Towards incorporating insect isotope analysis using cavity ring-down spectroscopy into area-wide insect pest management programs

Rebecca Hood-Nowotny, Leo Mayr, Nabil Saad, Rakesh K. Seth, Goggy Davidowitz, Gregory Simmons

Abstract


Measurement of natural stable isotope signatures of insects has proven to be a useful method in determining their natal origin, feeding strategies and mating behavior, and has spawned a new discipline of insect isotope forensics. However the complexity of measuring isotope signatures using elemental analysis-isotope ratio mass-spectrometry (EA-IRMS) has encountered significant technical barriers, which together with costs, have hindered the advancement and wide spread adoption of this potentially useful approach. In the last decade simpler technologies to measure stable isotope ratios in samples based on laser spectroscopy have been developed. We foresee that these instruments will fuel the advancement and adoption of insect isotope forensics into pest management programs because they are easy to use, more affordable, and complement existing marking tools. However prior to the adoption of these new technologies it is necessary to test their fitness for purpose and explore their limitations. In this paper we set out to test the suitability of using combustion module-cavity ring-down spectroscopy (CM-CRDS) for measuring isotope ratios in an entomological context, covering marking of insects, mating behavior and dietary assessment. We carried out a series of experiments to compare the isotope measurements made with the CM-CRDS with the traditional method of EA-IRMS. Initially we compared measurements of carbon isotope values of a variety of common diet components used in insect rearing, which covered a wide range of carbon isotope values. There was good agreement in the isotope values obtained, using the CM-CRDS and the EA-IRMS with similar accuracy and precision. Secondly we compared the 2 methods to measure carbon isotope values of the common cutworm, Spodoptera litura (Fabricius) (Lepidoptera: Noctuidae) samples, and again there was good agreement in the values obtained. Thirdly we tested whether the CM-CRDS could be used to determine the paternity of spermataphores, based on the differential isotope signatures of the paternal and maternal moths, as a result of differences in their rearing diets. The CM-CRDS proved to be fit for the purpose of measuring isotope values in the spermataphores of common cutworm and suggested that the CM-CRDS technology would be suitable for these isotope based mating studies in moths if the spermatophores were of sufficient mass. Finally we explored a number of the issues surrounding CM-CRDS and isotope technologies in general, e.g., logistical considerations, economics of operation, sample size, etc. We conclude that CM-CRDS is a suitable instrument for measuring stable isotope carbon signatures in moths, and most probably other sufficiently large insects and that CM-CRDS could be easily used in both operational and research contexts.

 

Resumen

La medición de las firmas de isótopos estables naturales de los insectos ha demostrado ser un método útil para determinar su origen natal, estrategias de alimentación y su comportamiento de apareamiento y ha dado lugar a una nueva disciplina de la ciencia forense de isótopos de insectos. Sin embargo, la complejidad de la medición de las firmas isotópicas usando el análisis de espectrometría de masas de ratio elemental de isótopos (AEM-REI) se ha encontrado con obstáculos técnicos importantes, que junto con los costos, han obstaculizado el avance y la adopción generalizada de este enfoque potencialmente útil. En la última decada se han desarrollado tecnologías más simples para medir las proporciones de isótopos estables en muestras basadas en espectroscopia láser. Prevemos que estos instrumentos se alimentan el avance y la adopción del uso de forense de isótopos de insectos en los programas de manejo de plagas, ya que son fáciles de usar, menos costos, y complementan las herramientas para marcar ya existentes. Sin embargo, antes de la adopción de estas nuevas tecnologías es necesario probar su aptitud para el uso y explorar sus limitaciones. En este trabajo nos propusimos evaluar el apropiado del uso de la espectroscopia de combustión de cavidad de módulo de anillo-abajo (ECC-MAA) para medir el ratio de los isótopos en un contexto entomológica, incluyendo el marcar de los insectos, el comportamiento del apareamiento y la evaluación de la dieta. Realizamos una serie de experimentos para comparar las medidas de isótopos realizadas con la ECM-CAA con el método tradicional de AEM-REI. Inicialmente se compararon las medidas de los valores de los isótopos de carbono de una variedad de componentes comunes utilizados en la dieta en la cría de insectos, que cubría una amplia gama de valores de los isótopos de carbono. Hubo buen acuerdo en los valores de isótopos obtenido, utilizando el ECM-CAA y el AEM-REI con exactitud y precisión similar. En segundo lugar se compararon los 2 métodos para medir los valores de isótopos de carbono en muestras del gusano cortador común, Spodoptera litura (Fabricius) (Lepidoptera: Noctuidae), y de nuevo había un buen acuerdo en los valores obtenidos. En tercer lugar hemos probado si el ECM-CAA podría ser utilizado para determinar la paternidad de espermatoforos, sobre la base de las firmas diferencial de isótopos de las polillas paternas y maternas, como resultado de las diferencias en sus dietas de cría. El ECM-CAA demostró ser apto para el propósito de medir los valores de isótopos en los espermatoforos del gusano cortador común y sugirió que la tecnología ECM-CAA sería adecuada para estos estudios de apareamiento de isótopos con sede en polillas si los espermatóforos fueron de suficiente masa. Finalmente, hemos explorado algunas de las cuestiones relacionadas con ECM-CAA y las tecnologías de isótopos en general, por ejemplo, las consideraciones logísticas, economía de funcionamiento, tamaño de la muestra, etc. Concluimos que el ECM-CAA es un instrumento adecuado para medir las firmas de carbono de isótopos estables en polillas y muy probablemente otros insectos suficientemente grandes y que el ECM-CAA podría utilizarse fácilmente tanto en contextos operacionales y de investigación.

 

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Keywords


marking; labelling; enrichment; natural abundance; mass spectrometry; nuclear application; laser; Lepidoptera; moths

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