Ein Windkanal für Geruch vermittelt Insekt Behavioral Assays
Summary
Hier beschreiben wir den Bau und Betrieb eines Windkanals für Geruch Behavioral Assays mit Insekten vermittelt. Der Windkanal-Design erleichtert die Freigabe der Geruch Quellen durch verschiedene Methoden, mit und ohne visuelle Reize. Windkanal-Experimente sind wichtige Methoden, verhaltensorientierte aktive flüchtige Chemikalien zu identifizieren.
Abstract
Geruchssinn ist der wichtigste sensorische Mechanismus, durch den viele Insekten interagieren mit ihrer Umwelt und ein Windkanal ist ein hervorragendes Werkzeug, um Insekten chemische Ökologie zu studieren. Insekten können Punktquellen in einer dreidimensionalen Umgebung durch die sensorische Interaktion und anspruchsvolle Verhalten suchen. Die Quantifizierung dieses Verhaltens ist ein Schlüsselelement in der Entwicklung von neuen Werkzeugen für Pest Control und Decision Support. Windkanal mit einem passenden Flug-Abschnitt mit laminar Air Flow, Visual cues für während des Fluges Feedback und eine Vielzahl von Optionen für die Anwendung von Gerüchen kann verwendet werden, um komplexe Verhalten zu messen, die anschließend die Identifizierung von attraktiven gestatten oder abstoßende Gerüche, Insekten Flugeigenschaften, Visual-Geruch-Interaktionen und Interaktionen zwischen Lockstoffe und Gerüche als Hintergrund Gerüche in der Umgebung verweilen. Ein Windkanal hält der Vorteil des Studiums des Geruchs Verhaltensrepertoire eines Insekts in einer Laborumgebung vermittelt. Verhaltensbezogene Maßnahmen in einer kontrollierten Umgebung stellen Sie die Verbindung zwischen dem Insekt Physiologie und Feldeinsatz. Ein Windkanal muss ein flexibles Instrument und sollte leicht unterstützen die Änderungen auf die Einstellungen und Hardware zu verschiedenen Fragestellungen zu passen. Der Hauptnachteil im Windkanal-Setup hier beschrieben wird, ist der sauberen Geruch Hintergrund der besondere Aufmerksamkeit erfordert, bei der Entwicklung einer synthetischen flüchtigen Mischung für Feldeinsatz.
Introduction
Der Windkanal ist ein wichtiges Instrument im Insekt chemische Ökologie Studien, die es ermöglichen, Labortests von Insekten Flug Antworten auf Botenstoffe. Durch die Freigabe Gerüche in einen kontrollierten Wind Strom, kann die Insekten Verhalten als Reaktion auf diese Reize direkt überwacht werden, durch das Studium ihrer Luv Fluges in Richtung der Quelle. Geruchssinn ist der wichtigste sensorische Mechanismus, durch den viele Insekten mit ihren biotischen Umwelt1interagieren. Insekten nutzen Geruch Hinweise auf um geeignete Partner zur Paarung zu finden. Ebenso nutzen sie Geruch Sträuße aus Host-Ressourcen um Nahrung für sich selbst oder die Nachkommen zu finden. Pflanzen lassen Sie blumige Gerüche in Kombination mit Nektar und Pollen Belohnungen Insektenbestäubung Effizienz zu sichern. Diese flüchtige Hinweise diffundieren passiv in die Umwelt und Insekten müssen identifizieren und interpretieren ihre individuelle Bedeutung. Flüchtigen Stoffen in die Umwelt freigesetzt werden, Reisen die Moleküle mit dem Wind als Filamente, Beibehaltung der ursprünglichen Konzentration auf Langstrecken Windrichtung, bevor schließlich aufgelöst und durch Turbulenzen und Diffusion2verdünnt. Insekten können kurzfristige Änderungen in der volatilen signalisieren und richten Sie ihre Bewegung gegen den Wind, auf die Quelle erkennen. Insekten zeigen ein Flugverhalten mit schnell Aufwind Überspannungen bei Kontakt mit einem attraktiven Geruch, und3,4plume Gießen seitwärts auf den Verlust, den Geruch zu verlagern. Die Co lokalisierte Anordnung der olfaktorischen Neuronen in den Sensillen von Insekten Antennen kann Verhaltensreaktionen zu der Entstehung und Verlust von Plume Kontakt mit bemerkenswert hoher Auflösung5 erleichtern und ermöglichen die Insekten zu ähnlichen unterscheiden Geruchsmoleküle aus verschiedenen Quellen6. Visuelles Feedback während im Flug, genannt Optomotor Anemotaxis, ist grundlegend für die relative Verschiebung2,7, Windrichtung und Objekten zu identifizieren. Durch die Verwendung von sensorischen Interaktion und anspruchsvolle Verhalten können Insekten Punktquellen in einer dreidimensionalen Umgebung suchen.
Die Identifizierung von Insekten Lockstoffe und Repellentien kann mehrere wichtige angewandte Aspekte haben. Sexualpheromone (intraspezifische Signale) von vielen Schadinsekten können synthetisiert und in die Luft, die Paarung Verhalten8stören freigesetzt. Pheromone und Kairomone (interspezifischen Signale) eignet sich für Masse abfangen, gewinnen und bei der Überwachung der fallen, direkte Auskunft des Schädlings-Status zu töten. Insektenschutzmittel, wie z. B. Mücken9, können auch im Windkanal Bioassays untersucht werden. Diese Methoden spielen eine wichtige Rolle von integrated Pest Management und Entscheidung Unterstützungssysteme für die Landwirte.
Windkanal Bioassays, wo der Geruch vermittelten Verhalten Repertoire einer Spezies überwacht werden kann, ist eine leistungsfähige Methode identifizieren potenzielle neue Werkzeuge zur Schädlingsbekämpfung zu ersetzen oder Verringerung der Auswirkungen der Verwendung von Pestiziden.
Die theoretischen Überlegungen hinter dem Windkanal-Design ist gründlich beschrieben10. Hier beschreiben wir den Wind Tunnelbau, Geruch Anwendung und Flugverhalten, die in mehreren Experimenten verwendet wurde, um die Windkanal-Bioassay-Protokoll bestimmen. Windkanal (Abbildung 1) Nibio (Ås, Norwegen) ist aus kratzfestem Polycarbonat hergestellt. Die Flugarena ist 67 cm hoch, 88 cm breit und 200 cm lang. Vor dem Flugarena gibt es ein zusätzliche Polycarbonat Abschnitt, 30 cm lang. Dieser Teil des Windkanals dient als Dienstprogramm Abschnitt für die Anwendung von Gerüchen. Wenn die flüchtigen Bestandteile in die Polycarbonat Kontakt Gehäuse in der Flugarena sie später wieder freigesetzt werden und zwischen den Sitzungen kontaminieren. Daher gibt es an jedem Ende des Abschnitts Dienstprogramm einem perforierten Metallgitter. Beide Netze den Luftstrom zu beschränken und leichtem Überdruck auf der Luv-Seite zu erstellen. Dies führt zu erhöhten Laminar-Flow auf der Lee-Seite. Luv Raster besteht aus einem Lochblech mit 8 mm Bohrungen gleichmäßig über den Querschnitt des Tunnels verstreut, 54 % offene Fläche zu bieten. Der Abwind Raster hat Löcher von 3 mm und eine 51 % offene Fläche. Dies reduziert die Turbulenzen und sorgt dafür, dass den Geruch plume Reisen zentral über die gesamte Länge der Flugarena. Der Geruch Plume haben die Form eines schmalen Kegel und kann durch den Einsatz von Rauch sichtbar gemacht werden. Auf dem Boden des Fluges sind Arena, Kunststoff oder Papier Kreise in verschiedenen Größen (von 5 bis 15 cm im Durchmesser) angelegt, um Insekten während des Fluges visuelles Feedback geben. Gibt es ein 25 x 50 cm-Zugangstür auf Luv Ende der Flugarena und im Abschnitt Dienstprogramm. Zwischen dem downwind Ende der Flugarena und die Auspuff-Filter-Sektion ist eine 60 cm Freifläche für Insekten Handling. Dieser Zugang ist an den Seiten mit einem 0,8 mm verzahnt Stoff um die Insekten in den Raum entweichen zu verhindern abgedeckt.
Luft wird durch einen Ventilator in das erste Filtergehäuse gezogen. Die Luft strömt durch ein Staubfilter, bevor es durch 24 hohe Kapazität Aktivkohlefilter gereinigt und im Tunnel freigegeben. Die Luft, die den Tunnel verlassen wird durch eine ähnliche Filtergehäuse vor der Freigabe zurück in den Raum geleitet. Es wäre vorteilhaft für die Abluft an der Außenseite des Gebäudes durch eine Abzugshaube. Die Lüfter auf beide Filtergehäuse sind mit gleichen Fluss laufen. Beide Lüfter haben einen kontinuierlichen Dimmer und an unterschiedliche Windgeschwindigkeiten mit einem Durchflussmesser kalibriert sind. Die Luftgeschwindigkeit ist abhängig von der Spezies getestet. 30 cm s-1 ist oft ein guter Ausgangspunkt. Für kleine Insekten die ideale Luftgeschwindigkeit kann reduziert werden, und für starke Flyer, die Fluggeschwindigkeit kann höher sein, um die relative Fluchtdistanz zu erhöhen.
Der Windkanal-Raum erleichtert die Kontrolle der Temperatur, Feuchtigkeit und Lichtstärke. LED-Streifen befinden sich hinter einem 3 mm opak Poly(methyl methacrylate) Bereich erstelle ich eine diffuse Lichtquelle oben und die Flugarena. Beide Lichtquellen können unabhängig voneinander gesteuert werden.
Geruch-Anwendung kann auf verschiedene Weise erreicht werden. Gerüche sind in der Regel, in den Luftstrom in der Mitte des Luv Ende der Flugarena veröffentlicht. Je nach der Forschungsfragen zur hand kann die Freigabestelle ausgesetzt oder abgedeckt werden. Ein Glaszylinder (10 cm Durchmesser, 12,5 cm lang) mit einem Metallgitter (2 × 2 mm Maschenweite) auf der Lee-Seite können visuell blockieren die Geruch-Quelle und zur gleichen Zeit als eine Landeplattform für Insekten dienen. In vielen Experimenten kann eine horizontale Glas-Plattform für die Präsentation von Geruch Quellen oder optische Signale in der Nähe der Freigabe verwendet werden. Es gibt auch die Möglichkeit, zwei Gerüche lassen Sie gleichzeitig nebeneinander, Wahl-Assays zu erleichtern. Die stellen werden dann 20 cm auseinander gesetzt und die Geruch Federn überlappen von auf halbem Weg durch den Tunnel. Die Wahl kann dann identifiziert werden, durch welche Fahne das Insekt gegen den Wind folgt.
Der Windkanal-Design ermöglicht zahlreiche flüchtige Release Methoden. Zum Beispiel kann ein spezifischen Geruch vor einen Hintergrund Geruch wie von einer Ernte Pflanze11,12emittiert freigegeben werden. Auch können verschiedene visuelle Reize getesteten13,14. Der Versuchsaufbau muss jede Spezies und Forschung Frage angepasst werden.
Natürlicher Geruch Quellen, z. B. Pflanzenteile und synthetischen Gerüche aus Spender können direkt in der Flugarena eingeführt werden. Um Geruch vermittelt Verhaltensweisen von visuellen zu isolieren, die Geruch-Quelle gedeckt werden kann, oder die flüchtigen Bestandteile in der Flugarena über eine Holzkohle gefilterten Labor Luftzufuhr von außen getragen. Die Geruch Quelle beschränkt sich dann auf ein Glas und die Luft wird durch das Glas in den Windkanal über Teflon-Schläuche und Glaspfeifen gedrückt. Die Fluggeschwindigkeit bei der Freigabe Punkt sollte die Windgeschwindigkeit in der Arena übereinstimmen.
Um Gerüche in spezifische Mischung Verhältnissen zu lösen, kann eine Spritze verwendet werden. Die Spritze ist ein Ultraschall Düse eine konische Spitze mit einem eingefügten Microbore ein Flüssigkeitsstrom bei 10 µL min-1zu erleichtern. Die Düse ist mit einem Breitband-Ultraschall-Generator verbunden und arbeitet mit 120 kHz. Eine Spritzenpumpe drängt die Geruch-Probe in die Sprayer Düse. Fluorierte Ethylen-Propylen (FEP) Schlauch mit 0,12 mm Innendurchmesser verbindet die gasdichte 1 mL-Spritze und die Düse. Schlauch-Adaptern, die Schwellen in Ethanol und in der Luft, schrumpfen zu eng anliegende mit keine Innenvolumen erleichtern. Die Aerosol-Tropfengröße erzeugt aus der Schwingung der Düse ist frequenzabhängig und hängt das bestimmte Lösungsmittel verwendet. Die kleinen Tröpfchen verdunsten und durch den Wind Tunnel als flüchtige gebracht. Gibt es auch andere Sprayer-Designs und eine billigere Version unter Verwendung einen Piezo getrieben Glas Kapillare bietet eine ähnliche Lösung15.
Synthetische Mischungen oder Headspace-Sammlungen können mit der Spritze verwendet werden. Die Proben sind mit reinem Ethanol auf die gewünschten Konzentrationen verdünnt. Mit flüchtigen Sammlungen kann die Probe verdünnt werden, um die Abholzeit zu entsprechen. Dies bedeutet, dass eine flüchtige Sammlung Stichprobe über 3 h um 1800 µL verdünnt werden sollte mit einer Version aus der Spritze bei 10 µL min-1 3 h entspricht.
Die Identifizierung der das Flugverhalten kann direkt durch manuelle Beobachtung oder durch post-hoc-video-Analyse erfolgen. Orientierte Flug sollte von zufälligen Flug unterschieden werden. Geruch vermittelt Verhalten kann durch die folgenden Merkmale erkannt werden: Zick-Zack-Flug über den Geruch plume, direkt am Wind Flug innerhalb der Wolke und Schleife zurück, wenn der Kontakt mit der Fahne verloren geht. Beim Ausfall einer attraktiven Plume können die Insekten auch in Zick-Zack mit zunehmender Bögen mit der verlorenen Plume3,4wiederherstellen starten. Dieses Verhalten ist von grundlegender Bedeutung in einem Feld Einstellung wo brauchen die Insekten einen attraktiven Geruch nach Turbulenzen und wechselnden Windrichtungen zu bewältigen. Die Flugmuster ist nicht einheitlich und variiert die Insektenordnungen. Als Beispiel starke Flyer wie Schmeißfliegen haben eine schneller Wind Orientierung mit breiter Gießen Muster als Motten und die Windgeschwindigkeit sollte erhöht werden, um eine längere relative Flugbahn zu erleichtern.
Der Flug eines Insekts kann auch gefilmt werden. Mit einer einzigen Kamera können einfache Flugeigenschaften durch Plotten der X-y-Koordinaten-16beschrieben werden. Mithilfe von zwei Kameras mit synchronisierten Frame Capture kann der 3D Flug mit einem externen Software-17rekonstruiert werden. Flug-Track kann dann analysiert werden, um Informationen über die Fluggeschwindigkeit und Distanz, die Flug-Winkel in Bezug auf die Windrichtung und die Details über die Flugeigenschaften in Bezug auf den Geruch Plume. Es gibt benutzerdefinierte und kommerzielle Geräte und Software zur Verfügung, die automatische Frame für Frame-Tracking aktiviert. Die Kalibrierung Frames sollte zur realen Welt Platz zu verweisen und geradlinige Weitwinkel-Objektive verwendet werden, um die Verzeichnung des Objektivs zu minimieren. Sorgfalt sollte um visuelle Hintergrundgeräusche, wie Ecken und Kanten im Bereich Windkanal zu reduzieren und Insekt zum Hintergrund Diskriminierung zu maximieren. Durch den Einsatz einer Infrarot-Lichtquelle, die Reflexion (zB., von nachtaktiven Mücken) mit monochromen CCD Kameras17gefilmt werden können.
Protocol
Representative Results
Discussion
Der Windkanal ist ein hilfreiches Werkzeug zur Identifizierung sowohl attraktiv als auch abstoßende Gerüche für viele Insekten4,9. Mit fundierten Kenntnissen der Ökologie, Biologie und Verhalten der Insekten untersucht seine Flugeigenschaften leicht erkennbar und Umweltbedingungen, Windgeschwindigkeit, visuelle Reize und Geruch Anwendung können werden angepasst. Es wird empfohlen, beim Starten mit einer neuen Spezies zur Feinabstimmung der Windkanal-Paramete…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
M. Tasin wurde vom schwedischen Forschungsrat für nachhaltige Entwicklung (Formas, Grant 2013-934) unterstützt.
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 |
Riferimenti
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