Her præsenterer vi detaljerede instruktioner om, hvordan man opbygger og kalibrerer forsknings kvalitet ceptometre (lyssensorer, der integrerer lysintensiteten på tværs af mange sensorer, der er placeret lineært langs en vandret bjælke).
Ceptometry er en teknik, der anvendes til at måle transmittansen af fotosyntetisk aktiv stråling gennem en plante baldakin ved hjælp af flere lyssensorer forbundet parallelt på en lang stang. Ceptometri bruges ofte til at udlede egenskaber af baldakin struktur og let aflytning, især blad område indeks (LAI) og effektiv plante område indeks (PAIEFF). På grund af de høje omkostninger ved kommercielt tilgængelige ceptometre er antallet af målinger, der kan foretages, ofte begrænset i tid og rum. Dette begrænser nytten af ceptometri til at studere genetisk variation i lysaflytning og udelukker grundig analyse af og korrektion for fordomme, der kan skråtstille målinger afhængigt af tidspunktet på dagen. Vi har udviklet løbende logning af ceptometre (kaldet PARbars), der kan produceres for USD $75 hver og giver data af høj kvalitet, der er sammenlignelige med kommercielt tilgængelige alternativer. Her giver vi en detaljeret instruktion i, hvordan du opbygger og kalibrerer PARbars, hvordan du implementerer dem i marken, og hvordan du estimerer PAI fra indsamlede transmittansdata. Vi giver repræsentative resultater fra hvede baldakiner og diskutere yderligere overvejelser, der bør gøres, når du bruger parbars.
Ceptometre (lineære arrays af lyssensorer) anvendes til at måle andelen af fotosyntetisk aktiv stråling (PAR), der opfanges af plante-canopies. Ceptometre anvendes bredt til forskning i landbrugsafgrøder på grund af den relativt enkle karakter af målinger og enkelhed af data fortolkning. Det grundlæggende princip for ceptometri er, at transmittansen af lys til bunden af en plante baldakin (τ) er afhængig af det projekterede areal af lysabsorberende materialer ovenfor. Målinger af PAR over og under baldakinen kan derfor anvendes til at anslå trækkende egenskaber såsom blad område indeks (LAI) og effektivt plante område indeks (PAIEFF) (som omfatter stængler, kulmer og reproduktive strukturer ud over bladene)1 ,2,3. Pålideligheden af de estimater for PAIEFF , der udledes af τ , er forbedret ved at modellere virkningerne af stråle FRAKTIONEN af indkommende PARI (fb), blad absorptionsgraden (a) og den effektive udsletnings koefficient (K ); K, til gengæld afhænger af både solens Zenith vinkel (θ) og blad vinkel fordeling (χ)1,4,5,6. Det er en almindelig praksis at korrigere for disse virkninger. Der er dog andre fordomme, der ikke har modtaget behørig overvejelse i fortiden på grund af metodologiske og omkostningsbegrænsninger.
Vi identificerede for nylig signifikant tidsafhængig bias i øjeblikkelige ceptometri målinger af række afgrøder, såsom hvede og Byg7. Denne skævhed er forårsaget af en interaktion mellem række plantning orientering og sol Zenith vinkel. For at overvinde denne skævhed, kan løbende logning af ceptometre monteres i marken for at overvåge døgn cyklusser af baldakin lys aflytning og derefter daglige gennemsnit af τ og PaiEFF kan beregnes. Kontinuerlige målinger er imidlertid ofte umulige at gennemføres på grund af de uoverkommeligt høje omkostninger ved kommercielt tilgængelige ceptometre – ofte flere tusinde amerikanske dollar for et enkelt instrument – og kravet om målinger af mange Mark parceller. Sidstnævnte er især tydeligt i den omics æra, hvor mange hundrede genotyper er nødvendige for genomiske analyser, såsom genomer bred Association undersøgelser (GWAS) og genomisk udvælgelse (GS) (til gennemsyn Se Huang & han, 20148). Vi erkendte, at der var behov for omkostningseffektive ceptometre, der kunne produceres i stort antal og anvendes til kontinuerlige målinger på tværs af mange genotyper.
Som en løsning designede vi nemme-til-build, høj-nøjagtighed ceptometre (PARbars) til en pris af USD $75 pr. enhed og kræver ca. en times arbejde at konstruere. PARbars er bygget ved hjælp af 50 fotodioder, der kun er følsomme i PAR-bølge båndet (bølgelængder 390 – 700 nm), med meget lidt følsomhed uden for dette område, så brugen af dyre filtre undgås. Foto dioderne forbindes parallelt med en længde på 1 m for at fremstille et integreret differentialspændings signal, der kan optages med en datalogger. Kredsløbet er indkapslet i epoxy til imprægnering, og sensorerne opererer over et stort Temperaturområde (-40 til + 80 °C), hvilket gør det muligt for PARbars at blive indsat i marken i længere tid ad gangen. Med undtagelse af fotodioder og en lav-temperatur-koefficient modstand, alle dele, der kræves for at opbygge en PARbar kan købes fra en hardware butik. En komplet liste over påkrævede dele og værktøjer findes i tabellen over materialer. Her præsenterer vi detaljerede instruktioner om, hvordan man opbygger og bruger PARbars til estimering af PAIEFF og nuværende repræsentative resultater fra hvede canopies.
En vellykket gennemførelse af den protokol, der her er skitseret for bygning af ceptometre (PARbars), afhænger mest fornuftigt af to trin: 1,5 (limning af fotodioderne på plads) og 1,6 (lodde fotodioder til kobbertråden). Trin 1,5 er tilbøjelige til at fejl ved at justere fotodioder forkert med hensyn til deres iboende polaritet. For de fotodioder, vi brugte, og som vi anbefaler som væsentlige specifikke elementer, er polaritet identificeret i kraft af de to elektriske stik faner på dioden med klart forskellige størrelser. Således, før påføring af cyanoacrylat lim og lodning fotodioder på plads, det anbefales kraftigt at dobbelttjekke, at alle dioder er placeret med de store stik faner vender i den ene retning og de små faner vender i den anden retning. Trin 1,6 er tilbøjelige til at mislykkes på grund af dårlig lodning teknik og dannelsen af en kold loddet vejkryds. Dette kan undgås ved at anvende tynd lodde flux ved hjælp af en fluxpen umiddelbart før lodning og sikre, at både tråden og fotodiode fanen opvarmes med lodde spidsen (ved ca. 350-400 oC) før lodning selv anvendes på Krydset. Problemer med elektriske tilslutninger i en PARbar typisk manifestere i form af en kalibrering hældning tydeligt adskiller sig fra dem af andre PARbars. Sådanne problemer kan fanges tidligt ved at teste hver elektrisk forbindelse under konstruktionen (som beskrevet i trin 1,6), og igen efter alle tilslutninger er blevet loddet, men før de er blevet indkapslet i epoxy (trin 1,9). En tredje potentiel kilde til fejl skyldes, at der ikke er anvendt en præcisions modstand med lav temperatur koefficient, hvis modstandsevne er ufølsom over for temperatur; ved hjælp af en almindelig modstand vil forårsage fejl som modstanden, og dermed den spænding output pr lysenhed absorberes af dioder, ændringer med omgivelsestemperatur. Den sidste større kilde til fejl er ikke entydig for PARbars, men gælder for alle ceptometri målinger: nemlig, at en slutning af et effektivt Plant område indeks eller blad område indeks fra let opsamling afhænger af træk ved baldakin struktur (især gennemsnitlige blad absorptionsgrad og blad vinkel fordeling; a og c i eqns 1 og 2), der kan variere under plante udvikling og mellem genotyper.
Der er to hovedområder, hvor den her beskrevne protokol kan ændres eller tilpasses. Første, de PARbars, som vi præsenterer her var designet specielt til brug i række afgrøder, såsom hvede og byg, men designet kunne nemt ændres til andre applikationer. For eksempel kan en shunt modstand med større modstand bruges til at øge Gain (mV output pr. enhed PAR) ved lavere PAR intervaller. For alsidighed, en lav-temperatur koefficient præcision potentiometer (variabel modstand) kan anvendes til at ændre Parbars følsomhed rækkevidde efter behov eller for at foretage små justeringer for at få, så hver af mange PARbars har identiske kalibrering skråninger. For det andet kan fotodioderne også anvendes individuelt som kvante sensorer, hvilket gør det muligt for brugeren at indfange rumlige såvel som tidsmæssige variationer inden for individuelle baldakiner til en meget lavere pris end mulig ved hjælp af kommercielt tilgængelige kvante sensorer. Dette kunne være særlig værdifuldt i betragtning af den voksende interesse for dynamisk fotosyntese under svingende lysforhold12. For det tredje, selv om vi brugte en konventionel (og dyr) datalogger for de data, der præsenteres i denne undersøgelse, der er mulighed for dataloggere til i stedet bygges ved hjælp af off-the-hylde componentry, gør det muligt at skabe en kombineret ceptometri og datalogger system på en begrænset budget. Populariteten af såkaldte Maker platforme, såsom Arduino og Raspberry PI, tilbyder store løfter på dette område; Vi foreslår den open source Arduino-baserede Cave Pearl projekt13 som en forret for videre udvikling. Cave Pearl dataloggere blev designet til miljøovervågning af hule økosystemer, så robusthed og lavt strømforbrug var vigtige overvejelser i deres design. Lignende overvejelser er relevante for gennemførelsen til plante fænotype arbejde. Cave Pearl datalogger komponenter er billige (mindre end USD $50 pr. enhed) og små, som kunne gøre det muligt for dem at blive direkte indarbejdet i PARbars.
Anvendelse af Parbarerne beskrevet her står over for tre hovedbegrænsninger. For det første hæmmes afføringen af plante område indekset eller blad område indekset fra den målte lysoptagelse af stærke tidsafhængige skævheder, især i række afgrøder7. Dette kan afhjælpes ved at foretage gentagne eller kontinuerlige målinger over en dag. For det andet har billige fotodioder ikke en spektral effekt, der er præcis proportional med photon flux (variablen af største interesse i fotosyntese forskning). Dette kan forårsage bias, når lys kvalitet ændrer sig meget gennem en baldakin, selv om tidligere estimater af den resulterende fejl indikerer, at det er på rækkefølgen af et par procent7. For det tredje kan PARbars ikke skelne mellem direkte stråle og diffuse komponenter af indgående PAR over baldakinen. Da diffus stråling trænger dybere ind i baldakinen end direkte sollys14, vil lystransmission blive forøget og PaiEFF vil blive undervurderet som den diffuse fraktion af den samlede bestråling stiger. Når al stråling er diffus, er PAIEFF direkte proportional med logaritmen på 1/τ i stedet for det forhold, der er vist i ligning 115. Cruse et al. (2015) 16 bemærkede, at i øjeblikket tilgængelige kommercielle instrumenter, der kan måle direkte og DIFFUS par er dyrt og kræver regelmæssig vedligeholdelse, så de designede en enkel og billig apparat til at løse dette problem. Deres system består af en kvante sensor, der rutinemæssigt er nedtonet af et motoriseret, bevægende shadowband og giver mulighed for kontinuerlig måling af total, direkte og diffus PAR. Sensoren, der anvendes i Cruse et al. 16 systemet kan udskiftes med den samme fotodiode, der anvendes i parbars til yderligere at reducere omkostningerne og kan let indarbejdes i den eksisterende parbar setup. Disse målinger kan integreres i databehandlings pipelinen og vil yderligere øge pålideligheden af vurderingerne af PAIEFF.
Den største fordel ved PARbars i forhold til eksisterende kommercielle ceptometre er deres lave omkostninger, hvilket gør det muligt at producere dem i stort antal. For nylig har der været en stigende interesse for nye high-gennemløb plante fænotype teknologier til vurdering af baldakin træk (til gennemsyn Se Yang et al., 201717). Mens disse metoder er lovende i, at de producerer enorme mængder af data, de er typisk meget indirekte og kræver validering mod konventionelle teknikker. PARbars kunne fungere som et omkostningseffektivt, jordbaseret validerings værktøj til disse nye teknikker.
De lave produktionsomkostninger for PARbars gør dem også til en holdbar mulighed for kontinuerlige målinger i marken. Dette kan være nyttigt af flere årsager. For eksempel kan kontinuerlige målinger anvendes til at karakterisere række orienteringer for at udvikle tidsspecifikke korrektions funktioner til øjeblikkelige målinger (for yderligere oplysninger se Salter et al. 20187). Kontinuerlig ceptometri kan også fange korte udsving i baldakin lys fange over tid (sunflecks og shadeflecks) forårsaget af skyer passerer overhead, flytning af baldakin, etc. Fotosyntese er kendt for at være yderst følsom over for små ændringer i miljøforholdene, og “dynamiske” ændringer i fotosyntesen menes nu at være vigtige for at drive høstudbyttet (til gennemsyn Se Murchie et al., 201812). PARbars, der er installeret i marken med et passende kort logførings interval, kan bruges til at indfange disse korte udsving og give en bedre forståelse af plante kanernes dynamiske natur.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne vil gerne takke Dr. Richard Richards og Dr. shek Hossain på CSIRO, landbrug, og fødevarer for adgang til og forvaltning af de felt parceller, der anvendes til denne forskning. Denne forskning blev støttet af det internationale hvede udbytte partnerskab gennem et tilskud fra korn forsknings-og udviklingsselskabet (US00082). TNB blev støttet af Australian Research Council (DP150103863 and LP130100183) og National Science Foundation (Award #1557906). Dette arbejde blev støttet af USDA nationale Institut for fødevarer og landbrug, Hatch projekter 1016439 og 1001480.
1.5 Ω low temperature coefficient precision resistor | TE Connectivity Ltd., Schaffhausen, Switzerland. | UPW25 series | Could be made using multiple larger resistors in parallel but they need to have low temperature coefficient (i.e. ± 3 ppm/°C). URL for commercial source: https://bit.ly/2DFuPpm |
Acrylic diffuser | Plastix Australia Pty. Ltd., Arncliffe, NSW, Australia. | 445 – Opal White | 1200 mm length x 30 mm width x 4.5 mm thick. URL for commercial source: https://bit.ly/2Bq0fyc |
Aluminum U-bar | Capral Ltd., Bundamba, QLD, Australia. | EK9160 | 1220 mm length x 35 mm width x 25 mm depth. URL for commercial source: https://bit.ly/2PPfJou |
Bare solid core copper wire | Non-specific part | ||
Bolts | Non-specific part | ||
Clamps | Non-specific part | ||
Clear epoxy potting resin | Solid Solutions, East Bentleigh, VIC, Australia. | 651 – Universal Epoxy Potting Resin | Clear epoxy resin for electrical applications. URL for commercial source: https://bit.ly/2qY0pHa |
Cyanoacrylate glue | Non-specific part | ||
Datalogger | Campbell Scientific, Logan, Utah, USA. | CR5000 | Other dataloggers that record differential voltages could be used. URL for commercial source: https://bit.ly/2U7Io5H |
Drill or drill press | Non-specific part | ||
Glue lined heat shrink | Non-specific part | ||
Heat gun | Non-specific part | ||
LED torch | Non-specific part | ||
Masking tape | Non-specific part | ||
Photodiodes (50) | Everlight Americas Inc., Carrollton, Texas, USA. | EAALSDSY6444A | It is important that this specific component is used due to spectral response. URL for commercial source: https://bit.ly/2FzVnuH |
Polyurethane foam filler | Non-specific part | ||
Quantum sensor | LI-COR, Lincoln, Nebraska, USA. | LI-190R | For calibration of PARbars only. URL for commercial source: https://bit.ly/2HEfKbh |
Screwdrivers | Non-specific part | ||
Silicone sealant | Non-specific part | ||
Solder | Non-specific part | ||
Solder flux pen | Non-specific part | ||
Soldering iron | Non-specific part | ||
Spirit/bubble level | Non-specific part | ||
Tap and die set | Non-specific part | ||
Two-core cable | Non-specific part | ||
Voltmeter | Non-specific part | ||
Waterproof connectors | Core Electronics, Adamstown, NSW, Australia. | ADA743 | 2 core waterproof connector. DC power connectors work well. URL for commercial source: https://bit.ly/2Brcrik |