Remote Sensing Evaluation of Two-spotted Spider Mite Skador på växthus Bomull

Summary

Detta manuskript beskriver en multispektral optisk sensor som effektivt detekterade skador på tidiga säsongen bomull artificiellt infekterad med varierande densiteter hos de två växthusspinnkvalster populationer.

Abstract

The objective of this study was to evaluate a ground-based multispectral optical sensor as a remote sensing tool to assess foliar damage caused by the two-spotted spider mite (TSSM), Tetranychus urticae Koch, on greenhouse grown cotton. TSSM is a polyphagous pest which occurs on a variety of field and horticultural crops. It often becomes an early season pest of cotton in damaging proportions as opposed to being a late season innocuous pest in the mid-southern United States. Evaluation of acaricides is important for maintaining the efficacy of and preventing resistance to the currently available arsenal of chemicals and newly developed control agents. Enumeration of spider mites for efficacy evaluations is laborious and time consuming. Therefore, subjective visual damage rating is commonly used to assess density of spider mites. The NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) is the most widely used statistic to describe the spectral reflectance characteristics of vegetation canopy to assess plant stress and health consequent to spider mite infestations. Results demonstrated that a multispectral optical sensor is an effective tool in distinguishing varying levels of infestation caused by T. urticae on early season cotton. This remote sensing technique may be used in lieu of a visual rating to evaluate insecticide treatments.

Introduction

Two-spotted spider mite, är Tetranychus urticae (Koch) en polyphagous och kosmopolitiska skadedjur av många fält och trädgårdsväxter ^{1, 2.} Den lever inuti simhuden i kolonier på bottenytan av anläggningen ^{3, 4.} Den har utvecklats från att vara en sen säsong till en tidig säsong skadedjur i mitten av södra USA under det senaste decenniet ^5. TSSM var ^{5: e} mest skadliga skadedjur av bomull och orsakade en beräknad förlust på 57,441 balar av bomull och 0,167% minskning av avkastningen i USA under 2011 ^{6, 7.} Dess korta livslängd, hög fruktsamhet och haploida-diploid könsbestämning i kombination med förmågan att smälta och avgifta xenobiotika har förvärrat utvecklingen av resistens mot bekämpningsmedel ^8. För närvarande förblir akaricider som ondast pålitlig styrmekanism för att undertrycka T. urticae. Därför fält entomologer utvärderar ständigt närvarande tillgängliga och nyutvecklade akaricider för effekt.

Uppskattningen av skada av spinnkvalster är vanligtvis genom att göra poäng skadan på en subjektiv skala på grund av svårigheten i att manuellt räkna kvalster. Några genomfört binomial provtagning, där endast andelen angripna blad räknades snarare än antalet spinnkvalster per blad ^9. En blad rodnad indexskala, som varierade från stippling och rodnad till omfattande rodnad av vegetationen, användes som ett kriterium för att uppskatta skador. Den rumsliga fördelningen mönster av T. urticae på bomulls formas efter ett hopklumpat fördelningsmönster ^9. Kvalster är fördelade på bomulls blad från glesa till kraftigt klustrade och förblir så under fälttillstånd. Sådant fördelningsmönster couvädjade med sin ringa storlek, rörlighet och produktiv reproduktion gör uppräkning av TSSM svårt. Tillförlitliga alternativa tekniker behövs för bedömningen av kvalstertäthet för att kvantitativt utvärdera effekten i akaricider mot TSSM.

Målet med denna studie var att separera bomullsplantor som skadats av varierande densiteter hos TSSM genom användning av en optisk multispektral sensor. Vår avsikt var att avgöra om markbaserade optiska sensorn kan klassificera och separera friska bomullsplantor från de skadas av spinnkvalster.

Protocol

1. Etablera TSSM kolonier på Pinto Beans Växt pinto bönor, Phaseolus vulgaris L., i plastbrickor (56 x 28 x 5 cm 3) innehållande potting jord i växthuset som visas i Figur 1. Märka brickorna med märkning pinnar enligt behandling och replikation. Ställa in och bibehålla växthustemperaturen till 90 ° F och 70% relativ fuktighet. Växa bönor till 1-2 treflikiga bladstadiet 10 såsom visas i fig 2. Samla spinnkvalster från bomullsplantor angripna naturligt med kvalster genom att ta bort angripna blad. Placera spinnkvalster angripna bomull lämnar på pinto beans så ofta som behövs tills alla växter i magasinen är angripen med många TSSMs. Figur 1: Plantering pinto bönor i plastbrickor. Pinto bönor frön planterades i plastbrickor (56 x 28 x 5 cm 3) i växthus och vattnades dagligen. Klicka här för att se en större version av denna siffra. Figur 2: Pinto bönor med trifoliate blad. Den första riktiga löv som bildas efter hjärtbladen dyka upp från marken är den enkla eller unifoliate blad. Efterföljande blad är trifoliate blad med denticulate tips. Klicka här för att se en större version av denna siffra. 2. Överför TSSM till bomullsplantor Växa Icke- Bt (ej genetiskt modifierade) bomullsplantor till 4-5-bladstadiet i plastbrickor (56 x 28 x 5 cm) i växthuset som anges i steg 1,3 och visas i Figur 3. Överföra spinn kolonier från pinto bönor på unga bomullsplantor vid 4-5 sann bladstadiet. Överför 3 massor av spinnkvalster för lätt angripna plantor. Anmärkning: Vid mycket höga angreppsnivåer, spinnkvalster bildar massor eller bolls 11 och finns hängande på blad tips såsom framgår av fig 4. Placera en pan under pinto bean blad spets innehåller TSSM massorna. Skära pinto bean blad tips med sax, vilket tillåter TSSM massorna att falla in i pannan som visas i figurerna 5 och 6. Vända pan upp och ner över bomullsplantor och knacka TSSM massor på bomullsplantor som odlas i plastbrickor, såsom visas i figur 7. Obs! Varje fack innehöll ~ 100 bomullsplantor. Slumpmässigt spred 3 massor av TSSM på bomullsplantor. Överför 20 massor för migdially angripna växter. Placera en pan under pinto bean blad spets innehåller TSSM massorna. Skär pinto bean blad tips med sax, så att de kan falla i pannan. Samla 20 massorna i pannan. Vänd pan upp och ner över bomullsplantor och peka ut TSSM massor på ~ 100 bomullsplantor upp i växthuset. Överför 40 massorna kraftigt angripna plantor. Placera en pan under pinto bean blad spets innehåller TSSM massorna. Skär pinto bean blad tips med sax, så att de kan falla i pannan. Samla 40 massorna i pannan. Vänd pan upp och ner över bomullsplantor, peka ut TSSM massor på ~ 100 bomullsplantor och sprida dem slumpmässigt. Figur 3. Bomulls växter med 4-5 sant bladstadiet. the kotyledoner dyka upp från marken som bladliknande strukturer orienterade mitt emot varandra på plantan stammen. Den toppmeristem framträder genom hjärtbladen och bildar de första riktiga bladen. Klicka här för att se en större version av denna siffra. Figur 4. TSSM massor som hänger på en trifoliate böna blad. TSSM bor i kolonier och när populationer når hög densitet, bildar de massor eller Boll liknande strukturer och samlas på blad tips för spridning. Klicka här för att se en större version av denna siffra. Figur 5. Cutting pintoböna blad spetsar innehållande en TSSM massa med en sax. Trifoliate böna blad tips innehåller TSSM massorna togs bort med sax för angriper bomullsplantor. Klicka här för att se en större version av denna siffra. Figur 6. TSSM massor på böna blad tips placerade inuti pannan. När tillräckligt antal trifoliate böna blad tips med TSSM hittades i testanläggningar, de bort och placeras i pannan. Dessa prover användes för att angripa kategorier behandlings: lätt, medel och tung som fick 3, 20 och 40 massor av TSSM, respektive. Klicka här för att se en större version av denna siffra. </a> Figur 7. Slå pannan upp och ned. De pannor som innehåller trifoliate bönor blad tips med TSSM vändes upp och ner på bomull canopy att angripa testanläggningar. Klicka här för att se en större version av denna siffra. 3. Scan TSSM Infested bomullsplantor med Multispektrala optisk sensor Horisontellt montera den optiska sensorn på växthusramen ca 7 ft över golvet som visas i figur 8. Ställ in avståndet mellan skannern och anläggningen canopy på 36" . Använd en snickare nivå för att säkerställa att sensorn är vågrätt. Placera uninfested brickor av bomullsplantor på ett hjulförsett tryckvagn. Aktivera sensorn switch och tryck långsamt cart under sensorn tills facket helt passerar sensorhuvudet som visas i figur 8. Stäng av brytaren. Dra vagnen. Upprepa steg 3,3 tre gånger, för totalt 3 replikationer. Upprepa denna procedur för alla fack av bomull. Upprepa skanning på Dag 1, Dag 5, Dag 6, Dag 7, Dag 9, Dag 10, Dag 12, Dag 13 och Dag 14 efter behandling (DAT). Avsökningen gav NDVI (ndvi) värden 12. Överföra NDVI värden och lagra på en Pocket PC som sedan kan laddas ner till en dator i textformat. OBS: NDVI beräknades från följande ekvation: NDVI = (NIR – RÖD) / (NIR + RED), där RÖTT och NIR är de spektrala reflektansvärden (0-255) i den röda och nära infraröda spektrum vid 660 och 770 nm, respektive. Figur 8. multispectral optisk sensor används för att kvantitativt mäta hälsan hos bomullsplantor som angripits med varierande densitetsnivåer av TSSM. Den hjul Push Cart med testanläggningar långsamt korsas under sensorhuvudet för att erhålla spektrala reflektansvärden. a är sensorhuvudet; b är pocket PC; c är batterifacket och in / utportar; d är RS-232 seriell datakabel och e är kraftpapper för att åstadkomma enhetlig bakgrund. Klicka här för att se en större version av denna siffra. 4. Data Analyser Uppnå maximal NDVI värdena med Proc Medel förfarandet 13. Beräkna den procentuella reduktionen i NDVI-värden för varje dag av observation med användning av dag 0 som ett referensvärde. Analysera data med hjälp av upprepade mätningar PROC GLM förfarandet <sup class = "xref"> 13. OBS: Medel separerades med användning av Duncans Multiple Range Test vid P = 0,05. Medel med samma gemener var inte signifikant. Utföra grafiska illustrationer av data 14 såsom visas i figur 9. Figur reduktion 9. Procent eller förändring i NDVI förhållande till dagar efter behandling. JMP-mjukvara användes för att grafiskt illustrera det funktionella sambandet mellan procentuell förändring i NDVI förhållande till dagar för provtagning (DAT). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Representative Results

Sensorn avger rött och infrarött ljus, och detta ljus i sin tur blir reflekteras tillbaka från växt canopy. Det reflekterade ljuset tjänar som en kvantitativ mätning av den synliga och nära-infraröda band av det elektromagnetiska spektrumet och är numeriskt registreras som NDVI (ndvi) avläsning. De NDVI värden varierar från 0 till 0,99. Ju högre NDVI läser friskare anläggningen trädkronorna. Hälsosam vegetation absorberar synligt ljus och reflekterar det nära infraröda ljus och ohälsosamma vegetation reflekterar mer synligt ljus och mindre nära infrarött ljus. NDVI tjänar som ett surrogat för fotosyntetisk aktivitet, och denna spektrala egenskapen är starkt korrelerad till fotosyntetiskt aktiv strålning 15, 16, 17, 18. Mycket låga värden på NDVI (0,1 och nedan) motsvarar ofruktbara områden av sten ellersand, medan moderata värden (0,2 till 0,3) representerar buske och gräsmark och höga värden (0,6 till 0,8) indikerar tempererade och tropisk vegetation. Mätningarna reflektansmätningar erhölls under dagtid belysning i de röda och nära infraröda regionerna av spektrat. NDVI beräknades från följande ekvation: NDVI = (NIR – RÖD) / (NIR + RED), där RÖTT och NIR är de spektrala reflektansvärden (0-255) i de röda och nära infraröda spektrum vid 660 och 770 nm, respektive. Sensorn registrerar reflektansvärden var 100 ms. De maximala NDVI avläsningar gallrats från en array av NDVI värden tagna varje gång av sensorn användes i analyserna för att minimera bakgrunds reflektans och att åstadkomma konsekvent repeterbara numeriska värden. Variansanalys av data visade att betydande skillnader i minskning av NDVI procent observerades mellan lätt, medially och kraftigt angripna bomullsplantor jämfört med den obehandlade kontrollen (F = 436,4, p <0,0001; df = 3, 32). De NDVI värden som beskrivs plantvigör under testperioden varierade avsevärt mellan dagars observation (F = 1398,2; P <0,0001; df = 8, 256). Också, minskningen i NDVI värden procent var omvänt korrelerad till behandlingarna under observationsperioden (DAT), men sällan tenderade att avvika från detta mönster och interagera signifikant med DAT (F = 201,5, p <0,0001; df = 24, 256) . De MANOVA testkriterier för ingen DAT effekten var signifikant samt (Wilk s λ = 0,00913; F = 339,0, p <0,0001; df = 8, 25). På liknande sätt, samspelet mellan DAT och behandling var signifikant (Wilk s λ = 0,00101; F = 29,8, p <0,0001; df = 24, 73). Figur 9 visar procent förändring i plantvigör såsom visas av NDVI-värden under observationsperioden. En positiv percent förändring av NDVI värde indikerar friska växande plantor, medan ett negativt värde indikerar att kraften i anläggningen har minskat sedan den första mätningen (dvs. dag 0) gjordes. De icke-angripna kontrollplantor uppvisade ökad vegetativ tillväxt under studiens gång, medan TSSM-angripna plantor visade nedbrytning i hälsa över tid. Betyda separation av de behandlingar som visas i tabell 1 avslöjar att ingen definierbar skillnad i minskning av NDVI procent mellan kategorier behandlings (ljus, medeltunga och tunga) och kontrollen observerades fram till dag 5 när angrepp klasser signifikant avvek från kontroll och förblev överväldigande så därefter . Dessa data visar att den optiska sensorn effektivt kan användas i stället för arbetsintensiv manuell provtagning för att utvärdera behandlingseffekt mot akaricider på bomull. <td colspan = "10"> dagar efter behandling (DAT) infestation Kategori 1 5 6 7 9 10 12 13 14 Kontrollera 1,18 ± 0.33a 2,70 ± 0.40a 4,0 ± 0.36a 3,94 ± 0.37a 3,68 ± 0.53a 2,57 ± 0.42a 2,96 ± 0.47a 3,48 ± 0.38a 3,08 ± 0.22a Ljus -0,13 ± 0.13b -0,71 ± 0.29b -0,65 ± 0.28b -2,02 ± 0.47b -5,68 ± 0.72b -11,17 ± 0.94b -15,73 ± 1.76b -19,54 ± 1.68b -24,9 ± 1.90b Medium -1,83 ± 0.42c -7,06 ± 0.63c -9,61 ± 0.53c -10,39 ± 0.57c -17,06 ± 0,80c -26,92 ± 0.72c -33,84 ± 0.96c -37,05 ± 1.14c -41,74 ± 0.73c Tung -0,97 ± 0.58bc -11,76 ± 0.29d -13,83 ± 0.86d -15,20 ± 0.63d -25,0 ± 1.0d -34,63 ± 0.54d -39,07 ± 0.94d -42,68 ± 0.62d -46,71 ± 0,63 Tabell 1: minskning Procent i Max NDVI efter bomullsplantor infekterades med varierande antal kluster eller massor TSSM. Bomullsplantor som odlas i plastbrickor i växthus var angripna med tre kategorier av spider mite densitet. Kategori Ljus fick 3 massor eller kluster av TSSM per bricka, kategori Medium fick 20 vikt per fack och kategori Heavy erhöll 40 vikt per fack. Organ separerades från kontroll enligt Duncans Multiple Range Test (P = 0,05). Organ följt av samma bokstav var inte signifikant olika vid nivån 5% av sannolikhet.

Discussion

Konventionellt, tester insekticid effekt som utförts inom området inkluderar flera behandlingar av kemikalien appliceras i olika takt och jämfört med en obehandlad kontroll. Akaricider med varierande toxicitetsprofiler mot instar och vuxna stadier av TSSM bedöms för att avgöra om skador som orsakats av dem skulle kunna minskas genom kemisk behandling. TSSM prov samlas in och förs till laboratoriet där de undersöks i mikroskop och de olika stadierna av TSSM räknas och registreras. Det är oerhört viktigt att vidta lämpliga prover av värdväxten för att fastställa skadan i varje behandlings och differentiera dem med statistiskt acceptabel precision. Antalet sampel som krävs för att skilja de behandlingar från varandra beror på fördelningsprofilen av organismen. Mycket ojämn fördelning av TSSM leder till en avsevärd variation mellan provområdena, och många växter måste provtas iFör att säkerställa reproducerbarhet av befolkningen uppskattningar. Men budget, arbetskraft, tid och statistisk precision är viktiga faktorer som inkräktar på urvalsmetoder. Det tillkommer forskaren att fördela de tillgängliga resurserna optimalt att genomföra provtagning med den lägsta kostnaden, men med de flesta precision.

Entomologer i stället för att räkna TSSM steg poäng visuellt skadan baserad på en skala från någon skada på olika nivåer av skador. Till exempel föreslog några forskare binomial provtagning, där endast andelen angripna blad räknades snarare än antalet spinnkvalster per blad ^{9, 19.} Andra uppskattade skadorna från TSSM på bomull bygger på ett löv rodnad index skala, som varierade från stöppling och rodnad omfattande rodnad vegetation canopy ^19. Dessa metoder är godtyckliga, anekdotiska och påverkade av enskilda uppfattningar om graden av skada.En mer robust och kvantitativ bedömning av skador som orsakats av TSSM krävs för att utvärdera och separera behandlingar med statistisk precision.

Den markbaserade multispektrala optiska sensorn verkar vara ett förbättrat provtagningsverktyg för att kvantitativt bestämma skador som orsakats av TSSM och att separera behandlingar mer exakt än det visuella skador poängsystem antagits av många forskare. Emellertid har forskare rapporterat att dataintensiva hyperspektrala fjärranalys gett många spektrala signaturer för att identifiera och detektera grödor påkänningar och canopy egenskaper jämfört med multispektrala fjärranalys, som är mindre data intensivt med två våglängder ^{20, 21.} Med användning av en hyperspektral spektrometer, Reisig och Godfrey fann att NIR-reflektans våglängden ≈850 nm såsom en informativ spektrum i särskilja artropod-angripna från uninfested bomull ²². I denna studie har vi visat att de multispektrala reflektansvärden (NIR värde är ≈770 nm) med bara två spektralband kunde identifiera och karakterisera bomullsplantor angripna med varierande densiteter TSSM. Dessutom har vi rapporterat tidigare att multispektrala optiska sensorn inte bara effektivt åtskilda bomullsplantor infekterad med vitt skilda kategorier av TSSM densitet, men visade också att spiromesifen var effektivare än abamektin kontrollera TSSM i början av säsongen bomull i växthuset vid halva hastigheten för den lägsta etiketthastigheten ^23.

Den multispektrala optiska sensorn kan monteras på en mobil forskningsplattform och reflektansvärdena kunde erhållas från de behandlade områdena av vegetations skärmtak utan mänsklig subjektivitet. Akaricid effektdata kan sålunda erhållas utan mycket mänsklig arbetskraft. De NDVI data kan enkelt överföras till datorn och analyseras med hjälp kommersiell statistiskprogramvara. En GPS-mottagare kan också monteras på den mobila plattformen för att samla in GPS-koordinater för att generera en skada karta över området. Med användning av multispektrala reflektions signaturer från växten canopy tillhandahåller multispektrala optiska sensorn ett snabbt och kostnadseffektivt sätt att identifiera och kvantifiera växt stress. Dessutom kan ett mycket större område av fältet täckas på kortare tid med högre spatial upplösning av växt canopy jämfört med konventionell fält scouting. Det är viktigt att komma ihåg att tröskel skada nivån för TSSM på bomull varierar från region till region i USA. Till exempel, skulle TSSM skada vara högre i en torr miljö, såsom i Kalifornien jämfört med Midsouth region där nederbörd och hög luftfuktighet ofta företräde ^24. Därför kommer utbytesförlust på grund av TSSM skador vara variabel och så är tröskel skador. Men rapporter från Mississippi, Arkansas och Tennessee visar att tröskelnivånför TSSM på bomull verkar vara när 30 till 50% av plantorna angripna och populationer aktivt ökar ^5. Dessutom är fältodlade växter exponeras för flera påfrestningar inklusive vatten spänningar och matning av artropoda växtätare och interaktionerna mellan dessa aktiviteter kan avsevärt minska anläggningens produktivitet och kommer sannolikt att påverka tröskel skador. Den TSSM kan minska stomata ledningsförmåga, fotosyntes och transpiratakten i bomull ^25. Växter som odlas i växthus påverkas av UV-ljus-strålning och det nämnvärt påverkar stomata funktion, fotosyntes och canopy morfologi ^{26, 27} och skulle förmodligen ha en additiv effekt på växt stress. Emellertid är TSSM kan undvika UV-strålning genom att ha tillgång till livsmiljö skyddas mot solstrålning på den undre ytan av växten baldakinen ^{28, 29 <}/ ^{sup>, 30,} där den finns.

Höjden av den optiska sensorn över målet canopy och orienteringen av sensorn relativt målet är viktiga faktorer som påverkade signifikant reflektansvärdena erhållna genom multispektrala optiska sensorn ^31. Till exempel, när mobilforskningsplattformen passerar genom en rad gröda fält såsom när bomull canopy är öppen, kommer sannolikt att producera olika resultat beroende på orienteringen av sensorn, antingen parallella med eller vinkelräta mot raden sensorn. Det är också troligt att jord och annat bakgrundsmaterial kraftigt kan påverka sensoravläsningar, särskilt när sensorn är orienterad vinkelrätt mot raden. I syfte att erhålla maximal respons från sensorn, bör sensorhuvudet orienteras i linje med och direkt ovanför raderna. Även orientera ljusstrålen vinkelrätt mot raderna är mer benägna att plocka upp tillbakamarkjord reflektans, kan detta vara acceptabelt, men när bomull canopy är stängd med frodig växtlighet. Dessutom bör operatörerna följa tillverkarens rekommendationer på en arbetshöjd intervall av 81-122 cm och orientera sensorhuvudet i linje med målet att uppnå maximal signalsvar. Det är viktigt att ladda sensor batteriet innan användning eller det bör hållas inkopplad för att undvika felsökning. Låg batterinivå är sannolikt att producera felaktiga avläsningar.

Materials

GreenSeeker	Trimble Ag. Division	Model 505	Red NDVI sensor
	Westminster, CO
Pinto beans	Producer's Co-op., Bryan, TX	Not applicable	Free choice item
Deltapine cotton seeds	Brazos Bottom Crop Care, Caldwell, TX77836	Not applicable	436 RR; NonBt & RoundUp
			Ready
Plastic trays	BWI, Schulenberg, TX	FG1020NL7	56 x 28 cm
Label sticks	Gempler's, Janesville, WI 53547	Item # 151276	Durable spike-style pot markers
4-wheel Garden push cart	Farm Tek, Dyersville, IA 52040	Item # 108676	61 x 122 cm