昆虫研究或监测项目中光吸引生物测定的关键要素

摘要

光吸引生物测定装置用于确定使昆虫吸引力最大化的最佳光色；然而，生物测定及方法需针对目标昆虫的行为和栖息环境进行设计。本文阐述了适用于夜行性或昼行性、陆生或空中昆虫的可定制设备及其改装方法。

摘要

优化的视觉引诱剂可利用目标昆虫的先天行为（正趋光性），将昆虫诱入种群控制或监测陷阱，从而提高昆虫捕获效率。发光二极管（LED）提供了可定制的照明选项，具有特定波长（颜色）、强度和带宽，均可根据目标昆虫进行调整。趋光行为生物测定实验可利用LED来优化特定昆虫物种的引诱颜色，精确到特定的生活史阶段或行为（如交配、取食或寻找庇护所）。研究人员随后必须在野外验证生物测定结果，并明确视觉引诱剂的有效引诱距离有限。

三叶草形生物测定装置是一种灵活的方法，可用于评估昆虫的趋光性，同时还能观察多种自然行为，如逃逸和取食反应。该装置适用于陆生或飞行昆虫的实验，也可用于日行性或夜行性昆虫。使用该装置进行数据采集的方法包括录像记录、统计昆虫与光源的接触次数，或在昆虫被光源吸引时直接进行物理捕捉。该测定方法可涵盖无选择条件下的昆虫行为，测试装置可采用单一（非竞争性）颜色或多种（竞争性）颜色光源。三叶草形设计促使具有强烈趋触性的昆虫返回装置中心，在竞争性LED测试中可同时观察所有光源选项。本文所介绍的三叶草形装置已成功应用于蚊子、臭虫、麦茎蝇、家蝇、吸血蠓、赤拟谷盗和书虱等昆虫。生物测定有助于开发准确高效的昆虫诱捕器，进而指导用于监测害虫种群动态、病媒传播风险评估、外来物种入侵监测，以及种群抑制的诱捕装置的开发与优化。

引言

几乎所有的昆虫学监测都依赖于嗅觉或视觉引诱剂，通常两者兼用。挥发性嗅觉引诱剂可在环境中扩散，形成较大的吸引区域。然而，由于无脊椎动物复眼对图像的分辨能力有限，视觉引诱剂的作用范围可能更小^1,2,3。因此，必须针对目标昆虫优化视觉引诱剂，以最大化引诱效果，并设计陷阱以利用目标昆虫的自然行为特性。

视觉吸引基于来自太阳或其他光源的波长，这些波长被物体表面吸收或反射；生物体将这种对波长的吸收/折射感知为颜色。已发现昆虫的视觉可感知蓝色、绿色以及紫外光（UV）波长¹。昆虫利用视觉帮助寻找配偶、食物和庇护所⁴。昆虫能够通过视觉识别物体的大小、颜色、形状、运动和对比度^5,6。夜行性昆虫通常被不同对比度和强度的光所吸引⁴，而昼行性昆虫由于白天光子更丰富，除了对比度外，还能分辨颜色和图像。监测诱捕器利用昆虫的视觉线索，以优化吸引和捕获效果⁷。

评估趋光性最常用的方法是观察昆虫向不同颜色的形状（如花朵）移动的行为⁸ 或物体（如粘虫板）^9,10）。利用定殖昆虫进行的视觉生物测定有助于确定最佳的波长和/或强度范围，从而减少田间试验的次数。此类视觉生物测定方法包括 "双面光隧道" 用于测试果蝇¹¹双侧光隧道的问题在于无法统计未被捕获的昆虫。大多数昆虫会卡在实验区域的内角和边缘处。此外，每次只能测试两种颜色。其他检测方法包括Steverding的方法。 & 特罗斯基安科 (2004)¹²，将采采蝇的趋光性限定在较宽波段（±50 nm）的光色范围内。发光二极管（LEDs）已被应用于捕虫器中，通过优化发射光的波长来增强对昆虫的吸引效果^1,13,14优化这些诱捕器或监测装置的视觉吸引力，将利用昆虫的先天行为来引诱昆虫，从而提高昆虫采集效率。通过这种方式，生物测定结果被用于优化现有的诱捕技术。 "陆生节肢动物陷阱" 改进了用于赤拟谷盗监测的行业标准圆顶型诱捕器（美国专利号：US8276314B2）以及 "改进型光诱捕器的方法与组合物" 将发光二极管集成至空中昆虫诱捕器中（美国专利号：US2009/0025275A1）。这两项专利利用基于生物测定结果优化的LED技术，显著提升了昆虫诱捕器的性能。

本研究描述了一种光吸引生物测定装置及方法，可使研究人员评估昆虫对窄波长光作为竞争性或单一吸引色的反应。文中介绍了适用于夜行性、昼行性、陆生和空中昆虫的设备及实验改良方案。

方案

1. 生物测定组分

1. 陆生实验区构建
   1. 使用长度为 2.54 cm 的金属挡板材料条。将每条材料弯成直径为 15.24 cm 的半圆形（图1）。
   2. 将每个半圆的两端连接起来，用四个部件组成一个三叶草形状。在每个半圆的末端安装一个锁紧螺母和一个 #10 机械螺钉，以固定各部分。
   3. 在每个半圆中点处钻一个孔，孔位于实验区底部上方 0.79 cm 处。将 5 mm LED 固定座安装在每个半圆中间钻出的孔中。
   4. 为了减少反光，使用哑光黑色喷漆喷涂整个实验区¹⁴，以覆盖金属挡板表面。使用液体涂层（例如，Fluon）防止昆虫沿喷漆表面爬出实验区。
2. 空中实验区构建
   注：空中实验区的尺寸和结构与陆生实验区相似，但采用聚丙烯酸材料（图2）。透明塑料可使所有光线透过，避免干扰实验的反射光。此外，透明材质也便于对实验过程进行摄像记录。
   1. 在每个半圆的最远端加工螺纹，以便收集容器能够旋接至主实验区。三叶草形状可引导昆虫返回中心区域。实验区无外角，避免昆虫聚集；然而，用于空中昆虫的收集杯则设计为全内角、无外角。
   2. 对于空中实验区的收集容器，使用螺口式聚甲基戊烯容器（125 mL，外径 64 mm，高 74 mm），并在其底部钻孔（直径 15 mm）。
   3. 在每个容器的底部安装螺纹管（直径 15 mm，长度 60 mm）。
   4. 在每个容器的盖子上安装一个 5 mm LED 固定座。将每个收集笼的盖子旋接到收集笼的大口径端。
   5. 将实验区上的螺纹管插入收集笼另一侧的小口径孔中。确保螺纹管末端与实验区内壁齐平，并与收集笼紧密贴合。
      注：螺纹管由聚四氟乙烯（Teflon）制成。聚四氟乙烯会发出与其所连接收集笼内 LED 相同颜色的光。由于每个收集笼底部均含灰色塑料物质，螺纹管是实验区内唯一相对于昆虫位置会发光的部件。
3. 电子元件准备
   注：LED 的颜色（波长）取决于制造时所用的化学材料，因此可实现多种不同颜色（Table 1）。
   1. 所有实验均使用标准 5 mm LED，带有正极和负极引线。LED 的波长范围可较窄（± 5 nm），也可较宽（± 50 nm）。
   2. 将视角定义为显示器可被观察的最大圆锥角。此类 LED 也称为通孔 LED。通孔 LED 需使用印制电路板上的通孔插槽、线束，或直接将导线焊接到正负极。表面贴装 LED 则需要专门设计的 PCB 并通过焊接集成。
   3. 在电子电路中加入可变电阻器，以调节 LED 的功率输入（即 LED 亮度）（图3）。使用光谱仪验证每次实验中 LED 的光强（W/m²）和波长（nm）。

2. 实验区域准备

1. 每次重复实验之前及之间，需仔细拆卸实验区域，用温水加无味、无研磨性的肥皂彻底清洗，以去除任何气味或非预期的引诱物。使用低研磨性的海绵擦拭，避免划伤实验区域。
   1. 彻底干燥实验区域，并将其放置一旁以完成风干，为下一次试验做好准备。这可以防止水渍的形成。刮痕和水渍会在实验区域的这些位置引起折射，导致结果出现误差。
   2. 每次操作实验区域时，应佩戴腈类手套，以避免将人体气味带入实验区域表面。
2. 记录以下环境条件：湿度、温度、大气压、日期、开始/结束时间、外部光源以及实验区域中LED的位置。记录这些数值，并监测各次实验间的趋势变化。为确保实验重复的规范性和一致性，应在每次重复实验前后均记录环境条件。
3. 实验类型
   注意：该装置可进行单光和竞争性光照测试。
   1. 单光测试时，使用一个发光的三叶草叶片，而其余三叶草叶片均不发光。
   2. 在竞争性实验中，让具有不同特性的四个三叶草结构同时发光，相互竞争。
      注意：其他实验可评估昆虫状态（饱食、饥饿、羽化初期、交配、吸血）的重要性， 等等。以及生活史阶段。可使用行为记录/分析软件来记录和量化行为。对于夜间实验，可使用红外摄像机观察昆虫，此时昆虫在红外记录中会呈现白色，与黑暗的实验区域形成对比。
   3. 每次重复实验后旋转LED位置，以控制相对光源之间可能的光线干扰以及任何环境偏好带来的影响。
   4. 使用红外LED、红外相机和软件来统计不钻入孔洞的昆虫的采集数量¹⁴视频记录将显示每盏LED灯的甲虫访问次数。只有当昆虫从 arena 中心向 LED 移动时才计为一次访问，若昆虫沿边缘经过 LED，则不计入。
4. 实验区域设置
   1. 用四个相同的梅森罐作为底座，并在它们上方放置一块黑色亚麻布。亚麻布为黑色，以防止光线从实验区域底部反射。
   2. 将竞技场底板放置在基座顶部。将竞技场的各个部件依次组装到底板上。
   3. 将三叶草形竞技场置于底板上释放点的中央位置。保持其中心位置可使昆虫从实验的中心区域爬出，从而避免其产生初始偏好。
   4. 将发光二极管（LED）安装到四个收集容器的LED支架中。
   5. 设置电气设备以控制灯光。

3. 开始生物测定

1. 将实验区的透明盖板平行放置于实验区上方，与底板对齐。若昆虫需通过底板释放，则实验区盖板应预先安装在实验区上。此操作可防止昆虫逃逸，并便于进行视觉观察或视频记录（适用于陆生昆虫）。
   1. 若实验物种需要（如飞行昆虫），可暂时使昆虫 immobilize（固定），以便从其（羽化）笼中取出并引入实验区。可通过短暂暴露于二氧化碳或低温环境（< -20 °C（摇蚊）至 -4.0 °C（蚊子））实现昆虫的击倒处理。
   2. 使用吸虫器从击倒后的昆虫中吸取所需性别和数量的个体，并通过底板将其引入实验区。可使用移液管或其他吸虫工具进行昆虫转移。操作应尽量轻柔，避免过度接触或长时间暴露，以免降低昆虫存活率。
   3. 在适应环境前即开始生物测定记录/评估，以确认昆虫仅对光刺激产生反应，而非表现出逃逸行为。为避免逃逸反应，应在开启电子设备前给予昆虫1小时的适应时间。当昆虫被置于新环境时，其逃逸反应中会趋向特定波长的光。

4. 结束并定量分析生物测定实验

注意：每次实验重复的持续时间取决于昆虫的行为和响应时间，通常使用较长的暴露时间，更多的响应往往更具信息量。

1. 记录环境条件。
2. 停止所有记录，例如红外相机（如使用）。
3. 若使用收集室：每次重复实验后，将三叶草形实验 arena 置于冰箱中以杀死昆虫用于计数。arena 不应长时间留在冰箱中，因为冷冻环境可能导致塑料开裂。
4. 通过统计收集笼中的昆虫响应个体或分析视频来量化昆虫行为。停留在三叶草形 arena 中的昆虫记为无选择。例如，Culicoides 对紫外光的趋向性显著高于无选择行为⁷。

结果

陆地环境已被用于改进赤拟谷盗的害虫监测诱捕器¹⁴，而空中环境则用于麦茎蜂¹⁵和吸血蠓⁷的研究。尽管三叶草形实验装置结构相似，但针对每种昆虫物种的实验条件各不相同，能够适应对可爬行或飞行的夜行性或昼行性昆虫进行评估。更重要的是，这些实验室研究已成功转化为田间应用，可用于监测害虫种群动态、入侵物种的传入、种群抑制以及疾病媒介风险评估。

红面粉甲虫是一种仓储产品害虫，在陆地实验 arena 中进行了评估，并使用红外相机进行拍摄¹⁴。若甲虫朝向并接触 LED，则视为对该颜色有正向反应。实验 arena 设置采用竞争式设计，包含四个光源，或三个光源加一个黑暗空白区域作为对照。试验数据表明，甲虫对近紫外 LED（390 nm）的趋向性最强（

讨论

光诱生物测定是确定最佳诱虫颜色并减少田间试验颜色选择的重要工具。然而，在为特定昆虫优化生物测定方法时，必须考虑以下几个因素：单光源 与竞争性光照实验、亮度、最佳光谱范围、环境光干扰、昆虫状态以及可能限制响应行为的自然习性

大多数昆虫都具有一定的趋光性，这可能是一种先天的逃避机制，促使昆虫向光源移动。可通过在实验区域内仅提供一个光源，而将其他三侧保持黑暗来测试这一行为。然而，竞争性测试则使用四种不同颜色的光源，通过观察昆虫对每种光源的反应来展示其对颜色的偏好。进行生物测定的研究人员必须明确，他们是在测试昆虫对光的吸引还是对光的偏好。竞争性实验装置也可用于检测驱避效应。需要注意的是，如果昆虫停留在实验区域内且未朝向任何光源定向移动，则可能不会表现出对光色的选择。这些未做出选择的昆虫必须在结果中予以记录和说明。

必须始终考虑发光二极管的亮度，且实验区域的光源必须调节至相同强度；因此，每次试验前使用光谱光度计检测LED的亮度至关重要。电位器在控制每个LED的电压方面起着关键作用，从而调节其亮度。 commercial...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
金属遮蔽材料
#10 不锈钢机械螺钉		库存
#10 不锈钢锁紧螺母		库存
5 mm LED 固定座	Radio Shack Corp	276-080
哑光黑色喷漆		库存
Fluon		库存
模压聚丙烯酸酯
螺口式 Nalgene 瓶	Thermo Fisher Scientific	Nunc 聚甲基戊烯	125 mL，外径 64 mm，高 74 mm
螺纹聚四氟乙烯管		库存	直径 15 mm，长度 60 mm
StellarNet 光谱仪	Stellar Net, Inc	BLACK Comet C-SR-25
LED 红外光源	Tracksys LTD
红外视频摄像机	Panasonic Corp	WV-BP330 Panasonic 闭路电视摄像机
MEDIACRUISE 软件	Canopus Corp