Måling af insekt fremkomsten mønstre kræver præcision. Eksisterende systemer er kun halvautomatiske og prøve størrelse er begrænset. Vi har behandlet disse spørgsmål ved at designe et system med microcontrollers til præcis måling af tidspunktet for fremkomsten af et stort antal nye insekter.
Eksisterende systemer til at måle insekt fremkomsten mønstre har begrænsninger; de er kun delvist automatiseret og er begrænset, i det maksimale antal nye insekter de kan opdage. For at opnå præcise måling af insekt fremkomst, er det nødvendigt for systemerne skal være semi-automatiske og i stand til at måle stort antal nye insekter. Vi har behandlet disse spørgsmål ved at designe og opbygge et system, som er automatiseret og kan måle fremkomsten af op til 1200 insekter. Vi har ændret den eksisterende “falder-ball” system ved hjælp af Arduino mikrocontrollere at automatisere dataindsamling og udvide stikprøvestørrelse gennem flere datakanaler. Flere datakanaler muliggøre bruger hen til ikke kun øger deres stikprøvestørrelse, men giver også mulighed for flere behandlinger skal køres samtidigt i et enkelt eksperiment. Desuden, vi skabt en R script til at automatisk Visualiser dataene som en boble plot, mens også beregning af median dag og tidspunkt for fremkomst. Det nuværende system blev udviklet ved hjælp af 3D udskrivning, så brugeren kan ændre systemet skal justeres for forskellige arter af insekter. Målet med denne protokol er at undersøge vigtige spørgsmål i chronobiology og stress fysiologi, bruger denne præcise og automatiseret system til at måle insekt fremkomsten mønstre.
Præcist måle timingen af jordbaserede insekt fremkomsten i eksperimentel indstillinger er notorisk vanskeligt og kræver en vis grad af automatisering. Flere mekanismer har designet i fortiden, med enten en “falder-ball” princippet, ved hjælp af faldende bolde og sensorer, eller en “bang-box” ved hjælp af en tragt-type system1,2,3. Der er to begrænsninger med eksisterende designs: 1) dataindsamling er kun delvist automatiseret, og 2) prøve størrelse eller antallet af emergent insekter, der kan registreres er begrænset. Disse problemer Mindsk præcision af dataindsamling, hvilket er vigtigt at studere timing af eclosion og/eller fremkomst mønstre. Vi behandlet disse problemer ved at designe et system, som er automatiseret og ikke begrænset af stikprøvestørrelse, gør det muligt for brugeren at bedre visualisere fremkomsten rytmer som reaktion på miljømæssige stikord.
Vores system er en forbedring til det falder-ball princip, den seneste version, der bruges infrarøde sensorer til at registrere insekt fremkomsten i seks-minutters intervaller2. Vores system stadig bruger infrarøde sensorer, men også omfatter en Arduino microcontroller til at registrere den dato og tidspunkt for hver fremkomsten begivenhed til den nærmeste anden. Data lagres automatisk til en secure digital (SD) kort, som kan eksporteres som en kommasepareret fil til analyse. Analysen er automatiseret ved hjælp af en brugerdefineret Rasmussen script, der vil grafen data som en boble plot og identificere den mediane tid og dag af fremkomsten.
Flere kanaler giver brugeren større fleksibilitet i dataopsamling. For eksempel, vores flere kanaldesign ikke kun minimerer virkningen af en “tilstoppede” sensor, men også kan bruges til at øge stikprøvestørrelse. Desuden tillader flere kanaler brugeren at udpege behandlinger til specifikke kanaler, så de kan køre samtidig i et eksperiment. Ved hjælp af alle seks kanaler giver ca 1200 nye bier skal registreres i et enkelt eksperiment. Til vores viden, dette er den største stikprøvestørrelse på enhver nuværende system måling insekt fremkomsten og har gjort det muligt for os at observere finskala-fremkomsten mønstre som reaktion på miljømæssige stikord. Endelig, vores system fordele fra, at fleste af delene er 3D udskrives. Dette skaber netop mellemstore komponenter, hvilket reducerer sandsynligheden for fejl, der opstår (såsom detektor tilstopning) under operationer. Det giver også mulighed for tilpasning til andre forskningssystemer.
Målet med denne protokol er at skræddersy en præcis og automatiseret system til at måle insekt opstår, at undersøge spørgsmål i chronobiology og stress fysiologi. Dette system har været og vil fortsat være, kritisk i efterforskningen af ubesvarede spørgsmål relateret til insekt fremkomsten mønstre som reaktion på miljømæssige stikord. Her beskriver vi sin samling og brug for fremkomsten påvisning af Lucerne blad-skæring bi, Megachile rotundata i lab-baserede eksperimentelle indstillinger. Systemet er automatiserede bruger en programmerbar microcontroller og kan tilpasses ved hjælp af 3D udskrevne dele. Trykte stativer hold i sted rør indeholdende bee reden celler efter et metal BB. Ved fremkomsten, er metal BB frigjort fra rack, passerer gennem en infrarød sensor optagelse datoen og tidspunktet for fremkomsten til et SD-kort. Den nuværende udformning er optimeret til M. rotundata, men med mindre justeringer kunne tilpasses til andre arter af insekter.
Vi præsenterer en protokol for den samling og brug af et system, der giver mulighed for præcis måling af timingen af insekt fremkomsten. Dette system løser to problemer, som begrænsede tidligere designs: delvis automatisering og begrænset stikprøvestørrelse. Vi løst disse problemer ved at automatisere indsamling af data ved hjælp af mikrocontrollere, hvilket også lykkedes os at øge prøvestørrelse ved at bruge flere kanaler. Den nuværende udformning har seks kanaler, der kan rumme ialt 1200 bier. Ekstra kanaler kan tilføjes eller trækkes fra hvis det er nødvendigt, giver mulighed for øget stikprøvestørrelse, men også for samtidig at undersøge virkningerne af flere behandlinger. Kritiske trin, ændringer, begrænsninger og fremtidige programmer er beskrevet nedenfor.
Den eneste del af det system, der ikke er automatisk indlæses stativer med yngel celler, metal BBs og airsoft pellets i begyndelsen af eksperimentet. Stativerne er designet så de lean tages tilbage lidt til at forhindre, at metal BBs falder når stativerne er stående oprejst, pleje når markedsføring stativerne at forhindre utilsigtet frigivelse af metal BBs. Sørg også for stativerne er flugter med kanten af hylden, så faldende bane af metal BB flugter med landingsbanen. Endelig, leaf snavs skal tørres fremgår af landingsbanen, og undervognen bedrift de metal BBs fra tidligere eksperimenter skal ryddes for at forhindre blokering af sensoren. Data registreres automatisk til et SD-kort som en CSV-fil, og manuskriptet er skrevet således at Arduino ikke vil køre, medmindre et SD-kort er til stede. Datafilen er manuelt importeret til RStudio og visualiseret ved hjælp af den tidligere nævnte R script. Dette script vil automatisk grafikdata som en boble plot og identificere den mediane tid og dag af fremkomsten. Scriptet Arduino er skrevet at vedhæfte begivenhed data til slutningen af filen, som forhindrer tab af data i tilfælde af en strømafbrydelse. Det betyder imidlertid også, at når data er udtrukket fra SD-kortet, alle filer skal ryddes inden den næste eksperiment.
Kan foretages ændringer til SketchUp-filer til at justere størrelsen på stativer for insekter af forskellige størrelser, med forskellige størrelse rør bliver brugt i de modificerede stativer. Endvidere, størrelsen af airsoft pellet er vigtigt, fordi det forhindrer insekt forlader røret, og pellets af forskellige størrelser kan være behov for såvel. En lang række ændringer kan foretages til R-script til at ændre udseendet af den boble parceller og andre grafiske parametre.
Vi reducerede risikoen for falske positiver ved at skrive en debounce kode, der deaktiverer enhver given kanalen i et sekund efter et metal BB er opdaget, derved forhindre et enkelt metal BB fra regnes som flere datapunkter. Selvom dette skaber muligheden for et datapunkt, der gik glip af hvis mange bier fremstå på én gang, men det faktum, at kanalerne er uafhængige nedsætter denne risiko. En anden begrænsning af det nuværende system er at individuelle datapunkter er ikke mærkbar, dvs, en faldende metal BB ikke kan spores tilbage til en bestemt person. Desuden, den nuværende ordning måler fremkomst, men ikke eclosion rytmer i M. rotundata, men ville måle eclosion rytmer i arter, hvor fremkomsten og eclosion er synonymt. Endelig, den nuværende udformning er ikke vejrfast, begrænse dets anvendelse til kontrollerede miljøer.
Fremtidige anvendelser omfatter gennemgang af virkningerne af andre abiotiske og biotiske miljømæssige stikord for timing fremkomsten af M. rotundata. Desuden, fordi insekter besætte forskelligartede miljøer, relevante miljømæssige stikord varierer mellem arter. Indarbejdelse af flere insektarter er således vigtigt at undersøge hvordan døgnrytmen systemer udviklet sig på tværs af taxa. Meget lidt er kendt om hvordan udviklingsmæssige betingelser påvirker timingen af voksen opståen; vores system kan derfor anvendes til at dechifrere, virkningerne af behandlinger på fremkomsten. Derudover kombinationer af miljømæssige stikord kan påvirke insekt svar, således fremtidige eksperimenter skal optage flere miljømæssige stikord for at forstå deres relative indvirkning på fremkomsten. Endelig implementering i feltet for at observere hvordan naturlige indstillinger mægle fremkomsten rytmer er af interesse. Brugervenligheden af dette system, og dens unikke kombination af tilsætningsstof fremstillingsindustrien, open source programmering og observerbare biologiske træk, gør det en kandidat til brug i en pædagogisk indstilling.
The authors have nothing to disclose.
Vi vil gerne anerkende insekt Cryobiology og økofysiologi arbejdsgruppen i Fargo, ND for deres nyttige feedback på eksperimenter ved hjælp af det beskrevne system.
PLA printer filament | www.lulzbot.com | various | Catalog number varies by color |
0.5 mL microcentrifuge tubes | www.daigger.com | EF4254C | |
4.5 mm size "bb" metal pellets | www.amazon.com | B00419C1IA | Daisy 4.5 mm metal size bb pellets |
6.0 mm plastic "softair" pellets | www.amazon.com | B003QNELYE | Crosman 6 mm airsoft pellets |
Plastic corregated sheet | www.lowes.com | 345710 | Corrugated plastic sheet |
Infrared emmiter/detector pair | www.amazon.com | B00XPSIT3O | 5 mm diameter, 940 nm wavelength |
120 ohm resisitors | www.amazon.com | B01MSZK8DV | 120 ohm, 1/4 watt |
22 GA hookup wire | www.adafruit.com | 1311 | |
RJ45 jacks | www.sparkfun.com | PRT-00643 | |
Custom PCB board | www.pcbexpress.com | n/a | Can be printed from files included in the supplimental data |
Arduino Nano v 3.0 | www.roboshop.com | RB-Gra-01 | |
SD card module | www.amazon.com | DFR0071 | DFRobot SD card module |
Real Time Clock module | www.adafruit.com | 264 | DS1307 real time clock breakout board |
Temperature/humidity sensor | www.tinyosshop.com | G4F4494F29ED05 | DHT11 temperature/humidity sensor on breakout board |
470k ohm resistors | www.amazon.com | B00EV2R39Y | |
Female headers | www.adafruit.com | 598 | Break off to desired length |
Male headers | www.adafruit.com | 392 | Break off to desired length |
Ribbon wire | www.amazon.com | B00X77964O | 10 wire ribbon wire with connectors |
LCD screen | www.adafruit.com | 198 | |
Cat6 cable | www.amazon.com | B00N2VISLW | |
SD card | www.amazon.com | B00E9W1URM |