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 ønsker å erkjenne insekt Cryobiology og Ecophysiology working group i Fargo, ND for deres nyttig tilbakemelding på eksperimenter ved hjelp av beskrevet systemet.

1. system konstruksjon
<ol><li>Hjelp av PLA filament, skrive ut følgende antall deler for hver kanal som ble konstruert: 1 samler manifold (collector_manifold.stl), 1 ende (end_cap.stl), 6 plattformen støtter (platform_support.stl), 4 rør rack base plater (base_plate.stl) og 4 rør rack ansikt plater (face_plate.stl). Kontroller at skriveren sengen er stor nok til å skrive ut et element før utskrift. Alle *.stl filer er tilgjengelige i flere data.</li>
	<li>Med 3 plattformen støtter og et 33 x 30 cm stykke papp plast, bruke varmt lim for å montere 2 rør rack plattformer per kanal som ble konstruert, som vist i figur 2. Korrugert plast kan være scoret på én side i hvert hjørne slik at bøying.</li>
	<li>Installere elektronikk i samler manifold.<ol>
<li>Lodde en 120 Ω motstand til anoden (lengre beinet) både infrarød emitter og infrarød detektoren og en ~ 5 cm lengde på 22 GA ledningen til både katode. Bruke forskjellige farger av ledninger for å unngå forvirring i senere trinn.</li>
		<li>Nøye inn detektoren en socket samler manifold (markert med blått i Figur 3) og emitter til den andre kontakten (uthevet i rødt). Begge komponentene bør passe perfekt.</li>
		<li>Feed detector ledningene gjennom kabler kanalen (merket med gult i Figur 3) og trekke alle fire kabler gjennom tilgang hullet (uthevet i grønt). Sørg ikke bare ledninger er rørende, bruke varmt lim for å sikre dem på plass.</li>
		<li>Loddetinn alle fire ledninger til en RJ45 (Ethernet) jack, bruker den bakerste raden på pinnene. Begge anoder bør bli loddet til venstre pin og katoden av emitter til høyre pinnen katoden av detektor enten av center pinnene (Figur 4).</li>
		<li>Sikre RJ45 jack over samler mange tilgang hull (markert med grønt i Figur 3) med varmt lim, sikrer ikke bare ledninger er rørende inne manifold.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Konstruere fallende ballen samler (1 per kanal som ble konstruert) som vist i figur 5
	<ol>
<li>Med en kablet samler manifold, én ende og en 24 x 30 cm delen av corrugated plastikk, bruke varmt lim for å koble bunnen av enheten (rød, grønn og lys grå komponenter i figur 5).</li>
	</ol>
</li>
	<li>Bruk en 8 x 27 cm delen av corrugated plastikk legge en fallende ballen rampe til samleren (mørk grå komponent i figur 5). Enden cap og samler mange design inkluderer hyller for å sikre riktig plassering. Sjekk for en myk overgang fra rampen til samleren å unngå papirstopp under bruk.</li>
	<li>Konstruere den sentrale prosessoren for systemet (som beskrevet i figur 6).<ol>
<li>Skrive ut en egendefinert trykt kretskort for systemet konstruksjon. Alle filer som er nødvendige for PCB board utskrift er tilgjengelig i supplerende data.</li>
		<li>Loddetinn kvinnelige overskrifter på gjennom-hullene merket for følgende installasjoner: Arduino Nano, temp, klokke, SD modul og flytende krystall skjerm (LCD) skjermen (umerket 2 x 5 gjennom hull område i øvre venstre hjørne av PCB board).</li>
		<li>Feste i og loddetinn seks RJ45-kontakter langs nedre kant av PCB board.</li>
		<li>Loddetinn seks 470 k ohm pulldown motstander til webområdene gjennom hull ligger rett ovenfor RJ45-kontakter.</li>
		<li>Installere Arduino Nano, DHT temperatur og luftfuktighet sensor, klokken og SD-modulen på PCB ombord. DHT-temperatur og fuktighet sensoren bør testes før bruk i eksperimenter for å sikre nøyaktighet.</li>
		<li>Koble en 10-kontakten bånd wire til LCD skjermen kontakten på PCB ombord. Lodding den andre enden av båndet ledningen til LCD-skjermen slik at skjermen pinnene tilsvarer Arduino pinner, som nevnt i Figur 4. Ytterligere detaljer om LCD ledninger er tilgjengelig på https://Learn.adafruit.com/character-lcds/wiring-a-character-lcd.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Systemprogrammering<ol>
<li>Dataoverføre og installere den nyeste versjonen av Arduino IDE for riktige operativsystemet fra www.arduino.cc.</li>
		<li>Ved første gangs bruk, kan du installere Arduino biblioteker for sanntidsklokke (github.com/adafruit/RTClib) og temperatur/fuktighet sensoren (github.com/adafruit/DHT-sensor-library). Stille klokken til den lokal tid ved hjelp av skriptet ds1307 med biblioteket.</li>
		<li>Last opp systemet Arduino skript, tilgjengelig i supplerende data.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. system bruk
<ol><li>Montere systemet som vist i figur 7. For hver kanal som brukes, bør en fallende-ball samler (samlet i trinn 1.4) være flanked på hver side av et rack plattform (samlet i trinn 5.1). Bruk pakketape å holde sammen deler og opprette en jevn avrundet kant på rack plattform.</li>
	<li>Konfigurere ubrukte kanaler for å unngå falske positive signaler. Siden systemet er avhengig av et svakt signal å oppdage en hendelse (infrarød detektoren ikke mottar et signal fra infrarød emitter), må ubrukte kanaler være konfigurert riktig for å unngå falske positive signaler. Dette kan oppnås ved to måter.<ol>
<li>Deaktiver ubrukte kanaler i programvaren ved å kommentere ut løkkene tilsvarer ubrukte kanalene. I Arduino IDE, dette kan oppnås ved å legge til "/ *" før de unødvendige looper og "* /" ved utgangen deres.</li>
		<li>Deaktiver ubrukte kanaler gjennom en enkel maskinvare overnatting. Bare loddetinn sammen ledninger #6 og #8 (vanligvis solid brun og solid grønne ledninger for kommersielt tilgjengelig cat 6 kabel) og sett inn tom RJ45 kontakten på den sentrale prosessoren.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Last og sted tube stativer umiddelbart før du kjører et eksperiment.<ol>
<li>Kontroller at alle hull inneholder en 0,5 mL microcentrifuge tube med cap fjernet og at rørene passe perfekt.</li>
		<li>Fyll hver rør med en insect Foreldreomsorg og yngelens celle, pupal saken eller kokong, en airsoft pellets og endelig en metall BB. Kontroller at den flate kant siden (cap) av Foreldreomsorg og yngelens cellen vender mot airsoft pellets og metall BB. Påføre tube rack frontplaten, forhold til avrundet kant mot bunnen av stativet, bruker ¼ tomme nylon skruene.</li>
		<li>Sted tube stativer på rack plattform, med åpningen vendt mot fallende-ball kollektoren. Stativer bør plasseres helt i utkanten av plattformen slik at en metall BB kan falle fritt i kollektoren uten å sprette mot en annen del av strukturen (figur 7). Når du plasserer stativet, start med åpningen vendt oppover og deretter forsiktig roteres på plass for å sikre metall BBs er ikke gitt. Stativer er utformet slik at rørene vil skråstille litt bakover når riktig plassert, redusere sjansen for lekkasje av metall BBs.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Sett inn kortet SD-kort, og start den sentrale prosessoren ved å koble en mikro-USB-kontakt til Arduino, og den andre enden til alle aktuelle USB-adapter. LCD-skjermen viser tallene en gjennom seks når du er klar. Slipp en enkelt metall BB i ballen samleren av hver kanal og se for tilsvarende telling vises på skjermen og riktig tid å vise nederst på skjermen.<ol>
<li>Hvis riktig tid ikke vises, kan du gjenta trinn 1.6.3 og 1.6.4 å tilbakestille klokken.</li>
		<li>Hvis testen metall BB ikke registreres, blokkeres kollektoren. Sjekk visuelt for blokkering og starte systemet.</li>
		<li>Hvis en kanal "teller" opp en hendelse hvert sekund, angir dette at kanalen ikke er riktig koblet. Kontroller alle tilkoblinger og start systemet.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. eksperimentere slutten og dataanalyse
<ol><li>Etter fremveksten er avsluttet (se resultater og tall 8 og 9 for eksempler på tidsskalaen), slå apparatet ved å koble fra Arduino. Stativer kan demonteres og renset for gjenbruk.</li>
	<li>Under eksperimentet er dataene lagret på SD-kortet i en kommadelt fil (CSV) tilgjengelig av programmeringsspråket R. Bruke SD-kortet til å overføre data til datamaskinen, og RStudio for auto-generering boble tomter av dataene.<ol>
<li>Både event og temperatur data lagres i den samme filen for dataintegritet. Derfor må noen behandling fullføres før analyse. Importere filen komma avgrenset til et regnearkprogram. Kolonner I og J er dato og klokkeslett for fremveksten for bier; gjøre dem kolonne A og B ved å klippe og lime kolonner AE inn andre regneark, og lagre som en egen fil, dette er temperaturdata.</li>
		<li>Tittelen kolonne med, "Dato" og kolonne B "Tid" og Sorter dataene etter kolonne og deretter ved B. Lagre som en CSV-fil. filen.</li>
		<li>Dataoverføre og installere den nyeste versjonen av RStudio https://www.r-project.org/. Hjelp med å bruke RStudio for opplasting og analysere data kan bli funnet her på https://cran.r-project.org/doc/manuals/r-release/R-intro.html.</li>
		<li>Bruke R skript tilgjengelig i supplerende data, laste opp dataene i RStudio. Endre målet arbeider i R skriptet å matche hvor excel *. CSV-filen ligger. Kjør skriptet og merk datafilen til å analysere. Skriv inn "plott" inn i R-konsollen. Boble handlingen vil bli plassert i arbeider målet kalt "High-res;" gi denne filen lagre som en høyoppløselig tiff (300 ppt)-fil.</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 ikke avsløre.

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.

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.

<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 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.

Fremveksten av M. rotundata er asynkron uten eksponering for en miljømessig stikkordet, med fremveksten forekommende jevnt gjennom dag4. Men når de utsettes for en firkant-bølge thermoperiod (4° C thermoperiod), blir fremveksten synkron til thermophase4,5. Dette resultatet er lik andre studier hvor insekter har blitt funnet for å bruke thermoperiod signaler for å regulere fremveksten, inkludert kjøtt fly Sarcophaga crassipalpis6, løk fly Delia atiqua7 og boll weevil Anthonomus grandis grandis8. En studie har vist at stress under utviklingen påvirker synkronisering av voksen fremveksten i S. crassipaplpis9. Her presenterer vi resultatene fra M. rotundata som var utsatt for en stress under utvikling, å teste hypotesen at denne behandlingen forårsaker desynchronization av voksen fremveksten.
Vellykket kjøre
Brukeren bør se LCD-skjermen før du åpner inkubator å sikre at insekter ikke lenger dukker. Når eksperimentet er fullført, SD-kortet er fjernet, og dataene kan eksporteres til RStudio som en kommadelt fil til visualiseres som en boble tomten, som beskrevet tidligere. Figur 8 viser bee fremveksten under en 4 ° C thermoperiod etter eksponering for en kald stress under utvikling. Rød trådkorset angi median fremveksten og filnavnet er tittelen. R skriptet skal brukes til å visualisere data, men bør ikke være den eneste analysen. Analysere fremveksten svar på en miljømessig cue, kan dataene bli analysert for rhythmicity (se analyse).
Komplikasjoner
Når en sensor er tett med metall BBs, telles mangel på et signal gjentatte ganger, gir opphav til flere falske datapunkter. Figur 9 demonstrerer den samme datasettet presentert i Figur 8, men med en av seks kanalene tett med BBs, derfor skape store boblen i diagrammet. I tilfelle en tett sensor, kan data fra denne kanalen lett fjernes fra analyse. Omfatter flere kanaler i et eksperiment er gunstig i minimere virkningen av en tett sensor.
Analyse
Analysere data for tilstedeværelse av synkronisering kan gjøres ved å beregne "parameter R," en skalar statistikk som identifiserer hvis fremveksten er rytmisk eller arrhythmic10,11,12. Dette gjøres ved å beregne flest nye voksne i et 8-timers vinduet dele dette nummeret antall voksne nye utenfor vinduet 8-timers multiplisere med 100. Alle personer som fremkom skal samordnes for å beregne hvor mange nye voksne for hver time av dagen. Teoretisk området R-parameteren er 0 (alle fremveksten skjer innenfor porten) til 200 (fremveksten er distribuert jevnt hele dagen)10. R verdier < 60 anses rytmisk fremveksten, 60 < R < 90 er svakt rytmisk og R > 90 er arrhythmic. R-verdier > 150 angi uniform fordeling av fremveksten10. Figur 8 viser at fremveksten er rytmisk med parameteren R = 20.21 < 60. På grunn av at denne typen data er fordelt rundt en gjentatt 24-timers klokke, må sirkulære statistikk brukes for en mer robust analyse (beskrevet i detalj i Bennett et al., 20185). Dette kan gjøres via sirkulær statistikk pakker tilgjengelig for RStudio (pakke "sirkulær"-CRAN. R-Project.org).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58362/58362fig1.jpg"> Figur 1: additiv produsert komponenter. Bruker PLA filament, 3D ut nødvendige deler for systemet. For hver kanal som ble konstruert, deler som trengs er 1 samler manifold (grønn), 1 ende (rød), 6-plattformen støtter (oransje), 4 rør rack base (lilla), og 4 rør rack ansikt plater (gul). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58362/58362fig1large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58362/58362fig2.jpg"> Figur 2: Tube rack plattform montering. Bruke varmt lim for å montere to tube rack plattformer per kanal som ble konstruert. Bruk tre plattform støtter (vist i oransje) med en del av corrugated plastikk (vises i grått). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58362/58362fig2large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58362/58362fig3.jpg"> Figur 3: samler mange x-ray. Sett inn en infrarød detektor i en socket collector (vist i blått) og emitter til den andre kontakten (vises i rødt). Feed detector ledningene gjennom kabler kanalen (vist i gult) og trekke alle fire kabler gjennom tilgang hullet (uthevet i grønt). Sørg ikke bare ledninger er rørende, bruke varmt lim for å sikre dem på plass. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58362/58362fig3large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58362/58362fig4.jpg"> Figur 4: kontakt ledninger. Koblingsskjemaet for RJ45 jack før påføring til samler manifolden, sett fra bunnen av jack og ledninger tabellen for å koble LCD-skjermen til den sentrale prosessoren. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58362/58362fig4large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58362/58362fig5.jpg"> Figur 5: Ball samler montering. Ene enden cap (vises i rødt), en solfanger manifold (vist i grønt) og en 24 x 30 cm stykke papp plast (vises med lys grå) samle skallet av ballen samler forsamlingen. Bruk en 8 x 27 cm stykke papp plast (vist i mørk grå) å legge en rampe. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58362/58362fig5large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58362/58362fig6.jpg"> Figur 6: sentral prosessor PCB board. PCB styret for sentrale prosessoren består av en botnlaget (avbildet i grønt), en øverste laget (avbildet i rødt) og et silkscreen lag (avbildet i blått). Lodding kvinnelige overskrifter tatt direktespørringer hull, unntatt de RJ45-kontakter (nederst) og rullegardinmenyen motstander (direkte over RJ45 pads). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58362/58362fig6large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58362/58362fig7.jpg"> Figur 7: sluttmontering. Når du er i bruk, skal apparatet samles en tube rack plattform på hver side av hver ball samler brukes. Rør stativ med vedlagte frontplater skal plasseres slik at de er helt i enden av røret Rack plattform, redusere muligheten for fallende BBs sprette av apparatet. Fotavtrykk av sammensatte apparater er ca 25 cm x 35 cm, med en høyde på 20 cm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58362/58362fig7large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58362/58362fig8.jpg"> Figur 8: fremstilling av en typisk eksperimentelle kjøre etter behandling i R. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58362/58362fig8large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58362/58362fig9.jpg"> Figur 9: fremstilling av et eksperiment som led av en tett-detektor, som vist av relativt store boblen på dag 4. Tette kanalen kan fjernes fra analysen, og dermed bevare de gjenværende datapunktene. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58362/58362fig9large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</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 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.

En presis og autonomt System for deteksjon av insekt fremveksten mønstre

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

Denne metoden kan bidra til å svare på viktige spørsmål i kronologi- og stressfysiologifeltet, for eksempel hvilke signaler som påvirker tidspunktet for insektfremveksten. Den største fordelen med denne teknikken er at den er automatisert, og kan brukes til å måle fremveksten av et stort antall insekter. Følgende deler kreves for hver kanal som bygges.En samlermanifold, en endehette, seks plattformstøtter, fire rørstativplater og fire rørstativ ansiktsplater. Med tre plattformstøtter og et 33 med 30 centimeter stykke bølgepapp, bruk varmt lim til å montere to rørstativplattformer per kanal som bygges. Installer elektronikken i samlermanifolden ved først å lodde en 120 ohm motstand mot anoden til både den infrarøde emitteren og den infrarøde detektoren og en fem centimeter lang 22-gauge elektrisk ledning til begge katodene.Sett detektoren forsiktig inn i den ene kontakten på oppsamlingsmanifolden, og emitteren i den andre kontakten. Begge komponentene skal passe godt. Før detektorledningene gjennom kablingskanalen og trekk begge ledningene gjennom tilgangshullet.Lodd alle fire ledningene til en RJ45 ethernet-kontakt ved hjelp av den fremre raden med pinner. Begge anodene skal loddes til venstre pin, katoden av emitteren til høyre pin, og katoden av detektoren til en av de midterste pinnene. Fest RJ45-kontakten over samlermanifoldens tilgangshull med varmt lim, slik at ingen nakne ledninger berører inne i manifolden.Deretter begynner byggingen av den sentrale prosessoren for systemet ved å lodde kvinnelige overskrifter på gjennom hullene merket for Arduino nano, temp, klokke og SD-modul. Også lodde en kvinnelig header på umerket to-til-fem gjennom hullet i øvre venstre hjørne av PCB-kortet for LCD-skjermen. Snap in og lodde seks RJ45-kontakter langs den nedre kanten av PCB-kortet.Lodde seks 470 kilo ohm pull-down resistors inn i gjennom hull områder, som ligger like over RJ45 jacks. Installer Arduino nano-, DHT-temperatur- og fuktighetssensoren, klokken og SD-modulen på PCB-kortet. Til slutt kobler du en båndledning med ti kontakter til LCD-skjermkontakten på PCB-kortet.Når registreringssystemet er montert, laster du inn og plasserer to stativer umiddelbart før du kjører et eksperiment. Kontroller først at alle hullene i stativet inneholder et 0,5 milliliter mikrosentrigerrør med hetten fjernet, og at rørene passer godt. Fyll hvert rør med en insektstamcelle, og pass på at den flate kantsiden vender mot åpningen.Deretter legger du til en luft myk pellet, og til slutt, ett metall BB. Bruk deretter kvart tomme nylonskruer for å feste rørstativets frontplate, med den avrundede kanten mot bunnen av stativet. Plasserer rørstativene på rackplattformen. Start med åpningene vendt oppover, og roter deretter forsiktig på plass for å sikre at metall-BBene ikke slippes ut.Stativer bør plasseres på kanten av plattformen slik at et metall BB kan falle fritt inn i samleren uten å sprette mot en annen del av strukturen. Sett inn et SD-kort i adapteren, og start deretter sentralprosessoren ved å koble en mikro-USB-kontakt til Arduino, og den andre enden til en passende USB-adapter. LCD-skjermen viser tallene en til seks når den er klar.Slipp en enkelt metall BB inn i kulesamleren på hver kanal, og se etter den tilsvarende tellingen som skal vises på skjermen, og for riktig tidspunkt å vise nederst på skjermen. Etter at alle insekter har dukket opp, slå av apparatet ved å koble fra Arduino. Stativer kan demonteres og rengjøres for gjenbruk.Under fremvekstseksperimentet lagres data på SD-kortet i en kommadelt fil. Bruk SD-kortet til å overføre data til datamaskinen, og RStudio til å generere bobleplott av dataene automatisk. Både hendelses- og temperaturdata lagres i samme fil for dataintegritet.Før analyse, importere komma-avgrenset fil til et regnearkprogram. Kolonne I og J er dato og klokkeslett for fremveksten for bier. Gjør dem til kolonne A og B ved å klippe og lime inn kolonne A til E i et annet regneark, og lagre som en egen fil med temperaturdata for videre analyse.Dette tallet viser bie fremveksten under en fire graders Celsius termo-periode etter eksponering for et kaldt stress under utviklingen. Dette tallet viser det samme datasettet som nettopp sett, men med en av de seks kanalene tett med BBs, skaper den store boblen på grafen som mangel på signal telles gjentatte ganger. Data fra denne kanalen kan med rette fjernes fra analysen.Mens du prøver denne prosedyren, er det viktig å huske å sjekke alle deler loddet for å sikre at tilkoblingene fungerer. Etter utviklingen banet denne teknikken vei for forskere innen kronologi og stressfysiologi for å utforske hvilke signaler som påvirker tidspunktet for fremveksten 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 Kors i<em&gt; Setaria viridis</em&gt;, Et nytt modellsystem for de Gress

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 teknikk for å Screen amerikanske Beech for Motstand mot Beech 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

Måle og kartlegge jorderosjon og deponering relatert til jord Carbonate konsentrasjoner Under landbruks forvaltningen

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 for å undersøke anatomi av maur visuelle systemet

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

Stedets molekylær påvisning av jord-Borne Phytopathogens ved å bruke en bærbar sanntid PCR

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

Høsting gift giftstoffer 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 ingen valg bioassay for å studere Pupation preferanse og fremveksten suksess Ectropis klippefly

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 analysen for påvisning av kvikksølv og kadmium

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 av 3-Nitrotyrosine i atmosfæriske miljøer via en høy-ytelse flytende kromatografi-elektrokjemiske merker 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 induksjon System for samlet Stomata av sukker løsning nedsenking behandling i Arabidopsis thaliana planter

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