIEW Full Development System software, system-design platform | National Instruments (See http://www.ni.com/en-us/shop/labview/select-edition.html) | LabVIEW 2018 (Full Edition) | Provides environment needed to run flight mill files (.vi extensions) available for download from Jones et al.18 at http://entomology.tfrec.wsu.edu/VPJ_Lab/Flight-Mill. LabVIEW 2018 Full is compatible with Win/Mac/Linux operating systems. |
| Mesh cage (18 x 18 x 18 cm) | MegaView Science Co. Ltd. | BugDorm-4M1515 | mesh size = 44 x 32, 650 µm aperture |
| Needle tool | BLICK | 34920-1063 | For scoring soil surface for egg laying in laboratory |
| Nickel ring magnets (3/16” OD x 1/16” ID x: 1/16” thick) | K&J Magnetics | R311 | Used to trigger the digital hall effect sensor. |
| Petri dish (100 mm x 15 mm) | Fisher Scientific | S33580A | |
| Plastic container (44-ml) | Dart | 150PC | For initial rearing of young larvae |
| Plastic container (473-ml) | Placon | 22885 | For rearing of older larvae |
| Round brush (size 2) | Simply Simmons | 10472906 | For transferring freshly hatched neonates to surface of roots |
| Sieve (250-µm) | Fisher Scientific | 08-418-05 | To separate eggs from soil |
| Steel wire (28-gauge) | The Hillman Group | 38902350282 | |
| Teflon rod (3/8" diameter, 3/4" length) | United States Plastic Corporation | 47503 | To accept the rotating arm. |
| Vacuum | Gast Manufacturing, Inc. | 1531-107B-G288X | For aspirating adults in laboratory |
| White poly chiffon fabric | Hobby Lobby | 194811 | To prevent escape of larvae from rearing container |
References
- Gillette, C. P. Diabrotica virgifera Lec. as a corn root-worm. Journal of Economic Entomology. 5 (4), 364-366 (1912).
- Rice, M. E. Transgenic rootworm corn: assessing potential agronomic, economic, and environmental benefits. Plant Management Network. , (2004).
- Gray, M. E., Sappington, T. W., Miller, N. J., Moeser, J., Bohn, M. O. Adaptation and invasiveness of western corn rootworm: Intensifying research on a worsening pest. Annual Review of Entomology. 54 (1), 303-321 (2009).
- Martinez, J. C., Caprio, M. A. IPM use with the deployment of a nonhigh dose Bt pyramid and mitigation of resistance for western corn rootworm (Diabrotica virgifera virgifera). Environmental Entomology. 45 (3), 747-761 (2016).
- Miller, N. J., Sappington, T. W. Role of dispersal in resistance evolution and spread. Current Opinion in Insect Science. 21, 68-74 (2017).
- Spencer, J. L., Hibbard, B. E., Moeser, J., Onstad, D. W. Behaviour and ecology of the western corn rootworm (Diabrotica virgifera virgifera LeConte). Agricultural and Forest Entomology. 11, 9-27 (2009).
- VanWoerkom, G. J., Turpin, F. T., Barret, J. R. Influence of constant and changing temperatures on locomotor activity of adult western corn rootworms (Diabrotica virgifera) in the laboratory. Environmental Entomology. 9 (1), 32-34 (1980).
- Naranjo, S. E. Comparative flight behavior of Diabrotica virgifera virgifera and Diabrotica barberi in the laboratory. Entomologia Experimentalis et Applicata. 55 (1), 79-90 (1990).
- Stebbing, J. A., et al. Flight behavior of methyl-parathion-resistant and -susceptible western corn rootworm (Coleoptera: Chrysomelidae) populations from Nebraska. Journal of Economic Entomology. 98 (4), 1294-1304 (2005).
- Dobson, I. D., Teal, P. E. A. Analysis of long-range reproductive behavior of male Diabrotica virgifera virgifera LeConte and D. barberi Smith and Lawrence to stereoisomers of 8-methyl-2decyl propanoate under laboratory conditions. Journal of Chemical Ecology. 13 (6), 1331-1341 (1987).
- Spencer, J. L., Isard, S. A., Levine, E. Free flight of western corn rootworm (Coleoptera: Chrysomelidae) to corn and soybean plants in a walk-in wind tunnel. Journal of Economic Entomology. 92 (1), 146-155 (1999).
- Coats, S. A., Tollefson, J. J., Mutchmor, J. A. Study of migratory flight in the western corn rootworm (Coleoptera: Chrysomelidae). Environmental Entomology. 15 (3), 620-625 (1986).
- Coats, S. A., Mutchmor, J. A., Tollefson, J. J. Regulation of migratory flight by juvenile hormone mimic and inhibitor in the western corn rootworm (Coleoptera: Chrysomelidae). Annals of the Entomological Society of America. 80 (5), 697-708 (1987).
- Kennedy, J. S., Ainsworth, M., Toms, B. A. Laboratory studies on the spraying of locusts at rest and in flight. Anti-Locust Bull. L. 2, 64 (1948).
- Krogh, A., Weis-Fogh, T. A Roundabout for studying sustained flight of Locusts. Journal of Experimental Biology. 29, 211-219 (1952).
- Attisano, A., Murphy, J. T., Vickers, A., Moore, P. J. A simple flight mill for the study of tethered flight in insects. Journal of Visualized Experiments. (106), e53377 (2015).
- Okada, R., Pham, D. L., Ito, Y., Yamasaki, M., Ikeno, H. Measuring the flight ability of the ambrosia beetle, Platypus quercivorus (Murayama), using a low-cost, small, and easily constructed flight mill. Journal of Visualized Experiments. (138), e57468 (2018).
- Jones, V. P., Naranjo, S. E., Smith, T. J. . Insect ecology and behavior: laboratory flight mill studies. , (2010).
- Abendroth, L. J., Elmore, R. W., Boyer, M. J., Marlay, S. K. . Corn Growth and Development. , (2011).
- Meinke, L. J., Sappington, T. W., Onstad, D. W., Guillemaud, T., Miller, N. J., Komáromi, J., Levay, N., Furlan, L., Kiss, J., Toth, F. Western corn rootworm (Diabrotica virgifera virgifera LeConte) population dynamics. Agricultural and Forest Entomology. 11, 29-46 (2009).
- Hammack, L., French, B. W. Sexual dimorphism of basitarsi in pest species of Diabrotica and Cerotoma (Coleoptera: Chrysomelidae). Annals of the Entomological Society of America. 100 (1), 59-63 (2007).
- Guss, P. L. The sex pheromone of the western corn rootworm (Diabrotica virgifera). Environmental Entomology. 5 (2), 219-223 (1976).
- Hammack, L. Calling behavior in female western corn rootworm beetles (Coleoptera: Chrysomelidae). Annals of the Entomological Society of America. 88 (4), 562-569 (1995).
- Minter, M., Pearson, A., Lim, K. S., Wilson, K., Chapman, J. W., Jones, C. M. The tethered flight technique as a tool for studying life-history strategies associated with migration in insects. Ecological Entomology. 43, 397-411 (2018).
- Ribak, G., Barkan, S., Soroker, V. The aerodynamics of flight in an insect flight-mill. PLoS One. 12 (11), e0186441 (2017).
- Riley, J. R., Downham, M. C. A., Cooter, R. J. Comparison of the performance of leafhoppers on flight mills with that to be expected in free flight. Entomologia Experimentalis et Applicata. 83, 317-322 (1997).
- Isard, S. A., Spencer, J. L., Mabry, T. R., Levine, E. Influence of atmospheric conditions on high-elevation flight of western corn rootworm (Coleoptera: Chrysomelidae). Environmental Entomology. 33 (3), 650-656 (2004).
- Chapman, J. W., Reynolds, D. R., Wilson, K. Long-range seasonal migration in insects: mechanisms, evolutionary drivers and ecological consequences. Ecology Letters. 18, 287-302 (2015).
- Spencer, J. L., Mabry, T. R., Vaughn, T. T. Use of transgenic plants to measure insect herbivore movement. Journal of Economic Entomology. 96 (6), 1738-1749 (2003).
- Isard, S. A., Spencer, J. L., Nasser, M. A., Levine, E. Aerial movement of western corn rootworm, Diabrotica virgifera virgifera (Coleoptera: Chrysomelidae): diel periodicity of flight activity in soybean fields. Environmental Entomology. 29 (2), 226-234 (2000).
- Kim, K. S., Sappington, T. W. Genetic structuring of western corn rootworm (Coleoptera: Chrysomelidae) populations in the U.S. based on microsatellite loci analysis. Environmental Entomology. 34 (2), 494-503 (2005).
