Published October 5, 2020 | Version v1
Publication Open

Machine-learning model led design to experimentally test species thermal limits: the case of kissing bugs (Triatominae)

  • 1. Universidad Nacional de La Plata
  • 2. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
  • 3. Fundación Ciencias Exactas y Naturales
  • 4. University of Buenos Aires
  • 5. Experimental Medicine and Biology Institute
  • 6. University of Tasmania

Description

Abstract Species Distribution Modelling (SDM) determines habitat suitability of a species across geographic areas using macro-climatic variables; however, micro-habitats can buffer or exacerbate the influence of macro-climatic variables, requiring links between physiology and species persistence. Experimental approaches linking species physiology to micro-climate are complex, time consuming and expensive. E.g., what combination of exposure time and temperature is important for a species thermal tolerance is difficult to judge a priori . We tackled this problem using an active learning approach that utilized machine learning methods to guide thermal tolerance experimental design for three kissing-bug species (Hemiptera: Reduviidae: Triatominae), vectors of the parasite causing Chagas disease. As with other pathogen vectors, triatomines are well known to utilize micro-habitats and the associated shift in microclimate to enhance survival. Using a limited literature-collected dataset, our approach showed that temperature followed by exposure time were the strongest predictors of mortality; species played a minor role, and life stage was the least important. Further, we identified complex but biologically plausible nonlinear interactions between temperature and exposure time in shaping mortality, together setting the potential thermal limits of triatomines. The results from this data led to the design of new experiments with laboratory results that produced novel insights of the effects of temperature and exposure for the triatomines. These results, in turn, can be used to better model micro-climatic envelope for the species. Here we demonstrate the power of an active learning approach to explore experimental space to design laboratory studies testing species thermal limits. Our analytical pipeline can be easily adapted to other systems and we provide code to allow practitioners to perform similar analyses. Not only does our approach have the potential to save time and money: it can also increase our understanding of the links between species physiology and climate, a topic of increasing ecological importance. Author summary Species Distribution Modelling determines habitat suitability of a species across geographic areas using macro-climatic variables; however, micro-habitats can buffer or exacerbate the influence of macro-climatic variables, requiring links between physiology and species persistence. We tackled the problem of the combination of exposure time and temperature (a combination difficult to judge a priori ) in determining species thermal tolerance, using an active learning approach that utilized machine learning methods to guide thermal tolerance experimental design for three kissing-bug species, vectors of the parasite causing Chagas disease. These bugs are found in micro-habitats with associated shifts in microclimate to enhance survival. Using a limited literature-collected dataset, we showed that temperature followed by exposure time were the strongest predictors of mortality, that species played a minor role, that life stage was the least important, and a complex nonlinear interaction between temperature and exposure time in shaping mortality of kissing bugs. These results led to the design of new laboratory experiments to assess the effects of temperature and exposure for the triatomines. These results can be used to better model micro-climatic envelope for species. Our active learning approach to explore experimental space to design laboratory studies can also be applied to other environmental conditions or species.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تحدد نمذجة توزيع الأنواع المجردة (SDM) ملاءمة الموائل للأنواع عبر المناطق الجغرافية باستخدام المتغيرات المناخية الكلية ؛ ومع ذلك، يمكن للموائل الصغيرة أن تخزن أو تفاقم تأثير المتغيرات المناخية الكلية، مما يتطلب روابط بين علم وظائف الأعضاء واستمرار الأنواع. المناهج التجريبية التي تربط فسيولوجيا الأنواع بالمناخ الجزئي معقدة وتستغرق وقتًا طويلاً ومكلفة. على سبيل المثال، من الصعب الحكم مسبقًا على مزيج وقت التعرض ودرجة الحرارة المهم لتحمل حراري للأنواع. لقد عالجنا هذه المشكلة باستخدام نهج التعلم النشط الذي استخدم أساليب التعلم الآلي لتوجيه التصميم التجريبي للتسامح الحراري لثلاثة أنواع من حشرات التقبيل (Hemiptera: Reduviidae: Triatominae)، وهي نواقل الطفيليات المسببة لمرض شاغاس. كما هو الحال مع ناقلات مسببات الأمراض الأخرى، من المعروف أن الترياتومينات تستخدم الموائل الدقيقة والتحول المرتبط بها في المناخ المحلي لتعزيز البقاء على قيد الحياة. باستخدام مجموعة بيانات محدودة تم جمعها من الأدبيات، أظهر نهجنا أن درجة الحرارة التي يتبعها وقت التعرض كانت أقوى مؤشرات الوفيات ؛ لعبت الأنواع دورًا ثانويًا، وكانت مرحلة الحياة هي الأقل أهمية. علاوة على ذلك، حددنا التفاعلات غير الخطية المعقدة ولكن المعقولة بيولوجيًا بين درجة الحرارة ووقت التعرض في تشكيل الوفيات، مع وضع الحدود الحرارية المحتملة للترياتومين. أدت نتائج هذه البيانات إلى تصميم تجارب جديدة مع النتائج المختبرية التي أنتجت رؤى جديدة لآثار درجة الحرارة والتعرض للترياتومين. يمكن استخدام هذه النتائج، بدورها، لنمذجة الغلاف المناخي الجزئي للأنواع بشكل أفضل. هنا نوضح قوة نهج التعلم النشط لاستكشاف الفضاء التجريبي لتصميم الدراسات المختبرية التي تختبر الحدود الحرارية للأنواع. يمكن تكييف خط الأنابيب التحليلي الخاص بنا بسهولة مع الأنظمة الأخرى، ونحن نقدم التعليمات البرمجية للسماح للممارسين بإجراء تحليلات مماثلة. لا يتمتع نهجنا بالقدرة على توفير الوقت والمال فحسب، بل يمكنه أيضًا زيادة فهمنا للروابط بين فسيولوجيا الأنواع والمناخ، وهو موضوع ذو أهمية بيئية متزايدة. ملخص المؤلف تحدد نمذجة توزيع الأنواع ملاءمة الموائل للأنواع عبر المناطق الجغرافية باستخدام المتغيرات المناخية الكلية ؛ ومع ذلك، يمكن للموائل الصغيرة أن تخزن أو تفاقم تأثير المتغيرات المناخية الكلية، مما يتطلب روابط بين علم وظائف الأعضاء واستمرار الأنواع. لقد عالجنا مشكلة الجمع بين وقت التعرض ودرجة الحرارة (مزيج يصعب الحكم عليه مسبقًا ) في تحديد التسامح الحراري للأنواع، باستخدام نهج التعلم النشط الذي استخدم أساليب التعلم الآلي لتوجيه التصميم التجريبي للتسامح الحراري لثلاثة أنواع من حشرات التقبيل، وناقلات الطفيليات المسببة لمرض شاغاس. توجد هذه الحشرات في الموائل الصغيرة مع التحولات المرتبطة بها في المناخ المحلي لتعزيز البقاء على قيد الحياة. باستخدام مجموعة بيانات محدودة تم جمعها من الأدبيات، أظهرنا أن درجة الحرارة متبوعة بوقت التعرض كانت أقوى مؤشرات الوفيات، وأن الأنواع لعبت دورًا ثانويًا، وأن مرحلة الحياة كانت الأقل أهمية، والتفاعل غير الخطي المعقد بين درجة الحرارة ووقت التعرض في تشكيل وفيات تقبيل الحشرات. وأدت هذه النتائج إلى تصميم تجارب معملية جديدة لتقييم آثار درجة الحرارة والتعرض للترياتومين. يمكن استخدام هذه النتائج لنمذجة الغلاف المناخي الجزئي للأنواع بشكل أفضل. يمكن أيضًا تطبيق نهج التعلم النشط الخاص بنا لاستكشاف الفضاء التجريبي لتصميم الدراسات المختبرية على الظروف أو الأنواع البيئية الأخرى.

Translated Description (French)

Résumé Le modèle de répartition des espèces (SDM) détermine la pertinence de l'habitat d'une espèce dans toutes les zones géographiques à l'aide de variables macro-climatiques ; cependant, les micro-habitats peuvent amortir ou exacerber l'influence des variables macro-climatiques, nécessitant des liens entre la physiologie et la persistance des espèces. Les approches expérimentales reliant la physiologie des espèces au microclimat sont complexes, longues et coûteuses. Par exemple, quelle combinaison de temps d'exposition et de température est importante pour la tolérance thermique d'une espèce est difficile à juger a priori . Nous nous sommes attaqués à ce problème en utilisant une approche d'apprentissage actif qui a utilisé des méthodes d'apprentissage automatique pour guider la conception expérimentale de la tolérance thermique de trois espèces de punaises de lit (Hemiptera : Reduviidae : Triatominae), vecteurs du parasite responsable de la maladie de Chagas. Comme avec d'autres vecteurs pathogènes, les triatomines sont bien connues pour utiliser des micro-habitats et le changement de microclimat associé pour améliorer la survie. À l'aide d'un ensemble de données limitées recueillies dans la littérature, notre approche a montré que la température suivie du temps d'exposition étaient les prédicteurs les plus forts de la mortalité ; les espèces jouaient un rôle mineur et le stade de vie était le moins important. En outre, nous avons identifié des interactions non linéaires complexes mais biologiquement plausibles entre la température et le temps d'exposition dans la formation de la mortalité, en fixant ensemble les limites thermiques potentielles des triatomines. Les résultats de ces données ont conduit à la conception de nouvelles expériences avec des résultats de laboratoire qui ont produit de nouvelles informations sur les effets de la température et de l'exposition pour les triatomines. Ces résultats, à leur tour, peuvent être utilisés pour mieux modéliser l'enveloppe microclimatique de l'espèce. Nous démontrons ici la puissance d'une approche d'apprentissage actif pour explorer l'espace expérimental afin de concevoir des études de laboratoire testant les limites thermiques des espèces. Notre pipeline analytique peut être facilement adapté à d'autres systèmes et nous fournissons du code pour permettre aux praticiens d'effectuer des analyses similaires. Non seulement notre approche a le potentiel d'économiser du temps et de l'argent, mais elle peut également améliorer notre compréhension des liens entre la physiologie des espèces et le climat, un sujet d'une importance écologique croissante. Résumé DE L'AUTEUR La modélisation de la répartition des espèces détermine la pertinence de l'habitat d'une espèce dans toutes les zones géographiques à l'aide de variables macro-climatiques ; cependant, les micro-habitats peuvent amortir ou exacerber l'influence des variables macro-climatiques, nécessitant des liens entre la physiologie et la persistance des espèces. Nous avons abordé le problème de la combinaison du temps d'exposition et de la température (une combinaison difficile à juger a priori ) dans la détermination de la tolérance thermique des espèces, en utilisant une approche d'apprentissage actif qui a utilisé des méthodes d'apprentissage automatique pour guider la conception expérimentale de la tolérance thermique pour trois espèces de punaises qui s'embrassent, vecteurs du parasite causant la maladie de Chagas. Ces insectes se trouvent dans les micro-habitats avec des changements associés dans le microclimat pour améliorer la survie. À l'aide d'un ensemble de données limitées recueillies dans la littérature, nous avons montré que la température suivie du temps d'exposition étaient les prédicteurs les plus forts de la mortalité, que les espèces jouaient un rôle mineur, que le stade de vie était le moins important et qu'une interaction non linéaire complexe entre la température et le temps d'exposition façonnait la mortalité des insectes qui s'embrassaient. Ces résultats ont conduit à la conception de nouvelles expériences de laboratoire pour évaluer les effets de la température et de l'exposition pour les triatomines. Ces résultats peuvent être utilisés pour mieux modéliser l'enveloppe microclimatique des espèces. Notre approche d'apprentissage actif pour explorer l'espace expérimental afin de concevoir des études de laboratoire peut également être appliquée à d'autres conditions ou espèces environnementales.

Translated Description (Spanish)

El Modelo de Distribución de Especies (SDM) determina la idoneidad del hábitat de una especie en áreas geográficas utilizando variables macroclimáticas; sin embargo, los microhábitats pueden amortiguar o exacerbar la influencia de las variables macroclimáticas, lo que requiere vínculos entre la fisiología y la persistencia de la especie. Los enfoques experimentales que vinculan la fisiología de las especies con el microclima son complejos, requieren mucho tiempo y son caros. Por ejemplo, es difícil juzgar a priori qué combinación de tiempo de exposición y temperatura es importante para la tolerancia térmica de una especie. Abordamos este problema utilizando un enfoque de aprendizaje activo que utilizó métodos de aprendizaje automático para guiar el diseño experimental de tolerancia térmica para tres especies de chinches (Hemiptera: Reduviidae: Triatominae), vectores del parásito que causa la enfermedad de Chagas. Al igual que con otros vectores patógenos, se sabe que los triatominos utilizan microhábitats y el cambio asociado en el microclima para mejorar la supervivencia. Utilizando un conjunto limitado de datos recopilados de la literatura, nuestro enfoque mostró que la temperatura seguida del tiempo de exposición fueron los predictores más fuertes de la mortalidad; las especies desempeñaron un papel menor y la etapa de la vida fue la menos importante. Además, identificamos interacciones no lineales complejas pero biológicamente plausibles entre la temperatura y el tiempo de exposición en la configuración de la mortalidad, estableciendo juntos los límites térmicos potenciales de los triatominos. Los resultados de estos datos condujeron al diseño de nuevos experimentos con resultados de laboratorio que produjeron nuevos conocimientos sobre los efectos de la temperatura y la exposición para los triatominos. Estos resultados, a su vez, se pueden utilizar para modelar mejor la envoltura microclimática de la especie. Aquí demostramos el poder de un enfoque de aprendizaje activo para explorar el espacio experimental y diseñar estudios de laboratorio que prueben los límites térmicos de las especies. Nuestro canal analítico se puede adaptar fácilmente a otros sistemas y proporcionamos código para permitir a los profesionales realizar análisis similares. Nuestro enfoque no solo tiene el potencial de ahorrar tiempo y dinero, sino que también puede aumentar nuestra comprensión de los vínculos entre la fisiología de las especies y el clima, un tema de creciente importancia ecológica. Resumen del autor El modelado de distribución de especies determina la idoneidad del hábitat de una especie en áreas geográficas utilizando variables macroclimáticas; sin embargo, los microhábitats pueden amortiguar o exacerbar la influencia de las variables macroclimáticas, lo que requiere vínculos entre la fisiología y la persistencia de la especie. Abordamos el problema de la combinación de tiempo de exposición y temperatura (una combinación difícil de juzgar a priori ) para determinar la tolerancia térmica de las especies, utilizando un enfoque de aprendizaje activo que utilizó métodos de aprendizaje automático para guiar el diseño experimental de tolerancia térmica para tres especies de chinches, vectores del parásito que causa la enfermedad de Chagas. Estos insectos se encuentran en micro-hábitats con cambios asociados en el microclima para mejorar la supervivencia. Usando un conjunto limitado de datos recopilados de la literatura, demostramos que la temperatura seguida del tiempo de exposición fueron los predictores más fuertes de la mortalidad, que las especies desempeñaron un papel menor, que la etapa de la vida fue la menos importante y una interacción no lineal compleja entre la temperatura y el tiempo de exposición en la conformación de la mortalidad de las chinches. Estos resultados llevaron al diseño de nuevos experimentos de laboratorio para evaluar los efectos de la temperatura y la exposición para los triatominos. Estos resultados se pueden utilizar para modelar mejor la envoltura microclimática de las especies. Nuestro enfoque de aprendizaje activo para explorar el espacio experimental para diseñar estudios de laboratorio también se puede aplicar a otras condiciones ambientales o especies.

Files

2020.10.05.326017.full.pdf.pdf

Files (1.2 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:fe0b2e4f3bf8a8ac3b217180ef62ad48
1.2 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
أدى نموذج التعلم الآلي إلى تصميم اختبار تجريبي للحدود الحرارية للأنواع: حالة تقبيل الحشرات (Triatominae)
Translated title (French)
Le modèle d'apprentissage automatique a conduit à la conception pour tester expérimentalement les limites thermiques des espèces : le cas des insectes qui s'embrassent (Triatominae)
Translated title (Spanish)
El modelo de aprendizaje automático condujo el diseño para probar experimentalmente los límites térmicos de las especies: el caso de las chinches (Triatominae)

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3089934886
DOI
10.1101/2020.10.05.326017

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Argentina

References

  • https://openalex.org/W1753706559
  • https://openalex.org/W1967197603
  • https://openalex.org/W1994341392
  • https://openalex.org/W1997564384
  • https://openalex.org/W2019544498
  • https://openalex.org/W2020422478
  • https://openalex.org/W2048231652
  • https://openalex.org/W2048442822
  • https://openalex.org/W2054144375
  • https://openalex.org/W2057327562
  • https://openalex.org/W2071460988
  • https://openalex.org/W2088378305
  • https://openalex.org/W2114410027
  • https://openalex.org/W2120055476
  • https://openalex.org/W2125581925
  • https://openalex.org/W2125847307
  • https://openalex.org/W2134964691
  • https://openalex.org/W2167338860
  • https://openalex.org/W2172824071
  • https://openalex.org/W2258604996
  • https://openalex.org/W2323895891
  • https://openalex.org/W2346174839
  • https://openalex.org/W2476856422
  • https://openalex.org/W2565855371
  • https://openalex.org/W2620912394
  • https://openalex.org/W2751071365
  • https://openalex.org/W2766069413
  • https://openalex.org/W2793940068
  • https://openalex.org/W2899010353
  • https://openalex.org/W2921258858
  • https://openalex.org/W2964275531
  • https://openalex.org/W2979551436
  • https://openalex.org/W3042239831
  • https://openalex.org/W3048582732
  • https://openalex.org/W3049570823
  • https://openalex.org/W4237754067
  • https://openalex.org/W4300033245