Uso de molinos de vuelo para medir la propensión de vuelo y el rendimiento de la raíz de maíz occidental, Diabrotica virgifera virgifera (LeConte)
Summary
Las fábricas de vuelo son herramientas importantes para comparar cómo la edad, el sexo, el estado de apareamiento, la temperatura u otros factores pueden influir en el comportamiento de vuelo de uninsecto. Aquí describimos los protocolos para atear y medir la propensión de vuelo y el rendimiento de la raíz de maíz occidental bajo diferentes tratamientos.
Abstract
La raíz de maíz occidental, Diabrotica virgifera virgifera (LeConte) (Coleóptera: Chrysomelidae), es una plaga de maíz económicamente importante en el norte de los Estados Unidos. Algunas poblaciones han desarrollado resistencia a las estrategias de manejo, incluyendo el maíz transgénico que produce toxinas insecticidas derivadas de la bacteria Bacillus thuringiensis (Bt). El conocimiento de la dispersión de gusanos de raíz de maíz occidental es de importancia crítica para los modelos de evolución de la resistencia, propagación y mitigación. El comportamiento de vuelo de un insecto, especialmente a larga distancia, es inherentemente difícil de observar y caracterizar. Las fábricas de vuelo proporcionan un medio para probar directamente los impactos y consecuencias fisiológicas y de desarrollo del vuelo en el laboratorio que no se pueden obtener en estudios de campo. En este estudio, se utilizaron molinos de vuelo para medir el momento de la actividad de vuelo, el número total de vuelos y la distancia, duración y velocidad de los vuelos realizados por gusanos de raíz hembra durante un período de prueba de 22 h. Dieciséis molinos de vuelo fueron alojados en una cámara ambiental con iluminación programable, temperatura y control de humedad. El molino de vuelo descrito es de un diseño típico, donde un brazo de vuelo es libre de girar alrededor de un pivote central. La rotación es causada por el vuelo de un insecto atado a un extremo del brazo de vuelo, y cada rotación es registrada por un sensor con una marca de tiempo. Los datos sin procesar se compilan mediante software, que posteriormente se procesan para proporcionar estadísticas resumidas de los parámetros de vuelo de interés. La tarea más difícil para cualquier estudio de molino de vuelo es la fijación de la atación al insecto con un adhesivo, y el método utilizado debe adaptarse a cada especie. El accesorio debe ser lo suficientemente fuerte como para sujetar al insecto en una orientación rígida y para evitar el desprendimiento durante el movimiento, sin interferir con el movimiento natural del ala durante el vuelo. El proceso de fijación requiere destreza, delicadeza y velocidad, haciendo imágenes de video del proceso para gusanos de raíz de valor.
Introduction
La raíz de maíz occidental, Diabrotica virgifera virgifera LeConte (Coleoptera: Chrysomelidae), fue identificada como una plaga de maíz cultivado en 19091. Hoy en día, es la plaga más importante de maíz (Zea mays L.) en el Cinturón de Maíz de los Estados Unidos, con la alimentación larval de raíces de maíz causando la mayor parte de la pérdida de rendimiento asociada con esta plaga. Se estima que los costes anuales de gestión y pérdidas de producción de maíz debidos a la gusano de raíz de maíz superan los 1.000 millonesde dólares 2. El gusano de raíz de maíz occidental es altamente adaptable, y las poblaciones han desarrollado resistencia a múltiples estrategias de manejo, incluyendo insecticidas, rotación de cultivos y maíz Bt transgénico3. Determinar las dimensiones espaciales sobre qué tácticas deben aplicarse para mitigar el desarrollo local de resistencia, o un punto de acceso de resistencia, depende de una mejor comprensión de la dispersión4. Las medidas de mitigación no tendrán éxito si se limitan a una escala espacial demasiado pequeña alrededor de un punto de acceso de resistencia, porque los adultos resistentes se dispersarán más allá del área de mitigación5. Comprender el comportamiento de vuelo de la gusano de maíz occidental es importante para crear planes eficaces de manejo de la resistencia para esta plaga.
La dispersión por vuelo juega un papel importante en la historia de vida de la gusano de raíz de maíz occidental adulta y la ecología6,y el comportamiento de vuelo de esta plaga se puede estudiar en el laboratorio. Se pueden utilizar varios métodos para medir el comportamiento de vuelo en el laboratorio. Un actograph, que restringe el vuelo en un plano vertical, puede medir la cantidad de tiempo que un insecto está en vuelo. Los actográficos se han utilizado para comparar la duración del vuelo y los patrones de periodicidad de los machos y hembras de gusano de maíz occidental a diferentes edades, tamaños corporales, temperaturas, susceptibilidad a insecticidas y exposición a insecticidas7,8, 9. Los túneles de vuelo, que consisten en una cámara de seguimiento y un flujo de aire dirigido, son especialmente útiles para examinar el comportamiento de vuelo de los insectos al seguir un penacho de olor, como los componentes de feromonas candidatas10 o los volátiles de las plantas11. Los molinos de vuelo son quizás el método más común para los estudios de laboratorio del comportamiento de vuelo de insectos y pueden caracterizar varios aspectos de la propensión y el rendimiento del vuelo. En los estudios de la raíz de maíz occidental se han empleado molinos de vuelo de laboratorio para caracterizar la propensión a realizar vuelos cortos y sostenidos, así como el control hormonal del vuelo sostenido12,13.
Las fábricas de vuelo proporcionan una forma relativamente sencilla de estudiar el comportamiento de vuelo de los insectos en condiciones de laboratorio al permitir a los investigadores medir varios parámetros de vuelo, incluida la periodicidad, la velocidad, la distancia y la duración. Muchos de los molinos de vuelo utilizados hoy en día se derivan de las rotondas de Kennedy et al.14 y Krogh y Weis-Fogh15. Los molinos de vuelo pueden ser diferentes en forma y tamaño, pero el principio básico sigue siendo el mismo. Un insecto está atado y montado en un brazo horizontal radial que es libre de girar, con una fricción mínima, alrededor de un eje vertical. A medida que el insecto vuela hacia adelante, su camino se limita a dar vueltas en un plano horizontal, con la distancia recorrida por rotación dictada por la longitud del brazo. Un sensor se utiliza típicamente para detectar cada rotación del brazo causada por la actividad de vuelo del insecto. Los datos sin procesar incluyen rotaciones por unidad de tiempo y se produjo la hora del vuelo del día. Los datos se introducen en un ordenador para su grabación. Los datos de varias fábricas de vuelo a menudo se registran en paralelo, esencialmente simultáneamente, con bancos de 16 y 32 molinos de vuelo comunes. Los datos sin procesar son procesados por software personalizado para proporcionar valores para variables tales como la velocidad de vuelo, el número total de vuelos separados, la distancia y la duración volada, etc.
Cada especie de insecto es diferente cuando se trata del mejor método para amarre debido a variables morfológicas como el tamaño general, el tamaño y la forma del área objetivo para unir la atación, la suavidad y la flexibilidad del insecto, la necesidad y el método para anestesia, potencial para ensuciar las alas y/o la cabeza con adhesivo extraviado o desbordado, y muchos, muchos más detalles. En los casos de anclaje visualizado de un insecto plataspid16 y un escarabajo ambrosía17,las áreas objetivo respectivas para la fijación de ate son relativamente grandes y tolerantes a la colocación de adhesivo sin precisión porque la cabeza y las alas son algo bien separados del sitio de fijación. Esto no es para restar importancia a la dificultad de atear a estos insectos, lo que es exigente para cualquier especie. Pero el gusano de raíz de maíz occidental es un insecto particularmente difícil de atar: el pronoto es estrecho y corto, haciendo un apego muy preciso con una cantidad mínima de adhesivo (cera dental en este caso) necesario para evitar interferencias con la apertura del elytra para el vuelo y con la cabeza, donde el contacto con los ojos o antenas puede afectar el comportamiento. Al mismo tiempo, la atela debe estar firmemente unida para evitar el desalojamiento por este volador fuerte. La demostración de ateo de adultos gusanos de raíz es la oferta más importante en este artículo. Debe ser de ayuda para otros que trabajan con este o insectos similares donde el método visualizado aquí podría ser una opción útil.
Este artículo describe los métodos utilizados para atear y caracterizar eficazmente la actividad de vuelo de los adultos de gusano de raíz de maíz occidental que fueron criados en diferentes densidades larvales. Las fábricas de vuelo y el software utilizados en este estudio(Figura 1) se derivaron de diseños publicados en Internet por Jones et al.18 Técnicas de tethering fueron modificadas a partir de la descripción en Stebbing et al.9 Una matriz de 16 molinos de vuelo fue alojado en una cámara ambiental, diseñada para controlar la iluminación, la humedad y la temperatura(Figura 2). El uso de esta configuración o similar junto con las siguientes técnicas permite probar factores que pueden influir en la propensión de vuelo y el rendimiento de la gusano de raíz de maíz occidental, incluyendo la edad, el sexo, la temperatura, el fotoperiodo y muchos otros.
Protocol
Representative Results
Discussion
Caracterizar el comportamiento de vuelo de gusano de raíz de maíz occidental es importante para diseñar planes eficaces de gestión de la resistencia. El comportamiento de vuelo de esta plaga se ha estudiado en el laboratorio utilizando varios métodos, incluyendo actographs, túneles de vuelo y molinos de vuelo. Las fábricas de vuelo, como se describe e ilustran en este documento, permiten a los insectos realizar vuelos ininterrumpidos para que los investigadores puedan cuantificar los parámetros de vuelo, como la …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
La asistencia de posgrado de E.Y.Y. fue apoyada por la National Science Foundation I/UCRC, el Center for Artthropod Management Technologies, bajo la Beca No. IIP-1338775 y socios de la industria.
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 |
Riferimenti
- 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).
