利用低成本、小型、易于建造的Quercivorus测量豚草甲虫、鸭嘴兽的飞行能力 (村山富市)

摘要

我们开发了一个低成本和小型飞行厂, 建设与一般可用的项目, 并容易用于试验。利用这个仪器, 我们测量了一个豚草甲虫,鸭嘴兽 quercivorus的飞行能力。

摘要

豚草甲虫,鸭嘴兽 quercivorus (村山富市), 是真菌病原体的载体, 导致壳斗科树 (日本橡木枯萎) 的大量死亡。因此, 了解扩散能力可能有助于使诱捕/树移除的努力更有效地预防这种疾病。在这项研究中, 我们测量飞行速度和持续时间, 并估计飞行距离的甲虫使用新开发的飞行厂。该机组成本低, 体积小, 使用常用的物品建造。飞行磨机臂及其垂直轴组成一根细针。甲虫标本用速溶胶水粘在手臂的一个尖端上。另一个尖端是厚的由于被塑料覆盖, 从而有助于检测手臂的旋转。臂的革命是由安装在红外线 led 上的照片传感器检测到的, 当手臂通过 led 上方时, 输出电压的变化就表明了这一点。照片传感器连接到一台个人电脑, 输出电压数据以1赫的采样速率存储。通过使用这个飞行磨机进行实验, 我们发现quercivorus至少能飞27公里。由于我们的飞行厂包括便宜和小的普通项目, 许多飞行磨房可以同时被准备和使用在一个小实验室空间。这使实验者能够在短时间内获得足够数量的数据。

引言

动物为了寻找食物和伴侣, 迁徙了很长的距离。迁徙的动物有时可能携带不良的同伴。雌豚草甲虫,鸭嘴兽 quercivorus (村山富市), 是一个已知的真菌病原体, Raffaelea quercivora Kubono 和新 Ito。这种病原体导致壳斗科树 (日本橡木枯萎) 的大量死亡和高水平的死亡率¹。自1980年以来, 这种疾病一直在日本蔓延, 并已成为一个严重的问题²。

quercivorus是一种小昆虫 (体长4-5 毫米, 体重4-6 毫克), 每年的疾病扩展表明, 它们能够飞到几公里^3,4。雄quercivorus定位一棵寄主树, 并释放一个聚合信息素, 吸引男性和女性⁵。因此, 宿主树受到 conspecifics 的大规模攻击, 最终死亡。在着陆后, 雄鸟在树内钻孔, 一个由信息素吸引的雌性进入隧道, 产卵。孵化的quercivours在隧道中生长, 直到成年。成人出现并分散, 以找到新的主机。因此, 疾病的扩展可能与这种甲虫的迁徙能力有关。然而, 甲虫能飞的程度仍然不明。此外, 雌性比雄性大⁶ (女性: 4.6 毫米, 雄性: 4.5 毫米) 和雄性甲虫搜索目标树, 进入树内的隧道, 然后吸引雌性。考虑到这些性别差异在身体大小和飞行的作用在他们的生活中, 性区别可能存在于飞行能力, 但能力的区别仍然不清楚。

一般来说, 由于迁徙区域的范围很广, 测量野外迁移能力, 特别是飞行能力, 是极其困难的。在60年^{7、8、9、10、11、12}等拴系条件下的实验室测量了迁移能力, 例如一个飞行磨机系统;^,13. 飞行磨机系统表明, 有些昆虫具有长距离飞行的能力。例如, 山松树甲虫的最长的飞行距离在一个飞行磨房是24公里¹⁴, 并且啮 planipennisi杨最大地飞行了7公里¹⁵。虽然飞行磨房是通常可利用的工具, 生物化验与活动物经常导致相当大个体区别。为了克服这一点, 许多测量, 重复多次, 需要得到可靠的估计平均扩散能力。因此, 应同时使用多个个人来快速收集足够数量的数据。然而, 同时实验需要一个更大的空间, 多个实验设置, 并比单一测量系统更昂贵。因此, 该机组必须低成本, 应易于建设与一般可用的项目, 并紧凑的规模。此外, 实验过程不应复杂或需要熟练的操作员。

在这项研究中, 我们组装了一个小型, 低成本的飞行厂 (图 1和图 2), 可以很容易地用于实验, 并测量飞行能力的豚草甲虫, P. quercivorus.

研究方案

1. 飞机厂的建造

1. 飞机磨机装置的施工
   1. 从针 (金属部分:40 毫米长度和直径0.25 毫米) 切断塑料部分; 塑料部分: 长度为22毫米, 直径为2毫米) 带钳 (图 3)。
   2. 用环氧树脂胶粘剂 (图 3) 在十字的形状上用未经处理的针固定这根针, 将其称为飞行磨臂和轴向针。
      注: 对于轴向针, 未经处理的一侧应为底部。飞行磨房胳膊的被揭露的末端是为胶合甲虫 (图 1B和图 3)。
2. 基地建设
   1. 通过锤击钉子以防止轴向水平滑动 (图 4), 在薄薄的不锈钢金属板 (5 厘米 x 5 厘米) 表面上制作一个小酒窝。
      注意: 金属板的实际尺寸不重要, 另一种材料是可能的, 但避免使用任何软材料;否则, 针会卡住, 防止磨机旋转。
   2. 用胶带将木板上的金属板 (木制底座) 放置并固定。
   3. 弯曲一个钢板, 使其双 L 形 (图 1C和图 2A)。
      注: 用 L 型金属板固定墙上的家具是很方便的。另一种方便的观点是, 支持使用这种板块的是, 板块已经有很多孔。孔用于拧紧, 也可以修复一个捕捉按钮 (图 1A和图 4)。
   4. 通过切割一次性塑料吸管的尖端 (高度 = 1 厘米, 外径 (外径) = 4 毫米, 内径 (id) = 2 毫米) 来制造圆柱形, 用于引导轴向针 (图 2A和图 4)。
   5. 将双 L 形板和金属板上的气缸固定 (图 2A和图 4)。
3. 传感设备的建设
   1. 弯曲金属板使其 L 形, 使一个顶部板。
      注: 使用 L 型金属板固定在墙上的家具是方便的 (图 5B-C)。如果是这样, 则可以跳过此步骤。
   2. 在顶板上放置一个小的金属帽 (长度为5毫米, 直径为1毫米) (图 2D-E,图 4,图 5A)。
      注意: 作为一个上限, 我们使用了一个捕捉按钮。它穿过 L 形板上的一个孔 (图 4)。
   3. 修复 L 型板上的照片传感器 (图 4和图 5A)。拧紧 L 形板上传感器的电路基板以节省空间 (图 2D-E,图 4)。
   4. 将红外线 led (150 兆瓦) 粘附在一个小磁铁上, 与 LED 的电路衬底 (图 1A和图 2A) 粘合。
   5. 将 LED (150 兆瓦) 放在照片传感器下方的基板上 (图 1A和图 2A)。
4. 施工支架
   1. 弯曲金属板使其 L 形。
      注: 使用 L 型金属板固定在墙上的家具是方便的 (图 5B-C)。如果是这样, 则可以跳过此步骤。
   2. 用螺丝固定木板 (木墙) 上的盘子 (图 1C,图 4,图 5B)。木板的高度不重要, 这项研究是7厘米。
5. 连接电缆
   1. 通过普通电缆将照片传感器连接到 a/d 转换器的模拟输入通道。
      注: 如果所有电缆都捆绑并固定在 L 形板上 (图 5B-D), 这是很有帮助的, 因为凌乱的工作区经常会防止整个实验中的细微操作。
   2. 通过 USB 电缆将 a/d 转换器连接到个人计算机 (PC)。

2. 实验程序

1. 收集所有新出现的P. quercivorus成人从死的栎 crispula (Fagales: 壳斗科) 树在上午 (7-9 am) 的一天的实验将进行。
   注意: 不要使用在前一天收集的甲虫。每天有超过100只甲虫出现, 新出现的甲虫每天都被检查。有关收集甲虫的详细方法, 请参阅参考¹⁶ 。
2. 把甲虫放在冰上麻醉。避免把甲虫弄湿;否则, 将很难完成以下过程。在冰上执行所有后续的步骤。
3. 将一小部分的即时胶水 (湿乎乎胶) 的一部分, 在甲虫的 pronotum 与磨臂, 并保持磨臂与 pronotum 接触。
   注: 如果单独使用胶水, 湿乎乎胶水会慢慢干燥。然而, 当两个组分混合 (材料表) 时, 这种胶水的作用很快。另一组分 (液体胶) 将在下一步使用。
4. 使用细针或棍子添加少量的胶水 (液体胶水) 的其他成分。确保机翼没有胶水 (图 1B)。液体胶用于促进湿乎乎胶的硬化。
5. 通过使用磁铁将 l 形板 (顶板) 放在另一 l 形板上, 将十字形针调整成机架 (图 6)。在调整针顶板高度时, 只需滑动顶部板即可。将轴向针的上尖端插入顶板上的 "捕捉" 按钮的孔 (图 5A), 然后将另一个笔尖放到基板上的导轨上 (图 6)。
6. 调整传感器下 IR 指示灯的位置。

3. 获取和分析数据

1. 将放大后的输出信号从照片传感器中记录下来, 并通过 a/d 转换器将其存储在 PC 中, 方法是使用具有1000磅/秒采样率的商用软件 (图 7A) (用于 a/d 转换器和软件、材料表)。
2. 启动软件 DAQFActoryExpress。
3. 在工作区窗口中, 单击日志记录图标上的十字 (+) 标记。
4. 右键单击日志记录集名称, 然后选择 "开始日志记录集"。
   注意: 软件继续记录和保存数据。
5. 要停止录制, 请右键单击日志记录集名称, 然后选择 "结束日志记录集" 以保存. csv 文件。
6. 仅在记录的电压超过阈值 (0.5 V) 的情况下, 通过检测时间来提取在 IR LED 上方的飞行机臂的传递时间。
   注意: 由于某些软件 (例如, Excel) 可以读取创建的. csv 文件, 所以根据研究的目的使用熟悉的软件。如有必要, 请下载通过 Github、https://github.com/HidetoshiIkeno/FlightMill 提供的定制程序。有关我们的程序的详细信息以及使用该程序的说明, 请参阅与主程序一起附带的自述文件。

结果

在这些实验中, 大约50% 的甲虫被应用到飞机上, 显示了一个或多个革命。当塑料部件通过传感器和 LED 之间的虚线时, 记录的电压从大约 0 v 变到约 6.5 v, 而传递的持续时间在10-20 毫秒以内, 这取决于飞行速度。因此, 像一场革命一样, 一个类似的峰值电压变化被观察到 (图 7B)。我们定义的飞行, 当飞行磨房胳膊旋转,即, 电压超出了门限 (0.5 V), 不管...

讨论

我们开发了一个低成本, 易于建设, 紧凑的飞行磨机, 为小昆虫, 如P. quercivorus (4-5 毫米的身体长度和4-6 毫克的体重)。我们的飞行厂只包括普通的项目, 如针, 红外线 LED, 照片传感器, 瞬时胶水等, 不需要任何复杂的, 昂贵的, 或稀有的项目, 如计算机控制的电气设备。这样就可以方便快捷地收集必要的项目并降低实验成本。事实上, 每台机组的成本仅为1000日元 (约10美元、8欧元或7英镑) (?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
needle	Seirin	J type No. 5 x 40 mm
epoxy resin adhesive	Konishi	#16113
metal plate			from a home improvement store
disposable plastic pipette			from a home improvement store
snap button			from a craft store
IR sensor	Hamamatsu Photonics	S7136
IR LED	OptoSupply	OSIR5113A	150 mW
custom-made program			downloadable from Github. URL: https://github.com/HidetoshiIkeno/FlightMill
instant glue	Toagosei	31204
A/D converter	LabJack Co.	U3-HV
DAQ software	AzeoTech	DAQFactoryExpress	download from AzeoTech Web page.