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方法論記事

においの風洞媒介昆虫行動アッセイ

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DOI：

10.3791/58385

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2018年11月30日

 ,  ,  , 
1Division of Biotechnology and Plant Health, Norwegian Institute of Bioeconomy Research (Nibio), 2Integrated Plant Protection Unit, Department of Plant Protection Biology, Swedish University of Agricultural Science, 3Department of Pest Control, Norwegian Institute of Public Health

この記事について

サマリー

臭気媒介昆虫の行動のアッセイのためここでは、建設と風洞の使用を述べる。風洞の設計により視覚刺激といくつかの方法、臭いの源のリリース。風洞実験は、行動的にアクティブな揮発性化学物質を識別するために重要なメソッドです。

要約

嗅覚は、最も重要な感覚のメカニズム、多くの昆虫が彼らの環境と対話するための風洞は昆虫化学生態学を研究するための優れたツールです。昆虫は、感覚の相互作用と高度な動作を三次元環境で点源を見つけることができます。この行動の定量化は、ペスト コントロール、意思決定支援のための新しいツールの開発に重要な要素です。機内のフィードバックのため層流空気流でご希望のフライト セクションと風洞ビジュアル キューや様々 な悪臭のアプリケーションのオプションを使用して、魅力的な識別可能性がありますその後複雑な行動を測定できますか、撥の悪臭、昆虫の飛行特性、visual 臭相互作用および誘引物質と環境で背景匂いとして残留臭気の相互作用。風洞は、臭気を研究する利点を介した研究室で昆虫行動のレパートリーを保持します。制御された設定で行動措置は、昆虫生理学とフィールド アプリケーション間のリンクを提供します。風洞実験では、柔軟なツールをする必要があり、簡単にセットアップおよびさまざまな研究の質問に合わせてハードウェアへの変更をサポートする必要があります。ここで説明する風洞セットアップの主な欠点は、フィールド アプリケーションの合成の揮発性のブレンドを開発するときに特別な注意を要するきれいな臭い背景です。

概要

風洞は昆虫情報化学物質に対する検査ができる昆虫化学生態学の研究で重要なツールです。制御された風の流れに臭気を解放することによって、ソースに向かって彼らの風上の飛行を研究することによってこれら刺激に対する昆虫の行動反応を直接監視できます。嗅覚は、多くの昆虫は、その生物環境1と対話する最も重要な感覚のメカニズムです。昆虫では、交尾の適したパートナーを見つける臭気手がかりを使用します。同様に、ホストのリソースから臭気花束を使用して、自分自身、または子孫のための食糧を見つけます。植物は、昆虫受粉効率を確保するための花の蜜と花粉の報酬との組み合わせで花のにおいをリリースします。これらのすべての揮発性の手がかりは環境に受動的拡散し、昆虫を識別し、個々 の関連性を解釈する必要があります。揮発性物質が環境にリリースされると、分子は、フィラメント、最終的に分割し、乱流と拡散の2によって希釈される前に長い距離風下、初期濃度を保持として風と共に移動します。昆虫は、揮発性のわずかな変化は信号し、ソースに向かって風上、彼らの動きを直接検出できます。昆虫を表示、魅力的な匂いに接触すると高速風上サージと飛行行動と3,4をプルーム臭気を再配置する損失の時に横に鋳造。昆虫の触角の触角の嗅覚神経の共局在の配置することができます行動反応の発症と驚くべき高解像度5とプルームの接触の損失を容易にして類似を区別する昆虫を有効にします。匂い分子が異なるソース6発します。視 anemotaxis と呼ばれる、飛行しながら視覚的なフィードバックは、風の方向のオブジェクトおよび相対変位2,7の基本です。昆虫の感覚相互作用と高度な動作の使用は、三次元環境で、点光源が検索できます。

昆虫誘引物質と忌避剤の同定は、いくつかの重要な応用の側面を持つことができます。多くの害虫の性フェロモン (種内信号) を合成し、交尾行動8を混乱させる空気中に放出できます。フェロモンと刺激 (種間の信号) 捕獲に使用できます、誘致、害虫状態の直接的な情報を与えるためにトラップを監視で殺します。防虫剤は、このような蚊9は、風洞の生物検定で学ぶことができます。これらのメソッドは、農家の管理および意思決定サポート システム統合された害虫の重要な部分を再生します。

種の匂いを介した行動のレパートリーを監視可能風洞生物検定は、交換または殺虫剤の使用の影響を軽減する害虫駆除のための潜在的な新しいツールを識別するために強力な方法です。

風洞の設計の背後にある理論的な推論は徹底的に説明10です。ここでは、風トンネル工事、臭気アプリケーションおよび風洞実験生物検定のプロトコルを決定するいくつかの実験に使用されている飛行行動について述べる。独 (Ås は、ノルウェー) 風洞 (図 1) は、傷が付きにくいポリカーボネートから構成されます。飛行アリーナは 67 センチ、幅 88 cm、長さ 200 cm です。飛行アリーナの前に 30 cm 長い追加ポリカーボネート] セクションがあります。風洞のこの部分は、悪臭のアプリケーションのユーティリティ セクションとして機能します。ポリカーボネートと接触する揮発性物質を得る場合住宅フライト アリーナで彼ら後に再リリースされた可能性があり、セッション間を汚染します。したがってユーティリティ セクションの両端に穴があいた金属グリッドがあります。どちらのグリッドは空気の流れを制限し、風上側にわずかな重圧を作成します。風下側に増加流でこの結果します。風上のグリッド使った穴あき金属板から 8 mm の穴がトンネルの断面間に均等に分散して 54% の開放面積を提供します。風下のグリッド 3 mm の穴があり、51% の開放面積。これは削減、乱気流、臭気によりフライト アリーナの長さを集中的に旅行を噴煙します。臭羽毛狭い円錐形の形をしているが、煙の使用によって視覚化することができます。フライトの階にアリーナ、プラスチックまたは紙の円 (直径 15 cm 5) から様々 なサイズの飛行中に昆虫の視覚的なフィードバックを与えるに配置されます。飛行アリーナとユーティリティ] セクションで風上側 25 で 50 cm のアクセス ドアがあります。飛行アリーナの風下の端と排気フィルター セクションの間昆虫処理のため 60 cm オープン エリアがあります。このアクセス エリアは、虫部屋に脱出を防ぐために 0.8 mm のメッシュ生地の両側に覆われています。

空気は、ファンによって最初のフィルターのハウジングに描画されます。24 高容量アクティブ カーボン フィルターにより精製がトンネルのリリース前に、空気はほこりフィルターを通過します。トンネルを終了する空気は、部屋に戻って解放される前に似たようなフィルター住宅を通じて渡されます。ヒューム フードを通して建物の外に排気する有益なことがあります。両方のフィルターのハウジングのファンは、同じフローで実行されます。両方のファンは連続調光スイッチと流量計を使用して異なる風速に調整されています。空気速度は試験動物種に依存です。30 cm s-1は多くの場合、良い出発点です。小さな昆虫、理想的な空気速度が低下する可能性があります、および強力なチラシ、対気速度高めに相対的な飛行距離を高めたりすることができます。

風洞実験室の温度、湿度および光強度制御は容易します。LED ストリップは、上記の拡散光源を作成する 3 mm 不透明 poly(methyl methacrylate) ウィンドウの背後にあるとフライト アリーナの後ろに配置されます。両方の光源は個別に制御できます。

臭気のアプリケーションは、いくつかの手段によって実現できます。一般的に、においは、フライト アリーナの風上エンドの中心に空気の流れに解放されます。手で、研究・質問に応じてリリース ポイントを公開または覆われてできます。金属メッシュとガラス シリンダー (直径 10 cm、長さ 12.5 cm) (2 × 2 mm のメッシュ サイズ) 風下側に視覚的に臭気発生源をブロックでき、同時に昆虫の着陸のプラットフォームとして機能します。多くの実験で、臭気源やリリース ポイントの近くに視覚的な信号を提示するため水平ガラス プラットフォームを使用できます。また、同時に、サイド ・ バイ ・ サイドにあり、選択の試金を容易にする 2 つのにおいをリリースする機会です。リリース ポイントは、20 cm 間隔で設置し、トンネルの途中から臭気の羽毛を重ねます。選択は、どの気流による昆虫は風上次識別できます。

風洞の設計は多数の揮発性のリリース方法を促進します。たとえば、特定の匂いは、作物植物11,12によって放出されるようにバック グラウンド臭の前に解放できます。また、異なる視覚刺激はテスト13,14をすることができます。実験のセットアップは各種と研究の質問に適応する必要があります。

植物の部分などのディスペンサーから合成の香り、自然のにおいのソースは、フライト アリーナに直接導入できます。ビジュアルから臭気を介した動作を分離するための臭いの元を覆うことができる、または外側からの木炭フィルター研究室空気供給を介して飛行アリーナに揮発性物質を運んだ。臭気発生源はガラス瓶に閉じ込められたと空気がテフロン管・ ガラス管を介して風洞に瓶を押し込まれています。リリース時点で対気速度は、アリーナで風速を一致させてください。

特定のブレンド比率で臭気を解放するには、噴霧器を使用できます。噴霧器は、円錐形の先端と 10 μ L 分-1で液体の流れを容易にするために挿入されたメガボアカラム超音波ノズルです。ノズルは広帯域超音波ジェネレーター 120 kHz で動作しています。シリンジ ポンプは、スプレー ノズルに臭気サンプルを進めています。フッ素化エチレン プロピレン (FEP) チューブ内径 0.12 mm は、1 mL の気密性の注射器とノズルに接続されています。エタノールで膨張し、空気を圧縮するチューブ アダプターは、内部容積のないタイトなフィッティングを促進します。ノズルの振動から生成されたエアロゾルの粒径は、周波数に依存、使用特定の溶媒に依存します。小さい水滴は蒸発し、揮発性物質として風洞に倒されます。他の噴霧器のデザインも存在し、ガラスの毛細管を駆動ピエゾを利用した安価なバージョン同様ソリューション15を提供します。

合成ミックスやヘッド スペース コレクションは、噴霧器で使用できます。サンプルは、必要な濃度に純粋なエタノールで希釈しました。揮発性のコレクションとコレクションの時刻に対応するサンプルを希釈ことができます。これは、リリース 3 h に相当する 10 μ L 分-1で噴霧器から 1800 μ L に 3 h 以上をサンプリング揮発性コレクションを薄めるべきことを意味します。

手動観測による直接または事後のビデオ解析による飛行行動の同定を行うことができます。指向のフライトは、ランダム フライトと区別すべき。介した臭気の動作は、次の特性によって認識できる: においの間でジグザグ飛行噴煙、内部では、プルームまっすぐ風上のフライトと噴煙との接触が失われた場合に戻るループします。魅力的なプルームが失われる、昆虫も増加する失われたプルーム3,4への再接続をアーチとジグザグを開始できます。この動作は、次の魅力的な臭い虫が乱流と風の方向をシフトに対処する必要があるフィールドの設定の基礎です。フライト パターンが均一でないと、昆虫の間で異なります。例として、ハエなど強力なチラシがある蛾より広い鋳造パターンを持つ高速の風上方向と長く相対的な飛行経路を容易にする風速を増やす必要があります。

昆虫の飛行を撮影もすることができます。単一のカメラと x y 座標16をプロットすることによって単純な飛行特性を記述できます。同期フレーム キャプチャで 2 台のカメラを使用して、外部ソフトウェア17を使用して 3 D フライトを再建することができます。飛行速度と距離、風の方向に対して飛行角度臭羽毛と飛行特性の詳細についての情報を提供する飛行経路を分析できます。カスタム及び商業用設備、自動フレーム単位で追跡を有効にすると利用可能なソフトウェアの両方があります。校正フレームを使用すると、現実の空間を参照する必要があり、広角のレンズに直線的なレンズの歪みを最小限に抑えるために使用します。エッジや風洞アリーナでコーナーなどの視覚的バック グラウンド ノイズを低減して背景の差別に昆虫を最大化するには、注意が必要です。赤外の光源、反射を使用して (e.g。、夜行性蚊から) モノクロ CCD カメラ17で撮影することができます。

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プロトコル

1. ガラス管の準備

  1. ガラス管を準備 (e.g。、直径 2.8 cm、長さ 13 cm) プラスチック製のスナップ キャップの一方の端を閉じます。
  2. 頂いたガラス管に 10 の昆虫を分けるし、ゴムバンドを用いたガーゼで残りの端をカバーします。温度、光の条件と少なくとも 2 h 風洞実験室の湿度に適応する昆虫を許可します。
    注: 各管内の昆虫の数は種と研究の質問に依存します。

2. 臭気ソースの準備

  1. 噴霧器のプロトコル。
    1. 希薄化後のヘッド スペース コレクションまたは合成臭いのミックスで 1 mL 気密性注射器を入力します。
      注: 希釈ヘッド スペースまたは合成臭いのミックスの内容は昆虫種と研究の質問に依存します。一般に、使用濃度は、本格的な臭気発生源の自然解放率に当たらなければなりません。
    2. シリンジの先端にチューブ アダプターを使用して FEP 管接続、シリンジをシリンジ ポンプに挿入します。
    3. ・ シリンジ ポンプを起動します。
    4. 広帯域超音波発生器を起動します。
      注: 噴霧器からエアロゾルのリリースは、リリース ポイントの下から松明を指摘することによって確認できます。
    5. 管およびノズルの内部をきれいにする治療の間を最低 10 分 96% エタノール スプレーを実行します。すべての使用純粋なエタノール専用個別注射器洗浄。
    6. 使用後の注射器と 96% のエタノールとノズルの先端をきれい。
  2. 本格的な臭気ソースのプロトコル。
    1. 風洞や 2 L ヘッド スペース コレクション jar は、本格的な臭いの源を挿入します。
    2. 研究室の空気の流れにヘッド スペース コレクション jar を接続し、風洞にリリースします。
      注: 収集植物材料として可能な限り実験の開始に近いし、切り口を水で小さな瓶に挿入すると、萎れを防ぐため。量と植物材料の種類やその他の本格的な臭いの元は、昆虫種と研究の質問に依存します。
  3. 位置ホルダー 180 cm に insect(s) とガラス管風下臭気/ビジュアル ソースから 30 cm 地面から。キャップの端は風上ポイントする必要があります。

3. プロトコルの開始

  1. 2 台のカメラを使用して、2 つの異なるビューをキャプチャします。飛行アリーナ上カメラをマウントし、角度の異なる 2 つのビューをキャプチャします。
  2. キャップを開けます。
  3. タイマーを開始します。
    注意: 別の種が必要に対応、例えば別のタイム フレーム、4 〜 5 分11日以内にアップル フルーツ蛾 (Argyresthia conjugella) が grapewine 蛾 (Lobesia botrana) 対応するまで 20 分。18。
  4. フライト パターンを観察し、飛行特性と風上方向に特別な注意を払います。定義済みの行動分類、例えばに従って飛行性能のスコアします。 長い距離 (ソースからの < 5 cm) (最低 20 cm)、短距離指向指向のフライト フライトを引き継ぐ、着陸。
    注: 撮影と 2 台のカメラを使用して 3 D トラッキング飛行特性に関するより詳細な情報を提供する使用できます。一般に、カメラは飛行アリーナ上に取付けられる、角度の異なる 2 つのビューをキャプチャします。
  5. 臭羽毛外、風トンネルの壁に着陸昆虫を収集し、ホルダーに戻って交換します。
    注: 昆虫風上フライトによる悪臭物質に応答し、置き換えることはできません 1 つのチャンスを与えることができます。
  6. 治療間にハードウェア上のガラスをきれいにするを変更します。
    注: 頻繁にコントロール治療は可能な汚染源の特定実行する必要があります。
  7. 実験後の凍結によってまたは CO2と昆虫を安楽死させます。
    注: 研究の質問に応じて女性卵開発のため得点したり翼やアンテナの状態を確認する検査を視覚的に。

4. クリーニング

  1. エタノールと水ですべての金属とガラスのハードウェアを洗浄し、乾燥するまで残します。
  2. 300 ° C、6 h、汚染物質を除去する、すべての金属とガラスのハードウェアを熱します。

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結果

吻は一時的な幼虫成長基板19,20を表す動物の死骸から悪臭に強く応答します。自然のにおいのソースとして死んだマウスを使用して、我々 は生後 15 日の飛翔行動の詳細を調査、女性c. についての有無、においリリース ポイント13横に視覚刺激を交配します。自然な視覚を排除するために、上記ガラス瓶システムを使用されます。30 cm s-1吻表示以上 80% 離陸と指向の飛行挙動風トンネルの風下の端とトンネル (の風上の部分に制御され指向の動きと高度なそれらの 60% 以上の風速で図 2)。重要な指向の飛行挙動に及ぼす視覚的な手掛かりはありませんでした。ただし、吻 (離陸と方向づけられた飛行、着陸) 死体に卵を預ける機会を提供自然条件下での動作の完全な範囲を効率的に表示する視覚的添加は臭気をマークする必要します。ソース...

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ディスカッション

風洞は、多くの昆虫4,9の魅力的で撥の匂いを特定するために役立つツールです。生態学、生物学、昆虫研究の挙動に関する十分な知識、その飛行特性を簡単に識別できる、環境条件、風の速度は、視覚刺激と匂いアプリケーションことができますに合わせて調整します。可能な最も魅力的なソースを使用して風洞パラメーターを微調整するときに新しい種を始めてお勧め。刺激、これは通常ライブ ホスト植物材料または自然な食料源とフェロモン、ケージ、呼び出しの女性または男性 (昆虫研究) によって異なります。忌避剤を識別するためにまた対立9を測定する魅力的なソースの必要性があります。これらの初期の結果は、さらに実験のためのベースラインとしてもなります。

風洞寸法は、自由な動きと生来の飛行特性の表示のための部屋を与えるために考慮されなければなりません。強力なチラシと大きな昆虫、大きく飛行アリーナ必要があります。小さな昆虫のアリーナの部分は使用可能性があります...

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謝辞

M. Tasin は、持続可能な開発 (Formas、グラント 2013年-934) のスウェーデン研究評議会によって支えられました。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
フライトアリーナ任意のNAフィルターハウジングに適合するNAコンストラクト
フィルターハウジング×2Camfill Farrには、ほこりと木炭フィルターが含まれています
ファン×2フィッシュバッハモデルD640/E35連続調光スイッチ付きサイレントファン
穴あきグリッド任意のNA2つの異なるオープンエリアが必要です、例えば54および51%
流量計スウェマエアスウェマエア300風速の識別
超音波噴霧器SonoTek円錐形の先端とマイクロボアを挿入した噴霧器
広帯域超音波発生器SonoTek機能発生器
シリンジポンプCMAマイクロダイアリシスCMA 102リキッド
デリバリーFEPチューブCMAマイクロダイアリシス0.12mmインナー直径
チューブアダプターCMA マイクロダイアリシス内部容積ゼロ用コネクター
ガスタイトシリンジNA1000 & マイクロ;ヘッドスペースコレクションと合成ブレンド用のLシリンジ
ガスタイトシリンジ任意 NA1000 & マイクロ;L 噴霧器洗浄用シリンジ
トーチ任意のNA器の解除を確認するための小型光源
タイマー任意のNAタイマー アラーム機能付き 
昆虫の放出のためのホルダー任意のNA金属構造
照明任意のNALEDは、低熱生産のために好ましい
です 保湿剤NAサイズは風洞の部屋の容積に依存します
温度制御任意のNA温度範囲は種によって異なります
ガラス管任意のNAチューブ(直径2.8cm、長さ13cm) 昆虫
スナップキャップ任意のNAガラス管にフィットするスナップキャップ
ガーゼ任意のNAガラス管を閉じるための生地
ラバーバンド任意のNAガーゼを所定の位置に保持するには
ガラスシリンダー任意のNA臭気封じ込めおよび着陸プラットフォーム用のシリンダー(直径10cm、長さ12.5cm)
ガラス瓶任意のNAダイナミックなヘッドスペースコレクションのためのガラス瓶
コネクターとチューブ任意のNAチューブとコネクターはガラス瓶の種類によって異なります
空気供給任意のNA実験室の空気またはボトルから
チャコールフィルターNA外気をきれいにするために sypply
バイアル任意のNA植物材料を新鮮に保つための水入り小さなバイアル
オーブン任意のNA金属およびガラス製品を300度に加熱して除染します
ノズル 噴霧 任意の 任意の

参考文献

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