Automatic determination of landmark coordinates for honey bee forewing venation using a new MATLAB-based tool

Abstract

In this study, a novel and free-to-use MATLAB-based tool (WingMarks) is presented, aimed at facilitating the geometric morphometric analysis of honey bee forewing venation through automatic recognition of vein junctions. Firstly, the ability of the new software to analyze wing images obtained by different optical equipment was evaluated. Even when a low-end USB-microscope was used for image collection, it reached 100% precision in the automatic detection of the landmarks for 87% of the samples, and most of failures corresponded to a single point and were easily corrected. The measurement error of WingMarks software was studied through repeated analysis of the same wing image, evincing that landmark determination was highly repeatable, even higher than that of widely used tpsDig manual software. In addition, a field test with 720 specimens from three subspecies (A. m. iberiensis, A. m. ligustica, and A. m. carnica) and from hybrid Buckfast bees, collected from 90 different colonies, was conducted. In conjunction with MorphoJ, the coordinates of the vein junctions extracted by the program led to an accurate classification of the specimens, confirmed by canonical variate analysis methods. WingMarks software can thus be deemed as a versatile, precise, and accurate tool for the automatic recognition of A. mellifera wing vein junctions, facilitating the identification of bee genetic diversity using geometric morphometrics. The program is available under Creative Commons license and can be easily adapted to different insect species.

Determinación automática de las coordenadas de los nodos de la venación alar de la abeja melífera utilizando una nueva herramienta basada en MATLAB

En este estudio se presenta una herramienta novedosa y de uso libre basada en MATLAB (WingMarks), cuyo objetivo es facilitar el análisis de la morfometría geométrica de la venación de las alas anteriores mediante un reconocimiento automático de las uniones venosas. En primer lugar, se evaluó la capacidad del nuevo programa para analizar imágenes de ala obtenidas por diferentes equipos ópticos. Incluso cuando se utilizó un microscopio USB de gama baja para la recogida de imágenes, se alcanzó una precisión del 100% en la detección automática de las intersecciones en el 87% de las muestras y la mayoría de los fallos correspondieron a un solo punto y fueron fáciles de corregir. El error de medición del programa WingMarks se estudió a través del análisis repetido de la misma imagen de ala, demostrando una alta repetibilidad, incluso mayor que la del programa manual tpsDig, ampliamente utilizado. Además, se realizó una prueba de campo con 720 abejas de tres subespecies (A. m. iberiensis, A. m. ligustica, y A. m. carnica) y del híbrido Buckfast, recogidas de 90 colonias diferentes. Las coordenadas de las uniones venosas extraídas por el programa condujeron, mediante el empleo de MorphoJ, a una clasificación precisa de las abejas, confirmada por métodos de análisis canónico de varianza. Por lo tanto, el programa WingMarks puede ser considerado como una herramienta versátil, precisa y exacta para el reconocimiento automático de las intersecciones venosas del ala en Apis mellifera, facilitando la identificación de la diversidad genética de las abejas utilizando la morfometría geométrica. El programa está disponible bajo licencia Creative Commons y puede ser fácilmente adaptado a diferentes especies de insectos.

Keywords:

• Apis mellifera
• wing geometric morphometrics
• landmarks
• MATLAB
• subspecies discrimination

Disclosure statement

The authors declare no conflict of interest.

Additional information

Funding

This work was supported by Instituto de Estudios Altoaragoneses under “XXXI Concurso de Ayudas de Investigación 2015” program; and Ibercaja Obra Social under “Proyectos de investigación, desarrollo e innovación para jóvenes investigadores” program.