Tutaj prezentujemy szczegółowe instrukcje, jak budować i kalibrować testowe ceptometry jakości (czujniki światła, które integrują natężenie światła z wielu czujników ułożonych liniowo wzdłuż poziomego paska).
Artykuł metodologiczny
PARbars: tanie, łatwe w budowie ceptometry do ciągłego pomiaru przechwytywania światła w koronach roślin
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Ceptometria to technika używana do pomiaru transmitancji aktywnego fotosyntetycznie promieniowania przez baldachim rośliny za pomocą wielu czujników światła połączonych równolegle na długim pręcie. Ceptometria jest często wykorzystywana do wnioskowania o właściwościach struktury koron drzew i przechwytywania światła, w szczególności wskaźnika powierzchni liści (LAI) i wskaźnika efektywnej powierzchni roślin (PAIeff). Ze względu na wysoki koszt dostępnych na rynku ceptometrów, liczba pomiarów, które można wykonać, jest często ograniczona przestrzennie i czasowo. Ogranicza to przydatność ceptometrii do badania zmienności genetycznej w przechwytywaniu światła i wyklucza dokładną analizę i korektę błędów, które mogą zniekształcać pomiary w zależności od pory dnia. Opracowaliśmy ceptometry rejestrujące w sposób ciągły (zwane PARbars), które mogą być produkowane za 75 USD za sztukę i dostarczają wysokiej jakości danych porównywalnych z dostępnymi na rynku alternatywami. W tym miejscu podajemy szczegółową instrukcję, jak budować i kalibrować PARbars, jak rozmieszczać je w terenie i jak oszacować PAI na podstawie zebranych danych transmitancyjnych. Przedstawiamy reprezentatywne wyniki z baldachimów pszennych i omawiamy dalsze kwestie, które należy wziąć pod uwagę przy stosowaniu PARbars.
Wprowadzenie
Ceptometry (liniowe układy czujników światła) są używane do pomiaru proporcji aktywnego fotosyntetycznie promieniowania (PAR) przechwyconego przez korony roślin. Ceptometry są szeroko stosowane w badaniach upraw rolnych ze względu na stosunkowo prosty charakter pomiarów i prostotę interpretacji danych. Podstawową zasadą ceptometrii jest to, że przepuszczalność światła do podstawy baldachimu rośliny (τ) zależy od rzutowanego obszaru materiałów pochłaniających światło powyżej. Pomiary PAR powyżej i poniżej baldachimu mogą być zatem wykorzystane do oszacowania cech baldachimu, takich jak wskaźnik powierzchni liści (LAI) i efektywny wskaźnik powierzchni roślin (PAIeff) (który oprócz liści obejmuje łodygi, łodygi i struktury rozrodcze)1,2,3. Wiarygodność oszacowańPAI eff wywnioskowanych z τ została poprawiona poprzez modelowanie wpływu frakcji wiązki nadchodzącego PAR (fb), absorpcji liści (a) i efektywnego współczynnika wygaszania koron drzew (K); K z kolei zależy zarówno od kąta zenitalnego nasłonecznienia (θ), jak i rozkładu kąta nachylenia liścia (χ)1,4,5,6. Powszechną praktyką jest korygowanie tych efektów. Istnieją jednak inne uprzedzenia, które w przeszłości nie były należycie brane pod uwagę ze względu na ograniczenia metodologiczne i kosztowe.
Niedawno zidentyfikowaliśmy znaczące odchylenie zależne od czasu w pomiarach ceptometrycznych chwilowych upraw rzędowych, takich jak pszenica i jęczmień7. To odchylenie jest spowodowane interakcją między orientacją sadzenia rzędów a kątem zenitalnym nasłonecznienia. Aby przezwyciężyć to odchylenie, w terenie można zamontować ceptometry rejestrujące w sposób ciągły w celu monitorowania dobowych cykli przechwytywania światła w koronach drzew, a następnie można obliczyć średnie dzienne τ iPAI eff. Jednak ciągłe pomiary są często niewykonalne ze względu na zbyt wysoki koszt dostępnych na rynku ceptometrów – często kilka tysięcy dolarów amerykańskich za pojedynczy instrument – oraz wymóg pomiarów wielu wykresów terenowych. To ostatnie jest szczególnie widoczne w erze -omicznej><, gdzie do analiz genomicznych, takich jak badania asocjacyjne całego genomu (GWAS) i selekcja genomowa (GS) wymagana jest setki genotypów. Uznaliśmy, że istnieje zapotrzebowanie na opłacalne ceptometry, które mogą być produkowane w dużych ilościach i mogą być wykorzystywane do ciągłych pomiarów w wielu genotypach.
Jako rozwiązanie, zaprojektowaliśmy łatwe do zbudowania, bardzo dokładne ceptometry (PARbars) za cenę 75 USD za jednostkę i wymagające około godziny pracy na budowę. Pręty PAR są zbudowane przy użyciu 50 fotodiod, które są czułe tylko w paśmie fal PAR (długości fal 390 – 700 nm), z bardzo małą czułością poza tym zakresem, co eliminuje stosowanie kosztownych filtrów. Fotodiody są połączone równolegle na długości 1 m, aby wytworzyć zintegrowany sygnał różnicy napięć, który można zarejestrować za pomocą rejestratora danych. Obwody są pokryte żywicą epoksydową w celu zapewnienia wodoodporności, a czujniki działają w szerokim zakresie temperatur (od -40 do +80 °C), co pozwala na rozmieszczenie prętów PAR w terenie przez dłuższy czas. Z wyjątkiem fotodiod i rezystora o niskim współczynniku temperaturowym, wszystkie części potrzebne do budowy PARbar można kupić w sklepie z narzędziami. Pełna lista wymaganych części i narzędzi znajduje się w Tabeli Materiałów. W tym miejscu przedstawiamy szczegółową instrukcję, jak zbudować i wykorzystać PARbary do szacowaniaeff PAI oraz przedstawiamy reprezentatywne wyniki z koron drzew pszennych.
Protokół
1. Budowa i kalibracja pasków PAR (PARbars)
- Przygotuj wszystkie części i narzędzia niezbędne do montażu w czystym obszarze roboczym.
- Wywierć otwór o średnicy 4 mm w odległości 20 mm od każdego końca białej akrylowej pręta dyfuzyjnego (długość 1 200 mm x szerokość 30 mm x grubość 4,5 mm). Wywierć i nagwintuj otwory w odległości 20 mm od każdego końca sekcji aluminiowego profilu U, aby przymocować dyfuzor. Wywierć i nagwintuj otwory dopasowane do elementów montażowych (np. płyty montażowej do statywu).
- Przygotuj 1,25 m odsłoniętego drutu miedzianego (średnica 1,25 mm). Jeśli drut był na rolce, wyprostuj go, mocując jeden koniec w imadle lub zacisku, a drugi w uchwycie wiertarki ręcznej, a następnie uruchom wiertarkę na niskich obrotach (100-200 rpm). Powtórz czynność z drugim odcinkiem 1,25 m odsłoniętego drutu miedzianego.
- Zaznacz planowane miejsca rozmieszczenia fotodiod wzdłuż krawędzi dyfuzora za pomocą cienkopisowego markera permanentnego, zaczynając od pierwszej pozycji fotodiody w odległości 13,5 cm od jednego końca dyfuzora; kolejne pozycje wyznacz co 2 cm między pierwszą diodą a przeciwległym końcem dyfuzora.
- Zaznacz pozycję pierwszego drutu miedzianego na dyfuzorze, centrując jedną fotodiodę na pręcie dyfuzyjnym tak, aby jej wyprowadzenia elektryczne były skierowane w stronę boków pręta, umieszczając drut pod jednym z wyprowadzeń i zaznaczając lokalizację drutu.
- Powtórz poprzedni krok, aby zaznaczyć pozycję drutu w centrum oraz na przeciwległym końcu pręta.
- Użyj kleju cyjanoakrylowego, aby przykleić pierwszy wyprostowany drut miedziany do dyfuzora, wykorzystując zaznaczone w poprzednim kroku miejsca do wyrównania drutu.
- Użyj kleju cyjanoakrylowego, aby przykleić 50 fotodiod stroną aktywną do dołu wzdłuż dyfuzora w odstępach 20 mm (zgodnie z oznaczeniami z poprzedniego kroku), upewniając się, że znajdują się one w centrum dyfuzora i że wszystkie są ułożone w tej samej orientacji, tak aby duże wyprowadzenie spoczywało na drucie miedzianym, a małe wyprowadzenie znajdowało się po przeciwnej stronie.
- Ułóż drugi drut miedziany tak, aby znajdował się pod każdym z mniejszych wyprowadzeń fotodiod, a następnie przyklej drut do dyfuzora klejem cyjanoakrylowym.
- Zwilż oba wyprowadzenia jednej fotodiody, a także sąsiednie i znajdujące się pod nimi druty, topnikiem za pomocą pisaka do topnika. Przylutuj każde wyprowadzenie diody do podkładających je drutów miedzianych, używając lutownicy z cienką końcówką w temperaturze około 350-400 oC. Sprawdź połączenia lutownicze, kierując światło na fotodiodę i sprawdzając sygnał napięcia na drutach za pomocą multimetru. Powtórz ten krok dla wszystkich 50 fotodiod.
UWAGA: Krok 1.7 jest opcjonalny (jeśli rezystor nie zostanie wlutowany do PARbar, można go później podłączyć równolegle do wejść sygnałowych PARbar w rejestratorze danych). - Wlutuj precyzyjny rezystor 1,5 Ω o niskim współczynniku temperaturowym równolegle pomiędzy druty miedziane.
- Przylutuj męską końcówkę wodoodpornego złącza DC do końców drutów miedzianych (do tych samych końców, do których wlutowano rezystor, jeśli wykonano opcjonalny krok 1.7), a następnie zabezpiecz połączenia za pomocą klejonej rurki termokurczliwej.
- Utwórz ciągłą barierę silikonową wokół układu na dyfuzorze, aby stworzyć szczelną studnię, nakładając pasek uszczelniacza silikonowego na powierzchnię dyfuzora, blisko krawędzi. Dokładnie obejrzyj pasek, aby upewnić się, że między silikonem a prętem dyfuzyjnym nie pozostały pęcherzyki powietrza, ponieważ szczeliny mogą spowodować wyciek epoksydy. Po utwardzeniu uszczelniacza wypełnij studnię żywicą epoksydową.
- Gdy żywica epoksydowa stwardnieje (przez noc), usuń uszczelniacz silikonowy za pomocą żyletki. Przykręć dyfuzor do wcześniej nagwintowanego aluminiowego profilu U za pomocą śrub M4.
- Użyj taśmy malarskiej, aby przymocować dyfuzor do aluminium na całej jego długości, a następnie wypełnij pustą przestrzeń wewnątrz ceptometru pianką poliuretanową. Po zastygnięciu pianki (przez noc) usuń taśmę malarską.
- Przylutuj żeńską końcówkę złącza DC do odcinka kabla dwużyłowego i zabezpiecz połączenia klejoną rurką termokurczliwą.
- Aby skalibrować PARbar względem czujnika kwantowego:
- Podłącz oba czujniki do rejestratora danych lub woltomierza zdolnego do pomiaru różnicowego napięcia wyjściowego (podłącz rezystor 1,5 Ω o niskim współczynniku temperaturowym równolegle do PARbar, jeśli rezystor nie został zintegrowany z konstrukcją w kroku 1.7),
- Umieść je na zewnątrz w pełnym słońcu na płaszczyźnie poziomej (wypoziomuj za pomocą poziomicy), rejestruj wyjścia obu czujników w okresie, w którym promieniowanie słoneczne znacznie się zmienia, np. podczas pełnego cyklu dobowego, i wyznacz współczynnik kalibracji dla PARbar jako nachylenie regresji liniowej PAR raportowanego przez czujnik kwantowy (jako zmienna zależna) względem surowego napięcia wyjściowego (jako zmienna niezależna).
2. Instalacja w terenie
- Aby wyznaczyć efektywny wskaźnik powierzchni roślin (PAIeff), zainstaluj jedną listwę PARbar powyżej okapy roślinności (upewniając się, że nie jest ona zacieniona przez żadne elementy absorbujące światło w obrębie okapy) oraz drugą poniżej wszystkich elementów absorbujących światło, których absorpcję chcesz zmierzyć (zazwyczaj poniżej najniższych liści), przy czym obie listwy PARbar powinny być ustawione pod kątem 45° do rzędów nasadzeń. Upewnij się, że górna listwa PARbar jest wypozycjonowana tak, aby nie zacieniać dolnej listwy PARbar. Wypoziomuj listwy PARbar za pomocą poziomicy.
- Podłącz listwy PARbar do rejestratora danych lub woltomierza za pomocą kabli wykonanych w kroku 1.11. Jeśli podczas konstrukcji (krok 1.7) w obwodzie PARbar nie zintegrowano precyzyjnego rezystora 1,5 Ω o niskim współczynniku temperaturowym, należy na tym etapie podłączyć taki rezystor równolegle do każdej listwy PARbar.
- Przelicz różnicowe napięcie wyjściowe na PAR, korzystając z czynnika kalibracyjnego określonego dla każdej listwy PARbar w kroku 1.13.
3. Oblicz efektywny wskaźnik powierzchni roślin (PAIeff)
- Oblicz PAIeff dla każdej pary pomiarów PAR powyżej i poniżej korony roślin za pomocą następujących równań6:
(1)
,
gdzie A = 0,283 + 0,0785a – 0,159a2 (przy czym a to absorpcja liścia), τ jest stosunkiem PAR poniżej do PAR powyżej korony, a K oraz fb są modelowane odpowiednio równaniem 24 i równaniem 39:
(2)
,
gdzie χ jest bezwymiarowym parametrem opisującym rozkład kąta liści, θ to kąt zenitalny słońca, a
(3)
,
gdzie r to PAR powyżej korony (PARabove) jako ułamek jego maksymalnej możliwej wartości (PARabove,max = 2550∙cosθ); tj. r = PARabove/PARabove,max. Wartości a i c odpowiednie dla gatunków badanych należy sprawdzić w literaturze (dla koron pszenicy użytych do pomiarów próbnych przedstawionych tutaj przyjęto a = 0,9 oraz c = 0,9610).
UWAGA: Przykładowy skrypt R został dostarczony jako plik uzupełniający, aby pomóc użytkownikom w opracowaniu kodu do zautomatyzowanego przetwarzania dużych zbiorów danych.
Wyniki
Schemat konstrukcji PARbar przedstawiono w Rycina 1Reprezentatywna krzywa kalibracyjna dla urządzenia PARbar została przedstawiona na Rycina 2Różnicowe napięcie wyjściowe PARbar jest liniowo proporcjonalne do wyjściowego PAR z czujnika kwantowego, przy czym R2 = 0,9998. Sensory PARbar rozmieszczono w okapach pszenicy i rejestrowano odczyty co 20 s przez cały okres rozwoju roślin. Typowy dobowy przebieg zmian oświetlenia w okapie, zarejestrowany za pomocą PARbar w pogodny, słoneczny dzień, przedstawiono w Rysunek 3 (surowe dane transmitancji i skorygowany PAI)eff zostały przedstawione w celu porównania). Ryciny 3b i 3c wykazanie błędu, który może zostać wprowadzony poprzez wykonywanie doraźnych pomiarów ceptometrycznych o różnych porach dnia (zgodnie z metodą Saltera) i wsp.. 20187). Działki pszenicy wykorzystane do zebrania tych danych miały orientację rzędów siewu w kierunku północ-południe, a transmisja światła do dolnych partii okapy osiągała maksimum o godzinie 12:30 (Rycina 3b). Gdyby w tym punkcie dokonano pomiaru chwilowego, PAIeff zostałoby niedoszacowane, podczas gdy pomiar wykonany rano lub po południu mógłby doprowadzić do przeszacowania. Odporne na warunki atmosferyczne sensory PARbars mogą być również wykorzystywane w terenie przez długie okresy czasu; Rysunek 4 pokazuje, w jaki sposób czujniki PARbars mogą być wykorzystywane do monitorowania zmian w środowisku świetlnym okapu w miarę rozwoju roślin.
Rysunek 1. Schematy budowy PARbar. (a) położenie i rozmieszczenie wodoodpornego złącza oraz wewnętrznego rezystora bocznikowego; (b) rozmieszczenie i odstępy między fotodiodami; (c) miejsca wiercenia w akrylowym dyfuzorze; (d) miejsca wiercenia w aluminiowym profilu U; oraz (e) schemat obwodu elektronicznego PARbar. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Rysunek 2. Reprezentatywna krzywa kalibracyjna PARbar. Zależność między różnicowym napięciem wyjściowym PARbar (mV) a gęstością strumienia fotonów fotosyntetycznych lub PAR (μmol m-2 s-1) z czujnika kwantowego. Każdy punkt reprezentuje pojedynczą parę pomiarów z PARbar i czujnika kwantowego, rejestrowanych co 20 sekund przez okres 4 godzin w ciągu jednego dnia. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Rysunek 3. Reprezentatywny dobowy przebieg pomiarów PARbar. Dane zebrane w pogodny dzień przy użyciu PARbars w koronach pszenicy w fazie antytezy w Canberze, Australia (-35°12'00.1008", 149°05'17.0988"). (a) PAR pomierzony nad koroną (μmol m-2 s-1), (b) niepoprawiona transmitancja (stosunek PARabove/PARbelow) (bezwymiarowa) oraz (c) efektywny indeks powierzchni roślin (PAIeff, m2 m-2), obliczony zgodnie z równaniem 1. Punkty danych przedstawione w (b) i (c) są średnimi (n = 30), linie ciągłe to lokalne regresje LOESS dopasowane w programie R (a = 0.5), obszary zacieniowane to błędy standardowe dopasowania, a przerywane linie poziome reprezentują średnie dobowe. Zacieniowany obszar między liniami kropkowanymi to okno czasowe (1100 – 1400h) zalecane przez CIMMYT11 do natychmiastowych pomiarów ceptometrem w pszenicy. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.
Rycina 4. Reprezentatywne dane zebrane w ciągu sezonu wegetacyjnego. Dane PARbar zebrane od wczesnego krzewienia do antytezy w koronach pszenicy w Canberrze, Australia (-35°12'00.1008", 149°05'17.0988"). (a) Niepoprawione dane transmitancji (bezwymiarowe) oraz (b) efektywny wskaźnik powierzchni roślin (PAIeff, m2 m-2) obliczony zgodnie z równaniem 1. Przedstawione punkty danych reprezentują średnie dzienne dla okresu 1,000 – 1,400h (n = 30). Linie ciągłe to lokalne regresje LOESS dopasowane w programie R (a = 0.75), obszary zacieniowane to błędy standardowe dopasowania. Surowe dane nie zostały uwzględnione w dalszej analizie, jeśli PARabove wynosiło < 1,500 µmol m-2 s-1 oraz jeśli PARbelow/PARabove wynosiło > 1. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Dyskusja
Pomyślne wdrożenie opisanego tutaj protokołu do budowy ceptometrów (PARbars) zależy najbardziej od dwóch kroków: 1,5 (przyklejenie fotodiod na miejscu) i 1,6 (przylutowanie fotodiod do drutu miedzianego). Krok 1.5 jest podatny na błędy spowodowane nieprawidłowym ustawieniem fotodiod w odniesieniu do ich wewnętrznej polaryzacji. W przypadku fotodiod, których użyliśmy i które polecamy jako niezbędne elementy specyficzne, polaryzacja jest identyfikowana na podstawie dwóch wypustek złącza elektrycznego na diodzie o wyraźnie różnych rozmiarach. Dlatego przed nałożeniem kleju cyjanoakrylowego i przylutowaniem fotodiod na miejscu, zdecydowanie zaleca się dwukrotne sprawdzenie, czy wszystkie diody są umieszczone tak, aby duże zaczepy złącza były skierowane w jednym kierunku, a małe wypustki w drugim kierunku. Krok 1.6 jest podatny na awarię z powodu złej techniki i tworzenia się zimnego złącza lutowanego. Można tego uniknąć, nakładając cienki topnik lutowniczy za pomocą pisaka do topnika bezpośrednio przed i upewniając się, że zarówno drut, jak i wypustka fotodiody są podgrzane końcówką lutowniczą (w temperaturze około 350-400 oC) przed nałożeniem samego na złącze. Problemy z połączeniami elektrycznymi w PARbar zazwyczaj objawiają się w postaci nachylenia kalibracji wyraźnie różniącego się od tych w innych PARbarach. Takie problemy można wykryć na wczesnym etapie, testując każde połączenie elektryczne podczas budowy (zgodnie z opisem w kroku 1.6) i ponownie po wszystkich połączeń, ale przed ich pokryciem żywicą epoksydową (krok 1.9). Trzecie potencjalne źródło błędu wynika z niezastosowania rezystora precyzyjnego o niskim współczynniku temperaturowym, którego rezystancja jest niewrażliwa na temperaturę; Użycie zwykłego rezystora spowoduje błąd, ponieważ rezystancja, a co za tym idzie napięcie wyjściowe na jednostkę światła pochłoniętego przez diody, zmienia się wraz z temperaturą otoczenia. Ostatnie główne źródło błędu nie jest unikalne dla PARbars, ale ma zastosowanie do wszystkich pomiarów ceptometrycznych: mianowicie, wnioskowanie o efektywnym wskaźniku powierzchni rośliny lub wskaźniku powierzchni liści na podstawie wychwytywania światła zależy od cech struktury korony (w szczególności średniej chłonności liści i rozkładu kąta nachylenia liści; a i c w równaniach 1 i 2), które mogą się różnić w trakcie rozwoju rośliny i między genotypami.
Istnieją dwa główne obszary, w których opisany tutaj protokół może zostać zmodyfikowany lub dostosowany. Po pierwsze, PARbary, które tutaj prezentujemy, zostały zaprojektowane specjalnie do stosowania w uprawach rzędowych, takich jak pszenica i jęczmień, ale konstrukcję można łatwo zmodyfikować do innych zastosowań. Na przykład rezystor bocznikowy o większej rezystancji może być użyty do zwiększenia wzmocnienia (moc wyjściowa mV na jednostkę PAR) w niższych zakresach PAR. Aby zapewnić wszechstronność, precyzyjny potencjometr o niskim współczynniku temperaturowym (rezystor zmienny) może być użyty do modyfikacji zakresu czułości PARbar w razie potrzeby lub do dokonania niewielkich korekt w celu wzmocnienia, tak aby każdy z wielu PARbar miał identyczne nachylenia kalibracji. Po drugie, fotodiody mogą być również wykorzystywane indywidualnie jako czujniki kwantowe, co pozwala użytkownikowi na uchwycenie zmian przestrzennych i czasowych w obrębie poszczególnych zadaszeń przy znacznie niższych kosztach niż byłoby to możliwe przy użyciu dostępnych na rynku czujników kwantowych. Może to być szczególnie cenne, biorąc pod uwagę rosnące zainteresowanie dynamiczną fotosyntezą w zmiennych warunkach oświetleniowych12. Po trzecie, chociaż użyliśmy konwencjonalnego (i drogiego) rejestratora danych do danych przedstawionych w tym badaniu, istnieje możliwość zbudowania rejestratorów danych przy użyciu gotowych komponentów, co umożliwi stworzenie połączonego systemu ceptometrii i rejestratora danych przy ograniczonym budżecie. Popularność tak zwanych platform makerskich, takich jak Arduino i Raspberry Pi, jest bardzo obiecująca w tej dziedzinie; jako początek do dalszego rozwoju sugerujemy projektCave Pearl 13 oparty na Arduino o otwartym kodzie źródłowym. Rejestratory danych Cave Pearl zostały zaprojektowane do monitorowania środowiska ekosystemów jaskiniowych, dlatego wytrzymałość i niskie zapotrzebowanie na energię były kluczowymi czynnikami przy ich projektowaniu. Podobne rozważania są istotne w przypadku implementacji do prac związanych z fenotypowaniem roślin. Komponenty rejestratora danych Cave Pearl są niedrogie (mniej niż 50 USD za sztukę) i niewielkie, co może umożliwić ich bezpośrednie włączenie do PARbars.
Zastosowanie opisanych tutaj PARbarów napotyka na trzy główne ograniczenia. Po pierwsze, wnioskowanie o wskaźniku powierzchni roślin lub wskaźniku powierzchni liści na podstawie zmierzonego wychwytywania światła jest utrudnione przez silne odchylenia zależne od czasu, szczególnie w uprawach rzędowych7. Można temu zaradzić, wykonując powtarzające się lub ciągłe pomiary w ciągu jednego dnia. Po drugie, niedrogie fotodiody nie mają wyjścia widmowego, które jest dokładnie proporcjonalne do strumienia fotonów (zmiennej o największym zainteresowaniu w badaniach nad fotosyntezą). Może to powodować odchylenie, gdy jakość światła zmienia się znacznie przez baldachim, chociaż poprzednie szacunki wynikającego z tego błędu wskazują, że jest on rzędu kilku procent7. Po trzecie, pręty PAR nie są w stanie rozróżnić między wiązką bezpośrednią a składowymi dyfuzyjnymi przychodzącego PAR nad baldachimem. Ponieważ promieniowanie rozproszone wnika głębiej w baldachim niż bezpośrednie światło słoneczne14, przepuszczalność będzie zwiększona, aeff PAI będzie niedoszacowany wraz ze wzrostem rozproszonej frakcji całkowitego napromieniowania. Gdy całe promieniowanie jest rozproszone,PAI eff jest wprost proporcjonalne do logarytmu 1/τ, a nie do zależności pokazanej w równaniu 115. Cruse i wsp. (2015)16 zauważyło, że obecnie dostępne na rynku przyrządy, które mogą mierzyć bezpośredni i rozproszony PAR, są drogie i wymagają regularnej konserwacji, dlatego zaprojektowali prostą i niedrogą aparaturę, aby rozwiązać ten problem. Ich system składa się z czujnika kwantowego, który jest rutynowo zacieniony przez zmotoryzowane, ruchome pasmo cienia i pozwala na ciągły pomiar całkowitego, bezpośredniego i rozproszonego PAR. Czujnik zastosowany w Cruse i wsp. System 16 może zostać zastąpiony tą samą fotodiodą, która jest używana w PARbar, aby jeszcze bardziej obniżyć koszty i może być łatwo zintegrowany z istniejącą konfiguracją PARbar. Pomiary te mogłyby zostać włączone do procesu przetwarzania danych i jeszcze bardziej zwiększyłyby wiarygodność szacunkówefektywności PAI.
Główną zaletą PARbarów w stosunku do istniejących ceptometrów komercyjnych jest ich niski koszt, co umożliwia ich produkcję w dużych ilościach. W ostatnim czasie wzrosło zainteresowanie nowatorskimi, wysokoprzepustowymi technologiami fenotypowania roślin w celu oszacowania cech baldachimu (przegląd patrz Yang i in., 201717). Chociaż metody te są obiecujące, ponieważ generują ogromne ilości danych, są one zazwyczaj bardzo pośrednie i wymagają walidacji w porównaniu z konwencjonalnymi technikami. PARbars może służyć jako opłacalne, naziemne narzędzie walidacji tych nowych technik.
Niski koszt produkcji prętów PARbar sprawia, że są one również realną opcją do ciągłych pomiarów w terenie. Może to być przydatne z kilku powodów. Na przykład pomiary ciągłe można wykorzystać do scharakteryzowania odchyleń orientacji rzędów w celu opracowania specyficznych dla czasu funkcji korekcyjnych dla pomiarów chwilowych (więcej informacji można znaleźć w Salter i in. 2018:7). Ceptometria ciągła może również uchwycić krótkie wahania w przechwytywaniu światła korony drzew w czasie (plamki słoneczne i plamki cienia) spowodowane chmurami przechodzącymi nad głową, ruchem baldachimu itp. Wiadomo, że fotosynteza jest bardzo wrażliwa na niewielkie zmiany warunków środowiskowych, a "dynamiczne" zmiany w fotosyntezie są obecnie uważane za ważne w napędzaniu plonów (przegląd patrz Murchie i in., 201812). Pręty PARbar zainstalowane na polu z odpowiednio krótkim odstępem między wyrębami mogą być wykorzystane do uchwycenia tych krótkich wahań i zapewnienia lepszego zrozumienia dynamicznej natury koron roślin.
Oświadczenia
Autorzy potwierdzają, że nie mają żadnych konfliktów interesów i nie mają nic do ujawnienia.
Podziękowania
Autorzy chcieliby podziękować Dr. Richardowi Richardsowi i Dr. Shekowi Hossainowi z CSIRO, Agriculture, and Food za dostęp i zarządzanie działkami terenowymi wykorzystanymi do tych badań. Badania te były wspierane przez International Wheat Yield Partnership poprzez grant udzielony przez Grains Research and Development Corporation (US00082). TNB było wspierane przez Australijską Radę ds. Badań Naukowych (DP150103863 i LP130100183) oraz Narodową Fundację Nauki (Nagroda #1557906). Prace te były wspierane przez Narodowy Instytut Żywności i Rolnictwa USDA, projekty Hatch 1016439 i 1001480.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Rezystor precyzyjny 1,5 Ω o niskim współczynniku temperaturowym | TE Connectivity Ltd., Schaffhausen, Szwajcaria. | Seria UPW25 | Może być wykonana przy użyciu wielu większych rezystorów równolegle, ale muszą one mieć niski współczynnik temperaturowy (tj. ± 3 ppm/° C). Adres URL źródła komercyjnego: https://bit.ly/2DFuPpm |
| Dyfuzor akrylowy | Plastix Australia Pty. Ltd., Arncliffe, Nowa Południowa Walia, Australia. | 445 - Opal White | 1200 mm długości x 30 mm szerokości x 4,5 mm grubości. URL dla źródła komercyjnego: https://bit.ly/2Bq0fyc |
| Aluminium U-bar | Capral Ltd., Bundamba, QLD, Australia. | EK9160 | 1220 mm długość x 35 mm szerokość x 25 mm głębokość. URL dla źródła komercyjnego: https://bit.ly/2PPfJou |
| Drut miedziany z gołym rdzeniem stałym | Część niespecyficzna | ||
| niespecyficzna | |||
| Zaciski | niespecyficzna | ||
| Przezroczysta żywica epoksydowa | Solid Solutions, East Bentleigh, VIC, Australia. | 651 - Uniwersalna żywica epoksydowa do zalewania | Przezroczysta żywica epoksydowa do zastosowań elektrycznych. URL dla źródła komercyjnego: https://bit.ly/2qY0pHa |
| Klej cyjanoakrylowy | niespecyficzna | ||
| Datalogger | Campbell Scientific, Logan, Utah, USA. | CR5000 | Można użyć innych rejestratorów danych, które rejestrują napięcia różnicowe. Adres URL dla źródła komercyjnego: https://bit.ly/2U7Io5H |
| Wiertarka lub wiertarka | Część niespecyficzna Klej | ||
| termokurczliwy Część | niespecyficzna Opalarka | ||
| niespecyficzna | |||
| Latarka LED | Część | ||
| niespecyficznaTaśma maskująca | niespecyficzna | ||
| Fotodiody (50) | Everlight Americas Inc., Carrollton, Teksas, USA. | EAALSDSY6444A | Ważne jest, aby ten konkretny komponent był używany ze względu na odpowiedź spektralną. Adres URL dla źródła komercyjnego: https://bit.ly/2FzVnuH |
| Wypełniacz z pianki poliuretanowej | Część niespecyficzna Czujnik | ||
| kwantowy | LI-COR, Lincoln, Nebraska, USA. | LI-190R | Tylko do kalibracji PARbarów. Adres URL dla źródła komercyjnego: https://bit.ly/2HEfKbh |
| Wkrętaki | niespecyficzna | ||
| Szczeliwo silikonowe | Część niespecyficzna | ||
| Część niespecyficzna Topnik | |||
| lutowniczy | niespecyficzna Lutownica | ||
| niespecyficzna | |||
| Poziomica spirytusowa/bąbelkowa | Część niespecyficzna Zestaw | ||
| gwintowników i matryc | Część niespecyficzna Część | ||
| dwużyłowa | Część niespecyficzna Woltomierz | ||
| Część niespecyficzna | |||
| Wodoodporne | złącza Core Electronics, Adamstown, Nowa Południowa Walia, Australia. | ADA743 | 2-żyłowe wodoodporne złącze. Złącza zasilania prądem stałym działają dobrze. URL dla źródła komercyjnego: https://bit.ly/2Brcrik |
Bibliografia
- Armbrust, D. V. Rapid measurement of crop canopy cover. Agronomy Journal. 82 (6), 1170-1171 (1990).
- Breda, N. J. J. Ground-based measurements of leaf area index: a review of methods, instruments and current controversies. Journal of Experimental Botany. 54 (392), 2403-2417 (2003).
- Francone, C., Pagani, V., Foi, M., Cappelli, G., Confalonieri, R. Comparison of leaf area index estimates by ceptometer and PocketLAI smart app in canopies with different structures. Field Crops Research. 155, 38-41 (2014).
- Campbell, G. S. Extinction coefficients for radiation in plant canopies calculated using an ellipsoidal inclination angle distribution. Agricultural and Forest Meteorology. 36 (4), 317-321 (1986).
- Cohen, S., Rao, R. S., Cohen, Y. Canopy transmittance inversion using a line quantum probe for a row crop. Agricultural and Forest Meteorology. 86 (3-4), 225-234 (1997).
- AccuPAR PAR/LAI Ceptometer Model LP-80 Operator's Manual. , Decagon Devices, Inc.. (2017).
- Salter, W. T., Gilbert, M. E., Buckley, T. N. Time-dependent bias in instantaneous ceptometry caused by row orientation. The Plant Phenome Journal. , (2018).
- Huang, X. H., Han, B. Annual Review of Plant Biology. Merchant, S. S. 65, Annual Reviews. 531-551 (2014).
- Application Note: Beam fraction calculation in the LP80. , Decagon Devices, Inc. (2009).
- Campbell, G. S., Van Evert, F. K. Light interception by plant canopies - efficiency and architecture. , Nottingham University Press. (1994).
- Pask, A., Pietragalla, J., Mullan, D., Reynolds, M. Physiological breeding II: a field guide to wheat phenotyping. , CIMMYT. (2012).
- Murchie, E. H., et al. Measuring the dynamic photosynthome. Annals of Botany. 122 (2), 207-220 (2018).
- Beddows, P. A., Mallon, E. K. Cave Pearl Data Logger: a flexible Arduino-based logging platform for long-term monitoring in harsh environments. Sensors. 18 (2), 26(2018).
- Li, T., et al. Enhancement of crop photosynthesis by diffuse light: quantifying the contributing factors. Annals of Botany. 114 (1), 145-156 (2014).
- Lang, A. R. G., Yueqin, X. Estimation of leaf-area index from transmission of direct sunlight in discontinuous canopies. Agricultural and Forest Meteorology. 37 (3), 229-243 (1986).
- Cruse, M. J., Kucharik, C. J., Norman, J. M. Using a simple apparatus to measure direct and diffuse photosynthetically active radiation at remote locations. Plos One. 10 (2), 19(2015).
- Yang, G. J., et al. Unmanned aerial vehicle remote sensing for field-based crop phenotyping: current status and perspectives. Frontiers in Plant Science. 8, 26(2017).
Przedruki i uprawnienia
