测量昆虫羽化模式需要精确性。现有的系统仅能实现半自动化,且样本量受限。我们通过设计一种使用微控制器的系统,精确测量大量羽化昆虫的羽化时间,解决了这些问题。
测量昆虫羽化模式需要精确性。现有的系统仅能实现半自动化,且样本量受限。我们通过设计一种使用微控制器的系统,精确测量大量羽化昆虫的羽化时间,解决了这些问题。
现有的昆虫羽化模式监测系统存在局限性:它们仅部分实现了自动化,且能够检测的羽化昆虫数量有限。为了精确测量昆虫羽化情况,相关系统需要实现半自动化,并具备测量大量羽化昆虫的能力。我们通过设计并构建一种可自动化运行、最多可监测1200只昆虫羽化的系统,解决了上述问题。我们利用Arduino微控制器对现有的"落球"系统进行了改进,实现了数据采集的自动化,并通过多个数据通道扩大了样本量。多个数据通道不仅使用户能够增加样本量,还可在单次实验中同时进行多种处理组的测试。此外,我们编写了R语言脚本,可自动将数据以气泡图形式可视化,并计算羽化的中位日期和时间。当前系统采用3D打印技术制造,用户可根据不同昆虫物种的需求对系统进行调整和修改。本实验方案的目标是利用这一精确且自动化的系统,研究时间生物学和应激生理学领域中的重要科学问题。
在实验条件下精确测量陆生昆虫羽化时间具有较高难度,需要一定程度的自动化。过去已设计出多种装置,其中一些采用"落球"原理,利用下落小球与传感器进行检测,另一些则采用"撞击盒"结构,使用漏斗型系统1,2,3。现有设计存在两个局限性:1)数据采集仅部分实现自动化;2)可检测的样本量或羽化昆虫数量受限。这些问题降低了数据采集的精确性,而精确性对于研究羽化和/或出蛰节律至关重要。为解决上述问题,我们设计了一套自动化且不受样本量限制的系统,使研究者能够更清晰地观察昆虫羽化节律对环境信号的响应。
我们的系统对落球原理进行了改进,此前最新版本采用红外传感器以六分钟为间隔检测昆虫羽化2。我们的系统仍然使用红外传感器,但 additionally 引入了 Arduino 微控制器,可将每次羽化事件的日期和时间精确记录到秒。数据会自动存储至安全数字(SD)卡中,可导出为逗号分隔文件用于分析。通过使用定制的 R 脚本实现分析自动化,该脚本可将数据绘制成气泡图,并确定羽化的中位时间与中位日期。
多个通道使用户在数据采集方面具有更高的灵活性。例如,我们的多通道设计不仅能够最大限度地减少"堵塞"传感器带来的影响,还可用于增加样本量。此外,多个通道允许用户将不同处理指定到特定通道,从而在实验中同时运行。使用全部六个通道,单次实验可记录约1200只羽化的蜜蜂。据我们所知,这是目前测量昆虫羽化系统中最大的样本量,使我们能够观察到蜜蜂羽化对环境线索响应的精细模式。最后,本系统的大部分部件采用3D打印制造,这一特点带来了显著优势。3D打印可制造出尺寸精确的组件,从而降低运行过程中发生错误(如探测器堵塞)的可能性,同时也便于针对其他研究系统进行定制化改造。
本实验方案的目的是定制构建一个精确且自动化的系统,用于测量昆虫羽化,以研究昼夜节律生物学和应激生理学中的相关问题。该系统在探究昆虫羽化模式对环境信号响应所涉及的未解问题方面,过去至关重要,未来也将持续发挥关键作用。本文详细描述了该系统在实验室实验条件下用于苜蓿切叶蜂(Megachile rotundata)羽化检测的组装与使用方法。该系统采用可编程微控制器实现自动化,并通过3D打印部件实现可定制化。打印的支架用于固定装有蜜蜂巢室的试管,管内放置金属弹丸。当昆虫羽化时,金属弹丸从支架中释放,穿过红外传感器,传感器将羽化的日期和时间记录到SD卡中。当前设计主要针对M. rotundata优化,但经过少量调整后,也可适用于其他昆虫物种。
1. 系统构建
2. 系统使用
3. 实验结束与数据分析
出现 M. rotundata 在没有环境信号刺激的情况下是异步的,羽化在整个白天均匀发生4。然而,当暴露于方波温度周期(square-wave thermoperiod)时4° C 热周期),出苗与热相保持同步4,5该结果与其他研究相似,这些研究发现昆虫会利用温度周期线索来调节羽化,包括蝇科昆虫 Sarcophaga crassipalpis6,葱蝇 Delia atiqua7 以及棉铃象鼻虫 Anthonomus grandis grandis8一项研究显示,发育期间的胁迫会影响成虫羽化的同步性 S. crassipaplpis9. 这里,我们展示来自 M. rotundata 在发育期间暴露于胁迫环境下的个体,用于检验该处理会导致成虫羽化不同步的假设。
运行成功
在打开培养箱之前,用户应观察LCD屏幕,以确认昆虫已不再羽化。实验完成后,取出SD卡,并将数据以逗号分隔文件的形式导出至RStudio,按前述方法以气泡图形式进行可视化。图8展示了蜜蜂在发育期间经历低温胁迫后,在4°C热周期下的羽化情况。红色十字线表示羽化时间与日期的中位数,文件名即为图表标题。应使用该R脚本对数据进行可视化,但不应将其作为唯一的分析方法。如需分析羽化对环境信号的响应,可对数据进行节律性分析(参见分析部分)。
并发症
当传感器被金属弹丸堵塞时,由于信号缺失会被反复记录,从而产生多个错误数据点。 图9 展示了同一数据集的呈现 图8,但由于其中一个六通道被钢珠堵塞,因此在图中形成了较大的气泡。若传感器发生堵塞,可轻松将该通道的数据从分析中移除。在实验中整合多个通道有助于最小化堵塞传感器带来的影响。
分析
通过计算标量统计量“参数 R”来分析数据中是否存在同步性,可判断羽化现象是节律性还是非节律性的10,11,12。具体方法是:先计算在8小时时间窗内羽化的成虫最大数量,再除以该时间窗外羽化的成虫数量,然后乘以100。应汇总所有羽化的个体,以统计每日每小时的羽化数量。参数 R 的理论取值范围为0(所有羽化均发生在时间窗内)到200(羽化在整个一天中均匀分布)10。R 值 < 60 被认为是节律性羽化,60 < R < 90 为弱节律性,R > 90 为非节律性。R 值 > 150 表示羽化呈均匀分布10。图8 显示羽化具有节律性,参数 R = 20.21 < 60。由于此类数据围绕一个重复的24小时周期分布,因此必须采用圆形统计方法进行更稳健的分析(详见 Bennett et al., 20185)。该方法可通过 RStudio 中可用的圆形统计软件包实现(Package 'circular' - CRAN.R-project.org)。

图1:增材制造组件。 使用PLA线材,通过3D打印制备系统所需的各个部件。每构建一个通道,所需部件包括1个收集歧管(绿色)、1个端盖(红色)、6个平台支撑(橙色)、4个试管架底板(紫色)和4个试管架面板(黄色)。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:试管架平台组装示意图。 每构建一个通道,需使用热熔胶组装两个试管架平台。每个平台使用三个支撑件(图中橙色部分)和一段波纹塑料板(图中灰色部分)。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:集流管X射线图。 将一个红外探测器插入集流管的一个插孔中(图中蓝色所示),将发射器插入第二个插孔中(图中红色所示)。将探测器导线穿过布线通道(图中黄色所示),并将四根导线全部从通孔中拉出(图中绿色高亮所示)。确保无裸露导线相互接触,并使用热熔胶将其固定。 请点击此处查看此图的放大版本。

图4:连接器接线。 在将RJ45插座安装到集流管之前,从插座底部观察的接线图,以及将LCD屏幕连接至中央处理器的接线表。 请点击此处查看此图的放大版本。

图 5:小球收集器组件。 使用一个端盖(图中红色部分)、一个收集器歧管(图中绿色部分)以及一块 24 × 30 cm 的波纹塑料板(图中浅灰色部分),组装成小球收集器组件的外壳。使用一块 8 × 27 cm 的波纹塑料板(图中深灰色部分)制作一个斜坡。 请点击此处查看本图的放大版本。

图6:中央处理器PCB板。 中央处理器的PCB板包含底层(以绿色表示)、顶层(以红色表示)和丝印层(以蓝色表示)。除RJ45接口(位于底部)和下拉电阻(位于RJ45焊盘正上方)的通孔外,其余所有通孔均需焊接母头排针。 请点击此处查看此图的放大版本。

图7:最终组装示意图。 使用时,应在每个弹珠收集器两侧安装管架平台。带有固定面板的管架应放置在管架平台的最边缘处,以减少弹珠弹跳脱离装置的可能性。组装后装置的占地面积约为 25 cm × 35 cm,高度为 20 cm。请点击此处查看此图的放大版本。

图8:在R中处理后的典型实验运行结果图。 请点击此处查看该图的放大版本。

图9:一项实验的结果图,第4天出现较大气泡,表明检测器发生堵塞。 堵塞的通道可从分析中剔除,从而保留其余数据点。 请点击此处查看该图的放大版本。
本文介绍了一种用于组装和使用昆虫羽化时间精确测量系统的方案。该系统解决了以往设计中存在的两个问题:部分自动化程度不足以及样本量受限。我们通过采用微控制器实现数据采集的自动化,解决了上述问题,同时也能够利用多通道设计增加样本量。当前的设计包含六个通道,总共可容纳1200只蜜蜂。根据需要,可增减通道数量,这不仅有助于进一步扩大样本量,还可同时研究多种处理因素的影响。下文将讨论该系统的关键步骤、改进措施、局限性以及未来应用前景。
该系统中唯一未实现自动化的部分是在实验开始时将育虫巢房、金属弹珠和软气枪弹丸装入支架。尽管支架设计为略微向后倾斜,以防止支架直立时金属弹珠掉落,但在放置支架时仍需小心,避免金属弹珠意外脱落。此外,应确保支架与架子边缘对齐,使金属弹珠下落轨迹与滑道保持一致。最后,需清除滑道上的落叶碎屑,并清理之前实验遗留的、用于承载金属弹珠的底座部分,以防传感器被堵塞。数据会以CSV文件格式自动记录到SD卡中,且Arduino程序编写为仅在检测到SD卡时才会运行。数据文件需手动导入RStudio,并使用前述R脚本进行可视化处理。该脚本将自动以气泡图形式绘制数据,并识别出羽化时间的中位数及对应的日期。Arduino程序被编写为将事件数据追加至文件末尾,从而在断电情况下防止数据丢失。然而,这也意味着一旦从SD卡中导出数据,在开始下一次实验前必须清除所有文件。
可以对 SketchUp 文件进行修改,以调整适用于不同体型昆虫的架子尺寸,并在修改后的架子中使用不同尺寸的试管。此外,软气枪弹丸的尺寸也很重要,因为它能防止昆虫离开试管,因此可能还需要不同尺寸的弹丸。还可以对 R 脚本进行多种修改,以改变气泡图的外观及其他图形参数。
我们通过编写去抖动代码来降低假阳性风险,该代码在检测到金属弹丸后会将相应通道禁用一秒,从而防止单个金属弹丸被计为多个数据点。尽管如此,若大量蜜蜂同时出巢,仍有可能遗漏部分数据点,但由于各通道相互独立,这一风险得以降低。当前系统的另一局限性在于无法区分单个数据点。 即, 一颗下落的金属BB弹无法追溯到特定个体。此外,当前系统可测量羽化出现情况,但无法测量羽化节律 M. rotundata但可用于羽化与出茧同义的物种来测量其羽化节律。最后,当前设计不具备防水防天气功能,限制了其在受控环境之外的使用。
未来的研究应用包括探究其他非生物和生物环境信号对M. rotundata成虫羽化时机的调控作用。此外,由于昆虫栖息于多种多样的环境,不同物种所依赖的关键环境信号也各不相同。因此,纳入更多昆虫物种对于研究昼夜节律系统在不同分类群中的演化过程具有重要意义。目前关于发育条件如何影响成虫羽化时间的知识仍十分有限,因此本系统可用于解析各种处理对羽化过程的影响。此外,多种环境信号的组合可能共同影响昆虫的生理响应,因此未来的实验应整合多种环境信号,以明确它们对羽化节律的相对作用。最后,将该系统应用于野外环境,观察自然条件下羽化节律的调控机制,也具有重要的研究价值。该系统操作简便,且独特地结合了增材制造、开源编程与可观察的生物学性状,具备在教育环境中推广应用的潜力。
作者无任何利益冲突需要披露。
我们感谢北达科他州法戈市的昆虫低温生物学与生态生理学研究组,他们对使用所述系统进行的实验提供了有益的反馈意见。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| PLA 打印机线材 | www.lulzbot.com | 多种 | 目录编号因颜色而异 |
| 0.5 mL 微型离心管 | www.daigger.com | EF4254C | |
| 4.5 mm 规格 "bb" 金属弹丸 | www.amazon.com | B00419C1IA | Daisy 4.5 mm 金属 bb 弹丸 |
| 6.0 mm 塑料 "软气枪" 弹丸 | www.amazon.com | B003QNELYE | Crosman 6 mm 软气枪弹丸 |
| 塑料波纹板 | www.lowes.com | 345710 | 波纹塑料板 |
| 红外发射/检测对管 | www.amazon.com | B00XPSIT3O | 直径 5 mm,波长 940 nm |
| 120 欧姆电阻 | www.amazon.com | B01MSZK8DV | 120 欧姆,1/4 瓦 |
| 22 号连接导线 | www.adafruit.com | 1311 | |
| RJ45 插口 | www.sparkfun.com | PRT-00643 | |
| 定制 PCB 板 | www.pcbexpress.com | n/a | 可使用补充数据中包含的文件进行打印 |
| Arduino Nano v 3.0 | www.roboshop.com | RB-Gra-01 | |
| SD 卡模块 | www.amazon.com | DFR0071 | DFRobot SD 卡模块 |
| 实时时钟模块 | www.adafruit.com | 264 | DS1307 实时时钟分线板 |
| 温湿度传感器 | www.tinyosshop.com | G4F4494F29ED05 | 安装在分线板上的 DHT11 温湿度传感器 |
| 470k 欧姆电阻 | www.amazon.com | B00EV2R39Y | |
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| 公头排针 | www.adafruit.com | 392 | 按所需长度截断 |
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| LCD 屏幕 | www.adafruit.com | 198 | |
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