Name: a precise and autonomous system for the detection of insect emergence patterns
Uploaded: 2019-01-09T13:30:00
Duration: 6 min 22 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about A Precise and Autonomous System for the Detection of Insect Emergence Patterns at JoVE.com

Vi vil gerne anerkende insekt Cryobiology og økofysiologi arbejdsgruppen i Fargo, ND for deres nyttige feedback på eksperimenter ved hjælp af det beskrevne system.

1. systemet konstruktion
<ol><li>Ved hjælp af PLA glødetråd, udskrive det følgende antal dele for hver kanal bliver bygget: 1 solfanger manifold (collector_manifold.stl), 1 endedæksel (end_cap.stl), 6 platform understøtter (platform_support.stl), 4 rør rack base plader (base_plate.stl) og 4 Tube rack ansigt plader (face_plate.stl). Kontroller printeren bed er stor nok til at udskrive en vare inden udskrivning. Alle *.stl filer er tilgængelige i supplerende data.</li>
	<li>Med 3 platform understøtter og en 33 x 30 cm stykke corrugated plastik, skal du bruge hot lim til at samle 2 tube rack platforme pr. kanal bliver bygget, som vist i figur 2. Corrugated plastik kan blive scoret på den ene side på hvert hjørne for at give mulighed for bøjning.</li>
	<li>Installere elektronik i solfanger manifold.<ol>
<li>Lodde en 120 Ω modstand til anoden (længere ben) af både den infrarød emitter og den infrarøde detektor og en ~ 5 cm længde af 22 GA wire til begge katoder. Bruge forskellige farver af ledninger til at undgå forvirring i senere trin.</li>
		<li>Omhyggeligt indsætte detektoren i ét stik af solfanger manifold (fremhævet med blåt i figur 3) og udleder med anden bøsningen (fremhævet med rødt). Begge komponenter bør passe stramt.</li>
		<li>Feed detector ledningerne gennem kabler kanal (fremhævet i gult i figur 3) og trække alle fire ledninger gennem adgang hul (markeret med grønt). Sikre, at ingen nøgne ledninger rørende, ved hjælp af hot lim til at sikre dem på plads.</li>
		<li>Lodde alle fire ledninger til et RJ45 (Ethernet) stik, ved hjælp af den bageste række af pins. Begge anoder bør være loddet til den længst til venstre ben, katode af emitter til det yderste højre ben, og katoden af detektor til enten center Pins (figur 4).</li>
		<li>Sikre RJ45 stik over solfanger manifold adgang hul (markeret med grønt i figur 3) med varmt lim, at sikre, at ingen nøgne ledninger rørende inde manifolden.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Konstruere faldende bolden collector (1 pr. kanal bliver bygget) som vist i figur 5
	<ol>
<li>Med én kablede solfanger manifold, ene ende cap og en 24 x 30 cm afsnit corrugated plastik, skal du bruge hot lim til at forbinde bunden af enheden (rød, grøn, og lys grå komponenter af figur 5).</li>
	</ol>
</li>
	<li>Brug en 8 x 27 cm afsnit corrugated plastik til at tilføje en faldende bolden rampe til samlerbrug (mørk grå del af figur 5). Udgangen cap og solfanger manifold designs omfatte afsatser for at sikre korrekt placering. Check for en glidende overgang fra rampen til opkøber til at undgå papirstop under brug.</li>
	<li>Konstruere den centrale processor for systemet (som beskrevet i figur 6).<ol>
<li>Udskrive en brugerdefineret trykt kredsløb for system konstruktion. Alle filer, der kræves for PCB board udskrivning findes i supplerende data.</li>
		<li>Lodde kvindelige overskrifter på de gennem huller, mærket for følgende installationer: Arduino Nano, temp, ur, SD modul og flydende crystal display (LCD) raster (umærkede 2 x 5 gennem hullet område i øverste venstre hjørne af PCB board).</li>
		<li>Fastgør i og lodde seks RJ45 stik langs den nederste kant af PCB board.</li>
		<li>Lodde seks 470 k ohm pulldown modstande ind gennem hullet steder placeret lige over RJ45-stik.</li>
		<li>Installere Arduino Nano, DHT-temperatur og luftfugtighed sensor, ur og SD modul på PCB board. DHT-temperatur og luftfugtighed sensor skal testes før brug i eksperimenter for at sikre nøjagtigheden.</li>
		<li>Tilslut en 10-stik bånd ledning til LCD skærm stik PCB board. Lodde anden enden af båndet ledningen til LCD-skærmen, så skærmen pins svarer til Arduino pins, som anført i figur 4. Yderligere oplysninger om LCD ledningsføring er tilgængelige på https://Learn.adafruit.com/character-lcds/wiring-a-character-lcd.</li>
	</ol>
</li>
	<li>System programmering<ol>
<li>Hente og installere den nyeste version af Arduino IDE til det korrekte operativsystem fra www.arduino.cc.</li>
		<li>Ved første brug, skal du installere Arduino biblioteker for tidstro ur (github.com/adafruit/RTClib) og temperatur/fugtighed sensor (github.com/adafruit/DHT-sensor-library). Indstille uret til det aktuelle lokale klokkeslæt ved hjælp af scriptet ds1307 inkluderet med biblioteket.</li>
		<li>Upload system Arduino script, tilgængelige i supplerende data.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. systembrug
<ol><li>Samle systemet, som vist i figur 7. For hver kanal bliver brugt, bør en falder-ball collector (samlet i trin 1.4) være flankeret på begge sider af et rack platform (samlet i trin 5.1). Brug emballage tape til at holde sammen stykker og skabe en jævn rundet kant på rack platform.</li>
	<li>Konfigurere ubrugte kanaler for at undgå falske positive signaler. Da systemet bygger på et lavt signal til at registrere en begivenhed (infrarød detektor ikke modtager et signal fra den infrarøde emitter), skal ubrugt kanaler være konfigureret korrekt for at undgå falske positive signaler. Dette kan ske ved en af to måder.<ol>
<li>Deaktivere ubrugte kanaler i softwaren ved udkommentere de sløjfer, svarende til de uudnyttede kanaler. I Arduino IDE, dette kan opnås ved at tilføje "/ *" før de unødvendige sløjfer og "* /" i deres ende.</li>
		<li>Deaktivere ubrugte kanaler gennem en simpel hardware overnatning. Bare lodde sammen ledninger #6 og #8 (normalt fast brun og solid grønne ledningerne til et kommercielt tilgængelige kat 6 kabel) og Indsæt i det tomme RJ45 stik på den centrale processor.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Belastning og sted tube stativer umiddelbart inden du kører et eksperiment.<ol>
<li>Sikre at alle huller indeholder en 0,5 mL microcentrifuge tube med fælles landbrugspolitik fjernet og at rørene passe stramt.</li>
		<li>Fyld hver tube med et insekt yngel celle, puppe sag eller kokon, en airsoft pellet og endelig en metal BB. Sørg for flad kant side (cap) af cellen yngel vender mod airsoft pellet og metal BB. Anbringe tube rack frontpladen, med afrundet kant mod bunden af rack, ved at bruge ¼ tommer nylon skruer.</li>
		<li>Sted rør stativer på rack platform, åbning vender mod den falder-ball collector. Stativer bør være placeret på kanten af platformen, så en metal BB kan falde frit i Samleren uden hoppende mod en anden del af struktur (figur 7). Når du placerer rack, begynder med åbningen opad og derefter forsigtigt roteres på plads for at sikre metal BBs er ikke udgivet. Stativerne er designet, så rør vil skråtstille lidt baglæns når korrekt placeret, at reducere risikoen for utilsigtet frigivelse af metal BBs.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Indsæt et SD-kortet i adapteren og derefter starte den centrale processor ved at sætte en mikro-USB-stik i Arduino, og anden enden i enhver passende USB-adapter. LCD-skærmen vil vise tal en gennem seks når du er klar. Slip en enkelt metal BB i bolden samler af hver kanal og watch for den tilsvarende tælling skal vises på skærmen og til den korrekte tid, vises nederst på skærmen.<ol>
<li>Hvis den korrekte tid ikke vises, skal du gentage trin 1.6.3 og 1.6.4 til at nulstille uret.</li>
		<li>Hvis testen metal BB ikke registreres, er Samleren blokeret. Kontroller visuelt for blokering og genstart systemet.</li>
		<li>Hvis en kanal "tæller" op en begivenhed hvert sekund, angiver det, at kanalen ikke er tilsluttet korrekt. Check alle forbindelser og genstarte systemet.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. eksperimentere ende og dataanalyse
<ol><li>Efter opståen er afsluttet (se resultater og tal 8 og 9 for eksempler på tidsskalaen), slukke apparatet ved at frakoble Arduino. Stativer kan skilles ad og renses til genbrug.</li>
	<li>Under eksperimentet, er data gemt på SD-kortet i en kommasepareret fil (CSV) tilgængelig af programmeringssproget Rasmussen. Bruge SD-kort til at overføre data til computeren, og RStudio for auto-generering af boble plots af data.<ol>
<li>Både hændelsen og temperatur data gemmes i den samme fil for dataintegritet. Dermed, nogle behandling skal være afsluttet inden analyse. Import filen komma afgrænset til et regnearksprogram. Kolonner I og J er datoen og tidspunktet for fremkomsten af bier; gøre dem kolonner A og B ved at klippe og indsætte kolonner A-E i et andet regneark, og gemme som en separat fil, dette er temperatur data.</li>
		<li>Titel kolonne A med, "Dato" og kolonne B "Tid" og sortere data efter kolonne A derefter efter B. Gem som en CSV-fil. fil.</li>
		<li>Hente og installere den nyeste version af RStudio fra https://www.r-project.org/. Hjælpe med at bruge RStudio til at uploade og analysere data kan findes her på https://cran.r-project.org/doc/manuals/r-release/R-intro.html.</li>
		<li>Bruge scriptet R tilgængelige i de supplerende data, overføre dataene til RStudio. Ændre arbejdsgruppe destination i R-script til at matche hvor excel *. CSV-filen er placeret. Kør scriptet og vælg datafil, der bruges til at analysere. Skriv "plot" i konsollen Rasmussen. Boble plot vil blive placeret i den arbejdende destination opkaldt "High-res;" omdøbe denne fil til at gemme som en høj opløsning tiff (300 dpi).</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol>
	<li>Lankinen, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Geographical+variation+in+circadian+eclosion+rhythm+and+photoperiodic+adult+diapause+in+Drosophila+littoralis.">Geographical variation in circadian eclosion rhythm and photoperiodic adult diapause in Drosophila littoralis.</a> Journal of Comparative Physiology A. 159, 123-142 (1986).</li><li>Watari, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comparison+of+the+circadian+eclosion+rhythm+between+non-diapause+and+diapause+pupae+in+the+onion+fly,+Delia+antiqua.">Comparison of the circadian eclosion rhythm between non-diapause and diapause pupae in the onion fly, Delia antiqua.</a> Journal of Insect Physiology. 48, 83-89 (2002).</li><li>Zimmerman, W. F., Pittendrigh, C. S., Pavlidis, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Temperature+compensation+of+the+circadian+oscillation+in+Drosophila+pseudoobscura+and+its+entrainment+by+temperature+cycles.">Temperature compensation of the circadian oscillation in Drosophila pseudoobscura and its entrainment by temperature cycles.</a> Journal of Insect Physiology. 14, 669-684 (1968).</li><li>Yocum, G. D., Rinehart, J. P., Yocum, I. S., Kemp, W. P., Greenlee, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermoperiodism+synchronizes+emergence+in+the+alfalfa+leafcutting+bee+(Hymenoptera:+Megachilidae).">Thermoperiodism synchronizes emergence in the alfalfa leafcutting bee (Hymenoptera: Megachilidae).</a> Environmental Entomology. 45, 245-251 (2016).</li><li>Bennett, M. M., Rinehart, J. P., Yocum, G. D., Doetkott, C., Greenlee, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cues+for+cavity+nesters:+Investigating+relevant+Zeitgebers+for+emerging+leafcutting+bees,+Megachile+rotundata+(Hymenoptera:+Megachilidae).">Cues for cavity nesters: Investigating relevant Zeitgebers for emerging leafcutting bees, Megachile rotundata (Hymenoptera: Megachilidae).</a> Journal of Experimental Biology. 221, jeb175406 (2018).</li><li>Miyazaki, Y., Goto, S. G., Tanaka, K., Saito, O., Watari, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermoperiodic+regulation+of+the+circadian+eclosion+rhythm+in+the+flesh+fly,+Sarcophaga+crassipalpis.">Thermoperiodic regulation of the circadian eclosion rhythm in the flesh fly, Sarcophaga crassipalpis.</a> Journal of Insect Physiology. 57, 1249-1258 (2011).</li><li>Watari, Y., Tanaka, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+background+light+conditions+on+thermoperiodic+eclosion+rhythm+of+onion+fly+Delia+antiqua.">Effects of background light conditions on thermoperiodic eclosion rhythm of onion fly Delia antiqua.</a> Entomological Science. 17, 191-197 (2014).</li><li>Greenberg, S. M., Armstrong, J. S., Setamou, M., Coleman, R. J., Liu, T. X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Circadian+rhythms+of+feeding,+oviposition,+and+emergence+of+the+boll+weevil+(Coleoptera:+Curculionidae).">Circadian rhythms of feeding, oviposition, and emergence of the boll weevil (Coleoptera: Curculionidae).</a> Insect Science. 13, 461-467 (2006).</li><li>Yocum, G. D., Zdarek, J., Joplin, K. H., Lee, R. E., Smith, D. C., Manter, K. D., Denlinger, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Alteration+of+the+eclosion+rhythm+and+eclosion+behavior+in+the+flesh+fly,+Sarcophaga+crassipalpis,+by+low+and+high+temperature+stress.">Alteration of the eclosion rhythm and eclosion behavior in the flesh fly, Sarcophaga crassipalpis, by low and high temperature stress.</a> Journal of Insect Physiology. 40, 13-21 (1994).</li><li>Winfree, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Integrated+view+of+resetting+a+circadian+clock.">Integrated view of resetting a circadian clock.</a> Journal of Theoretical Biology. 28, 327-374 (1970).</li><li>Watari, Y., Tanaka, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interacting+effect+of+thermoperiod+and+photoperiod+on+the+eclosion+rhythm+in+the+onion+fly,+Delia+antiqua+supports+the+two-oscillator+model.">Interacting effect of thermoperiod and photoperiod on the eclosion rhythm in the onion fly, Delia antiqua supports the two-oscillator model.</a> Journal of Insect Physiology. 56, 1192-1197 (2010).</li><li>Short, C. A., Meuti, M. E., Zhang, Q., Denlinger, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Entrainment+of+eclosion+and+preliminary+ontogeny+of+circadian+clock+gene+expression+in+the+flesh+fly,+Sarcophaga+crassipalpis.">Entrainment of eclosion and preliminary ontogeny of circadian clock gene expression in the flesh fly, Sarcophaga crassipalpis.</a> Journal of Insect Physiology. 93, 28-35 (2016).</li></ol>

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

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.

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.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>PLA printer filament</td>
			<td>www.lulzbot.com</td>
			<td>various</td>
			<td>Catalog number varies by color</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.5 mL microcentrifuge tubes</td>
			<td>www.daigger.com</td>
			<td>EF4254C</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>4.5 mm size &#34;bb&#34; metal pellets</td>
			<td>www.amazon.com</td>
			<td>B00419C1IA</td>
			<td>Daisy 4.5 mm metal size bb pellets</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>6.0 mm plastic &#34;softair&#34; pellets</td>
			<td>www.amazon.com</td>
			<td>B003QNELYE</td>
			<td>Crosman 6 mm airsoft pellets</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plastic corregated sheet</td>
			<td>www.lowes.com</td>
			<td>345710</td>
			<td>Corrugated plastic sheet</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Infrared emmiter/detector pair</td>
			<td>www.amazon.com</td>
			<td>B00XPSIT3O</td>
			<td>5 mm diameter, 940 nm wavelength</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>120 ohm resisitors</td>
			<td>www.amazon.com</td>
			<td>B01MSZK8DV</td>
			<td>120 ohm, 1/4 watt</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>22 GA hookup wire</td>
			<td>www.adafruit.com</td>
			<td>1311</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>RJ45 jacks</td>
			<td>www.sparkfun.com</td>
			<td>PRT-00643</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Custom PCB board</td>
			<td>www.pcbexpress.com</td>
			<td>n/a</td>
			<td>Can be printed from files included in the supplimental data</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Arduino Nano v 3.0</td>
			<td>www.roboshop.com</td>
			<td>RB-Gra-01</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SD card module</td>
			<td>www.amazon.com</td>
			<td>DFR0071</td>
			<td>DFRobot SD card module</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Real Time Clock module</td>
			<td>www.adafruit.com</td>
			<td>264</td>
			<td>DS1307 real time clock breakout board</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Temperature/humidity sensor</td>
			<td>www.tinyosshop.com</td>
			<td>G4F4494F29ED05</td>
			<td>DHT11 temperature/humidity sensor on breakout board</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>470k ohm resistors</td>
			<td>www.amazon.com</td>
			<td>B00EV2R39Y</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Female headers</td>
			<td>www.adafruit.com</td>
			<td>598</td>
			<td>Break off to desired length</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Male headers</td>
			<td>www.adafruit.com</td>
			<td>392</td>
			<td>Break off to desired length</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ribbon wire</td>
			<td>www.amazon.com</td>
			<td>B00X77964O</td>
			<td>10 wire ribbon wire with connectors</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LCD screen</td>
			<td>www.adafruit.com</td>
			<td>198</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cat6 cable</td>
			<td>www.amazon.com</td>
			<td>B00N2VISLW</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SD card</td>
			<td>www.amazon.com</td>
			<td>B00E9W1URM</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a precise and autonomous system for the detection of insect emergence patterns

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.

Fremkomsten af M. rotundata er asynkron uden eksponering for en miljømæssig cue, med fremkomsten forekommer ensartet over hele dagen4. Men når de udsættes for en square-bølge thermoperiod (4° C thermoperiod), fremkomsten bliver synkron til thermophase4,5. Dette resultat er magen til andre undersøgelser, hvor insekter er blevet fundet for at bruge thermoperiod stikord til at regulere fremkomsten, herunder kød flyve Sarcophaga crassipalpis6, løg flyve Delia atiqua7 og boll weevil Anthonomus grandis grandis8. En undersøgelse har vist, at stress under udvikling påvirker synchrony af voksen opståen i S. crassipaplpis9. Her præsenterer vi resultaterne fra M. rotundata , der blev udsat for en stress under udvikling, at teste hypotesen at denne behandling forårsager desynchronization af voksen opståen.
Vellykket køre
Brugeren skal se LCD-skærmen før du åbner inkubator sørge for insekter ikke længere dukker op. Når eksperimentet er afsluttet, SD-kortet er fjernet, og dataene kan eksporteres til RStudio som en kommasepareret fil, der skal visualiseres som en boble plot, som beskrevet tidligere. Figur 8 viser bee fremkomsten under en 4 ° C thermoperiod efter udsættelse for en kold stress under udvikling. De røde sigtekornet viser den mediane tid og dag af fremkomsten og filnavnet er titlen. Denne R script skal bruges til at visualisere data, men bør ikke tjene som den eneste analyse. For at analysere fremkomsten svar på en miljømæssig cue, kan data analyseres for rhythmicity (Se analyse).
Komplikation
Når en sensor er tilstoppet med metal BBs, er manglen på et signal gentagne gange tælles, giver anledning til flere falske datapunkter. Figur 9 viser de samme datasæt præsenteret i figur 8, men med en af seks kanaler tilstoppet med BBs, derfor at skabe den store boble på grafen. I tilfælde af en tilstoppede sensor kan data fra denne kanal let fjernes fra analysen. Indarbejde flere kanaler i et eksperiment er gavnlige i at minimere virkningen af en tilstoppede sensor.
Analyse
Analysere data for tilstedeværelsen af synkronisering kan ske ved at beregne "parameter Rasmussen," en skalar statistik, der identificerer hvis fremkomst er rytmisk eller arytmiske10,11,12. Dette gøres ved at beregne det højeste antal nye voksne i en 8-timers vindue, dividere dette tal med antallet af voksne emerging udenfor vinduet 8-timers derefter at gange med 100. Alle enkeltpersoner, der opstod bør derfor samles for at beregne antallet af nye voksne for hver time på dagen. Den teoretiske række parameter Rasmussen er fra 0 (alle fremkomsten sker inden for porten) til 200 (fremkomsten er fordelt jævnt hele dagen)10. R-værdier < 60 betragtes rytmiske fremkomsten, 60 < R < 90 er svagt rytmisk, og R > 90 er arytmiske. R-værdier > 150 angive ensartet fordeling af fremkomsten10. Figur 8 viser, at fremkomsten er rytmisk med parameter R = 20.21 < 60. Skyldes, at denne type data er fordelt omkring et gentaget 24-timers ur, skal cirkulær statistikker være ansat for en mere robust analyse (beskrevet i detaljer i Bennett et al., 20185). Dette kan opnås via cirkulære statistik pakker tilgængelige for RStudio (pakke 'cirkulære'-CRAN. R-Project.org).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58362/58362fig1.jpg"> Figur 1: tilsætningsstof fremstilles komponenter. Ved hjælp af PLA glødetråd, 3D udskrive de nødvendige dele for systemet. For hver kanal at blive bygget, nødvendige dele er 1 solfanger manifold (grøn), 1 endedæksel (rød), 6 platform understøtter (orange), 4 rør rack base plader (lilla), og 4 rør rack ansigt plader (gul). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58362/58362fig1large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58362/58362fig2.jpg"> Figur 2: Tube rack platform forsamling. Brug hot lim til at samle to rør rack platforme pr. kanal bliver bygget. Brug tre platform understøtter (vist i orange) med en del af bølgepap plast (vist i grå). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58362/58362fig2large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58362/58362fig3.jpg"> Figur 3: solfanger manifold x-ray. Indsæt en infrarød detektor i ét stik collector (vist i blåt) og emitter med anden bøsningen (vist med rødt). Feed detector ledningerne gennem kabler kanal (vist med gult) og trække alle fire ledninger gennem adgang hul (markeret med grønt). Sikre, at ingen nøgne ledninger rørende, ved hjælp af hot lim til at sikre dem på plads. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58362/58362fig3large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58362/58362fig4.jpg"> Figur 4: stik ledninger. Ledningsdiagrammet for RJ45 stikket inden anbringelse til solfanger manifold, set fra bunden af stik og ledninger bord for tilslutning af LCD-skærmen til den centrale processor. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58362/58362fig4large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58362/58362fig5.jpg"> Figur 5: bold collector forsamling. Ved hjælp af ene ende cap (vist med rødt), en solfanger manifold (vist med grønt) og en 24 x 30 cm stykke corrugated plastik (vist med lysegrå) samle skallen af bolden collector forsamling. Bruge en 8 x 27 cm stykke af bølgepap plast (vist i mørkegrå) til at føje en rampe. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58362/58362fig5large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58362/58362fig6.jpg"> Figur 6: centrale Processor PCB board. PCB board for den centrale processor består af en nederste lag (afbildet i grøn), en øverste lag (afbildet med rødt) og en silketryk lag (afbildet i blå). Lodde kvindelige headere til alle pass-through-huller, bortset fra dem, for RJ45 stikkene (langs bunden) og pull-down modstande (direkte over RJ45 puder). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58362/58362fig6large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58362/58362fig7.jpg"> Figur 7: slutmontage. Når i brug, skal apparatet samles med en tube rack platform på hver side af hver bold indsamler bliver brugt. Tube stativer med vedlagte frontplader skal placeres, således at de er på kanten af røret Rack Platform, at reducere muligheden for faldende BBs hoppende ud af apparatet. Fodaftryk af de forsamlede apparater er ca 25 cm x 35 cm, med en højde på 20 cm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58362/58362fig7large.jpg" target="_blank">venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58362/58362fig8.jpg"> Figur 8: grafen for en typisk eksperimentel køre efter forarbejdning i R. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58362/58362fig8large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58362/58362fig9.jpg"> Figur 9: graf af et eksperiment, der led af en tilstoppede detektor, som det fremgår af den relativt store boble på dag 4. Tilstoppede Kanalen kan fjernes fra analyse, dermed bevare de resterende datapunkter. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58362/58362fig9large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>

Watch this Scientific Journal Video about A Precise and Autonomous System for the Detection of Insect Emergence Patterns at JoVE.com

A Precise and Autonomous System for the Detection of Insect Emergence Patterns

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.

En præcis og autonome System til påvisning af insekt fremkomsten mønstre

Existing systems to measure insect emergence patterns have limitations; they are only partially automated and are limited in the maximum number of ...

Denne metode kan hjælpe med at besvare centrale spørgsmål i kronobiologi og stress fysiologi område, såsom hvad stikord virkning timingen af insekt fremkomsten. Den største fordel ved denne teknik er, at det er automatiseret, og kan bruges til at måle fremkomsten af et stort antal insekter. Følgende dele er nødvendige for hver kanal, der konstrueres.En samlermanifold, en ende hætte, seks platform støtter, fire rør rack bundplader, og fire rør rack ansigtsplader. Med tre platform støtter og en 33 af 30 centimeter stykke bølgepap plast, bruge varm lim til at samle to rør rack platforme per kanal, der konstrueres. Installer elektronik i samlermanifolden ved først at lodde en 120 ohm modstand til anoden af både den infrarøde emitter og den infrarøde detektor og en fem-centimeter længde på 22-gauge elektrisk ledning til begge katoder.Sæt forsigtigt detektoren ind i en sokkel af opsamlermanifolden og emitteren i den anden sokkel. Begge komponenter skal passe tæt. Før detektorledningerne gennem kabelkanalen og træk begge ledninger gennem adgangshullet.Lod alle fire ledninger til et RJ45 ethernet-stik ved hjælp af bagerste række af stifter. Begge anoder skal loddes til venstre pin, katoden af emitter til højre pin, og katode af detektoren til en af de midterste ben. Fastgør RJ45-stikket over opsamlermanifoldens adgangshul med varm lim, så der ikke rører bare ledninger inde i manifolden.Dernæst begynder opførelsen af den centrale processor til systemet ved lodning kvindelige overskrifter på gennem huller mærket for Arduino nano, temp, ur og SD modul. Også lodde en kvindelig header på unlabeled to-by-fem gennem hullet i øverste venstre hjørne af PCB bord til LCD-skærmen. Snap ind og lodde seks RJ45 stik langs den nederste kant af PCB bord.Lodde seks 470 kilo ohm pull-down modstande i gennem gennem hullet steder, der ligger lige over RJ45 stik. Installer Arduino nano, DHT temperatur og fugtighed sensor, ur og SD modul på PCB bord. Til sidst skal du slutte en båndledning med ti stik til LCD-skærmstikket på PCB-bordet.Når detektionssystemet er samlet, skal du indlæse og placere to stativer umiddelbart før et eksperiment køres. Først skal du sikre dig, at alle huller i stativet indeholder et mikrocentrifugerør på 0,5 milliliter med hætten fjernet, og at rørene sidder tæt. Fyld hvert rør med en insekt yngel celle, og sørg for den flade kant side vender mod åbningen.Derefter tilsættes en luft blød pellet, og endelig en metal BB. Brug derefter kvart-tommer nylon skruer til at anbringe røret rack frontplade, med den afrundede kant mod bunden af rack. Placerer rørstativerne på rackplatformen. Start med åbningerne opad, og drej derefter forsigtigt på plads for at sikre, at metalbbs ikke frigives.Stativer skal placeres på kanten af platformen, således at en metal BB kan falde frit ind i opsamleren uden at hoppe mod en anden del af strukturen. Indsæt et SD-kort i adapteren, og start derefter den centrale processor ved at slutte et mikro-USB-stik i Arduino og den anden ende i en passende USB-adapter. LCD-skærmen viser nummer et til seks, når de er klar.Drop en enkelt metal BB i bolden samleren af hver kanal, og se for den tilsvarende tælle skal vises på skærmen, og for det korrekte tidspunkt at vise nederst på skærmen. Når alle insekter er dukket op, sluk apparatet ved at frakoble Arduino. Stativer kan skilles ad og rengøres med mulighed for genbrug.Under fremkomsten eksperiment, data gemmes på SD-kortet i en komma-afgrænset fil. Brug SD-kortet til at overføre data til computeren og RStudio til automatisk at generere bobleområder af dataene. Både hændelses- og temperaturdata gemmes i den samme fil for dataintegritet.Før analyse skal du importere den kommaseparerede fil til et regnearksprogram. Kolonne I og J er dato og klokkeslæt for fremkomsten for bier. Gør dem til kolonner A og B ved at klippe og indsætte kolonner A til E i et andet regneark, og gem som en separat fil med temperaturdata til yderligere analyse.Dette tal viser bi fremkomsten under en fire graders Celsius termo-periode efter udsættelse for en kold stress under udviklingen. Denne figur viser det samme datasæt som lige set, men med en af de seks kanaler tilstoppet med BBs, hvilket skaber den store boble på grafen, da manglen på signal gentagne gange tælles. Data fra denne kanal kan med rette fjernes fra analysen.Under forsøg på denne procedure, er det vigtigt at huske at kontrollere alle dele loddet for at sikre, at forbindelserne fungerer. Efter sin udvikling, banede denne teknik vejen for forskere inden for kronobiologi og stress fysiologi at undersøge, hvad signaler effekt timingen af fremkomsten i ensomme bier.

Research

JoVE Journal

Environment

Methods for Performing Crosses in Setaria viridis, a New Model System for the Grasses

Methods for Performing Crosses in Setaria viridis, a New Model System for the Grasses

Metoder for Performing Crosses i<em&gt; Setaria viridis</em&gt;, En ny model for at se de Græsser

Setaria viridis is an emerging model system for C4 grasses. It is closely related to the bioenergy feed stock switchgrass and the grain crop foxtail ...

A Technique to Screen American Beech for Resistance to the Beech Scale Insect (Cryptococcus fagisuga Lind.)

A Technique to Screen American Beech for Resistance to the Beech Scale Insect Cryptococcus fagisuga Lind.

En teknik til Screen amerikanske Bøg til Resistance til bøg Scale Insect (<em&gt; Cryptococcus fagisuga</em&gt; Lind.)

Beech bark disease (BBD) results in high levels of initial mortality, leaving behind survivor trees that are greatly weakened and deformed.&#160;The ...

Measuring and Mapping Patterns of Soil Erosion and Deposition Related to Soil Carbonate Concentrations Under Agricultural Management

Måling og kortlægning mønstre af jorderosion og Deposition relateret til jordbunden karbonat koncentrationer Under landbrugsdrift

Spatial patterns of soil erosion and deposition can be inferred from differences in ground elevation mapped at appropriate time increments. Such changes ...

Techniques for Investigating the Anatomy of the Ant Visual System

Teknikker til undersøgelse af anatomien af Ant visuelle System

This article outlines a suite of techniques in light microscopy (LM) and electron microscopy (EM) which can be used to study the internal and external eye ...

On-Site Molecular Detection of Soil-Borne Phytopathogens Using a Portable Real-Time PCR System

On-Site molekylær detektion af jord-bårne Phytopathogens ved hjælp af en bærbar Real-Time PCR System

On-site diagnosis of plant diseases can be a useful tool for growers for timely decisions enabling the earlier implementation of disease management ...

Harvesting Venom Toxins from Assassin Bugs and Other Heteropteran Insects

Høst Venom toksiner fra Assassin Bugs og andre Heteropteran insekter

Heteropteran insects such as assassin bugs (Reduviidae) and giant water bugs (Belostomatidae) descended from a common predaceous and venomous ancestor, ...

Choice and No-Choice Bioassays to Study the Pupation Preference and Emergence Success of Ectropis grisescens

Choice and No-Choice Bioassays to Study the Pupation Preference and Emergence Success of Ectropis grisescens

Valg og nej-valg Bioassays at studere Pupation præference og fremkomsten succes af Ectropis grisescens

Many insects live above the ground as larvae and adults and as pupate below the ground. Compared to the above-ground stages of their life cycles, less ...

An Anaerobic Biosensor Assay for the Detection of Mercury and Cadmium

En anaerob Biosensor Assay til påvisning af kviksølv og Cadmium

Mercury (Hg) bioavailability to microbes is a key step to toxic Hg biomagnification in food webs. Cadmium (Cd) transformations and bioavailability to ...

Detection of 3-Nitrotyrosine in Atmospheric Environments via a High-performance Liquid Chromatography-electrochemical Detector System

Detection of 3-Nitrotyrosine in Atmospheric Environments via a High-performance Liquid Chromatography-electrochemical Detector System

Påvisning af 3-Nitrotyrosine i stemningsfulde omgivelser via en High-performance Liquid Chromatography-elektrokemiske detektor System

3-nitrotyrosine (3-NT) is generated from the tyrosine residue in atmospheric bio-aerosol proteins via a reaction with ozone (O3) and nitrogen dioxide ...

An Induction System for Clustered Stomata by Sugar Solution Immersion Treatment in Arabidopsis thaliana Seedlings

An Induction System for Clustered Stomata by Sugar Solution Immersion Treatment in Arabidopsis thaliana Seedlings

En induktion System for grupperet spalteåbninger af sukker løsning fordybelse behandling i Arabidopsis thaliana stiklinger

Stomatal movement mediates plant gas exchange, which is essential for photosynthesis and transpiration. Stomatal opening and closing are accomplished by a ...