ברים: זול, קל לבנות קפטומטרים למדידה רציפה של יירוט האור בחופות הצמח

Environment
 

Summary

כאן, אנו מציגים הנחיות מפורטות כיצד לבנות ולכייל מדחום באיכות מחקר (חיישני אור המשלבים עוצמת אור בחיישנים רבים מסודר ליניארי לאורך פס אופקי).

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

Salter, W. T., Merchant, A. M., Gilbert, M. E., Buckley, T. N. PARbars: Cheap, Easy to Build Ceptometers for Continuous Measurement of Light Interception in Plant Canopies. J. Vis. Exp. (147), e59447, doi:10.3791/59447 (2019).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

קפלנסה היא טכניקה המשמשת כדי למדוד את המעבר של קרינה אקטיבית פוטוסינתטיים באמצעות החופה צמח באמצעות חיישני אור מרובים המחוברים במקביל על בר ארוך. קפטוטונסה משמשת לעתים קרובות להסיק מאפיינים של מבנה החופה ויירוט קל, בעיקר אינדקס אזור העלים (LAI) ואינדקס שטח הצמח האפקטיבי (פאי אף). בשל העלות הגבוהה של הקפטומטרים הזמינים מסחרית, מספר המידות שניתן לנקוט מוגבל לעתים קרובות במרחב ובזמן. הדבר מגביל את התועלת הרבה יותר בקפ, לימוד השונות הגנטית ביירוט האור, ומונע ניתוח יסודי של, ותיקון עבור, הטיות שיכולות להטות את המידות בהתאם לזמן היום. פיתחנו באופן רציף ברישום מדחום (שנקרא PARbars) אשר ניתן לייצר עבור USD $75 כל אחד ולהניב נתונים באיכות גבוהה המקבילה חלופות מסחרית זמין. כאן אנו מספקים הוראות מפורטות כיצד לבנות ולכייל את הפרברים, כיצד לפרוס אותם בשדה וכיצד להעריך את פאי מנתונים שנאספו. אנו מספקים תוצאות מייצגות מחופות חיטה ודנים בשיקולים נוספים שאמורים להתבצע בעת שימוש בפרברים.

Introduction

מדחום (מערכים לינאריים של חיישני אור) משמשים כדי למדוד את הפרופורציה של קרינה פעילה מלאכותית (PAR) נתפס על ידי הצמח חופות. הקפטומטרים משמשים רבות לחקר היבול החקלאי בשל האופי הפשוט והברור של המידות והפשטות של פרשנות הנתונים. העיקרון הבסיסי של קפהאנסה הוא שהסיוע של אור לבסיס החופה של הצמח (τ) תלוי בשטח החזוי של חומרים סופגי אור מעל. מדידות של PAR מעל ומתחת החופה יכול, ולכן, לשמש להערכת תכונות החופה כגון אינדקס אזור העלה (LAI) ואינדקס שטח הצמח יעיל (פאי אף) (אשר כולל גבעולים, culms ומבני הרבייה בנוסף עלים)1 ,2,3. המהימנות של הערכות ההערכות של פאי ף הנגזרת מ- τ משופרת על-ידי דוגמנות ההשפעות של שבריר הקרן של השוה הנכנס (fb), את ה של העלה (a) ואת מקדם הכחדה משמדת החופה (K ); K, בתורו, תלוי הן זווית השיא השמש (θ) ואת התפלגות זווית העלה (χ)1,4,5,6. זה מנהג נפוץ לתקן את ההשפעות האלה. עם זאת, ישנם הטיות אחרות שלא קיבלו התחשבות בעבר בשל מגבלות מתודולוגיות ועלות.

לאחרונה זיהינו הטיה תלוית-זמן משמעותית במידות קפחנסות מיידית של גידולי שורה, כגון חיטה ושעורה7. הטיה זו נגרמת על ידי אינטראקציה בין כיוון נטיעת שורה זווית השיא הסולארי. כדי להתגבר על הטיה זו, ניתן לבצע באופן רציף כניסה באמצעות מדחום בשדה כדי לפקח על מחזורים יומי של יירוט אור החופה ולאחר מכן הממוצע היומי של τ ו-PAI לאחד יכול להיות מחושב. עם זאת, מדידות רציפות הן לעתים קרובות בלתי אפשרי בשל העלות הגבוהה ביותר של מדחום זמין מסחרית – לעתים קרובות כמה אלפי דולרים בארה ב עבור כלי אחד – ואת הדרישה למדידות של חלקות שדה רבות. האחרון בולט במיוחד בעידן-omics שבו מאות רבים של גנוטיפים נדרשים עבור ניתוחים גנומית, כגון לימודי הגנום רחב (GWAS) ובחירה גנומית (GS) (לסקירה ראה הואנג & חאן, 20148). הכרנו כי יש צורך בקפטומטרים חסכוניים שיכולים להיות מיוצרים במספרים גדולים ולשמש למדידות רציפות ברחבי גנוסוגים רבים.

כפתרון, תכננו קל לבנות, מדחום בדיוק גבוה (PARbars) בעלות של USD $75 ליחידה ודורש כ שעה של עבודה לבנות. PARbars בנויים באמצעות 50 תמונות שרגישות רק בלהקה גל PAR (אורכי גל 390 – 700 nm), עם רגישות מעט מאוד מחוץ לטווח זה, ברור את השימוש של מסננים יקרים. התמונות מחוברות במקביל לאורך של 1 מ' כדי ליצור אות מתח דיפרנציאלי משולב שניתן להקליט באמצעות datalogger. המעגלים מארוזים באפוקסי לאיטום והחיישנים פועלים בטווח טמפרטורות גדול (-40 + 80 ° c) ומאפשר לפרוס את הסורגים בשדה לפרקי זמן ארוכים. למעט התמונות והחסימה בטמפרטורות נמוכות, כל החלקים הנדרשים לבניית PARbar ניתנים לרכישה מחנות לחומרי בנייה. רשימה מלאה של החלקים והכלים הנדרשים מסופקים בטבלת החומרים. כאן אנו מציגים הנחיות מפורטות כיצד לבנות ולהשתמש בקווים מדורגים להערכת התוצאות של פאי-אף והצגת הנציגים מחופות החיטה.

Protocol

1. לבנות ולכייל את הסורגים

  1. אסוף את כל החלקים והכלים הדרושים להרכבה בסביבת עבודה נקיה.
  2. מקדחה חור בקוטר 4 מ"מ 20 מ"מ מכל קצה של בר מפזר אקרילי לבן (1,200 mm אורך x 30 מ"מ רוחב x 4.5 מ"מ עובי). לקדוח ולהקיש על חורים משורשרות 20 מ"מ מכל קצה של מקטע של U-bar אלומיניום כדי לאבטח מפזר. לקדוח ולהקיש על חורים משורשר להתאים חומרה הרכבה (למשל, צלחת הרכבה חצובה).
  3. השג אורך 1.25 מטר של חוט נחושת חשוף (1.25 מ"מ קוטר). אם התיל הגיע על גליל, ואז ליישר אותו על ידי אבטחת קצה אחד לתוך מהדק או מלחציים ואת הקצה השני לתוך אוחז של תרגיל יד, ולאחר מכן הפעלת התרגיל במהירות נמוכה (100-200 rpm). חזור עם השני 1.25 מטר באורך של חוט נחושת חשוף.
  4. סמן את המיקומים המיועדים של photodiodes לאורך קצה המפזר באמצעות סמן קבוע עצה קבועה, החל עם מיקום הפוטודיודה הראשונה ב 13.5 ס מ מקצה אחד של המפזר והמיקומים האחרים הממוקמים כל 2 ס מ בין הדיודה הראשונה ו הקצה הרחוק של המפזר.
    1. סמן את המיקום של חוט הנחושת הראשון על המפזר על-ידי מרכוז פוטודיודה אחת על פס המפזר עם כרטיסיות החיבור החשמלי שלו המצביעות לעבר צדי הסרגל, הצבת החוט מתחת לאחת הכרטיסיות וסימון מיקום התיל.
    2. חזור על השלב הקודם כדי לסמן את מיקום החוט במרכז ובקצה הנגדי של המייצג.
  5. השתמש דבק ציאנואקרילי להדביק את חוט הנחושת היישר הראשון אל המפזר, תוך שימוש במיקומים המסומנים בשלב הקודם כדי ליישר את החוט.
    1. השתמש דבק ציאנואקריל דבק 50 photodiodes הפנים כלפי מטה לאורך המפזר במרווחי 20 מ"מ (כפי שמסומן בשלב הקודם), ולהבטיח כי הם נמצאים במרכז המפזר ושכולם מסודרים כולם באותו כיוון כאשר כרטיסיה גדולה יושבת על שיתוף חוט לאפר, והכרטיסייה הקטנה יושבת ממול.
    2. מניחים את חוט הנחושת השני כך שהוא יושב מתחת לכל אחד מהלשוניות הקטנות של הפוטודידות, ולאחר מכן מדביק את התיל למפזר עם דבק ציאנואקרילי.
  6. רטוב שתי כרטיסיות של photodiode אחת, כמו גם את החוטים הסמוכים בבסיס, עם שטף באמצעות עט השטף הלחמה. הלחמה כל כרטיסיה של דיודה לחוטי נחושת המשמשים כבסיס באמצעות ברזל מצוין הלחמה משופעת בטמפרטורה של כ 350-400 oC. Test הקשרים הלחמה על ידי ניצוץ אור על הפוטודיודה ובדיקת אות מתח על פני החוטים באמצעות ריבוי מטרים. חזור על שלב זה עבור כל 50 פוטודיודות.
    הערה: שלב 1.7 הוא אופציונלי (אם החסימה אינה מולחם בתוך ה-PARbar, במקום זאת הוא יכול להיות מחובר מאוחר יותר במקביל עם כניסות האות PARbar ב-datalogger).
  7. הלחמה a 1.5 Ω טמפרטורה נמוכה מקדם שאיפה במקביל על חוטי נחושת.
  8. הלחמה הקצה הגברי של מחבר DC עמיד למים לקצות חוטי נחושת (אותו הקצוות שבהם הנגד היה מולחם, אם עקבת אחר צעד אופציונלי 1.7) ולאחר מכן לחתום את החיבורים באמצעות דבק חום מרופדת לכווץ אבובים.
  9. ליצור מכשול סיליקון רציף סביב מסובב על מפזר כדי ליצור היטב נוזל הדוק, על ידי החלת חרוז של איטום סיליקון על פני השטח של מפזר, ליד הקצה. בדוק את החרוז באופן מדוק כדי להבטיח כי לא יישארו פערי אוויר בין הסיליקון לבר המפזר, כאשר הפערים יאפשרו לאפוקסי לדלוף החוצה. ברגע שחומר האיטום נרפא, ממלאים את הבאר בשרף אפוקסי.
  10. כאשר שרף אפוקסי מוקשח (לילה), להסיר את איטום הסיליקון באמצעות להב תער. בריחי את המפזר לתוך ה-U-bar אלומיניום המשורקדים באמצעות בריחים M4.
  11. השתמש בסרט מיסוך כדי לאבטח את מפזר האלומיניום לאורך כל אורכו, ולאחר מכן למלא את הריק בתוך קפטומטר עם מילוי קצף פוליאוריטן. לאחר מילוי קצף הוגדר (לילה), להסיר את קלטת המסיכה.
  12. הלחמה הקצה הנשי של מחבר DC לאורך של שני מנצח כבל ולאטום את הקשרים עם דבק לכווץ החום מרופדת.
  13. כדי לכייל את הפרבר, מפני חיישן קוונטי
    1. לחבר את שני החיישנים datalogger או המתח מסוגל למדוד פלט מתח דיפרנציאלי (לחבר 1.5 Ω נמוך הטמפרטורה מקדם המקדם במקביל עם PARbar אם התנגדות לא היה משולב לתוך העיצוב בשלב 1.7),
    2. להגדיר אותם בחוץ בשמש מלאה על מישור רמה (רמה עם הרוח בועה או בועת הרוח), להקליט את התפוקות של שני החיישנים לאורך תקופה שבה קרינת השמש משתנה נרחב, כגון מחזור יומי מלא, ולקבוע את פקטור הכיול עבור parbar כמו השיפוע של רגרסיה ליניארית של PAR שדווחה מחיישן הקוונטים (כמשתנה התלוי) לעומת פלט מתח גולמי (כמשתנה בלתי תלוי).

2. התקן בשדה

  1. כדי להסיק על מדד אזור הצמחהאפקטיבי (פאי אף), התקן parbar אחד מעל החופה (להבטיח שהוא אינו מוצלל על-ידי כל האלמנטים הסופגים אור בתוך החופה) ועוד אחד מתחת לכל האלמנטים בעלי האור הסופג שלהם ברצונך למדוד ( בדרך כלל, מתחת לעלים הנמוכים ביותר), כאשר שני הקווים מיושרים בזווית 45 ° כדי לשתול שורות. ודא כי העמודה העליונה ממוקמת כדי לא להצליל את המייצג התחתון. רמת העמודות ברמת הרוח או ברמת הבועה.
  2. חבר את מייצגי הפעילויות לקובץ datalogger או למטר באמצעות כבלים שבוצעו בשלב 1.11. אם 1.5 הטמפרטורה הנמוכה Ω מקדם מקדמי לא היה משולב לתוך מעגל PARbar במהלך הבנייה (שלב 1.7), ולאחר מכן לחבר את החסימה במקביל לכל PARbar בשלב זה.
  3. המר פלט מתח דיפרנציאלי ל-PAR באמצעות פקטור הכיול הקבוע עבור כל PARbar בשלב 1.13.

3. לחשב את מדד שטח הצמח האפקטיבי (פאי אף)

  1. חישוב פאי -אף עבור כל זוג של מדידות מלמעלה-ומתחת לחופה, באמצעות המשוואות הבאות6:
    (1) Equation 1 ,
    כאשר = 0.283 + 0.0785a – 0.159a2 (שבו הוא ספיגת העלה), τ הוא היחס של למטה על החופה לעיל, ו K ו- fב מעוצב על ידי משוואה 24 ו משוואה 39, בהתאמה:
    (2) Equation 2 ,
    כאשר χ הוא פרמטר ממדי המתאר את התפלגות זווית העלה, θ היא זווית השיא השמשית, ו
    (3) Equation 3 ,
    כאשר r הוא שוה מעל החופה (שוהמעל) כחלק מהערך המירבי האפשרי שלה (par לעיל, מקסימום = 2550 ∙ cosθ); i.e. r = שוהמעל/parלעיל, מקס. להתייעץ עם הספרות על ערכים של a ו- c מתאים מינים המחקר שלך ( הנחנו = 0.9 ו c = 0.96 עבור חופות חיטה ששימשו לצורך מדידות ניסיון הציג כאן).
    הערה: מדגם R script מסופק כקובץ משלים כדי לסייע למשתמשים לפתח קוד עבור עיבוד אוטומטי של ערכות נתונים גדולות.

Representative Results

תרשים של מבנה ה-PARbar מוצג באיור 1. עקומת כיול ייצוגית עבור PARbar מוצגת באיור 2. פלט מתח משלים של PARbar הוא פרופורציונלי ליניארי הפלט PAR חיישן הקוונטים, עם R2 = 0.9998. הפרקט נפרסו בחופות חיטה והתחבר כל 20 לאורך התפתחות הצמחים. קורס בזמן יומי אופייני של הסביבה האור החופה שנאסף באמצעות parbar ביום שטוף שמש ברור מוצג באיור 3 (נתונים השידור הגולמי מתוקן פאי אף מוצגים להשוואה). דמויות 3b ו-3b להפגין את הטיה שניתן להציג על ידי נטילת מדידות קפלנסה מיידית בשעות שונות של היום (כמו לכל לאחר salter et al. 20187). החלקות חיטה ששימשו את האוסף של הנתונים הללו היתה שורה נטיעת אוריינטציה לכיוון צפון-דרום עם שידור של אור לחופה התחתון השיא ב 12:30 (איור 3b). אם הייתה מידה של מדידה מיידית, אין להמעיט בערכו של פאי אף, בעוד שהוא נלקח בבוקר או בשעות אחר הצהריים, הוא עשוי להיות מיותר מידי. ניתן גם לפרוס את הparbars העמיד בשטח במשך פרקי זמן ארוכים; איור 4 מדגים כיצד ניתן להשתמש ב-parbars כדי לפקח על האופן שבו הסביבה האור של החופה משתנה כאשר הצמחים מתפתחים.

Figure 1
איור 1. . השרטוטים של הפרבר בונים (א) מיקום וסידור של מחבר עמיד למים ומשקע המחלף הפנימי; (ב) הסדר והריווח של הפוטודיודה; (ג) מיקומי קידוח על בר מפזר אקרילי; (ד) קידוח מיקומים על ה-U-bar אלומיניום; ו (e) דיאגרמה מעגל אלקטרוני של PARbar. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2. עקומת כיול PARbar של נציג. הקשר בין פלט המתח הדיפרנציאלי של PARbar (mV) לבין צפיפות הפוטון הפוטוסינתטית או ה-PAR (mmol m-2 s-1) מתוך חיישן קוונטי. כל נקודה מייצגת זוג מדידות בודד מתוך החיישן הקוונטי ומהחיישנים הקוואנטים, שנרשמו פעם בכל 20 שניות במשך 4 שעות ליום אחד. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3. Timecourse היומית המייצגת את הפלט של PARbar. נתונים שנאספו ביום בהיר באמצעות PARbars חיטה ב אנתזה בשנת קנברה, אוסטרליה (-35 ° 12 ' 00.1008 ", 149 ° 05 ' 17.0988"). (א) הנקוב נמדד מעל החופה (mmol m-2 s-1), (ב) מעבר לא מתוקן (היחס של PAR לעיל/parלהלן) (unitless), ו (ג) מדד אזור הצמח האפקטיבי (פאי אף, m2 m-2), חושב ממשוואה 1. נקודות נתונים המוצגות ב-(ב) ו-(ג) הן אמצעי (n = 30), קווים מוצקים הם העיוותים המקומיים של loess המצוידים ב-R (a = 0.5), אזורים מוצללים הם שגיאות סטנדרטיות של ההתאמה והקווים האופקיים המקווקווים מייצגים את האמצעים היומיומיים. האזור המוצל בין הקווים המנוקדים הוא חלון הזמן (1100 – 1400h) המומלץ עבור מדידות קפטומטר מיידיים בחיטה על ידי CIMMYT11. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4. נתונים מייצגים שנאספו לאורך עונת הצמיחה. PARbar הנתונים שנאספו מוקדם בבוקר כדי אנתזה ב חופות חיטה ב קנברה, אוסטרליה (-35 ° 12 ' 00.1008 ", 149 ° 05 ' 17.0988"). (א) נתוני מעבר לא מתוקנים (מעבר לנתונים) ו-(b), מדד שטחהצמח האפקטיבי (פאי אף, m2 m-2) מחושב ממשוואה 1. נקודות הנתונים המוצגות מייצגות את האמצעים היומיומיים לתקופה 1,000 – 1, 400h (n = 30). קווים מוצקים הם בעלי החרטה המקומית LOESS מצויד R (a = 0.75), אזורים מוצללים הם שגיאות סטנדרטיות של התאמה. נתונים גולמיים לא נכללו בניתוח נוסף אם PARלעיל היה < 1,500 μm-2 s-1 ואם par מתחת/parלעילהיה > 1. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Discussion

יישום מוצלח של הפרוטוקול המתואר כאן לבניית מדחום (PARbars) תלוי באופן הרגישות ביותר בשני שלבים: 1.5 (צילום הדבקה במקום) ו-1.6 (הלחמה פוטוטודות על חוט נחושת). שלב 1.5 הוא נוטה שגיאה על ידי יישור photodiodes באופן שגוי ביחס הקוטביות הפנימית שלהם. עבור התמונות שבהן השתמשנו, ואשר אנו ממליצים כפריטים ספציפיים חיוניים, הקוטביות מזוהה על-ידי הכוח של שתי הכרטיסיות של מחבר החשמל על הדיודה בעלת גדלים שונים וברורים. לפיכך, לפני החלת דבק ציאנואקרילי והלחמה התמונות במקום, מומלץ מאוד לבדוק כפול כי כל הדיודות ממוקמות עם כרטיסיות מחבר גדול פונה בכיוון אחד את הכרטיסיות הקטנות פונה בכיוון השני. שלב 1.6 הוא נוטה לכישלון בשל טכניקת הלחמה עניים והיווצרות של צומת מולחם קר. זה יכול להיות נמנע על ידי החלת שטף הלחמה דק באמצעות העט השטף מיד לפני הלחמה ולהבטיח כי הן התיל ואת הכרטיסיה פוטודיודה מחוממים עם קצה הלחמה (ב כ 350-400 oC) לפני הלחמה עצמה מוחל על צומת. בעיות בחיבורי חשמל ב-PARbar מניפסט בדרך כלל בצורת מדרון כיול שונה באופן במובהק מאלה של מייצגי הפעילויות האחרים. בעיות כאלה ניתן לתפוס מוקדם על ידי בדיקת כל חיבור חשמלי במהלך הבנייה (כמתואר בשלב 1.6), ושוב אחרי כל החיבורים כבר מולחמים, אבל לפני שהם ארוזים באפוקסי (שלב 1.9). מקור פוטנציאלי השלישי של שגיאה נובע הכישלון להשתמש נמוך בטמפרטורה מקדם המקדם, שההתנגדות שלו אינה רגישה לטמפרטורה; באמצעות התנגדות רגילה יגרום את השגיאה כהתנגדות, ומכאן פלט מתח לכל יחידה של אור נספג על ידי דיודות, שינויים עם טמפרטורת הסביבה. מקור השגיאה העיקרי הסופי אינו ייחודי למייצגי הפעילויות, אך חל על כל המדידות הקפמנסות: כלומר, היסק של מדד אזור הצמח האפקטיבי או מדד אזור העלים מלכידת האור תלוי בתכונות של מבנה החופה (ממוצע בולט של העלים ו התפלגות זווית העלה; a ו- c ב אקאן 1 ו-2) העשויים להשתנות במהלך פיתוח הצמח ובין הגנונים.

ישנם שני תחומים עיקריים בהם הפרוטוקול המתואר כאן יכול להיות שונה או מותאם. ראשית, הפרברים שאנו מציגים כאן עוצבו במיוחד לשימוש בגידולי שורה, כגון חיטה ושעורה, אך ניתן לשנות את העיצוב בקלות ליישומים אחרים. לדוגמה, ניתן להשתמש בחסימה עם התנגדות גדולה יותר כדי לשפר את הרווח (mV פלט לכל יחידה PAR) בטווחי PAR נמוכים יותר. עבור רב-תכליתיות, ניתן להשתמש בטמפרטורה נמוכה למקדם מדידת דיוק (שמות משתנים) כדי לשנות את טווח הרגישות של PARbar לפי הצורך או כדי לבצע כוונונים קטנים כדי להשיג כך שכל אחד מהקווים הרבים כוללים מדרונות כיול זהים. שנית, התמונות יכול לשמש גם באופן אינדיבידואלי כמו חיישני הקוונטים, המאפשר למשתמש ללכוד מרחבי, כמו גם וריאציה הזמני בתוך חופות בודדות עבור עלות נמוכה הרבה יותר מאשר אפשרי באמצעות מסחרית לזמין חיישנים קוונטים. זה יכול להיות יקר במיוחד בהתחשב העניין הולך וגובר בפוטוסינתזה דינמית תחת תנודות בתנאי אור12. שלישית, למרות שאנחנו משתמשים בקובץ datalogger קונבנציונאלי (ויקר) עבור הנתונים המוצגים במחקר זה, יש היקף ליצירת מערכות הנתוניםבמקום זאת בנויים באמצעות ערך רכיב מחוץ למדף, המאפשר יצירה של מערכת קפיופית משולבת וdatalogger ב תקציב מוגבל. הפופולריות של פלטפורמות יצרנית כביכול, כגון Arduino ו פטל פאי, להציע הבטחה גדולה באזור זה; אנו מציעים את הקוד פתוח Arduino מבוסס מערת פנינה פרויקט13 כמתחיל לפיתוח נוסף. מערת פנינה dataloggers נועדו לניטור סביבתי של מערכות אקולוגיות, כך מחוספס וביקוש כוח נמוך היו שיקולים מרכזיים בתכנון שלהם. שיקולים דומים רלוונטיים ליישום לעבודה פנוטיפים הצמח. רכיבי מערת פנינה datalogger זולים (פחות מ-$50 USD ליחידה) וקטנים, אשר יכולים לאפשר להם להיות משולבים ישירות לתוך PARbars.

יישום מייצגי הפעילויות המתוארים כאן מתמודד עם שלוש מגבלות עיקריות. ראשית, הסקנה של מדד אזור הצמח או מדד אזור העלה מתוך לכידת אור נמדד על ידי הטיות תלויות בזמן חזק, במיוחד בגידולי שורה7. זה יכול להיות להתגבר על ידי ביצוע מדידות חוזרות או רציפות על פני יום. שנית, photodiodes זולה לא יש פלט ספקטרלי כי הוא פרופורציונלי בדיוק השטף פוטון (המשתנה של העניין הגדול ביותר במחקר הפוטוסינתזה). זה יכול לגרום להטיה כאשר איכות האור משתנה מאוד דרך חופה, למרות ההערכות הקודמות של השגיאה המתקבלת עולה כי הוא על הסדר של כמה אחוזים7. שלישית, PARbars לא יכולים להבחין בין הקרן הישירה ורכיבים מפוזר של PAR נכנסות מעל החופה. כמו קרינה מפוזר חודר עמוק יותר לתוך החופה מאשר אור השמש ישיר14, מעבר יגדל פאי אף לא יהיה להמעיט כמו חלק מפוזר של מגדילה הכולל irradiance. כאשר כל הקרינה מפוזר , PAI אף הוא ביחס ישיר ללוגריתם של 1/τ ולא הקשר המוצג במשוואה 115. . אני מבין. (2015) 16 ציין כי כיום מכשירים מסחריים זמין כי יכול למדוד ישיר ו לפזר PAR יקרים ודורשים תחזוקה סדירה, כך הם עיצבו מנגנון פשוט זול לטפל בבעיה זו. המערכת שלהם מורכבת חיישן הקוונטים כי הוא מוצל באופן שגרתי על ידי ממונע, הזזת הצללים הנעה ומאפשר מדידה רציפה של סה כ, ישירה ומפוזר PAR. החיישן המשמש ב Cruse et al. 16 מערכת יכול להיות מוחלף עם פוטודיודה זהה בשימוש parbars כדי להקטין עוד יותר עלות ניתן לשלב בקלות לתוך ההתקנה הקיימת parbars. ניתן לשלב מדידות אלה לתוך צינור עיבוד הנתונים ולשפר את האמינות של האומדנים של פאי אף.

היתרון העיקרי של PARbars פעילויות יחסית לקפטומטרים מסחריים קיימים הוא העלות הנמוכה שלהם, מה שהופך אותו לאפשרי להפיק אותם במספרים גדולים. לאחרונה, יש כבר עניין הולך וגדל הרומן בתפוקה גבוהה הצמיחה פנוטיפים טכנולוגיות להערכת תכונות החופה (לסקירה ראה יאנג et al., 201717). בעוד שיטות אלה מבטיחות בכך שהם מייצרים כמויות עצומות של נתונים הם בדרך כלל עקיפים מאוד ודורשים אימות נגד טכניקות קונבנציונאלי. הפרברים יכולים לשמש כלי אימות חסכוני ומבוסס על קרקע עבור טכניקות חדשות אלה.

עלות הייצור הנמוכה של PARbars גם הופכים אותם לאפשרות מעשית עבור מדידות רציפה בשדה. זה יכול להיות שימושי מכמה סיבות. לדוגמה, ניתן להשתמש במידות רציפות כדי לאפיין הטיות בכיוון השורה כדי לפתח פונקציות תיקון ספציפיות לזמן עבור מדידות מיידית (לקבלת מידע נוסף ראה Salter et al. 20187). קפלנסות רציף יכול גם ללכוד תנודות קצרות באור החופה ללכוד לאורך זמן (sunflecks ו shadeflecks) הנגרמת על ידי עננים העוברים מעל, התנועה של החופה, וכו '. הפוטוסינתזה ידועה כרגישה מאוד לשינויים קטנים בתנאי הסביבה ושינויים דינמיים בפוטוסינתזה נחשבים כיום לחשובים בנהיגה ביבול (לסקירה ראה Murchie et al., 201812). PARbars מותקן בשדה עם מרווח כראוי רישום קצר יכול לשמש כדי ללכוד תנודות קצרות אלה ולספק הבנה טובה יותר של האופי הדינמי של חופות הצמח.

Disclosures

המחברים מאשרים כי אין להם קונפליקטים של עניין ושום דבר לחשוף.

Acknowledgments

המחברים רוצים להודות לד ר ריצ'רד ריצ'רדס וד ר שק הוססיין ב-CSIRO חקלאות ומזון לגישה וניהול של מחלקות השדה המשמשות למחקר זה. מחקר זה נתמך על ידי השותפות לתשואה חיטה בינלאומית, באמצעות מענק המסופק על ידי חברת מחקר ופיתוח גרגירים (US00082). TNB נתמכת על ידי מועצת המחקר האוסטרלית (DP150103863 ו-LP130100183) והקרן הלאומית למדעים (1557906 הפרס). עבודה זו נתמכת על ידי המכון הלאומי של משרד החקלאות של מזון וחקלאות, הצוהר פרויקטים 1016439 ו 1001480.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Armbrust, D. V. Rapid measurement of crop canopy cover. Agronomy Journal. 82, (6), 1170-1171 (1990).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. AccuPAR PAR/LAI Ceptometer Model LP-80 Operator's Manual. Decagon Devices, Inc.. (2017).
  7. Salter, W. T., Gilbert, M. E., Buckley, T. N. Time-dependent bias in instantaneous ceptometry caused by row orientation. The Plant Phenome Journal. (2018).
  8. Huang, X. H., Han, B. Annual Review of Plant Biology. Merchant, S. S. 65, Annual Reviews. 531-551 (2014).
  9. Application Note: Beam fraction calculation in the LP80. Decagon Devices, Inc. (2009).
  10. Campbell, G. S., Van Evert, F. K. Light interception by plant canopies - efficiency and architecture. Nottingham University Press. (1994).
  11. Pask, A., Pietragalla, J., Mullan, D., Reynolds, M. Physiological breeding II: a field guide to wheat phenotyping. CIMMYT. (2012).
  12. Murchie, E. H., et al. Measuring the dynamic photosynthome. Annals of Botany. 122, (2), 207-220 (2018).
  13. 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).
  14. Li, T., et al. Enhancement of crop photosynthesis by diffuse light: quantifying the contributing factors. Annals of Botany. 114, (1), 145-156 (2014).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics