Her presenterer vi detaljerte instruksjoner om hvordan å bygge og kalibrere forskning kvalitet ceptometers (lys sensorer som integrerer lys intensitet på tvers av mange sensorer plassert lineært langs en horisontal bar).
Ceptometry er en teknikk som brukes for å måle Transmisjon av Fotosyntetisk aktiv stråling gjennom en plante baldakin ved hjelp av flere lys sensorer koblet parallelt på en lang bar. Ceptometry brukes ofte til å antyde egenskaper av baldakin struktur og lys avskjæring, spesielt Leaf Area index (LAI) og effektiv plante området indeks (PAIEFF). På grunn av de høye kostnadene ved kommersielt tilgjengelige ceptometers, er antallet målinger som kan tas ofte begrenset i rom og tid. Dette begrenser nytten av ceptometry for å studere genetisk variasjon i lys avskjæring, og utelukker grundig analyse av, og korreksjon for, fordommer som kan skew målinger avhengig av tid på dagen. Vi utviklet kontinuerlig logging ceptometers (kalt PARbars) som kan produseres for USD $75 hver, og gir høykvalitets data sammenlignbare med kommersielt tilgjengelige alternativer. Her gir vi detaljerte instruksjoner om hvordan du bygger og kalibrerer PARbars, hvordan du distribuerer dem i felten og hvordan du kan anslå PAI fra innsamlede transmisjon data. Vi gir representative resultater fra hvete overbygg og diskuterer ytterligere betraktninger som bør gjøres når du bruker PARbars.
Ceptometers (lineære arrayer av lys sensorer) brukes til å måle andelen Fotosyntetisk aktiv stråling (PAR) fanges opp av plante tak. Ceptometers brukes mye for landbruket beskjære forskning på grunn av relativt enkel karakter av målinger og enkelhet av data tolkning. Det grunnleggende prinsippet om ceptometry er at Transmisjon av lys til bunnen av en plante baldakin (τ) er avhengig av det projiserte området av lett absorberende materialer ovenfor. Målinger av PAR over og under kalesjen kan derfor brukes til å anslå baldakin egenskaper som Leaf Area index (LAI) og effektiv plante område indeks (PAIEFF) (som inkluderer stengler, culms og reproduktive strukturer i tillegg til blader)1 ,2,3. Påliteligheten til PAIEFF anslag utledes fra τ er forbedret ved modellering virkningene av strålen brøkdel av innkommende par (fb), Leaf absorptance (a) og den effektive kalesjen utryddelse koeffisient (K ); K, i sin tur, avhenger av både Solar Zenith vinkel (θ) og Leaf Angle Distribution (x)1,4,5,6. Det er en vanlig praksis å korrigere for disse effektene. Men det er andre fordommer som ikke har fått tilbørlig hensyn i det siste på grunn av metodisk og kostnadsbegrensninger.
Vi har nylig identifisert betydelige tidsavhengige bias i momentant ceptometry målinger av rad avlinger, for eksempel hvete og bygg7. Denne bias er forårsaket av en interaksjon mellom rad planting orientering og solenergi høydepunkt vinkel. For å overvinne denne bias, kontinuerlig logging ceptometers kan monteres i feltet for å overvåke dagaktive sykluser av baldakin lys avskjæring og deretter daglig gjennomsnitt av τ og paiEFF kan beregnes. Imidlertid er kontinuerlige målinger ofte umulig på grunn av den uoverkommelig høye kostnaden av kommersielt tilgjengelige ceptometers – ofte flere tusen amerikanske dollar for et enkelt instrument – og kravet om målinger av mange felt tomter. Sistnevnte er spesielt tydelig i-omics epoken hvor mange hundre genotyper er nødvendig for genomisk analyser, slik som Genova bred forening studier (GWAS) og genomisk utvalg (GS) (til vurdering se Huang & han, 20148). Vi innså at det var behov for kostnadseffektiv ceptometers som kunne produseres i stort antall og brukes til kontinuerlige målinger på tvers av mange genotyper.
Som en løsning, designet vi lett-å-bygge, høy nøyaktighet ceptometers (PARbars) til en kostnad på $75 USD per enhet og krever omtrent en time med arbeidskraft for å konstruere. PARbars er bygget ved hjelp av 50 photodiodes som er følsomme bare i PAR-enden bølgebåndet (bølgelengder 390 – 700 NM), med svært liten følsomhet utenfor dette området, obviating bruk av kostbare filtre. Photodiodes er koblet parallelt over en 1 m lengde for å produsere et integrert differensial spenningssignal som kan tas opp med en data logger. Kretsen er innkapslet i epoxy for vanntetting og sensorene operere over et stort temperaturområde (-40 til + 80 ° c), slik at PARbars skal distribueres i feltet i lengre perioder av gangen. Med unntak av photodiodes og lav temperatur-koeffisient motstand, alle deler som kreves for å bygge en PARbar kan kjøpes fra en jernvarehandel. En fullstendig liste over nødvendige deler og verktøy er gitt i tabellen av materialer. Her presenterer vi detaljerte instruksjoner om hvordan å bygge og bruke PARbars for estimering av PAIEFF og presentere representative resultater fra hvete overbygg.
Vellykket gjennomføring av protokollen skissert her for å bygge ceptometers (PARbars) avhenger mest følsomt på to trinn: 1,5 (liming photodiodes på plass) og 1,6 (lodding photodiodes til kobber wire). Trinn 1,5 er utsatt for feil ved å samkjøre photodiodes feil med hensyn til deres iboende polaritet. For photodiodes som vi brukte, og som vi anbefaler som viktige spesifikke elementer, er polariteten identifisert i kraft av de to elektriske kontakten tappene på diode har klart forskjellige størrelser. Således, før påføring Cyanoacrylate lim og lodding photodiodes på plass, er det sterkt anbefalt å dobbeltsjekke at alle dioder er plassert med den store kontakten fanene vendt i én retning og de små fanene vendt i den andre retningen. Trinn 1,6 er utsatt for svikt på grunn av dårlig lodding teknikk og dannelsen av en kald loddet knutepunkt. Dette kan unngås ved å bruke tynne loddetinn Flux ved hjelp av en Flux penn umiddelbart før lodding og sikre at både wire og PHOTODIODE kategorien varmes opp med loddespissen (ved ca 350-400 oC) før lodding selv påføres på Junction. Problemer med elektriske tilkoblinger i en PARbar vanligvis manifest i form av en kalibrering skråningen tydelig forskjellig fra de andre PARbars. Slike problemer kan bli fanget tidlig ved å teste hver elektrisk tilkobling under bygging (som beskrevet i trinn 1,6), og igjen etter at alle tilkoblinger har blitt loddet, men før de har vært innkapslet i epoxy (trinn 1,9). En tredje potensiell kilde til feil oppstår fra unnlatelse av å bruke en lav temperatur-koeffisient presisjon motstand, hvis motstanden er ufølsom for temperatur; ved hjelp av en vanlig motstand vil føre til at feilen som motstand, og dermed spenningen utgang per enhet av lys absorbert av dioder, endringer med omgivelsestemperatur. Den siste store kilden til feilen er ikke unik for PARbars, men gjelder for alle ceptometry målinger: nemlig den slutning av effektiv plante området indeks eller blad området indeks fra lys fangst avhenger av funksjonene i kalesjen struktur (spesielt bety Leaf absorptance og blad vinkel fordeling; a og c i Eqns 1 og 2) som kan variere under plante utvikling og mellom genotyper.
Det er to hovedområder der protokollen beskrevet her kan endres eller tilpasses. Først PARbars som vi presenterer her var designet spesielt for bruk i rad avlinger, som hvete og bygg, men designen kan lett bli modifisert for andre programmer. For eksempel kan en shunt motstand med større motstand brukes til å forbedre gevinst (mV utgang per enhet PAR) ved lavere PAR områder. For allsidighet, en lav temperatur koeffisient presisjon potensiometer (variabel motstand) kan brukes til å endre PARbar følsomhet rekkevidde som nødvendig eller for å gjøre små justeringer for å få slik at hver av mange PARbars har identiske kalibrering bakker. For det andre kunne photodiodes også brukes enkeltvis som Quantum sensorer, slik at brukeren kan fange romlige så vel som Temporal variasjon innenfor individuelle overbygg for en mye lavere pris enn mulig ved hjelp av kommersielt tilgjengelige Quantum sensorer. Dette kan være spesielt verdifullt gitt den økende interessen for dynamisk fotosyntese under varierende lysforhold12. For det tredje, selv om vi brukte en konvensjonell (og dyre) data logger for dataene som presenteres i denne studien, er det rom for dataloggere å i stedet bygges ved hjelp av off-the-sokkel støpejernskomponenter, slik at etableringen av en kombinert ceptometry og data logger system på en begrenset budsjett. Populariteten til såkalte Maker plattformer, som Arduino og Raspberry pi, tilbyr store løftet i dette området; Vi foreslår at åpen kildekode Arduino-baserte Cave Pearl prosjekt13 som en for rett for videre utvikling. Cave Pearl dataloggere ble designet for Miljøovervåkning av hule økosystemer, så robusthet og lavt strømforbruk var viktige hensyn i designen. Lignende hensyn er relevante for gjennomføringen å plante bestemmelse av fenotype arbeid. Cave Pearl data logger komponenter er billig (mindre enn USD $50 per enhet) og små, noe som kan gjøre dem i stand til å bli direkte innlemmet i PARbars.
Anvendelse av PARbars beskrevet her står overfor tre hoved begrensninger. Først er den slutning av plante området indeks eller blad område indeks fra målt lys fangst hemmet av sterke tidsavhengige fordommer, spesielt i rad avlinger7. Dette kan overvinnes ved å gjøre gjentatte eller kontinuerlige målinger over en dag. For det andre, billig photodiodes ikke har en Spectral output som er nøyaktig proporsjonal med Foton Flux (variabelen av størst interesse for fotosyntese forskning). Dette kan forårsake bias når lyskvaliteten endres sterkt gjennom en baldakin, selv om tidligere anslag over den resulterende feilen indikerer at det er på rekkefølgen av noen få prosent7. For det tredje kan PARbars ikke skille mellom direkte strålen og diffuse komponenter i innkommende PAR over kalesjen. Som diffus stråling penetrerer dypere inn i kalesjen enn direkte sollys14, vil transmisjon økes og paiEFF vil bli undervurdert som den diffuse brøkdelen av totale Irradians øker. Når all stråling er diffus, er PAIEFF direkte proporsjonal med logaritmen til 1/τ i stedet for forholdet som vises i Formel 115. Cruse et al. (2015) 16 bemerket at tiden tilgjengelig kommersielle instrumenter som kan måle direkte og diffus par er dyre og krever regelmessig vedlikehold, så de designet en enkel og rimelig apparat for å løse dette problemet. Deres system består av en Quantum sensor som rutinemessig er skyggelagt av en motorisert, bevegelige shadowband og gir mulighet for kontinuerlig måling av total, direkte og diffus PAR. Sensoren som brukes i Cruse et al. 16 system kan erstattes med samme PHOTODIODE som brukes i PARbars for å redusere kostnadene ytterligere og kan enkelt innlemmes i det eksisterende PARbar-oppsettet. Disse målingene kan integreres i databehandlings forløpet og vil ytterligere forsterke påliteligheten til estimater av PAIEFF.
Den store fordelen med PARbars i forhold til eksisterende kommersielle ceptometers er deres lave kostnader, noe som gjør det mulig å produsere dem i stort antall. Nylig har det vært en økende interesse for romanen høykapasitets anlegg bestemmelse av fenotype teknologier for estimering av kalesjen egenskaper (for gjennomgang se Yang et al., 201717). Mens disse metodene er lovende i at de produserer store mengder data de er vanligvis svært indirekte og krever validering mot konvensjonelle teknikker. PARbars kan tjene som et kostnadseffektivt, bakke BAS ert valideringsverktøy for disse nye teknikkene.
Den lave produksjonskostnaden for PARbars gjør dem også til et levedyktig alternativ for kontinuerlige målinger i felten. Dette kan være nyttig av flere grunner. Kontinuerlige målinger kan for eksempel brukes til å karakterisere skjevheter for rad orientering for å utvikle tids spesifikke korrigerings funksjoner for øyeblikkelige målinger (for mer informasjon se salter et al. 20187). Kontinuerlig ceptometry kan også fange korte svingninger i kalesjen lys fangst over tid (sunflecks og shadeflecks) forårsaket av skyer passerer overhead, bevegelse av kalesjen, etc. Fotosyntese er kjent for å være svært følsomme for små endringer i miljøforhold og “dynamiske” endringer i fotosyntese er nå antatt å være viktig for å drive crop yield (for gjennomgang se Murchie et al., 201812). PARbars installert i feltet med et passende kort logging intervall kan brukes til å fange opp disse korte svingninger og gi bedre forståelse av den dynamiske natur plante overbygg.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne vil gjerne takke Dr. Richard Richards og Dr. shek Hossain på CSIRO, landbruk og mat for tilgang til og forvaltning av feltet tomter brukes til denne forskningen. Denne forskningen ble støttet av International wheat yield partnerskap, gjennom et stipend gitt av korn forskning og utvikling Corporation (US00082). TNB ble støttet av Australian Research Council (DP150103863 og LP130100183) og National Science Foundation (Award #1557906). Dette arbeidet ble støttet av USDA National Institute of Food and Agriculture, Hatch prosjekter 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 |