我们开发了一种低成本且体积较小的飞行磨装置，该装置由常见物品组装而成，易于在实验中使用。利用该设备，我们测定了共生甲虫Platypus quercivorus的飞行能力。
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摘要
摘要
共生甲虫， Platypus quercivorus （Murayama）是导致大规模死亡的一种真菌病原体的传播媒介 壳斗科 树木（日本橡树枯萎病）。因此，了解其传播能力有助于改进诱捕或砍伐树木的措施，从而更有效地防控该病害。在本研究中，我们利用新开发的飞行磨装置测定了该甲虫的飞行速度和飞行持续时间，并估算了其飞行距离。该飞行磨装置成本低、体积小，由常见材料制成。飞行磨的臂杆和垂直轴均采用细针构成。将甲虫标本用瞬干胶粘附于臂杆一端；另一端因包裹塑料而较粗，便于检测臂杆的旋转。臂杆的旋转由安装在红外发光二极管（LED）上的光电传感器检测，当臂杆经过LED上方时，输出电压发生变化，从而记录旋转信号。光电传感器连接至个人计算机，以1 kHz的采样频率存储输出电压数据。通过使用该飞行磨装置开展实验，我们发现 P. quercivorus 可飞行至少27公里。由于我们的飞行转盘由廉价且小型的普通物品组成，因此可在小型实验室空间内同时准备并使用多个飞行转盘，使实验人员能够在短时间内获得足够数量的数据。
引言
动物为了寻找食物和配偶会进行长距离迁徙。迁徙的动物有时可能会携带不受欢迎的同伴。Platypus quercivorus（Murayama）雌性共生甲虫是真菌病原体Raffaelea quercivora Kubono et Shin-Ito的已知传播媒介。该病原体会导致壳斗科（Fagaceae）树木大规模死亡（日本橡树枯萎病），并造成极高的死亡率1。自1980年以来，这种疾病已逐渐蔓延至日本各地，成为一个严重的问题2。
P. quercivorus 是一种小型昆虫（体长 4-5 mm，体重 4-6 mg），该病害每年不断扩散，表明它们能够飞行数公里3,4。雄性 P. quercivorus 会寻找寄主树木，并释放聚集信息素，吸引雄性和雌性个体5。随后，同种个体对寄主树进行大规模侵袭，最终导致树木死亡。雄虫着陆后在树体内钻蛀隧道，被信息素吸引的雌虫进入隧道并产卵。P. quercivorus 的卵孵化后在隧道内生长发育，直至羽化为成虫。成虫羽化后飞出并扩散，以寻找新的寄主。因此，该病害的扩散可能与这种甲虫的迁飞能力有关。然而，该甲虫具体能够飞行多远仍不明确。此外，雌虫体型大于雄虫6（雌虫：4.6 mm，雄虫：4.5 mm），且由雄虫负责寻找目标树木，进入树体内的隧道后，再吸引雌虫前来。考虑到两性在体型以及飞行在其生命周期中所起作用方面存在差异，其飞行能力可能存在性别差异，但这种能力差异的具体情况尚不清楚。
通常，由于迁徙区域范围广泛，实地测量生物的迁徙能力（尤其是飞行能力）极为困难。60 多年来，研究人员已在实验室条件下采用 tethered（束缚）方法（例如飞行磨系统）来测量迁徙能力7,8,9,10,11,12,13。飞行磨系统已证实某些昆虫具备长距离飞行的能力。例如，山地松甲虫在飞行磨系统中的最长飞行距离超过 24 km14，而花绒寄甲（Tetrastichus planipennisi Yang）的最长飞行距离可达 7 km 以上15。尽管飞行磨是一种常用的工具，但使用活体动物进行生物学测定往往导致个体间差异显著。为克服这一问题，需要进行大量重复测量，以获得可靠的平均扩散能力估计值。因此，应同时使用多个个体，以便快速收集足够数量的数据。然而，同时开展多个实验需要更大的空间、多套实验装置，且相较于单一测量系统成本更高。因此，飞行磨系统必须成本低廉，能够利用常见材料简便搭建，并具有紧凑的结构。此外，实验操作流程应尽可能简单，无需依赖技术熟练的操作人员。
在本研究中，我们组装了一种小型、低成本的飞行磨（图1 和 图2），可方便地用于实验，并测量了共生甲虫 P. quercivorus 的飞行能力。
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方案
1. 飞行转盘的构建
- 飞行磨装置的构建
- 使用镊子剪断针头的塑料部分（金属部分：长度 40 mm，直径 0.25 mm；塑料部分：长度 22 mm，直径 2 mm）（图3）。
- 使用环氧树脂胶将该针与一根未处理的针固定成十字形（图3），分别称为飞行磨臂和轴针。
注：轴针的未处理端应朝下。飞行磨臂裸露的一端用于粘接甲虫（图1B 和 图3）。
- 底座的构建
- 用钉子在一块薄不锈钢板（5 cm × 5 cm）表面敲出一个小凹坑，以防止轴针水平滑动（图4）。
注：金属板的实际尺寸并不关键，也可使用其他材料，但应避免使用任何软质材料；否则针会卡住，导致磨盘无法旋转。 - 使用胶带将金属板固定在木板（木质底座）上。
- 将一块钢板弯折成双L形（图1C 和 图2A）。
注：使用用于固定墙上家具的L形金属板较为方便。支持使用此类金属板的另一个便利之处在于其本身已带有多个孔。这些孔可用于螺丝固定，也可用于固定揿钮（图1A 和 图4）。 - 通过切下一次性塑料移液器的尖端部分制成一个圆筒（高度 = 1 cm，外径 (o.d.) = 4 mm，内径 (i.d.) = 2 mm），用于引导轴针（图2A 和 图4）。
- 将双L形金属板和圆筒放置并固定在金属板上（图2A 和 图4）。
- 用钉子在一块薄不锈钢板（5 cm × 5 cm）表面敲出一个小凹坑，以防止轴针水平滑动（图4）。
- 传感装置的构建
- 将一块金属板弯折成L形，制成顶板。
注：使用用于固定墙上家具的L形金属板较为方便（图5B-C）。若已有此类金属板，则可跳过此步骤。 - 在顶板上安装一个小金属帽（长度 5 mm，直径 1 mm）（图2D-E、图4 和 图5A）。
注：此处使用的金属帽为揿钮。它穿过L形金属板上的孔（图4）。 - 将光电传感器固定在L形金属板上（图4 和 图5A）。为节省空间，将传感器的电路基板用螺丝固定在L形金属板上（图2D-E 和 图4）。
- 将一个红外LED（150 mW）与LED的电路基板一起粘附在一个小磁铁上（图1A 和 图2A）。
- 将LED（150 mW）放置在底板上，位于光电传感器下方（图1A 和 图2A）。
- 将一块金属板弯折成L形，制成顶板。
- 支架的构建
- 将一块金属板弯折成L形。
注：使用用于固定墙上家具的L形金属板较为方便（图5B-C）。若已有此类金属板，则可跳过此步骤。 - 用螺丝将金属板固定在木板（木质墙）上（图1C、图4 和 图5B）。木板的高度无严格要求，本研究中为 7 cm。
- 将一块金属板弯折成L形。
- 连接电缆
- 通过普通电线将光电传感器连接至模数转换器的模拟输入通道（AIN）。
注：若将所有电缆捆扎并固定在L形金属板上会更为方便（图5B-D），因为杂乱的工作区域常常会影响实验过程中的精细操作。 - 通过USB线将模数转换器连接至个人计算机（PC）。
- 通过普通电线将光电传感器连接至模数转换器的模拟输入通道（AIN）。
2. 实验步骤
- 收集 全部 新羽化的 P. quercivorus 来自一具尸体的成年人 Quercus crispula 布鲁姆（Blume）壳斗目：壳斗科在实验当天早晨（7-9 点）采样。
注意：不要使用前一天采集的甲虫。每天有超过100只甲虫羽化，需每日检查新羽化的个体。参见参考文献16 有关甲虫采集的详细方法。 - 将甲虫置于冰上进行麻醉。注意避免甲虫沾水，否则后续操作将难以完成。所有后续步骤均需在冰上进行。
- 使用研磨臂将少量瞬间胶（胶状胶水）的一种组分涂抹在甲虫的前胸背板上，并保持研磨臂与前胸背板接触。
注意：若单独使用该胶水，其凝胶状黏合剂将缓慢干燥。然而，当两种组分混合时，该胶水可迅速发挥作用。材料表）。另一组分（液体胶）将在下一步中使用。 - 使用细针或细棒加入少量胶水的另一种组分（液体胶）。确保翅膀上没有沾染胶水（图1B）。液态胶水用于促进凝胶状胶水的硬化。
- 将十字形针调整至飞行磨装置中图6) 通过使用磁铁将L形板（上板）固定在另一块L形板上。调节针头上方L形板的高度时，只需滑动上板即可。将轴向针的上端插入上板按扣的孔中（图 5A），并将另一端插入底板上的导引孔中（图6).
- 调节传感器下方红外LED的位置。
3. 获取并分析数据
- 通过使用采样速率为每秒1,000个点的商业软件，经由A/D转换器将光电传感器放大后的输出信号记录并存储到计算机中（图7A）（用于A/D转换器和软件， 材料表).
- 启动软件 DAQFactoryExpress。
- 点击交叉（+）标记 记录 图标位于 工作区 窗口。
- 右键单击日志集名称，然后选择 开始记录设置.
注意：软件将继续记录并保存数据。 - 停止记录时，右键点击日志集名称并选择 结束记录设置 保存为 .csv 文件。
- 使用适当的软件，通过检测记录电压超过阈值（0.5 V）的时间点，提取飞行磨臂通过红外LED上方的时刻。
注意：由于某些软件（例如，MS Excel）可读取生成的.csv文件，可根据研究目的使用熟悉的软件。如有需要，可从Github下载定制程序：https://github.com/HidetoshiIkeno/FlightMill。有关程序的更多详细信息及使用说明，请参见随主程序附带的README文件。
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结果
在这些实验中，约有50%的甲虫在飞行磨装置上表现出一次或多次旋转。当塑料部件经过传感器与LED之间的虚拟线时，记录到的电压从约0 V上升至约6.5 V，通过持续时间在10–20 ms之间，具体取决于飞行速度。因此，一次尖峰状电压变化对应于一次旋转图7B。我们将飞行定义为飞行转臂发生旋转时， 即，电压超过阈值（0.5 V），无论单次飞行中的转数、转速或持续时间如何。我们将飞行时间定义为记录电压超过阈值的时间点。因此，每次塑料部件通过时仅提取一个时间点。结果，应用于飞行磨具的50%的甲虫“飞行”了。一些甲虫在飞行前倾向于反复开合翅膀，但在大多数情况下，甲虫在无任何预兆的情况下直接开始飞行。通常，甲虫持续飞行一段时间（部分飞行），然后经过一段间隔后再次飞行图7C- D）。无法预测甲虫是否会重新开始飞行。因此，当间隔超过60 min时，我们认定该次测量结束。
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讨论
我们开发了一种低成本、易于搭建且结构紧凑的飞行磨，适用于小型昆虫 P. quercivorus （体长约4-5毫米，体重4-6毫克）。我们的飞行仪仅由普通物品组成，如针、红外发光二极管（IR LED）、光传感器和瞬间胶水。 等等。，且无需任何复杂的、昂贵的或稀有的物品，例如计算机控制的电子设备。这使得所需物品易于快速获取，并降低了实验成本。实际上，每个飞行磨的成本仅为1,000日元（约合10美元、8欧元或7英镑）（不包括飞行磨以外的通用物品，如计算机、A/D转换器、软件及软件许可证） 等等。此外，所展示的飞行滚轮结构紧凑，因此可同时准备并使用多个飞行滚轮16 无需占用较大的实验空间（图5D这些是该方法相较于其他飞行磨方法的主要优势。
对于这种小型甲虫而言，其推进力非常微弱。因此，摩擦阻力必须尽可能小，正如先前研究中所提到的15,
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
感谢福山先生、奥田先生和石野先生在实验中提供的帮助。本研究得到了日本促进科学基金（Japan Society for Promotion of Science）科研资助项目（编号：15K14755）的支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 针 | Seirin | J型，编号5 × 40 mm | |
| 环氧树脂胶粘剂 | Konishi | #16113 | |
| 金属板 | 来自家居装修商店 | ||
| 一次性塑料移液管 | 来自家居装修商店 | ||
| 按扣 | 来自手工用品商店 | ||
| 红外传感器 | 滨松光子学 | S7136 | |
| 红外LED | OptoSupply | OSIR5113A | 150 mW |
| 定制程序 | 可从Github下载。 URL: https://github.com/HidetoshiIkeno/FlightMill | ||
| 快干胶 | Toagosei | 31204 | |
| A/D转换器 | LabJack公司 | U3-HV | |
| 数据采集软件 | AzeoTech | DAQFactoryExpress | 从AzeoTech网站下载。 |
参考文献
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