Journal Article

Robotic agricultural instrument for automated extraction of nematode cysts and eggs from soil to improve integrated pest management

Pandey, Santosh, Legner, Christopher M, Tylka, Gregory L

2021

Overview

Sojabohnen sind eine wichtige Kulturpflanze für die globale Ernährungssicherung. Die Sojabohnenerträge werden jedes Jahr durch zahlreiche Sojabohnenkrankheiten, insbesondere den Sojabohnen-Zystennematoden (SCN), reduziert. Es ist schwierig, das Vorhandensein von SCN im Feld visuell zu identifizieren, ganz zu schweigen von seiner Populationsdichte oder -zahl, da es keine offensichtlichen oberirdischen Krankheitssymptome gibt. Der einzige definitive Weg zur Bestimmung der SCN-Populationsdichte besteht darin, die SCN-Zysten direkt aus dem Boden zu extrahieren und dann die Eier aus den Zysten zu extrahieren und sie zu zählen. Die Extraktion wird typischerweise in kommerziellen Bodenanalyselabors und universitären Pflanzendiagnosekliniken durchgeführt und umfasst wiederholte Schritte des Siebens, Waschens, Sammelns, Mahlens und Reinigens. Hier präsentieren wir ein Roboterinstrument zur Reproduktion und Automatisierung der Funktionen der herkömmlichen Methoden zur Extraktion von Nematodenzysten aus dem Boden und zur anschließenden Extraktion von Eiern aus den wiedergewonnenen Nematodenzysten. Wir haben Mechanismen eingebaut, um das Bühnensystem zu betätigen, die Positionen einzelner Siebe mit dem Greifer zu manipulieren, Zysten und zystengroße Objekte aus im Wasser schwebender Erde zu bergen und die Zysten zu zermahlen, um ihre Eier freizusetzen. Alle Systemfunktionen werden über eine Touchscreen-Schnittstellensoftware gesteuert und bedient. Die Leistung des Roboterinstruments wird anhand von SCN-verseuchten Bodenproben von zwei Farmen an unterschiedlichen Standorten bewertet, und die Ergebnisse waren mit denen der herkömmlichen Technik vergleichbar. Unsere neue Technologie bringt die Vorteile der Automatisierung in die SCN-Bodendiagnostik, ein Schritt in Richtung einer langfristigen integrierten Schädlingsbekämpfung dieses schwerwiegenden Sojabohnenschädlings. Soybeans are an important crop for global food security. Every year, soybean yields are reduced by numerous soybean diseases, particularly the soybean cyst nematode (SCN). It is difficult to visually identify the presence of SCN in the field, let alone its population densities or numbers, as there are no obvious aboveground disease symptoms. The only definitive way to assess SCN population densities is to directly extract the SCN cysts from soil and then extract the eggs from cysts and count them. Extraction is typically conducted in commercial soil analysis laboratories and university plant diagnostic clinics and involves repeated steps of sieving, washing, collecting, grinding, and cleaning. Here we present a robotic instrument to reproduce and automate the functions of the conventional methods to extract nematode cysts from soil and subsequently extract eggs from the recovered nematode cysts. We incorporated mechanisms to actuate the stage system, manipulate positions of individual sieves using the gripper, recover cysts and cyst-sized objects from soil suspended in water, and grind the cysts to release their eggs. All system functions are controlled and operated by a touchscreen interface software. The performance of the robotic instrument is evaluated using soil samples infested with SCN from two farms at different locations and results were comparable to the conventional technique. Our new technology brings the benefits of automation to SCN soil diagnostics, a step towards long-term integrated pest management of this serious soybean pest. Le soja est une culture importante pour la sécurité alimentaire mondiale. Chaque année, les rendements du soja sont réduits par de nombreuses maladies du soja, en particulier le nématode à kyste du soja (NCS). Il est difficile d'identifier visuellement la présence de SCN sur le terrain, sans parler de ses densités ou de son nombre de population, car il n'y a pas de symptômes évidents de la maladie en surface. Le seul moyen définitif d'évaluer les densités de population de SCN est d'extraire directement les kystes de SCN du sol, puis d'extraire les œufs des kystes et de les compter. L'extraction est généralement effectuée dans des laboratoires commerciaux d'analyse des sols et des cliniques universitaires de diagnostic des plantes et implique des étapes répétées de tamisage, de lavage, de collecte, de broyage et de nettoyage. Nous présentons ici un instrument robotique pour reproduire et automatiser les fonctions des méthodes conventionnelles pour extraire les kystes de nématodes du sol et ensuite extraire les œufs des kystes de nématodes récupérés. Nous avons incorporé des mécanismes pour actionner le système de scène, manipuler les positions des tamis individuels à l'aide de la pince, récupérer des kystes et des objets de la taille d'un kyste du sol en suspension dans l'eau et broyer les kystes pour libérer leurs œufs. Toutes les fonctions du système sont contrôlées et exploitées par un logiciel d'interface à écran tactile. La performance de l'instrument robotique est évaluée à l'aide d'échantillons de sol infestés de SCN provenant de deux fermes situées à des endroits différents et les résultats sont comparables à la technique conventionnelle. Notre nouvelle technologie apporte les avantages de l'automatisation aux diagnostics de sol du SCN, une étape vers la lutte antiparasitaire intégrée à long terme de ce grave ravageur du soja.

• Publisher: Nature Publishing Group
• Subject: disease diagnostics / drug screening / Engineering Sciences / Environmental Sciences / Life Sciences / nematode / particle separation / particle sorting / plant health