Parbar: 便宜、易于制造的用于连续测量植物顶篷中的光拦截的证书台

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Summary

在这里, 我们提供了关于如何构建和校准研究质量的观光仪 (光传感器, 将光强集成在许多传感器沿水平杆线性排列) 的详细说明。

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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).

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Abstract

通过在长杆上平行连接的多个光传感器, 通过植物天篷测量光合活性辐射的透射率的技术。在推断冠层结构和光拦截特性时, 常使用, 特别是叶面积指数 (LAI) 和有效植物面积指数 (PAIeff)。由于市售的进表仪成本很高, 可以进行的测量次数往往在空间和时间上都是有限的。这限制了冰测法在研究光拦截中的遗传变异方面的效用, 并排除了根据一天中的时间对可能扭曲测量的偏差进行彻底分析和纠正的可能性。我们开发了连续测井表式 (称为 Parbar), 每台可生产75美元, 并产生与商用替代品相当的高质量数据。在这里, 我们提供了详细的指导, 说明如何构建和校准 Parbar, 如何在现场部署它们, 以及如何从收集到的透射率数据中估计 PAI。我们提供具有代表性的小麦顶篷结果, 并讨论使用 Parbar 时应考虑的进一步因素。

Introduction

表位计 (光传感器的线性阵列) 用于测量植物顶篷截获的光合活性辐射 (PAR) 的比例。由于测量的相对简单性和数据解释的简单性, 海托仪被广泛用于农作物研究。吸光法的基本原则是, 光的透射率与植物天篷 () 的基座 () 有关于上述吸光材料的投影面积。因此, 对树冠上方和下方的 PAR 的测量可用于估计树冠特征, 如叶面积指数 (LAI) 和有效植物面积指数 (PAIeff)(除叶子外, 还包括茎、茎和生殖结构)1 ,2,3。通过模拟传入par (f b) 的光束分数、叶片吸收率 (a) 和有效冠层消光系数 (kk) 的影响, 提高了从推断的 pai 的可靠性.);K, 反过来, 取决于太阳天顶角 () 和叶角分布 ()1,4,5,6。纠正这些影响是一种常见的做法。然而, 由于方法和费用的限制, 过去还没有得到适当考虑的其他偏见。

我们最近在对小麦和大麦7等作物的瞬时认知度测量中发现了显著的时间依赖性偏差。这种偏差是由行种植方向和太阳天顶角之间的相互作用引起的。为了克服这种偏差 , 可以在现场安装连续测井进气表仪 , 以监测天冠光拦截的日周期 , 然后计算出每天平均的和 paiff 。然而, 由于商用表式计的成本高得令人望而却步--一台仪器的成本往往为几千美元--以及需要测量许多实地地块, 因此连续测量往往是不可行的。后者在-组学时代尤为明显, 在这个时代, 基因组分析需要数百种基因组类型, 如基因组范围关联研究 (GWAS) 和基因组选择 (GS) (参见综述黄氏 & Han, 20148)。我们认识到, 需要具有成本效益的进步仪, 这些值传感器可以大量生产, 并用于对许多基因型进行连续测量。

作为一种解决方案, 我们设计了易于制造、高精度的进步表 (Parbar), 每台成本为75美元, 建造时需要大约一小时的劳动力。Parbar 使用50个仅在 PAR 波段 (波长 390-700 nm) 中敏感的光电二极管构建, 在此范围之外的灵敏度很小, 因此无需使用昂贵的滤波器。光电二极管在1米长的范围内平行连接, 以产生可通过数据采集器记录的集成差分电压信号。这些电路用环氧树脂封装在防水中, 传感器在较大的温度范围 (-40 至 + 80°c) 下工作, 允许在现场长时间部署 Parbar。除了光电二极管和低温系数电阻外, 可以从五金店购买构建 PARbar 所需的所有部件。材料表中提供了所需部件和工具的完整列表。在这里, 我们提出了详细的说明, 如何建立和使用 Parbar 估计 PAI的影响, 并提出了具有代表性的结果, 从小麦顶篷。

Protocol

1. 构建和校准条形图

  1. 在干净的工作区中收集装配所需的所有部件和工具。
  2. 从白色丙烯酸扩散器棒的每一端钻一个直径为4毫米的孔, 每端20毫米 (1, 200 毫米长 x 30 毫米宽 x 4.5 毫米厚)。从铝 u 棒的一段两端钻取和敲击20毫米的螺纹孔, 以保护扩散器。钻孔和攻丝螺纹孔, 以适应安装硬件 (例如, 三脚架安装板)。
  3. 获得1.25 米长的裸铜线 (直径 1.25 mm)。如果电线在卷筒上, 然后通过将一端固定在副或夹子上, 将另一端固定在手钻的夹具中, 然后以低速打开钻头 (100-200 转/分), 将其拉直。重复与第二个1.25 米长度的裸露铜线。
  4. 使用细尖永久标记标记扩散器边缘的光电二极管的预期位置, 从第一个光电二极管位置从扩散器一端13.5 厘米开始, 以及位于第一二极管和第一二极管之间每2厘米的其他位置。扩散器的远端。
    1. 通过将一个光电二极管居中放在扩散器栏上, 其电气连接选项卡指向条形图的两侧, 将导线放置在其中一个标签下, 并标记导线的位置, 从而标记第一根铜线在扩散器上的位置。
    2. 重复上述步骤, 将导线在条形图的中心和另一端的位置标记出来。
  5. 使用氰基丙烯酸酯胶水将第一根拉直铜线粘附到扩散器上, 使用上一步中标记的位置对齐铜线。
    1. 使用氰基丙烯酸酯胶, 以20毫米的间隔 (如前面一步所示) 沿扩散器面朝下粘50个光电二极管, 确保它们位于扩散器的中心, 并且所有这些光电二极管都排列在相同的方向, 以便大的选项卡位于 co管线, 和小标签坐在对面。
    2. 将第二根铜线放置在光电二极管的每个较小的标签下方, 然后用氰基丙烯酸酯胶将铜线粘在扩散器上。
  6. 用焊剂笔使用焊剂笔, 用焊剂将一个光电二极管的两个标签以及相邻的和底层的导线弄湿。在大约350-400o 的温度下, 使用细倾斜焊铁将二极管的每个标签焊接到底层铜线上. 通过将光线照射到光电二极管上并检查导线上的电压信号来测试焊锡连接使用万用表。对所有50个光电二极管重复此步骤。
    注: 步骤1.7 是可选的 (如果电阻未焊接到 PARbar 中, 则以后可以将其与数据记录器上的 PARbar 信号输入并行连接)。
  7. 焊接1.5 Ω低温系数精密电阻器在铜线上并联。
  8. 将防水直流连接器的男性端焊接到铜线的两端 (与电阻器焊接的端部相同, 如果您遵循可选的步骤 1.7), 然后使用粘合内衬热收缩管密封连接。
  9. 通过在靠近边缘的扩散器表面上应用硅胶密封胶的珠子, 在扩散器上的电路周围创建一个连续的硅胶屏障, 形成一个流体密闭的井。仔细检查珠子, 以确保硅胶和扩散器棒之间没有气隙, 因为间隙将允许环氧树脂泄漏。密封胶固化后, 用环氧树脂填充油井。
  10. 当环氧树脂硬化 (一夜) 时, 使用剃须刀刀片去除有机硅密封胶。使用 M4 螺栓将扩散器固定在螺纹铝 u 杆上。
  11. 使用掩蔽带, 以确保扩散器的铝沿其整个长度, 然后填补在电位器内的空白与聚氨酯泡沫填料。一旦泡沫填料设置 (隔夜), 删除掩蔽带。
  12. 将直流连接器的母端焊接到双导体电缆的长度, 并用胶水内衬热收缩密封连接。
  13. 要根据量子传感器校准副条,
    1. 将两个传感器连接到能够测量差压输出的数据记录器或电压表 (如果在步骤1.7 中未将电阻集成到设计中, 则将1.5 Ω的低温系数精密电阻与 PARbar 并联),
    2. 将它们设置在水平平面上的全太阳外 (水平与精神水平或精神气泡), 记录两个传感器在太阳辐射变化很大的时期内的输出, 例如全日周期, 并确定 PARbar 的校准因子为从量子传感器 (作为因变量) 报告的 par 线性回归的斜率与原始电压输出 (作为自变量) 的斜率。

2. 在现场安装

  1. 要推断有效的植物面积指数 (PAIeff), 请在天篷上方安装一个 parbar (确保它不被树冠内的任何吸光元素遮挡), 在所有吸光元件下方安装一个, 而您希望测量其吸收率 (通常, 在最低叶子下方), 两个条形图与种植行对齐。确保上部分的位置, 以免遮挡下的部分。使用精神水平或气泡级别对条形图进行级别处理。
  2. 使用步骤1.11 中制造的电缆将条形图连接到数据采集器或电压表。如果在施工过程中 (步骤 1.7), 1.5 Ω的低温系数精密电阻未集成到 PARbar 电路中, 则在此阶段将此类电阻与每个 PARbar 并联。
  3. 使用步骤1.13 中为每个部分确定的校准系数, 将差分电压输出转换为 PAR。

3. 计算有效的植物面积指数 (PAIeff)

  1. 使用以下公式 计算每对以上和下面树冠 PAR 测量的 pai eff 6:
    (1) Equation 1 ,
    其中a = 0 . 283+ 0 . 0785 a - 0 . 159 a2 ( 其中a是叶子吸收率 ) , 是下冠 par 与上面的 par 的比率 , kfb 由公式 24和等式 39, 分别为:
    (2) Equation 2 ,
    其中是描述叶角分布的无量纲参数, 是太阳天顶角,
    (3) Equation 3
    其中r是在树冠 (parar 以上) 之上的 par, 作为其最大可能值的一小部分 (par以上, 最大 = 2550∙cos);即r= par 以上/par 以上, 最大值。有关适合您的研究物种的 a 和c值, 请查阅文献 (我们假定用于试验测量的小麦顶篷为 a = 0.9 和 c = 0.9610 )。
    注: 示例 R 脚本作为补充文件提供, 以帮助用户开发用于自动处理大型数据集的代码。

Representative Results

图 1显示了 parbar 生成的示意图。图 2显示了一个具有代表性的参数表校准曲线。PARbar 的差分电压输出与量子传感器的 PAR 输出成线性成正比, r2 = 0.9998。在麦角上部署了钢筋, 并在植物的整个开发中每20秒记录一次。图 3显示了在晴天晴朗时使用 parbar 收集的树冠光环境的典型日时间过程 (显示了原始透射率数据和修正后的 pai ff, 以进行比较)。图3b 和 3b显示了在一天中的不同时间进行瞬时冰测测量 (根据 salter人, 2018年 7) 可以引入的偏差.用于收集这些数据的小麦地块有一个由南北方向计算的行种植方向, 光线传输到较低的树冠, 高峰为 12:30 (图 3b)。如果在这一点上进行瞬时测量, PAIeff 将被低估, 而如果是在上午或下午进行的测量, 则可能会被高估。耐候性 Parbar 也可以在现场长时间部署;图 4演示了如何使用 parbar 来监视树冠光环境在植物发育时的变化。

Figure 1
图1。PARbar 生成的原理图.(a) 防水接头和内部分流电阻器的位置和安排;(b) 光电二极管的排列和间距;(c) 丙烯酸扩散器棒上的钻孔位置;(d) u 型铝棒上的钻井地点;(e) PARbar 的电子电路图。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 2
图2。有代表性的 PARbar 校准曲线.PARbar (mV) 的差压输出与量子传感器的光合光子通量密度或 PAR (mmol mV s-1) 之间的关系.每个点代表从 PARbar 和量子传感器的一对测量, 记录每20秒在4小时的时间一天。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 3
图 3.具有代表性的 PARbar 输出的每日时间.在澳大利亚堪培拉的花期 (-35°12 ' 00.1008 ", 149°05 ' 17.0988"), 在晴朗的日子里使用在小麦天顶中使用 Parbar 的数据。(a) 在树冠 (mmol m-2-- 1) 上方测量的par, (b) 未校正的透射率 (低于 par 的 par 比率) (单位), (c) 有效的植物面积指数 (paieff, m 2 m-2), 从公式1计算。(B) 和 (c) 中显示的数据点是指 (n = 30), 实线是安装在 r (a = 0.5) 中的 loess 局部回归, 阴影区域是适合的标准误差, 虚线水平线代表每日手段。虚线之间的阴影区域是 CIMMYT11建议用于小麦瞬时海分度测量的时间窗 (1100–1400 h)。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 4
图 4.在一个成长的季节收集代表性数据。澳大利亚堪培拉小麦天篷从早期分耕到花期收集的 PARbar 数据 (-35°12 ' 00.1008 ", 149°05570988")。(a) 未纠正的透光率数据 (无单位) 和 (b) 根据公式1计算的有效植物面积指数 (PAIeff,m 2 m-2)。所示的数据点表示 1000–1, 400h (n = 30) 期间的每日平均值。实线是在 R (a = 0.75) 中安装的 loess 局部回归, 阴影区域是适合的标准误差。如果上述 par < 1 , 500μmol m-2 s-1, 如果低于/par的 par > 1, 则未将上述par 列入进一步分析 .请点击这里查看此图的较大版本.

Discussion

此处概述的建筑立分表 (Parbar) 协议的成功实施最敏感地取决于两个步骤: 1.5 (胶合光电二极管到位) 和 1.6 (将光电二极管焊接到铜线上)。步骤1.5 通过对齐光电二极管相对于其固有极性不正确来容易出错。对于我们使用的光电二极管, 我们建议将其作为必要的特定项目, 极性是通过二极管上的两个具有明显不同尺寸的电气连接器选项卡来确定的。因此, 在使用氰基丙烯酸酯胶和焊接光电二极管之前, 强烈建议仔细检查所有二极管是否都放置在面向一个方向的大型连接器卡舌和面向另一个方向的小片舌上。步骤1.6 容易因焊接技术差和形成冷焊接结而失效。这可以通过在焊接前使用焊剂笔应用薄焊料通量来避免, 并确保在将焊丝本身应用于焊接之前, 用焊头 (约 350-400°c) 加热电线和光电二极管卡舌。结。参与杆中的电气连接问题通常以校准斜率的形式表现出来, 与其他 Parbar 的问题明显不同。这些问题可以通过在施工过程中测试每个电气连接而提前发现 (如步骤1.6 所述), 并且在所有连接都已焊接之后, 但在它们被封装在环氧树脂中之前 (步骤 1.9), 可以及早发现这些问题。第三个潜在的误差来源来自于未能使用对温度不敏感的低温系数精密电阻;使用普通电阻会导致误差作为电阻, 因此二极管吸收的每单位光的电压输出随环境温度的变化而变化。误差的最终主要来源并不是 Parbar 独有的, 而是适用于所有的冰各项测量: 即从光捕获中推断有效的植物面积指数或叶面积指数取决于冠层结构的特征 (特别是平均叶片吸收率和叶角分布;ac在 eqns 1 和 2), 在植物发育过程中和基因型之间可能会有所不同。

这里描述的议定书可以在两个主要领域进行修改或调整。首先, 我们在这里介绍的 Parbar 是专门为在小麦和大麦等排种作物中使用而设计的, 但设计可以很容易地修改到其他应用中。例如, 具有较大电阻的分流电阻可用于在较低的 PAR 范围内提高增益 (单位 PAR 的 mV 输出)。对于多功能性, 可以使用低温系数精密电位器 (可变电阻) 根据需要修改 PARbar 的灵敏度范围, 或进行小的调整以获得增益, 以便许多 Parbar 中的每一个都具有相同的校准斜率。其次, 光电二极管还可以单独用作量子传感器, 使用户能够捕获单个天篷内的空间和时间变化, 其成本远远低于使用市售的量子传感器。考虑到在波动的光线条件下对动态光合作用的兴趣越来越大, 这可能特别有价值。第三, 尽管我们对本研究中提供的数据使用了传统的 (而且价格昂贵的) 数据采集器, 但仍有使用现成组件项构建数据采集器的空间, 从而能够在有限的预算。所谓的制造商平台的普及, 如 Arduino 和 Raspberry Pi, 在这一领域提供了巨大的希望;我们建议开源的基于 arduino 的洞穴珍珠项目13作为进一步发展的开始。洞穴珍珠数据采集器是为洞穴生态系统的环境监测而设计的, 因此坚固性和低功耗需求是其设计中的主要考虑因素。类似的考虑因素也与植物表型工作的实施有关。洞穴珍珠数据采集器组件价格低廉 (每台低于50美元), 体积小, 这可以使它们直接纳入 Parbar。

此处描述的 Parbar 的应用面临三个主要限制。首先, 从测量的光捕获中推断植物面积指数或叶面积指数受到强时间依赖性偏差的阻碍, 特别是在行作物7中。这可以通过在一天内进行重复或连续的测量来克服。其次, 廉价的光电二极管没有与光子通量 (光合作用研究中最感兴趣的变量) 完全成比例的光谱输出。当光线质量通过天篷发生很大变化时, 这可能会导致偏差, 尽管以前对由此产生的误差的估计表明, 它的顺序为几个百分比 7。第三, Parbar 不能区分在天篷上方传入 PAR 的直接光束和漫反射分量。当漫射辐射比阳光直射14深入到天篷时, 随着总辐射量的漫反射分数的增加, 透射率将增加, pai的影响将被低估。当所有辐射都是漫反射时, PAIff 与1/kw 的对数成正比 , 而不是方程 1 15 中所示的关系。Cruse等人(2015年)16. 注意到目前可用于测量直接和漫反射 par 的商业仪器费用很高, 需要定期维修, 因此它们设计了一种简单和廉价的仪器来解决这一问题。他们的系统由一个量子传感器组成, 该传感器通常由机动移动的阴影带遮挡, 并允许连续测量总、直接和漫反射 PAR。Cruse 等中使用的传感器16系统可以替换为与 parbar 中使用的相同的光电二极管, 以进一步降低成本, 并可以很容易地将其集成到现有的 parbar 设置中。这些测量可纳入数据处理管道, 并将进一步提高 PAI估计的可靠性。

与现有的商业进表计相比, Parbar 的主要优点是成本低, 因此可以大量生产。最近, 人们对用于估计树冠性状的新型高通量植物表型技术越来越感兴趣 (评论见 Yang人, 2017年17)。虽然这些方法很有希望, 因为它们产生了大量的数据, 它们通常是非常间接的, 需要对传统技术进行验证。Parbar 可以作为这些新技术的一种具有成本效益的地面验证工具。

Parbar 的低生产成本也使其成为现场连续测量的可行选择。这可能有用, 原因有几个。例如, 连续测量可用于表征行方向偏差, 以开发瞬时测量的特定时间校正功能 (更多信息见 Salter人, 20187)。连续的观鱼测量还可以捕捉天篷光捕获随时间的短暂波动 (太阳斑和阴影), 由云通过头顶, 天篷的运动等。众所周知, 光合作用对环境条件的微小变化高度敏感, 光合作用的 "动态" 变化现在被认为对提高作物产量很重要 (评论见 Murchie等人, 2018-12)。安装在现场的参数线具有适当的短日志记录间隔, 可用于捕捉这些短暂的波动, 并更好地了解植物天篷的动态特性。

Disclosures

提交人证实, 他们没有利益冲突, 也没有任何可披露的地方。

Acknowledgments

作者要感谢理查德·理查兹博士和 Csiro、农业和食品公司的 Shek Hossain 博士获得和管理用于这项研究的实地地块。这项研究得到了国际小麦产量伙伴关系的支持, 该伙伴关系得到了谷物研究和开发公司提供的赠款 (US00082) 的支持。TNB 得到了澳大利亚研究委员会 (DP1503863 和 LP130100183) 和国家科学基金会 (#1557906 奖) 的支持。这项工作得到了美国农业部国家粮食和农业研究所的支持, Hatch 项目1016439和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

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