Måling av insekt fremveksten mønstre krever presisjon. Eksisterende systemer er bare semi-automatisert og eksempelskjemaer størrelse er begrenset. Vi adressert disse problemene ved å utforme et system med mikrokontrollere å presist måle tid fremveksten av mange nye insekter.
Eksisterende systemer å måle insekt fremveksten mønstre har begrensninger; de er bare delvis automatisert og begrenset i antall nye insekter de kan oppdage. For å få eksakte målinger av insekt fremveksten, er det nødvendig å være semi-automatisert og kjøpedyktig mål stort antall nye insekter. Disse spørsmålene adressert vi designe og bygge et system som er automatisert og kan måle fremveksten av opptil 1200 insekter. Vi endret eksisterende “faller-ball” systemet benytter Arduino microcontrollers å automatisere datainnsamling og utvide utvalgsstørrelsen gjennom flere datakanalene. Flere datakanalene at brukeren skal kunne ikke bare øke deres utvalgsstørrelsen, men også gir mulighet for flere behandlinger kjøres samtidig i ett enkelt eksperiment. Videre har vi opprettet en R-skript for å automatisk visualisere data som en boble tomten, mens også beregne medianen dato og klokkeslett for fremveksten. Dagens system ble utviklet med 3D-utskrift slik at brukeren kan endre systemet justeres for ulike arter av insekter. Målet med denne protokollen er å undersøke viktige spørsmål i chronobiology og stress fysiologi, bruker denne presise og automatisert system for å måle insekt fremveksten mønstre.
Nøyaktig måle tidspunktet for bakkesendt insekt fremveksten i eksperimentell innstillinger er vanskelige og krever noen grad av automatisering. Flere mekanismer har utviklet tidligere omfatter enten en “faller-ball” prinsippet, fallende baller og sensorer, eller en “bang-box” bruke en trakt-type system1,2,3. Det er to begrensninger med eksisterende design: 1) datainnsamling er bare delvis automatisert og 2) prøve størrelse eller antall emergent insekter som kan gjenkjennes er begrenset. Disse problemene redusere presisjonen for datainnsamlingen, som er viktig å studere timing av eclosion og/eller fremveksten mønstre. Vi adressert disse problemene ved å utforme et system som er automatisert og ikke begrenset av utvalgsstørrelsen, gjør det mulig å bedre bilde fremveksten rytmer svar på miljømessige signaler.
Vårt system er en forbedring faller-ball prinsippet, den nyeste versjonen som brukes infrarøde sensorer til å oppdage insekt fremveksten i seks minutters trinn2. Systemet vårt fortsatt bruker infrarøde sensorer, men inkluderer også en Arduino mikrokontroller for å registrere dato og klokkeslett fremveksten Event til nærmeste sekund. Data lagres automatisk til et secure digital (SD)-kort, som kan eksporteres som en kommadelt fil for analyse. Analysen er automatisert ved hjelp av en egendefinert R script som vil diagrammet dataene som en boble plott og identifisere median tid og dag fremveksten.
Flere kanaler gir brukeren mer fleksibilitet i datainnsamling. For eksempel våre flere kanal design ikke bare reduserer virkningen av en “tett” sensor, men også kan brukes til å øke utvalgsstørrelsen. Videre lar flere kanaler brukeren angi behandlinger på bestemte kanaler slik at de kan kjøre samtidig i et eksperiment. Bruke alle seks kanaler gir ca 1200 nye bier skal registreres i ett enkelt eksperiment. Vi vet, dette er den største utvalgsstørrelsen av gjeldende system måling insekt fremveksten og har tillatt oss å observere fine skala fremveksten mønstre svar på miljømessige signaler. Til slutt, vårt system har det faktum at fleste av delene er 3D trykt. Dette skaper nøyaktig størrelse komponenter, som reduserer sannsynligheten for feil som forekommer (for eksempel detektor tilstopping) under operasjoner. Det gjør det også mulig for tilpasning for andre forskning systemer.
Målet med denne protokollen er til skikk bygger en presis og automatisert system for å måle insekt fremveksten, å undersøke spørsmål i chronobiology og stress fysiologi. Dette systemet har vært, og vil fortsette å være kritisk undersøker ubesvarte spørsmål knyttet til insekt fremveksten mønstre svar på miljømessige signaler. Her beskriver vi sin samling og bruk fremveksten deteksjon av alfalfa leaf-skjæring bee, Megachile rotundata i lab-basert eksperimentelle innstillinger. Systemet er automatisert ved hjelp av en programmerbar microcontroller og tilpasses ved hjelp av 3D trykte deler. Trykte racks hold i stedet rør som inneholder bee reir cellene etter en metall BB. På fremveksten, er metall BB frigjort fra rack, passerer gjennom en infrarød sensor registrerer datoen og tidspunktet for fremveksten SD-kort. Gjeldende utforming er optimalisert for M. rotundata, men med mindre justeringer kan tilpasses for andre arter av insekter.
Vi presenterer en protokoll for samling og bruk av et system som tillater for nøyaktig måling av tidspunktet av insekt fremveksten. Dette systemet løser to problemer, som begrenset forrige design: delvis automatisering og begrenset utvalgsstørrelsen. Vi har løst disse problemene ved å automatisere datainnsamling med mikrokontrollere, som også mulig for oss å øke utvalgsstørrelsen ved hjelp av flere kanaler. Gjeldende utforming inneholder seks kanaler som kan holde totalt 1200 bier. Flere kanaler kan legges til eller trekkes fra hvis nødvendig, slik at ikke bare for økt utvalgsstørrelsen, men også for samtidig undersøker virkningene av flere behandlinger. Avgjørende skritt, modifikasjoner, begrensninger og framtidige applikasjoner er omtalt nedenfor.
Den eneste delen av systemet som ikke er automatisert lastes stativer med Foreldreomsorg og yngelens celler, metall BBs og airsoft pellets i begynnelsen av eksperimentet. Selv om stativer er utformet slik at de lener seg må tilbake litt for å hindre at metall BBs faller når stativer er stående oppreist, omsorg tas når du plasserer stativer å hindre utilsiktet utslipp av metall BBs. Kontroller også stativer er jevnt med kanten av sokkelen, så faller banen av metall BB enkeltarket rullebanen. Endelig blad rusk tørkes klart fra rullebanen, og understellet holder metall BBs fra forrige eksperimenter bør være ryddet for å hindre blokkering av sensoren. Dataene registreres automatisk SD-kort som en CSV-fil, og skriptet er skrevet slik at Arduino ikke vil kjøre med mindre et SD-kort finnes. Datafilen er manuelt importeres til RStudio og visualisert ved hjelp av nevnte R skriptet. Dette skriptet vil automatisk graf dataene som en boble plott og identifisere median tid og dag fremveksten. Arduino skriptet er skrevet tilføye Hendelsesdata til slutten av filen, som hindrer tap av data i tilfelle strømbrudd. Men betyr dette også at når data hentes inn fra SD-kortet, alle filer skal fjernes før neste eksperimentet.
Endringer i SketchUp-filer kan gjøres å justere størrelsen på stativer for insekter i forskjellige størrelser, med ulike størrelser rør brukes i endret stativer. Videre er størrelsen på airsoft pellets viktig fordi den hindrer at insekt forlate røret, og pelleter av forskjellige størrelser kan være nødvendig også. En rekke endringer kan gjøres til skriptet R å endre utseendet på boble tomter og andre grafiske parametere.
Vi redusert risiko for falske positive ved å skrive en debounce kode som deaktiverer noen gitt kanal for ett sekund etter en metall BB er oppdaget og dermed hindre en enkelt metall BB fra å bli regnet flere datapunkter. Selv om dette oppretter muligheten for et datapunkt savnet hvis mange bier dukke opp på en gang, men det faktum at kanalene er uavhengige reduserer risikoen. En annen begrensning av dagens system er at individuelle datapunkter er ikke discernable, dvs. en fallende metall BB kan ikke spores tilbake til en bestemt person. Videre dagens system måler fremveksten men ikke eclosion rytmer i M. rotundata, men ville måle eclosion rytmer i arter der fremveksten og eclosion er synonymt. Til slutt, gjeldende utforming er ikke værbestandig, begrense bruken til kontrollerte miljøer.
Fremtidige programmer omfatter å undersøke effekten av andre abiotiske og biotiske miljømessige signaler for timing fremveksten av M. rotundata. Videre fordi insekter okkupere ulike miljøer, varierer relevante miljømessige signaler mellom artene. Innlemmelse av flere insekt arter er derfor viktig å undersøke hvordan circadian systemer utviklet seg over taxa. Lite er kjent om hvordan utviklingsmessige forhold påvirker tidspunktet for adult fremveksten; Derfor kan systemet brukes å dechiffrere effekten av behandlinger på fremveksten. Videre kombinasjoner av miljømessige signaler kan påvirke insekt svar, dermed senere eksperimenter bør innlemme flere miljømessige signaler for å forstå deres relative effekter på fremveksten. Til slutt, distribusjon i feltet for å observere hvordan naturlige innstillinger megle fremveksten rytmer er av interesse. Enkel bruk av dette systemet, og en unik kombinasjon av additive industrien, åpen kildekode-programmering og observerbare biologiske egenskaper, gjør det en kandidat for bruk i en pedagogisk setting.
The authors have nothing to disclose.
Vi ønsker å erkjenne insekt Cryobiology og Ecophysiology working group i Fargo, ND for deres nyttig tilbakemelding på eksperimenter ved hjelp av beskrevet 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 |