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Track3D:從三維角度研究害蟲行為軌跡

來源:諾達(dá)思(北京)信息技術(shù)有限責(zé)任公司   2025年07月04日 14:06  

Spodoptera frugiperda,又稱草地貪夜蛾,被聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)列為一種主要的農(nóng)業(yè)害蟲。2019年入侵中國后,Spodoptera frugiperda主要集中危害玉米,對(duì)作物安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅和挑戰(zhàn)。在本研究中,使用諾達(dá)思的三維運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤系統(tǒng)(Track3D)記錄并描述了成年Spodoptera frugiperda不受干擾的自然行為。研究者旨在通過分析雄性和雌性的運(yùn)動(dòng)軌跡來了解求偶行為的內(nèi)在模式,這將對(duì)促進(jìn)Spodoptera frugiperda的生物防治非常重要。

 

材料與方法

對(duì)于所有實(shí)驗(yàn),使用Track 3D自動(dòng)追蹤其中的動(dòng)物(如下圖1所示),從晚上19:00到第二天早上07:00進(jìn)行連續(xù)記錄。

圖1 Track3D系統(tǒng)工作流程

本實(shí)驗(yàn)中使用的寄主植物是玉米。實(shí)驗(yàn)中使用了兩種不同生殖狀態(tài)的成蟲:健康的新羽化未交配Spodoptera frugiperda成蟲和健康已交配Spodoptera frugiperda成蟲。在實(shí)驗(yàn)開始前,將成蟲和玉米置于Track 3D裝置的觀察箱(長160厘米,寬60 × 60厘米)中,通過觀察箱的右側(cè)門放入。所有實(shí)驗(yàn)重復(fù)四次。

 

對(duì)未交配成年雌性Spodoptera frugiperda的行為觀察。該實(shí)驗(yàn)分為三組:第一組,將兩只成年個(gè)體(一雌一雄)放置于Track 3D的觀察箱中;成年雌性個(gè)體可以在觀察箱內(nèi)自由移動(dòng),而成年雄性個(gè)體則被固定在一個(gè)圓形透明盒子內(nèi)。連續(xù)三個(gè)晚上的記錄被認(rèn)為是一個(gè)重復(fù)。在第二組中,將兩只成年個(gè)體(一雌一雄)放置于Track 3D的觀察箱中,一只成年雄性個(gè)體可以在觀察箱內(nèi)自由移動(dòng),而成年雌性個(gè)體則被固定在一個(gè)圓形透明盒子內(nèi)。連續(xù)三個(gè)晚上的記錄被認(rèn)為是一個(gè)重復(fù)。在第三組中,將兩只成年個(gè)體(一雌一雄)放置于Track3D的觀察箱中。成年雄性和雌性個(gè)體都可以在箱內(nèi)自由移動(dòng)。一個(gè)晚上的記錄被認(rèn)為是一個(gè)重復(fù)。

 

對(duì)交配后成年雄性和雌性Spodoptera frugiperda的行為觀察。將成年雄性和雌性Spodoptera frugiperda置于Track3D的觀察箱中,對(duì)交配后一天、兩天的成年雄性和雌性Spodoptera frugiperda的行為進(jìn)行觀察,一個(gè)晚上的記錄被認(rèn)為是一個(gè)重復(fù)。

 

另外,將五對(duì)未交配的雌雄Spodoptera frugiperda置于Track3D的觀察箱內(nèi)同樣對(duì)其行為進(jìn)行觀察。

 

結(jié)果

3.1. 雄性和雌性成蟲的活動(dòng)軌跡

結(jié)果表明,成年雄性和雌性蛾子的活動(dòng)軌跡主要由鋸齒形模式、圓形運(yùn)動(dòng)、拋物線軌跡和線性路徑組成(圖2)。

圖2 成年雄性和雌性的活動(dòng)軌跡。(A) 雄性的返回曲線飛行軌跡;(B) 雌性的小弧線飛行軌跡;(C) 成年雄性的大弧線飛行軌跡;(D) 雌性圍繞玉米的圓形飛行軌跡;(E) 雄性和雌性的復(fù)雜追逐軌跡;(F) 雌性的直線飛行軌跡
 

3.2. 單只成年雌性和雄性自由活動(dòng)行為模式

在第一天,雄性和雌性的活動(dòng)在單一模式下都相對(duì)不頻繁。然而,在第二天活動(dòng)頻率和模式都有所增加。兩性都表現(xiàn)出拍打翅膀的行為,快速的翅膀振動(dòng)可能有助于釋放揮發(fā)物或產(chǎn)生聽覺線索,這可能被用來吸引環(huán)境中的異性,是雄性求偶的重要視覺組成部分。雄性和雌性成年個(gè)體之間行為活動(dòng)顯著的差異在第二天觀察到的,雌性成年個(gè)體主要發(fā)生碰撞行為,而雄性則專注于飛行。

 

第一天成年雌性Spodoptera frugiperda僅表現(xiàn)出三種活動(dòng)模式,記錄到九次活動(dòng)。這些活動(dòng)的總持續(xù)時(shí)間為30秒(圖3)。第二天,成年雌性Spodoptera frugiperda表現(xiàn)出六種不同的活動(dòng)模式,總活動(dòng)頻率為38次。行為包括與觀察箱玻璃碰撞17次和飛行15次。拍打翅膀和移動(dòng)都發(fā)生了兩次(圖3)。第三天,成年雌性Spodoptera frugiperda更加活躍,共記錄到41次活動(dòng)。主要的行為是飛行和拍打翅膀,分別發(fā)生了15次和13次(圖3)。

成年雄性在第一天表現(xiàn)出相對(duì)較少的活動(dòng),有12次移動(dòng),總時(shí)長為0.23小時(shí)(圖4)。在第二天,成年雄性Spodoptera frugiperda共表現(xiàn)出42次活動(dòng),總活動(dòng)時(shí)長為0.32小時(shí),行為特征主要為飛行和爬行(圖4)。第三天,成年Spodoptera frugiperda的活動(dòng)非常頻繁,共記錄到47次活動(dòng)。行為特征主要為飛行、爬行和移動(dòng)(圖4)。

圖3 單只成年雌性從第一天到第三天的活動(dòng)特征
圖4 單只成年雄性從第一天到第三天的活動(dòng)特

3.3. 一對(duì)成年雄性和雌性在求偶期間的行為模式

在觀察箱內(nèi)自由活動(dòng)的一對(duì)成年雄性和雌性在三個(gè)不同的生殖狀態(tài)(未交配、交配后一天和交配后兩天)的總活動(dòng)頻率上表現(xiàn)出差異。在未交配時(shí),成年雌性共有50次活動(dòng)(43.48%),成年雄性共有65次活動(dòng)(56.52%),兩者之間存在顯著差異。交配后一天,成年雌性共有102次活動(dòng)(45.95%),成年雄性共有120次活動(dòng)(54.05%),同樣存在顯著差異。交配后兩天,成年雌性共有6次活動(dòng)(46.15%),成年雄性共有7次活動(dòng)(53.85%),兩者之間沒有顯著差異(圖5)。

圖5 處于不同生殖階段的雌雄Spodoptera frugiperda成蟲的總活動(dòng)時(shí)間

一旦Spodoptera frugiperda進(jìn)入成蟲階段,所有生命活動(dòng)都圍繞繁殖后代進(jìn)行,并且雌性和雄性成蟲可能會(huì)多次交配。在本研究中,所有三個(gè)生殖狀態(tài)下都觀察到了交配行為。在最初的求偶過程中,雄性會(huì)用身體接觸雌性。雌性最直接的拒絕方式是迅速飛走,整個(gè)過程非???,僅持續(xù)8秒。第二次求偶事件相對(duì)較長,總時(shí)長為13分45秒,其中包括4分3秒的活動(dòng)時(shí)間和17次活動(dòng)發(fā)生。在求偶期間,雄性和雌性之間的接觸可能會(huì)重復(fù)多次。雄性接觸雌性后,她可能會(huì)向后移動(dòng),有時(shí)會(huì)振動(dòng)翅膀。第三次求偶事件總共持續(xù)13分20秒,活動(dòng)持續(xù)時(shí)間為6分9秒,發(fā)生5次活動(dòng),休息持續(xù)時(shí)間為6分49秒,發(fā)生4次休息。

3.4. 成年雄性和雌性的活動(dòng)節(jié)律

本研究結(jié)果也表明,Spodoptera frugiperda成蟲的活動(dòng)高峰時(shí)間主要集中在晚上11:00、凌晨3:00和凌晨5:00。這表明在正確的時(shí)間做出正確的決定對(duì)于生存至關(guān)重要,尤其是在復(fù)雜和動(dòng)態(tài)的環(huán)境中尋找食物、配偶或繁殖地,或逃避捕食者時(shí)(圖6)。

圖6 成年Spodoptera frugiperda活動(dòng)頻率的夜間變化
 

總結(jié)

研究結(jié)果表明,成年Spodoptera frugiperda飛行和拍翅是最常見的活動(dòng),觀察到的飛行模式包括拋物線、圓形和鋸齒形軌跡。成年Spodoptera frugiperda的活動(dòng)高峰期主要集中在晚上11:00、凌晨3:00和凌晨5:00,這些研究結(jié)果為后期精確誘捕和控制Spodoptera frugiperda提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

 

傳統(tǒng)的昆蟲行為學(xué)研究主要依賴于直接觀察和手動(dòng)記錄,這容易受到人為干擾,并且昆蟲在記錄過程中并不處于最自然的狀態(tài)。通過技術(shù)的進(jìn)步能夠更高效、便捷地處理和分析動(dòng)物行為,極大地推動(dòng)了昆蟲行為學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。諾達(dá)思的Track3D使用視頻捕獲來記錄昆蟲的行為,相對(duì)于其他設(shè)備的優(yōu)勢在于能夠準(zhǔn)確地跟蹤和定位昆蟲的空間位置,并自動(dòng)合成3D空間軌跡。

 

參考文獻(xiàn)

Liu, Jie, et al. “Courtship behavior of adult Spodoptera frugiperda (Lepidoptera: Noctuidae) observed using track 3D trajectory tracking.” Insects 15.10 (2024): 824.

 

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