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低コスト、小型で、簡単に構築されたフライトのミルを使用してアンブロシア甲虫、カシノナガキクイムシ(村山) の飛行能力を測定

Published: August 6, 2018 doi: 10.3791/57468
Automatic Translation
1, 2, 3, 2, 1
1School of Human Science and Environment, University of Hyogo, 2Laboratory of Forest Biology, Division of Forest and Biomaterials Science, Graduate School of Agriculture, Kyoto University, 3Hyogo Prefectural Technology Center for Agriculture, Forestry and Fisheries

Summary

低コスト、小型飛行ミルを開発、一般的な項目で構成されて、簡単に実験で使用します。この装置を用いてアンブロシア甲虫、カシノナガキクイムシの飛行能力を測定しました。

Abstract

アンブロシア甲虫、カシノナガキクイムシ(村山) は、ドングリの木 (日本の ○ カシのいちよう) の大量死を引き起こす真菌病原体のベクトルです。したがって、散布容量を知るより効果的にこの病気を防ぐためにトラップ/木除去努力を知らせる助けるかもしれない。本研究では飛行速度と持続時間を測定し、, 新たに開発した飛行ミルを使用してカブトムシの飛行距離を推定.飛行ミルは低コスト、小型、および一般的な項目を使用して構築されました。飛行ミル腕と垂直軸の両方は、細い針を構成します。カブトムシの標本は瞬間接着剤を使用して腕の先端に釘付けに。その他の先端がプラスチックで覆われているため厚い、従ってそれ腕の回転の検出が容易になります。腕の革命は、赤外線 LED 搭載フォト センサーによって検出され、LED の上に腕が渡された場合、出力電圧の変化で示されます。フォト センサーがパソコンに接続されているし、1 kHz のサンプリング レートで出力電圧データが格納されます。このフライトのミルを使用して実験を行い、カシノナガキクイムシが飛ぶことができることがわかった、少なくとも 27 km。私たちのフライトのミルには、安価で小型の普通のアイテムが構成されている、ため多くの所で飛行を準備し、小さな実験室スペースで同時に使用できます。これにより、短期間で大量のデータを取得する実験者。

Introduction

動物の長い移行距離食品と仲間を求めて。移行する動物は時々 望ましくない仲間を運ぶかもしれない。女性のアンブロシア甲虫、カシノナガキクイムシ(村山) は病原菌、 Raffaelea quercivora久保野の知られているベクトルら新伊藤。この病原体は、ドングリの木 (日本の ○ カシのいちよう) の大量死亡率と高い死亡率1を引き起こします。1980 年以来、この病気は、日本で展開しています、2深刻な問題となっています。

カシノナガキクイムシは小さな虫 (体長 4-5 mm、体重 4 〜 6 mg)、病気の年間展開彼らが数 km3,4まで飛ぶことができることを示唆しています。男性カシノナガキクイムシはホストのツリーを検索し、男女とも5を集めて集合フェロモンを解放します。その結果、ホストのツリーは質量個体、襲われ、最終的に死にます。男性は着陸後ツリー内トンネルを退屈させるとフェロモン集めて女性がトンネルに入るし、卵を産みます。孵化したP. quercivoursは、大人になるまでトンネルで育ちます。大人は出てくるし、新しいホストを検出する分散します。したがって、病気の拡大はおそらくこのカブトムシの渡り鳥の能力に関連します。ただし、するカブトムシが飛ぶことができる程度はまだ明らかではありません。さらに、女性が男性6より大きい (女性: 4.6 mm と男性: 4.5 mm) 男性カブトムシをターゲット ツリーを検索、木の中のトンネルに入り、女性を魅了しと。これら性差体サイズと彼らの生命飛行の役割を考慮した飛行能力で性差は存在が能力の違いは不明のまま。

一般に、フィールドでの移動能力を測定、特に渡り鳥の領域の広い範囲のため、能力を飛行する非常に困難です。フライト ・ システムなどの係留条件下で実験室で測定した移動能以上 60 年7,8,9,10、11,12,13。 フライト工場システムはいくつかの昆虫が長距離飛行能力を持っていることを示しています。たとえば、飛行機山マツカブトムシの最長飛行距離は以上 24 km14,、 Tetrastichus planipennisiヤン飛んだ最大限 7 km15。飛行ミルは一般に利用できるツールが、生きている動物の生物学的アッセイはしばしば、個人差がかなり大きくします。これを克服するために複数回繰り返す多数の測定が平均分散能力の信頼できる推定値を取得する必要です。したがって、複数の個人は、データの十分な量のクイック コレクションを同時に使用する必要があります。ただし、同時実験複数の実験のセットアップ、広いスペースを必要とする、単一の測定システムと比較して高価であります。したがって、フライト工場は低コストである必要があります、簡単にする必要があります一般的な項目、およびコンパクトを内蔵。さらに、実験の手順が複雑になる必要があります。 または巧みなオペレーターが必要ないです。

本研究で我々 は、実験で簡単に使用できる、アンブロシア甲虫の飛行能力を測定した小型、低コストのフライト ミル (図 1および図 2) を組み立ててカシノナガキクイムシ。

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Protocol

1、飛行機工場の建設

  1. 飛行ミル装置の試作
    1. 針からプラスチックの一部を切断 (金属パーツ: 40 mm 長さ、直径 0.25 mm; プラスチック部分: 長さ 22 mm 径 2 mm) ニッパー (図 3) で。
    2. エポキシ系接着剤 (図 3) と十字の形で未処理針フライト ミル腕としてそれらを参照しているこの針および軸針を修正します。
      注: 軸針の未処理面は底側をする必要があります。飛行ミル アームの発見のヒント (図 1 bおよび図 3) カブトムシを接着ためです。
  2. 基地建設
    1. 軸の針が水平に滑るを防ぐために爪をハンマーで薄いステンレス金属板 (5 cm × 5 cm) の表面の小さなくぼみを作る (図 4)。
      注: 金属板の実際の寸法は、重要ではない、別の材料は可能ですが; 任意の柔らかい素材を使用しないでください。そうでなければ、その工場の回転を防ぐ、針が立ち往生されます。
    2. 置き、木造に金属板を修正テープで基板 (木製台座)。
    3. ダブル スチール プレートを曲げて L 字 (図 1 図 2 a)。
      注: 壁に家具を固定するための L 字金属板を使用すると便利だった。板のこの種の使用を支持するもう一つの便利な点は、多くの穴がすでにプレートでした。穴は、ねじ、またスナップ ボタン (図 1 a 図 4) を修正するのに使用されました。
    4. 使い捨てプラスチック ピペットの先端を切断することによってシリンダーを作る (高さ 1 cm、径 (外径) 外径 4 mm、内径 (内径) を = = 2 mm) (図 2 aおよび図 4) 軸針を導くため。
    5. 配置し、(図 2 aおよび図 4) 金属板のダブル L 字プレートとシリンダーを修正します。
  3. 検出装置の試作
    1. ように金属板を曲げるようにトップ プレート L 字します。
      注: それは (図 5B-C) の壁に家具を固定するための L 字金属板を使用すると便利だった。もしそうなら、この手順を省略することができます。
    2. トップ プレート (図 2 D・ E図 4、および図 5 a) に小さな金属キャップ (5 mm 長さ、直径 1 mm) を置きます。
      注: cap として我々 はスナップ ボタンを使用します。それは L 字プレート (図 4) の穴を通して渡されます。
    3. L 型プレート (図 4および図 5 a) のフォト センサーを修正します。(図 2 D-E、および図 4) のスペースを節約する L 字プレートのセンサーの回路基板をねじ止め。
    4. 赤外線 LED を接着剤 (150 mW) LED (図 1 a 図 2 a) の回路基板と一緒に小さな磁石で。
    5. LED を配置 (150 mW) フォト センサー (図 1 a 図 2 a) の下にあるベース プレートに。
  4. ホルダーの建設
    1. ように金属板を曲げて L 字します。
      注: それは (図 5B-C) の壁に家具を固定するための L 字型の金属プレートを使用すると便利だった。もしそうなら、この手順を省略することができます。
    2. 木製のプレートを修正ボード (壁) ネジ (図 1図 4、および図 5 b)。木の板の高さが重要な本研究では 7 cm だったです。
  5. ケーブルを接続します。
    1. 通常の電気ケーブル経由で A/D コンバーターのアナログ入力チャンネル (アイン) にフォト センサーを接続します。
      注: それはすべてのケーブルを束ね、乱雑なワークスペースはしばしば実験を通して細かい操作を防止するため L 字プレート (図 5B-D) 固定場合便利です。
    2. A/D コンバーターを USB ケーブル経由でパソコン (PC) に接続します。

2 実験手順

  1. 収集すべてたて現れた死んだミズナラからカシノナガキクイムシ大人ブルーメ (ブナ目: ドングリ) 実験を実行する日の朝 (午前 7-9) の木。
    注: は、前の日に収集のカブトムシを使用しないでください。100 以上のカブトムシが毎日出てきて、新たに出現したカブトムシが毎日チェックします。カブトムシを採集の詳細なメソッドの参照16を参照してください。
  2. Anesthetization の氷の上には、カブトムシを置きます。濡れている; カブトムシを避けるそれ以外の場合、次の手順を完了することは困難ででしょう。氷の上すべての後続の手順を実行します。
  3. ミルの腕、前胸背板甲虫の瞬間接着剤 (ゼリー状接着剤) の 1 つのコンポーネントの少量を配置し、ミル腕、前胸背板との接触を維持します。
    注: この接着剤は単独で使用されるには、ゼリー状の接着剤はゆっくり乾燥されます。しかし、この接着剤は、(材料表) の 2 つのコンポーネントの混合時すぐに機能します。その他のコンポーネント (液体接着剤) は、次の手順で使用されます。
  4. 穿刺または棒を使用して少量の接着剤 (液体接着剤) の他のコンポーネントを追加します。翼が (図 1 b) 接着剤から解放されたことを確認します。液体の接着剤を使用して、ゼリー状の接着剤の硬化を促進します。
  5. L 字プレートの L 型プレート (天板) を保持するために磁石を使用して飛行ミル (図 6) に十字針を調整します。針の天板の高さを調整するとき、単にトップ プレートをスライドさせます。トップ プレート (図 5 a) のスナップ ボタンの穴に軸針の上部の先端を挿入し、ベース プレート (図 6) ガイドに他のヒントを配置します。
  6. センサーの下に IR LED の位置を調整します。

3. 取得し、データを分析

  1. フォト センサーからの増幅された出力信号を記録し、(用 A/D コンバーター ・ ソフトウェア、材料表) (図 7 a) 1,000 ポイント/秒のサンプリング レートで商業ソフトウェアを用いた A/D コンバーターを介して PC に格納します。
  2. DAQFActoryExpress ソフトウェアを起動します。
  3. クロスをクリックして (+) [ワークスペース] ウィンドウでログアイコンをマークします。
  4. ログ セット名を右クリックし、ログ開始] 設定を選択します。
    注: ソフトウェアは、ログとデータを保存を続けます。
  5. 録音を停止するには、ログ セット名を右クリックし、終了ログ設定を.csv ファイルに保存するを選択します。
  6. 上記フライト ミル アームの通過時間記録された電圧がしきい値 (0.5 V) を超えた場合にのみ時間を検出して適切なソフトウェアを使用して赤外線 LED を抽出します。
    注: いくつかのソフトウェア (例えば、MS Excel) では、作成した .csv ファイルを読むことができます、ので、研究の目的に応じて使い慣れたソフトウェアを使用します。必要に応じて、プログラムをダウンロード、カスタムメイド Github を利用 https://github.com/HidetoshiIkeno/FlightMill。プログラム、プログラムを使用する手順の詳細については、メイン プログラムとされている README ファイルを参照してください。

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Representative Results

これらの実験では、飛行工場に適用される甲虫の約 50% は 1 つまたは複数の回転を示した。センサーと LED の間の仮想のラインが渡されると、プラスチック部分は、記録された電圧が約 6.5 V、0 V を中心から変更し、渡すの期間は飛行速度に応じて、10-20 ms 以内であった。したがって、スパイク状の電圧変動が 1 回転 (図 7 b) として観察されます。電圧が試合、回転速度や回転時間回転数に関係なく (0.5 V) しきい値を超えた飛行ミル アーム回転、すなわちとき、として、我々 はフライトを定義されています。時間として飛行時間も定義のみ記録された電圧がしきい値を超えました。したがって、1 つだけの時点でプラスチック部品の各通過のため抽出しました。その結果、飛行工場に適用される甲虫の 50%「飛んだ」。ほとんどの場合甲虫ではあるが、フライト前に繰り返し彼らの翼を開閉する傾向があったいくつかの甲虫は、事前の兆候を示すことがなく飛行を開始しました。通常、カブトムシ一定期間 (一部便) 飛行を維持し、間隔 (図 7D) 後に再度飛んだ。カブトムシが飛行を再開するかどうかを予測することが可能でした。したがって、我々 は完全な間隔が 60 分以上と測定を指定しました。

ほとんどの場合、1 秒あたり 3-6 回転の速度で飛んだカブトムシ (0.75 1.50 m/s)。1 回転 (すなわち、飛行経路のまわり)、約 25.1 cm し総回転数フライト ミル アームの半径に依存の距離を乗じて合計飛行距離を推定しました。カブトムシの飛行能力の過小評価を避けるためには、我々 はこの分析からの短いフライト (約 1 km) を示した甲虫を省略しました。最後に、少なくとも 1 つの革命を実行 35 カブトムシから 16 カブトムシ (男性 7 名・女子 9 名) を取得しました。

費やされた合計時間の飛行、一部便の合計距離として飛行距離と飛行時間を定義しました。16 カブトムシは、1.26 時間 (3.24 km) またはエネルギー摂取せず長く飛行を示した。最大継続時間と距離がそれぞれ 7.5 h、27.1 km だった。飛行期間と距離が大きく異なるこれらの実験で、個人間、中央値は平均値よりも有益でした。

飛行能力に性差を検討するは、セックスによってデータをグループ化し、飛行距離は男性と同様であることがわかった (中央: 10.2 km, 平均: 13.4 ± 3.11 km、分: 3.3 km、最大: 27.1 km) と女性 (中央: 17.2 km、平均: 17.2 ± 2.16 km、分: 8.7 km、最大: 25.4 km)。有意差を示さなかったウィルコクソンの順位和検定 (p = 0.211) オス ・ メス (図 8) の飛行距離にも男性と女性の間の飛行期間に (男性: 3.8 h、女性: 4.7 h, p = 0.142)。したがって、カブトムシの男女が間隔および持続期間の飛行の同じ機能があることが分かった.

Figure 1
図 1: 飛行ミルの概要。(A)フライト ミルの斜視。スケーリングのテニス ・ ボールと比較します。(B)フライト ミルに接続されているカブトムシ。(C)フライト ミルのスケール。各パーツの詳細については、図 2を参照してください。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 2
図 2: 別のビュー角度からフライト ミル。正面(A)、左側(B)、右サイド(C)、および飛行ミルの(D)トップビュー。(E)トップ プレートの下に表示します。撮影、LED フォト センサーの下から移動されました。: ニードル、bp: ベース プレート、dlp: ダブル L 字プレート、gb: ベース プレート、gt のガイド: トップ プレート上ガイド LED: IR LED、lp: L 字プレート、ma: ミル腕、mp、ベース プレート、ps に金属板を飛行: フォト センサー。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 3
図 3: 飛行ミル用針です。(左) の元の針と十字形の針 (右)。針のサイズは: 金属パーツ: 長さ 40 mm、プラスチック部分の直径 0.25 mm: 22 ミリメートルの長さと直径 2 mm。: ニードル、ma: 飛行ミル腕。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 4
図 4: フライトの工場を構築する方法です。詳細は本文を参照してください。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 5
図 5: ミル部分を飛行。(A)トップ プレート、フォト センサー ガイドをエポキシ系接着剤で L 字板に修正しました。スナップ ボタンの穴の直径 1 mm, 長さがあった 5 mm. (B)右角から飛行機の斜視。磁石は、2 つの L 型プレートを接続します。黒 L 字板を木製のプレートにビス止め。(C)飛行機の背面。電気ケーブルは、バンドルされ、木の板にねじ止めされた L 字板に固定します。(D) 3 つの飛行ミルズ (F1 ・ F3) (45 cm × 20 cm) の小さなスペースにならべる。gt: トップ プレート、mg、磁石、ps のガイド: フォト センサー。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 6
図 6: 飛行ミルを調整する方法です。トップ プレートを垂直方向にスライド、軸針の上部先端をトップ プレート、すなわち、スナップ ボタンの穴をガイドに挿入します。ダブル L 字プレートの穴に十字針を挿入します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 7
図 7: 革命の代表的な時間トレース。(A) 500 ms (A)、10 時の電圧出力の例 (B) と 1 時間 (C) 飛翔活動。トレースは、(A) を (C) から一時的に拡張されます。点線は、展開されている期間。電圧出力がサンプリングされたすべての 1 ms (1 秒あたり 1,000 ポイント)。腕が IR LED、0.01 V から約 6.7 V に増加センサーの出力電圧の上に渡すとき。スパイク状の電圧変動が 1 回転 (B) として観察されました。タイム スケールがパネル C のような分と、黒の四角形 (C) のように、長期的な飛行が観察されます。通常、飛行活動は、2 つのフェーズ: 1 つは集中的な飛行段階、他の 1 つは一時停止相。集中的な飛行段階の間の間隔の長さは予測できません。集中的な飛行段階でビートルは一定の速度で飛んだ。(D)を出力し、対応する電圧の重ね合わせは、飛行距離を蓄積しました。電圧出力は、パネル (C) と同じです。青: 1 時間のフライト、赤の電圧出力: 飛行距離を蓄積します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 8
図 8: 男性と女性間の飛行距離の比較。飛行距離のボックス プロット。オス ・ メスの飛行距離に有意差は認められなかった。ボックス内の行は、中央を表し、ボックスのエッジを示す上位と下位四分位で、それぞれ。最大値と最小値は、ひげで示されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

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Discussion

低コスト、ビルド、小さな昆虫カシノナガキクイムシ(体長 4-5 mm、体重 4 〜 6 mg) などの小型フライト ミルを開発しました。私たちのフライトのミルだけ普通針、赤外線 LED、光センサー、瞬間接着剤などとコンピューター制御の電気機器などの任意の洗練された、高価なまたは稀な項目を必要としません。これは必要な項目の簡単かつ迅速なコレクションを有効にし、実験のコストを削減します。確かに、それはコストのみ 1,000 円 (約 10 米ドル、8 ユーロ、または 7 ポンド) あたりフライト (飛行型ミル特定など PC、A/D 変換器、ソフトウェア、ソフトウェア ライセンス等を除く) さらに、提示された飛行ミルはコンパクト。したがって、準備し、大規模な実験空間 (図 5) を必要とすることがなく複数便ミルズ16を使用することが可能でした。これらは他の飛行のミルズの方法論に関して本法の最強のポイントです。

推進力は、この小さな甲虫の場合非常に小さかった。したがって、前研究15,17で述べたように、摩擦抵抗が、できるだけ小さくなければなりません。これは測定のため非常に重要です。このような観点から細い針の使用は飛行ミルのベース プレートの接触面積を減らすため非常に便利でした。同じ理由で、ミルの飛行の上の部分が滑らかな必要がまたあります。すべての潜在的な接点や場所は滑らかである必要があります。

対象害虫が小さい、飛行ミル保たれなければならないフラット、以前の論文がこれ明らかに述べなかったが。それ以外の場合、測定結果は重力の効果によって予期せず影響可能性が。重力に関する影響と大きな摩擦抵抗は、誤解を招く結果を作り出すことができます。もう一つの重要なポイントは、フライト ミル アームの長さの精度だった。カブトムシは、長距離を飛んだときに回転数が以上 1 万を超えたので、針の長さの不正確な測定は誤解を招きやすいデータを提供します。建設は正確に所望の長さを腕のフライト ミルを作るよりもより実用的な後ミル アーム回転半径を測定します。

カシノナガキクイムシの飛行活性を測定するには、この実験は、いくつかの重要な点を示唆しています。まず、測定は羽化したばかりのカブトムシによって実行される必要があります。これまでのところ、我々 は朝の午後からを基準にして、約 1 km を飛ぶカブトムシの高い数を提供実験を開始を気づいています。それ故に、理想的にできるだけ多くのカブトムシは朝測定する必要があります。第二に、トップとベース プレート上のガイドは、大量のデータを収集するための重要な可能性があります。記載されている手順を使用して実験は非常に簡単かつ迅速。接着が完了する麻酔から 1 分多くの場合、フライト ミルに十字針の調整は、律速段階未満がかかった。あまりにも多くの時間がかかる、いくつかカブトムシだけが測定できます。これらのガイドは、迅速に工場に針を調整に役立ちます。第三に、最高条件測定する必要があります昆虫を処理する最高の手順だけでなく、発見しました。理想的には、除外された動物行動9,10,18の分野でしばしば使用されますがすべての測定データを分析のため使用する必要があります。我々 は、短い距離のチラシは飛ぶ貧しい能力を持っているかいくつかの実験的故障原因近距離便を知らなかったので 1 km 以内に飛んだ昆虫を省略しました。カブトムシの飛行能力のより正確な推定実験の最高のパフォーマンスを提供します。

別の制限は甲虫の多くからデータのサンプリングを同時にできる可能性があります。ハイパワー PC は複数の飛行の工場のデータを同時に処理するのに便利です。特に、保存、データの書き込み、PC の仕様が重要です。フライトは高速かつ長期的な適切な PC を使用しない場合いくつかのデータが不足している行くことができます。私たちの設定を最適に 1 kHz のサンプリング レートを発見しました。ただし、各特定のフライト ミル装置にサンプリング レートを調整する必要があります。

飛行間隔が 60 分を超えたらカブトムシの飛行の測定が終了したので 60 分が経過した後で、各カブトムシを観察し続けた私たち。加えて、我々 の分析はラインオフされました。したがって、それは飛行間隔、飛行時間、飛行距離などいくつか役に立つ行動状態でしょう。リアルタイムで通知/表示されます。リアルタイム分析を実現する新しいプログラムを将来的に開発しなければならないし、高性能 PC を使用する必要があります。

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Disclosures

著者が明らかに何もありません。

Acknowledgments

実験を助けるため氏 s. 深谷、奥田さんに直と氏 t. 石野に感謝します本研究は、学術振興 (第 15 K 14755) 日本社会科学研究費補助金によって支えられました。

Materials

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.

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References

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環境科学研究科発行 138、フライト、ミル、日本 ○ カシのいちよう、飛行距離、カシノナガキクイムシ(村山) Raffaelea Quercivora久保野ら新伊藤、低コスト、渡り鳥の能力
低コスト、小型で、簡単に構築されたフライトのミルを使用してアンブロシア甲虫、<em>カシノナガキクイムシ</em>(村山) の飛行能力を測定
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Okada, R., Pham, D. L., Ito, Y.,… More

Okada, R., Pham, D. L., Ito, Y., Yamasaki, M., Ikeno, H. Measuring the Flight Ability of the Ambrosia Beetle, Platypus Quercivorus (Murayama), Using a Low-Cost, Small, and Easily Constructed Flight Mill. J. Vis. Exp. (138), e57468, doi:10.3791/57468 (2018).

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