Mätning av insekt uppkomsten mönster kräver precision. Befintliga system är bara halvautomatisk och prov storlek är begränsad. Vi behandlade dessa frågor genom att utforma ett system som använder mikrokontroller att exakt mäta tiden av uppkomsten av stora mängder framväxande insekter.
Befintliga system för att mäta insekt uppkomsten mönster har begränsningar; de är endast delvis automatiserade och är begränsade i antalet tillåtna framväxande insekter som de kan upptäcka. För att erhålla exakt mätning av insekt uppkomst, är det nödvändigt för system vara halvautomatisk och kunna mäta stort antal framväxande insekter. Vi behandlade dessa frågor genom att utforma och bygga ett system som är automatiserad och kan mäta uppkomsten av upp till 1200 insekter. Vi ändrade befintliga ”faller-ball” systemet med hjälp av Arduino microcontrollers att automatisera datainsamling och expandera urvalsstorleken genom flera datakanaler. Flera datakanaler möjligt för användaren att inte bara öka sin provstorlek, men också tillåter flera behandlingar för att köras samtidigt i ett enda experiment. Dessutom har vi skapat en R skript för att automatiskt visualisera data som en bubbla tomt, samtidigt också beräkna medianvärdet dag och tidpunkt för uppkomsten. Det nuvarande systemet utformades med hjälp av 3D-utskrifter så att användaren kan ändra systemet justeras för olika arter av insekter. Målet med detta protokoll är att undersöka viktiga frågor i chronobiology och stress fysiologi, använder detta precisa och automatiserade system för att mäta insekt uppkomsten mönster.
Exakt mätning av tidpunkten för landlevande insekter uppkomsten i experimentella inställningarna är notoriskt svårt och kräver viss grad av automatisering. Flera mekanismer har utformats i förflutnan, innehåller antingen en ”faller-ball”-principen, med fallande bollar och sensorer, eller en ”bang-låda” med tratt-typen system1,2,3. Det finns två begränsningar med befintliga konstruktioner: 1) datainsamling är endast delvis automatiserad och (2) prov storlek eller antalet framväxande insekter som kan upptäckas är begränsad. Dessa problem minskar precisionen för insamling av uppgifter, vilket är viktigt att studera timing av eclosion och/eller uppkomsten mönster. Vi tog upp dessa problem genom att utforma ett system som är automatiserad och inte begränsas av urvalsstorlek, så att du bättre visualisera uppkomsten rytmer bemöta miljömässiga ledtrådar.
Vårt system är en förbättring till falla-ball principen, den senaste versionen som används IR-sensorer för att detektera insekt uppkomsten i sex minuter steg2. Vårt system använder fortfarande infraröda sensorer, men också inlemmar en Arduino mikrokontroller för att registrera datum och tid för varje uppkomsten händelsen till närmaste andra. Data lagras automatiskt till secure digital (SD)-kort, som kan exporteras som en kommaavgränsad fil för analys. Analysen är automatiserat med hjälp av ett anpassat R skript, som diagram data som en bubbla tomt och identifiera median tid och dag uppkomst.
Flera kanaler aktivera användaren mer flexibilitet i datainsamling. Till exempel våra flera kanal design inte bara minimerar effekterna av en ”igensatta” sensor, men också kan användas för att öka stickprovsstorleken. Dessutom tillåta flera kanaler användaren att utse behandlingar till specifika kanaler så att de kan köras samtidigt i ett experiment. Använder alla sex kanaler möjliggör cirka 1200 framväxande bin som ska registreras i en enda experiment. Till vår kunskap, detta är alla nuvarande system mäta insekt uppkomsten största urvalsstorlek och har gjort det möjligt för oss att observera finskaliga uppkomsten mönster i Svaren till miljömässiga ledtrådar. Slutligen, vårt system nytta av det faktum att majoriteten av delarna är 3D tryckt. Detta skapar just medelstora komponenter, vilket minskar sannolikheten för fel inträffar (till exempel detektorn igensättning) under operationer. Det möjliggör också för anpassning för andra forskningssystemen.
Målet med detta protokoll är att anpassade bygga en exakt och automatiserade system för att mäta insekt uppkomsten, att undersöka frågor i chronobiology och stress fysiologi. Detta system har varit, och kommer att fortsätta vara, kritiska utreda obesvarade frågor relaterade till insekt uppkomsten mönster i Svaren till miljömässiga ledtrådar. Här beskriver vi dess montering och användning för uppkomsten upptäckt av alfalfa leaf-skärning biet, Megachile rotundata i lab-baserad experimentella inställningarna. Systemet är automatiserat med hjälp av en programmerbar mikrokontroller och anpassningsbara använder 3D tryckta delar. Tryckta rack håller på plats rör som innehåller bee boet celler efter en metall BB. Vid uppkomsten, är metall BB befriad från rack, passerar genom en infraröd sensor registrerar datum och tidpunkt för uppkomsten till ett SD-kort. Den nuvarande utformningen är optimerad för M. rotundata, men med mindre justeringar kan anpassas för andra arter av insekter.
Vi presenterar ett protokoll för montering och användning av ett system som möjliggör exakt mätning av tidpunkten för insekt uppkomst. Detta system löser två problem, som begränsade tidigare mönster: partiell automation och begränsad provstorlek. Vi löst dessa problem genom att automatisera datainsamling använder microcontrollers, som också gjort det möjligt för oss att öka stickprovsstorleken med hjälp av flera kanaler. Den nuvarande utformningen har sex kanaler som rymmer totalt 1200 bin. Ytterligare kanaler kan adderas eller subtraheras om det behövs, så att inte bara för ökad provstorlek, men också för att samtidigt undersöka effekterna av flera behandlingar. Kritiska steg, modifieringar, begränsningar och framtida tillämpningar diskuteras nedan.
Den enda delen av systemet som inte är automatiserad laddar rack med ruva celler, metall BBs och airsoft pellets i början av experimentet. Även om racken är utformade så de lutar måste tillbaka något för att förhindra metall BBs faller när rack är stående upprätt, omsorg tas när du placerar rack att förhindra oavsiktliga utsläpp av metall BBs. Kontrollera också att rack är jäms med kanten av hyllan, så den fallande banan av metall BB justerar med banan. Slutligen, löv skräp torkas framgår av landningsbanan och underredet håller metall BBs från tidigare experiment ska rensas för att förhindra blockering av sensorn. Data registreras automatiskt till ett SD-kort som en CSV-fil, och manuset är skrivet så att Arduino kommer inte att köras om inte ett SD-kort finns. Datafilen importeras manuellt till RStudio och visualiseras med hjälp av tidigare nämnda R-skriptet. Detta skript kommer automatiskt diagram data som en bubbla tomt och identifiera median tid och dag uppkomst. Arduino skriptet är skrivet ska läggas händelsedata till slutet av filen, vilket förhindrar dataförlust vid ett strömavbrott. Detta innebär dock också att när data hämtas från SD-kortet, bör alla filer rensas innan nästa experiment.
Ändringar i SketchUp-filer kan göras att justera storleken på rack för insekter av olika storlekar, med olika storlek rör som används i den modifierade racken. Dessutom är storleken på airsoft pelleten viktigt eftersom det lämnar röret förhindrar insekten och pelletar av olika storlekar kan behövas liksom. En mängd olika ändringar kan göras i R skriptet ändra utseendet på de bubbla tomterna och andra grafiska parametrar.
Vi minskade risken för falsklarm genom att skriva en debounce kod som inaktiverar någon given kanal för en sekund efter en metall BB är upptäckte vilket hindrar en enda metall BB från räknas som flera datapunkter. Även om detta skapar möjligheten för en datapunkt som missade om många bin dyka upp på en gång, men det faktum att kanalerna är oberoende minskar denna risk. En annan begränsning i det nuvarande systemet är att enskilda datapunkter är inte märkbara, dvs en fallande metall BB inte kan spåras tillbaka till en specifik person. Dessutom det nuvarande systemet mäter uppkomsten men inte eclosion rytmer i M. rotundata, men skulle mäta eclosion rytmer i arter där uppkomsten och eclosion är synonymt. Slutligen, den nuvarande utformningen är inte väderbeständig, begränsa dess användning till kontrollerade miljöer.
Framtida tillämpningar inkluderar att undersöka effekterna av andra abiotiska och biotiska miljömässiga ledtrådar för timing uppkomsten av M. rotundata. Dessutom eftersom insekter upptar olika miljöer, varierar relevanta miljömässiga cues mellan arter. Införlivandet av fler insektsarter är därför viktigt att utreda hur dygnsrytm system utvecklats över taxa. Lite är känt om hur utvecklingsmässiga förutsättningar påverkar tidpunkten för vuxen uppkomst; vårt system kan därför användas för att dechiffrera effekterna av behandlingar på uppkomsten. Dessutom kombinationer av miljömässiga ledtrådar kan påverka insekt svaren, således framtida experiment bör införliva flera miljömässiga ledtrådar för att förstå deras relativa inverkan på uppkomsten. Slutligen, distribution i fältet att iaktta hur naturliga inställningar medla uppkomsten rytmer är av intresse. Användarvänlighet i detta system och dess unika kombination av additiv tillverkning, öppen källkod programmering och observerbara biologiska egenskaper, gör det en kandidat för användning i en undervisningsmiljö.
The authors have nothing to disclose.
Vi skulle vilja erkänna insekt Cryobiology och ekofysiologi arbetsgruppen i Fargo, ND för deras bra feedback på experiment med det beskrivna systemet.
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 |