כתב יד זה מתאר גישה לא הרסנית ובעלת תפוקה גבוהה למדידות שדה אוטונומיות של יעילות קוונטית, החזרה ספקטרלית וארכיטקטורת צמחים בפוטוסיסטם II, המאפשרת פנוטיפינג של פוטוסינתזה בקנה מידה גדול בניסויים אגרונומיים ושטחי רבייה.
מאמר שיטה
כתב יד זה מתאר גישה לא הרסנית ובעלת תפוקה גבוהה למדידות שדה אוטונומיות של יעילות קוונטית, החזרה ספקטרלית וארכיטקטורת צמחים בפוטוסיסטם II, המאפשרת פנוטיפינג של פוטוסינתזה בקנה מידה גדול בניסויים אגרונומיים ושטחי רבייה.
פוטוסינתזה מספקת אנרגיה לא רק לייצור ביומסה של צמחים אלא גם לתהליכים סימביוטיים כמו קיבוע חנקן (N). בעוד שהפוטנציאל לרווחים גנטיים נוספים בפרודוקטיביות של גידולים מרכזיים כתוצאה משיפור יירוט האור ומדד הקציר נוצל ברובו, שונות גנטית טבעית או מושרה בתכונות פוטוסינתטיות עדיין מציעה פוטנציאל משמעותי לשיפור נוסף בתפוקה. עם זאת, מאחר שפוטוסינתזה דינמית מאוד בתנאי שדה משתנים, קשה לבצע בחירה ממוקדת לביצועים פוטוסינתטיים אלא אם כן קיימים נתונים ברזולוציה מרחבית וזמנית גבוהה. כדי לגשר על הפער הזה, התקנו מכשיר פלואורסצנציה חולף (LIFT) מושרה אור על רובוט שדה אוטונומי למדידת היעילות הקוונטית של פוטוסיסטם II (Fq'/Fm'), שהוכח כקשור היטב לביצועים הפוטוסינתטיים הכוללים. שיטת LIFT עושה שימוש בפלאשים תת-רוויים בקצב חזרה מהיר כדי לגרום לפלואורסצנציה מרבית, ומאפשרת מדידות בפחות מ-1 מילישניות ממרחק של עד 1 מטר. הרובוט נע במהירות של 0.5 מטר s-1, מנווט באופן אוטונומי בכל השדה בהתבסס על קואורדינטות מערכת ניווט לווייני גלובלית (GNSS). מדידות ספקטרליות ומצלמות סטריאו אדומות, ירוקות וכחולות (RGB) מספקות מידע נוסף על תכונות תלת-ממדיות (תלת-ממדיות) הקשורות לארכיטקטורת צמחים, כגון זווית העלה ועוצמת האור על העלה המטרה. מפות ברזולוציה מרחבית-זמנית גבוהה של יעילות פוטוסינתטית מספקות מידע מפורט על ביצועי הצמיחה של צמחים בניסויים בשדה אגרונומי או במשתלות רבייה של צמחים.
פוטוסינתזה מספקת לצמחים לא רק את בסיס האנרגיה לייצור ביומסה ולשמירה על חילוף החומרים שלהם, אלא גם לקיבוע חנקן (N) בקטניות1 ובתהליכים סימביוטיים אחרים2. פוטנציאל התפוקה של כל גידול תלוי באחוז קצב זרם הפוטונים הפוטוסינתטי (PPFR) שנקטע על ידי הכיסוי (εi), בשיעור הקרינה המשמשת בפועל לפוטוסינתזה ומומרת לביומסה (εc), ובחלק מאנרגיית הביומסה שמחולקת לתוצר שנקצר (εp)3. ניתן להגדיר את εp כשווה למדד הקציר (HI) אם האחרון מוגדר כביומסה של התוצר שנקטף חלקי סך הביומסה של הענף והשורש3. מאמצי הרבייה בעבר התמקדו בעיקר בהגדלת εi ו-ε c והצליחו מאוד בכך3: לדוגמה, גנוטיפים מודרניים של דגנים וקטניות דגנים יכולים להגיע ל-εi בסדר גודל של 90% ו-HI בסדר גודל של 60%3,4, מה שמשאיר סיכוי מועט להגדיל את εi ו-εp3, 5. לעומת זאת, ערכי εc שנצפו בגידולי C3 ו-C4 עדיין לעיתים רחוקות עולים על שליש מהמקסימום התיאורטי של 9.4% ו-12.3%, בהתאמה. דבר זה מצביע על פוטנציאל גדול להגדיל עוד יותר את פריון הגידולים אם ניתן להגדיל את εc באמצעות בחירה המבוססת על שונות גנטית טבעית ו/או אופטימיזציה ממוקדת של מרכיבי מערכת הפוטוסינתזה, כגון האנזים ריבולוז-1,5-ביספוספט קרבוקסילאז/אוקסיגנאז (RuBisCO), באמצעות הנדסה גנטית 3,5,6,7. עם זאת, הוכח ש-i) יעילות הפוטוסינתטית דינמית מאוד בתנאי שדה, כאשר הצמחים מסתגלים כל הזמן לשינויים באור ולמשתנים סביבתיים אחרים 8,9 ii) תכונות פוטוסינתטיות הנמדדות בתנאי מצב יציב (למשל, בתאי גידול פנימיים עם תאורה מלאכותית10) מראות דפוסי תורשה שונים מהפוטוסינתזה הלא-יציבה שנצפתה בשדה11. דבר זה מגביל את השימושיות של פנוטיפ פוטוסינתזה פנימי לבחירת גנוטיפים בעלי תפוקה גבוהה יותר של גידולי מזון בסיסיים, אשר בפועל גדלים בדרך כלל בחוץ בשדה. כתוצאה מכך, קשה לבצע בחירה ממוקדת לתכונות פוטוסינתטיות אלא אם כן קיימים נתונים ברזולוציה מרחבית וזמנית גבוהה ממספר רב של גנוטיפים של גידולים 6,12.
ניסיונות קודמים לבצע מדידות לא הרסניות של פוטוסינתזה בשטח הסתמכו בעיקר על מכשירי מדידה ניידים של חילוף גזים 13,14,15 או מודולציית פלואורסצנציה מסוג פולס-אמפליטודה (PAM) (ChlF)16,17. לגישות אלו יש את החיסרון המשותף בכך שהשאריות שעליהם יש לבצע את המדידות צריכות להיות מחוברות ידנית או למקם אותן בתא מדידה18,19. יתרה מזאת, מדידות חילוף גזים בשדה לוקחות מספר דקות כדי להבטיח שיווי משקל בתא המדידה. דבר זה הופך את המדידות למייגעות ואיטיות, מה שיוצר קושי רב להשיג קצב תפוקה מספקת לחקר ויסות פוטוסינתטי בתנאים משתנים בכלל, ובמיוחד לצורך סקר משמעותי של מאות ואף אלפי גנוטיפים בתוכניות רבייה19. בדומה למכשירי המדידה PAM ChlF17 שהוזכרו קודם, שיטת LIFT (LIFT) הזורמת על ידי אור עושה שימוש בעובדות ש-i) אנרגיית אור שמגיעה לכלורופיל במערכת הפוטוסימה II (PS II) יכולה לשמש לפוטוסינתזה, לפזר אותה כחום בתהליך הנקרא כיבוי לא-פוטוכימי (NPQ) או על ידי ChlF ו-ii) חסימת מסלול הפוטוסינתזה על ידי רוויה מפולס אור חזק שמוביל להפחתת קולטי אלקטרונים במורד PS II תגרום לעלייה מקבילה ב-ChlF. בהתבסס על משתנה ChlF מושרה זה, ניתן לחשב את היעילות הקוונטית הפוטוסינתטית של PS II (Fq'/Fm') בתנאי אור סביבתיים או את היעילות הקוונטית המרבית של PS II (Fv/Fm) אם העלים נשמרו בחושך לפני המדידות.
הפרמטר Fv/Fm נקבע בתחילת שנות ה-80 על ידי קיטאג'ימה ובאטלר21, באטלר22, וביורקמן ודמיג23, שדיווחו על ערך אופטימלי של ≈ 0.83 בעלים לא מתוחים במינים מגוונים. הפיתוח של Fq'/Fm' (ΦPS II) כאבחון לביצועים פוטוסינתטיים החל עם גנטי ואח' 24, שהראו את הקשר כמעט ליניארי עם הטמעת CO2 בתנאים ללא מתח. מקסוול וג'ונסון25 ובייקר26 סיפקו מאוחר יותר מסגרת מעשית ליישום Fq'/Fm', Fv/Fm ו-NPQ, והדגישו את רגישותם ללחץ סביבתי ואת ערכם בזיהוי תסמיני נזק כגון פוטואינבישיה. מרצ'י ולוסון, בן 27, הדגישו את הפוטנציאל (והמגבלות) של Fq'/Fm' לפנוטיפינג שדה ושיפור גידולים. לאחרונה, לונג ואח' הדגישו כי פוטוסינתזה בגידולים מתרחשת תחת אור משתנה, כאשר שינויים דינמיים ביעילות PS II ובוויסות NPQ משפיעים מאוד על רווח הפחמן, מה שמדגיש את הצורך לפרש פרמטרים של פלואורסצנציה ביחס לשונות סביבתית זמנית.
כפי שנאמר כברבפרק 28, Fq'/Fm' שנמדדה עם חיישן LIFT נייח תואמת היטב למדידות קצב ההטמעה של PAM (R2 = 0.89) ו-CO2 (R2 = 0.89)29,30,31. בהתאם לכך, מודל תגובות Fq'/F m' בעונות השדה הוכח כמאפשר תחזיות טובות של εc, פריון גידול12,32 וסבילות ללחץ33. עם זאת, מכשירי המדידה ChlF מסוג PAM משתמשים בהבזק אור יחיד (פולס רוויה) כדי לעכב את מסלול הפוטוסינתזה ובהבזקים חלשים יותר למדידת פולס המינימלי והמקסימלי של ChlF, שלוקח כ-1 שנייה בסך הכל ולכן אינו מתאים לתפוקה גבוהה מאוד. לעומת זאת, חיישן LIFT מייצר רצף מהיר של 300 פלאסלטים בעוצמה גבוהה (עם 40,000 מיקרומול פוטונים m-2 s-1) להשגת רוויה הדרגתית של מסלול הפוטוסינתזה בטווח של 750 מיקרו-שניות (= 0.00075 שניות), בעוד שהתפוקה של ChlF נמדדת באופן דיסקרטישל 20. דבר זה מאפשר מרחק גדול יותר בין מכשיר המדידה לעלה19 היעד ומאפשר מדידות מהירות ובעלות תפוקה גבוהה באמצעות רכב נושא אוטונומי שעליו החיישן מותקן בקשיחות32. מחקרים קודמים (למשל, 32) היו לעיתים מוגבלים בתפוקה בתנאי שטח או מוגבלים לניסויים בבתי זכוכית. למרות שגישות אלו הצליחו לזהות גנים מועמדים לוויסות פוטוסינתטי12, סביר להניח שפספסו תהליכים רגולטוריים חשובים המתרחשים בתנאי שדה. לכן, אנו משערים שחיישן LIFT המותקן על רובוט אוטונומי מהווה כלי מתאים למדידת Fq'/Fm' של מספר גדול של גנוטיפים (מספר מדידות בשנייה על אלפי צמחים או חלקות ביום) בשטח.
1. הגדרת חיישן PPFR ומכשיר ה-Data Logger
2. הגדרת הרובוט ומכלול חיישן ה-LIFT
3. ביצוע מדידות LIFT
4. אינטגרציה ועיבוד מוקדם של נתונים
הערה: קוד ה-R זמין ב-GitHub (https://github.com/beat2keller/lift_data_processing)

בסך הכל, נאספו 91,205 מדידות חולפות של ChlF של 36 קווי גידול סויה (Glycine max (L.) Merr.) ב-7 ימי מדידה בין 12 ל-27 ביוני 2025. 74,927 נקודות נתונים יכלו להיות גיאופרנס לגרפים, ו-58,916 סוננו לאיכות הנתונים והותאמו בהצלחה לנתוני ספקטרום ומזג אוויר. סקירה של מערכת המדידה והנתונים המייצגים מוצגת באיור 1, כולל תמונה של המכשיר בפעולה (איור 1A), קינטיקה של השראה של ChlF על פני 12 גנוטיפים של סויה (איור 1B), ועקומות החזרה ספקטרליות תואמות (איור 1C).
הנתונים שגאו-רפרנס חשפו שונות מרחבית בולטת הן ב-Fq'/F m' והן ב-NDVI בשני שדות הניסוי (איור 2). דפוסים מרחביים אלו היו קשורים חלקית לכיוון הנהיגה של הרובוט (איור 3), ולכן נלקח בחשבון במודלים הבאים כדי להפחית את ההשפעות הפוטנציאליות של הצללה על עלי המטרה.
מודלים ליניאריים של השפעות מעורבות של תגובות Fq'/Fm' ל-PPFR הפגיעה (איור 4A) הסבירו חלק משמעותי מהשונות (R
= 0.45, R
= 0.60). המדרונות הספציפיים לגנוטיפ שהופקו (תגובה G: PPFR) הראו הבדלים ברורים בין קווי הרבייה (איור 4B), כאשר כמה קווים הציגו עקומות תגובה תלולות או שטוחות יותר בהשוואה לממוצע הפאנל (איור 4C).
לבסוף, שחזורים תלת-ממדיים ברמת החופה שמקורם בהדמיית RGB ואלגוריתם Matching And Stereo 3D Reconstruction (MASt3R)36 (איור 5) הראו את הפוטנציאל של שילוב מדידות פיזיולוגיות מבוססות LIFT עם פנוטיפינג מבני ללכידת ארכיטקטורת החופה בתלת-ממד.

איור 1: סקירה של מדידות פלואורסצנציה חולפת (LIFT) והחזרה ספקטרלית לגנוטיפים של סויה. (A) דוגמה לתמונה של מכשיר LIFT בפעולה. הכניסה מראה את קרן העירור הכחולה שמעוררת פלואורסצנציה של כלורופיל (ChlF). (B) עקומות השראה חולפות של ChlF שנמדדו ב-27 ביוני 2025 עבור 12 גנוטיפים של סויה (ממוצע ± SD, n בין 88 ל-553 לכל גנוטיפ, n בסך הכל = 2,035). (C) ספקטרות החזרת עלים תואמות שנמדדו ב-25 ביוני 2025 עבור אותם גנוטיפים (ממוצע ±SE, n סך הכל = 2,035). הצבעים מציינים גנוטיפים בודדים; פסי השגיאה מייצגים שונות בין מדידות שכפולות. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

איור 2: התפלגות מרחבית של יעילות קוונטית של ערכי הפוטוסיסטם II וערכי מדד הצמחייה המנורמלים (NDVI). ההתפלגות המרחבית של יעילות קוונטית (עליונה) של ערכי מדד הצמחייה (NDVI) של מערכת הפוטוסיסטמה II (F q'/Fm') ו(תחתונה) עם הפרש מדד צמחייה (NDVI) נמדדה בשני שדות סויה ניסיוניים שכללו 120 גרפים ו-36 קווי רבייה (n = 58,916). נקודות מייצגות מיקומי מדידה, כאשר צבעים מציינים את הערך הנצפה וצורות מציינות את כיוון הכיוון של הרובוט: צפון-מערב (צפון-מערב), צפון-מזרח (צפון-מזרח), דרום-מערב (דרום-מערב), ודרום-מזרח (דרום-מזרח). קווים שחורים מגדירים את גבולות גרף השדה. נקודות שחורות מייצגות את קואורדינטות מערכת הניווט הלווייני הגלובלית (GNSS) של רובוט השדה. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

איור 3: יעילות קוונטית של פוטוסיסטם II. תרשימי קופסאות מראים את היעילות הקוונטית של מערכת הפוטוסיסטמה II (Fq'/Fm') ואת הלוגריתם של הקרינה הנכנסת ב-680 ננומטר לאורך שעות מדידה (9 - 15 שעות) הן לכיוון הכיוון של הכיוון של הכיוון לכיוון צפון-מזרח (צפון-מזרח) והן לכיוון דרום-מערב (דרום-מערב) (nצפון-מזרח = 14,339, nדרום-מזרח = 25,669, n סך הכל = 40,008). הרובוט הצל על נקודת המדידה בזמן שנסע לכיוון דרום-מערב בבוקר ולצפון-מזרח בצהריים. כל תיבה מייצגת את טווח הרבעון (IQR) כאשר הקו האופקי והשפמים מציינים את הגבול החציוני ו-1.5 × IQR, בהתאמה. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

איור 4: שיפועי תגובה פוטוסינתטיים. (A) שונות מרחבית בשיפועי תגובה פוטוסינתטיים מוערכים (אינטראקציה בין גנוטיפ לקצב זרימת פוטונים פוטוסינתטיים (G: PPFR)) בשני שדות ניסוי סויה, שמקורם במידול לינארי מעורב אפקטים. (ב) ממוצעים מותאמים ומדרונות תגובה פוטוסינתטיים מוערכים על ידי מודלים עבור קווי רבייה בודדים, עם דגשות גנוטיפים מעניינים המוצגים בצבע. (ג) הקשר בין PPFR הנכנס ליעילות הקוונטית של פוטוסיסטם II (Fq'/Fm') עבור הגנוטיפים המודגשים, עם עקומות רגרסיה ריבועיות מותאמות. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

איור 5: מדידת ארכיטקטורת החופה באמצעות LIFT. הארכיטקטורה של חופת הסויה גאלק מוצגת. (א) מצלמות האדומות, הירוקות והכחולות (RGB) של מכשיר הפלואורסצנציה החולף (LIFT) צילמו תמונות במהלך סינון לפוטוסינתזה. (B, C) אלגוריתם ההתאמה והשחזור התלת-ממדי הסטריאו (MASt3R)36 שימש לשחזור ארכיטקטורת החופה התלת-ממדית. הפירמידות מציינות מיקומי מצלמות משוערים. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.
קצב התפוקה של השיטה
שיטת LIFT מאפשרת מרחק מדידה גדול בהרבה בין החיישן לעלים המטרה לעומת מכשירי מדידת CHLF מסוג PAM18,19 קודמים, מה שמאפשר מדידות אוטומטיות במהירות גבוהה הן בשטח והן בסביבה פנימית 12,32,37. דבר זה מבטל את הצורך באינטראקציה פיזית עם הקנופי. קצב התנועה של השיטה עולה עם מהירות הנהיגה של הרובוט. כדי להבטיח מדידה מדויקת של תפוקת ChlF לאורך זמן, המרחק שנעבר במדידת Fq'/Fמ' חייב להישאר זניח לעומת קוטר השטח המואר (20 מ"מ עבור חיישן LIFT). כאשר הרובוט נע במהלך ההתרגשות, הנקודה המוארת גם היא זזה, כך שהתפוקה של ChlF לכל פלאסלט יורדת, ובסופו של דבר גורמת להערכות שגויות של Fm' ו-Fq'/Fm' במהירויות מופרזות. במהירות רובוט של 0.5 מ' s-1, רק כ-2.4% מהשטח שהודלק על ידי פלאש הגירוי האחרון לא הואר כבר על ידי פלאש העירור הראשון, מה שאומר ששגיאת המדידה השיטתית ב-Fm' הנובעת מתנועת הרובוט תהיה זניחה מספרית (חישוב מלא ב-GitHub, https://github.com/beat2keller/lift_data_processing). במהירות של 0.5 מ' s-1, מדדנו 300 חלקות (1.5 × 2 מ') לשעה בשדה של 40 × 36 מטר, המקביל לכמה אלפי חלקות ביום. יתרה מזאת, המשקל הכולל הנמוך יחסית (200 ק"ג) והממדים הקומפקטיים של מערכת המדידה שלנו מאפשרים הובלה בכלי רכב קלים, ומאפשרים ניסויים מרובי אתרים להערכת יעילות פוטוסינתטית בסביבות38.
פוטוסינתזה בין עלים לעומת חופה
מדידות LIFT בשיטה זו מוגבלות מרחבית לשכבה העליונה והזורמת של החופה, שאחראית לכ-50% עד 70% מסך הפוטוסינתזה39. יתרה מזאת, כמות האור שכל עלה יכול לספוג תלויה באופן קריטי בזוויתו ביחס לשמש, כאשר עלים אנכיים יותר בדרך כלל מגדילים את מדד שטח העלה, משפרים את חדירת האור ופוטוסינתזה של חופת העל. באמצעות מכלול חיישן LIFT בשיטה זו, ניתן למודל השפעות ארכיטקטורת חופה תלת-ממדית על פוטוסינתזה חד-עלתית או חופה שלמה באמצעות מדידות ההחזרה מהספקטרומטר28 ו/או שחזור מפורש של גאומטריית החופה התלת-ממדית42 בהתבסס על תמונות מערכת מצלמות הסטריאו RGB. אלגוריתמים חדשים, כמו MASt3R36, לומדים התאמות תכונות צפופות ומודעות לגאומטריה באמצעות שנאים עמוקים, ומאפשרים שחזור תלת-ממדי עמיד ומדויק יותר באזורים רחבים או חזרתיים. עם זאת, גם ללא תיקונים נוספים כאלה, הוכחה היעילות של שיטות אוטומטיות ובעלות תפוקה גבוהה, כמו LIFT, לזיהוי זני גידולים פוריים ועמידים יותר11,43.
הגבלת השקע
הגבלת הניקוז, כלומר ירידה פעילה בוויסות הפוטוסינתזה עקב חוסר יכולת הצמח להשתמש בכמות הפוטוסינתזה שהוא יכול לייצר44.45, יכולה להסתיר הבדלים ב-εC בין הגנוטיפים. הפחתת ויסות הפוטוסינתזה המוגבלת בשקיעה ככל הנראה מתעצמת עם עלייה בריכוזCO2 באטמוספרה. השיטה שלנו יכולה לזהות מגבלת משקע רק כאשר היא מובילה לירידה גם ב-Fq'/Fm'; יש סימנים לכך שזה אכן יכול לקרות46. בכל מקרה, הרלוונטיות של מגבלת המאגר נראית תלויה מאוד בשלב הגידול ובשלב ההתפתחות, כאשר חיטה במהלך מילוי הדגנים מושפעת הרבה יותר מקטניות דגן45, שכן קיבוע החנקן הסימביוטי של האחרון מהווה מאגר נוסף חזק 1,44,46. אם מצופה שמגבלת המאגר תהיה בעלת חשיבות גבוהה בגידול מסוים בתקופה שבה מתבצעות מדידות LIFT, נדרשים מחקרים נוספים כדי להשוות את ערכי Fq'/Fm' המתקבלים לנתוני חילוף גז שנאספו בו-זמנית ולבדוק את תקפות ההנחה ש-Fq'/Fm' מהווה תחליף טוב ל-εc.
מרחק מדידה ושונות בגובה החופה
מכלול חיישן LIFT המשמש בשיטה זו תוכנן לבצע מדידות ממרחק של כ-60 ס"מ ועד לחופת הגידול32,47. חיישן ה-LIFT שבו משתמשים בשיטה עמיד יחסית מול הבדלים קלים במרחק מדידה, אך מרחק מדידה גדול יותר בדרך כלל גורם לערכים קטנים יותר של Fq'/Fm'47. כדי למנוע הטיה כזו, אנו ממליצים להשתמש בתגובה של Fq'/Fm' ל-PPFR (שהיא עמידה יותר לשינויים במרחק המדידה) במקום בערכים המוחלטים של Fq'/Fm' כמוב-12 ו//או כדי להתחשב במפורש בהבדלים בגובה הקנופי במהלך ניתוח הנתונים.
הצללה מלאכותית לא מכוונת של עלים
עוצמת אור מוגברת בדרך כלל מפחיתה את Fq'/F m'3,8,12. לכן, יש להימנע מהצללה מיותרת על ידי מפעילים או על ידי מערכת המדידה 3,8,12. כדי למזער הצללה מהרובוט, ניתן להגדיר את כיוון הנהיגה כך שימנע אותולחלוטין 32 (במחיר של ירידה בתפוקה עקב נסיעות חזרה לא פרודוקטיביות), או שניתן לבצע מדידות בכיוונים מתחלפים ואז לתקן סטטיסטית להשפעות הצללה. במחקר זה, המונח 'כותרת × שעה במודל הסטטיסטי של Fq'/Fm' (ראו שלב 4.3.10) מבטיח שהצללת העלים המטרה על ידי הרובוט תילקח בחשבון.
סיכום
לסיכום, חיישן LIFT המותקן על רובוט אוטונומי מאפשר מדידות מהירות ואוטומטיות של יעילות פוטוסינתטית בתנאי שדה, תוך התגברות על מגבלות התפוקה של גישות קודמות. בעוד שגורמים כמו מבנה החופה והגבלת הכיור דורשים התייחסות קפדנית, התוצאות שלנו מראות כי סקרים פוטוסינתזה אמינים וניתנים להרחבה בניסויים בשטח אגרונומי ובמשתלות רבייה של צמחים הם אפשריים. השילוב של מערכת מצלמות RGB סטריאו ברזולוציה גבוהה וה-LIFT כחיישן נקודתי יאפשר שיפור נוסף בדיוק: מיקום תלת-ממדי מונע בינה מלאכותית של עלים יאפשר דגימה של עלים עם כיוון דומה לשמש והתחשבות בנטייה ייחודית לגנוטיפ. מנקודת מבט מחקרית, עשוי להיות מעניין במיוחד להשוות את הפוטוסינתזה של גנוטיפים עם ארכיטקטורה משתנה של חופה ולבצע מדידות LIFT במהירות גבוהה תחת העשרתCO2 באוויר חופשי (FACE) כדי להבין טוב יותר כיצד Fq'/Fm' מושפע מתהליכים במורד PS II בתנאי שדה ומגבלות פוטנציאליות בשקיעה. ביישום מעשי, סינון לביצועים פוטוסינתטיים וסבילות ללחץ במשתלות רבייה עד לשדה החקלאי ליישומים חקלאים מדויקים טומן בחובו פוטנציאל רב.
הרובוט ששימש במחקר זה פותח על ידי Caterra AG, חברה שמקורה בקבוצת המחקר ETH Zurich Crop Science, אליה משתייכים רוב מחברי המאמר הנוכחי. עם זאת, המחברים אינם מעורבים ישירות בפיתוח הרובוט ומצהירים שאין להם אינטרסים מתחרים נוספים.
אנו מודים ל-Caterra AG על מתן שלדת הרובוט, התמיכה הטכנית הנלווית וסיוע בהמרה למדידות שלנו. אנו מודים לניקולה סטורני מקבוצת המחקר למדעי הגידולים של המכון הפדרלי השווייצרי לטכנולוגיה בציריך על תמיכתו בהקמת מערכת רישום מיקום GNSS על הרובוט. תודה מיוחדת לכריסטוף ברנדרגט מ-DSP Delley Seeds ולקלוד-אלן בטריקס מ-Agroscope על מתן חומרי צמחים מהשותפות Agroscope/DSP לניסויים במסגרת פרויקט PhenoSoy, שמומן על ידי המשרד הפדרלי לחקלאות (FOAG). השיטה פותחה במסגרת הפרויקט "הגברת הקיימות ויעילות השימוש בחנקן" על ידי שיפור האפונה לסבב גידולים (ECOPRot), במימון מרכז מערכת המזון העולמית של ETH באמצעות תרומה מ-Bayer AG ופרס זרעי קריירה של ETH ציריך. מודלים גדולים שימשו חלקית לסיוע בקידוד וניסוח. כל התוצרים נבדקו, אומתו וסופיו על ידי המחברים.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| חצובת מצלמה | - | - | כל סוג שבו חיישן PPFR יכול להיות מותקן אופקית יספיק. |
| סוללת רכב (12V / 80 Ah) | מרצדס-בנץ Group AG, שטוטגרט, גרמניה | A 001 982 81 08 | - |
| Data Logger | HOBO Data Loggers, בורן, ארה"ב | תחנת HOBO U30, https://www.hobodataloggers.com.au/product/hobo-u30-usb-stand-alone-data-logger/ | - |
| לקוח Data Logger Desktop | Onset Computer Corporation, מסצ'וסטס, ארה"ב | HOBOware גרסה 3.7.28, https://www.onsetcomp.com/support/help-center/software/hoboware | - |
| ערכת אנטנה GNSS | ArduSimple, Andorra la Vella, Andorra | AS-STARTKIT-LR-L1L2-EUNH-00 | - |
| לקוח שולחני GNSS Logger | U-blox AG, ת'לוויל, שווייץ | u-center GNSS, [sic] תוכנת הערכה גרסה 25.03, https://content.u-blox.com/sites/default/files/documents/u-center-25.03_ReleaseNote_UBXDOC-304424225-19688.pdf | - |
| מחשב נייד | - | - | כל מחשב נייד שמריץ גרסת Windows (Microsoft Corporation, Redmond, ארה"ב) התואמת ללקוחות שולחן העבודה GNSS ו-Data Logger יעבוד. |
| לקוח שולחני להרכבת חיישן LIFT | Soliense Inc., ניו יורק, ארה"ב | גרסה 2016.04 | - |
| מכלול חיישן LIFT (כולל מתאם רשת 240 וולט) | Soliense Inc., ניו יורק, ארה"ב | LIFT-REM | בנוסף לחיישן LIFT עצמו, מכלול חיישן LIFT כולל מערכת מצלמת סטריאו RGB המורכבת משתי מצלמות Blackfly S BFS-U3-50S5C שסופקו על ידי FLIR Integrated Imaging Solutions Inc. (קולומביה הבריטית, קנדה) [כיום Teledyne FLIR LLC, וילסונוויל, ארה"ב] וספקטרומטר 400 עד 800 ננומטר ברזולוציה של 0.46 ננומטר שסופקו על ידי Ocean Insight. [עכשיו אוקיינוס אופטיקס] (אורלנדו, ארה"ב). הרובוט מודד ואסימפ; 170 פעמים; 210 פעמים; 90 ס"מ (אורך וכפול; רוחב וכפול גובה) ומשקל; 170 ק"ג. מכלול חיישן ה-LIFT מודד ואסימפ; 23 & פעמים; 34 & פעמים; 59 ס"מ (אורך &פעם; רוחב וכפול גובה, כפי שמותקן על הרובוט). |
| ממיר חשמל (12 וולט DC עד 240 וולט, 50 הרץ AC) | גרין סל CSG S.A., קרקוב, פולין | INV08 | - |
| פאוורבנק | - | - | כל Powerbank USB יעבוד. |
| חיישן PPFR | הובו / לי-קור, לינקולן, ארה"ב | S-LIA-M003 | - |
| אתר Robot Control | Caterra AG, אופפיקון, שווייץ | - | הקישור מסופק על ידי יצרן הרובוט בנפרד לכל לקוח. |
| אב-טיפוס של שלדת רובוט (כולל שלט רחוק ומטען סוללה ראשי של 240 וולט ) | Caterra AG, אופפיקון, שווייץ | Firefly (אב-טיפוס, לא משווק), https://caterra.org/en/technologie/ | כל רובוט שדה אחר עם קיבולת מטען מתאימה, רוחב מסילה ומרווח קרקע מתאים יכול להתאים. |
| לוח ייחוס לבן | - | - | כל רפרנס לבן או אפור יספיק. |