Pest & Disease Surveillance & New Technologies

Rohan Kimber & Jenny Davidson (SARDI)

Greg Baker & Helen DeGraaf (SARDI)

Kelly Hill (SARDI)

Les Zeller & Paul Kamel (USQ, QDAFF)

Monitoring air‐borne Pest & Diseases

On‐ground monitoring diseases Time consuming (crop inspections) Costs – consultants / staff / diagnostics Early warning – regional threats Accurate detection critical (thresholds)

New opportunities for pest & disease surveillance using new technologies & sensing systems

Broad scale surveillance (coordinated network)

Detect & report endemic or exotic incursions of fungal spores / insects in the field to the decision maker or grower community

Local (on farm) outbreaks Regional threats (e.g. rusts) National interests (biosecurity)

Project 2014 – New tools for field grains surveillance and diagnostics of high priority exotic pests

New technology & opportunities

Research & opportunities – Surveillance and New technologies

Smart Insect Trap – Pheromone

Les Zeller & Paul Kamel (USQ) Pheromone – targeted (stacking) Impact & digital sensors data transmission (telemetry) Smart data – GPS, meteorological Field testing 2016 – SARDI

this image (85 KB) is transferred from trap via telemetry < 1 seconds

trapwind

lure attraction range(pheromone plume)

exotic pest

endemic pest

Non-target pest

Smart trap – surveillance applications Single or multiple targets (pheromone stacking)  Image (time stamp) – computer vision systems Near real‐time – web interface (smart phone) Network of traps – spatial resolution/migration patterns

New technology & platforms – Insect surveillance

Research & opportunities – Surveillance and New technologiesNew technology & platforms – Insect surveillance

Mixed Insect Trap – Active Suction (aphid) Burkard Manufacturing Co. (UK) High sampling rate (>200 l/min) 240V with 4‐8 pot carrousel 1.5m – localised monitoring (aphids) Field testing 2015 & 2016 – SARDI Proof‐of‐concept = GPA monitoring (PCR 

assay Dr Kelly Hill, SARDI) Russian Wheat Aphid (incursion)

Burkard

Mixed Insect Trap – Smart Active Suction (aphid) Les Zeller (USQ) prototype 2016 12V solar powered fan suction Variable speed collection ‐ pressure sensor Mixed populations with carousel system (10 pots) Field testing spring 2016 ‐ SARDI 

Systems being developed/ evaluated ‐ Engineering at Burkard & USQSuction insect traps (predominantly aphids) – localized monitoring

― Lab qPCR diagnostics (mixed populations)

• Burkard Manufacturing Co. prototype (240V AC), carousel system• USQ engineering (12V DC), Smart capture (& passive version)• Captures mixed sample (≥30% aphids) at 1.5m height.

C

Burkard Manufacturing Co.Molecular detection ‐ qPCR diagnostics (mixed populations)• Kelly Hill – GPA primer design, WFT published primer• Helen DeGraaf – GPA & WFT identification & counting• Molecular Diagnostic Centre – Sample & assay processing

Target GPA WFT Removed Mock mixture Field sample

0 UD UD UD UD UD

1 ‐

5 ‐

10 ‐

New technology & platforms – Insect surveillance

Spore trapping

SARDI Marg Evans – 3 traps (cereals) EP, MN & SE Kimber – 5 traps (pulse/cereals) Sth – Nth Molecular Diagnostics Centre – qPCR assays

Interstate collaboration

Vic DEDJTR – 3 traps (cereals) [SARDI network]  DPI NSW – 2 traps (Kurt Lindbeck)  DAFWA modeling of data (canola & cereals)

Fixed location Adhesive tape (impact sampling) Retrospective analysis – DNA probes

Current status – Spore Trapping

Disease surveillance – Airborne spore trapping

The entire length of tape is placed onto a graduated perpex ruler to determine specific dates to cut/extract.

Each tape represents chronological capture. The start date/time is known and the sampling cycle is known (eg. 7‐day, 36‐day).

To examine spore capture at specific sample times, date segments must be cut, placed into tubes,  DNA extracted, and  specific primers used to identify target pathogens.

Disease surveillance – Airborne spore trapping

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

20/3 04/4 19/4 04/5 19/5 03/6 18/6 03/7 18/7 02/8 17/8 01/9 16/9 01/10 16/10 31/10

Qua

ntity

 of Y

LS, W

G 1, W

G 2, and

 ES copies/g

Qua

ntify

 of N

FNB an

d Blackspo

t pgD

NA/

g

Date (dd/mm) for 2015 season

Spore trap tape DNA analyses 2015 ‐ Hart (SA)

NFNB

BS

YLS

WG 1

WG 2

ES

Snapshot 1 Snapshot 2

Spore dispersal dynamics of a target is determined by its DNA that is quantified within specific samples (tape cuts) examined.

Here, two snapshots are highlighted where low and high ‘peaks’ of targets pathogens were identified.

The duplicate piece of tape for those specific dates are then examined under a microscope.

Spore trappingDisease surveillance – Airborne spore trapping

New technologies & platforms – Spore Trapping

New generation technology• High sampling efficiency & automation systems• Mobility (Ground vehicle, UAV etc.)• ‘Smart capture’ – GPS, environment or wind velocity triggers• Compatible or adaptable to rapid down‐stream diagnostics

• Lab‐based qPCR, or in‐field (‘real‐time’) detection: LAMP, TwistDX, biosensors, fiber optic sensing

Systems being developed/evaluatedA. Innovation in rapid detection of targets (in‐field)

i. Linkages to Prof Jon West (Rothamsted Research)ii. Linkages to PBCRC project 2112 (Dr Kelly Hill)

B. Smart Spore Trap (Miniature Virtual Impactor)i. Burkard prototype & Impactor trap (USQ)

C. Mobile Jet Spore Sampler (High sampling rate)

Rothamsted Research

Burkard

Burkard USQ

A

B

C

Burkard

Smart Spore Trap – Tape

Adhesive ‐ impactor Smart capture – GPS, temp, RH, time 12V solar power Microscopic/qPCR examination Field testing 2016 ‐ SARDI

Smart Spore Trap – MVI

Virtual impaction – dry or wet tube Rapid motorised carousel – 8 tubes Smart capture – GPS, temp, RH, time 12V solar power Downstream diagnostics – qPCR Field testing 2016 ‐ SARDI

Burkard

New technology & platforms – Disease surveillance

Research & opportunities – Surveillance and New technologies

Smart Mobile Jet Sampler – Spores

Smart capture – GPS, temp, RH, time 12V power ‐ vehicle Dry or liquid capture – 2ml DNA tubes High sampling rate – 500 l/min Two prototypes – Rothamsted (static) 

& SARDI (mobile) Field and Wind‐tunnel testing 2016

Burkard

Principle concept & function of Mobile Jet Sampler• Vehicle mounted eg. courier/consultant/school bus• Assign sampling grids within route (‘Smarts’)• Index to corresponding vial within each GPS grid• Samples (vials) sent to lab for analysis

New technology & platforms – Disease surveillance

Mobile/Network surveillance of air‐borne spores

12

3

45

6

7

8

GPS grid sampling example

Burkard

Support functions to Mobile Sampling• Results can be aligned to static (fixed) smart trap network

i. New smart spore samplersii. Standard spore traps

• Strategic response sampling (also validation process)i. Impact samplers – cheaper surveillance (in response 

to incursion or to determine sampling protocols) 

Spore samples

DNA-specific probes Highly specific, multiplex qPCR

Smart air samplers – mixed populations

Insect samples

Multi-vial (pot) carousel

Traffic light reporting – pests & pathogens Pathogen species composition - spores

Delivery ‐ Pest / Spore Detection & Reporting

http://www.syngenta-crop.co.uk/brassica-alert/ Courtesy Jon West - Annemarie Justesen, Aarhus University, Dk

Image analysis / recognitionData triage & downstream ID

biosecurity built on science

Thank you

Burkard

Jon West (Rothamsted Research) Stuart Wili (Burkard Manufacturing Co.) Helen DeGraaf (SARDI – Entomology) Greg Baker (SARDI – Entomology) Dr Kelly Hill (SARDI) Les Zeller (USQ ‐ NCEA) Paul Kamel (USQ ‐ NCEA)

Molecular Diagnostics Centre (SARDI) John Weiss (Vic DEDJTR) Marg Evans (SARDI) Jamus Stonar & Michelle Russ (SARDI) Tracey Brookes (MEA) Sarah Noack (Hart Field Site)