PARbars: economico, facile da costruire Ceptometri per la misurazione continua dell'intercettazione della luce nelle tettine delle piante

Environment
 

Summary

Qui, presentiamo istruzioni dettagliate su come costruire e calibrare i ceptometri di qualità della ricerca (sensori di luce che integrano l'intensità della luce su molti sensori disposti linearemente lungo una barra orizzontale).

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

La ceptometria è una tecnica utilizzata per misurare la trasmittanza di radiazioni fotosinteticamente attive attraverso una tettoia vegetale utilizzando più sensori di luce collegati in parallelo su una barra lunga. La ceptometria è spesso utilizzata per dedurre le proprietà della struttura della tettoia e dell'intercettazione della luce, in particolare l'indice di area delle foglie (LAI) e l'indice di area vegetale efficace (PAIeff). A causa del costo elevato dei ceptometri disponibili in commercio, il numero di misurazioni che possono essere prese è spesso limitato nello spazio e nel tempo. Ciò limita l'utilità della ceptometria per lo studio della variabilità genetica nell'intercettazione della luce e preclude l'analisi approfondita e la correzione dei pregiudizi che possono inclinare le misurazioni a seconda dell'ora del giorno. Abbiamo sviluppato continuamente la registrazione di ceptometri (chiamati PARbars) che possono essere prodotte per USD $75 ciascuno e produrre dati di alta qualità comparabili alle alternative disponibili in commercio. Qui forniamo istruzioni dettagliate su come costruire e calibrare PARbars, come distribuirli nel campo e come stimare PAI da dati di trasmittanza raccolti. Forniamo risultati rappresentativi da tettine di grano e discutiamo ulteriori considerazioni che dovrebbero essere fatte quando si utilizzano PARbars.

Introduction

I ceptometri (matrici lineari di sensori di luce) vengono utilizzati per misurare la proporzione di radiazioni fotosinteticamente attive intercettate da tettine di piante. I ceptometri sono ampiamente utilizzati per la ricerca sulle colture agricole a causa della natura relativamente semplice delle misurazioni e della semplicità di interpretazione dei dati. Il principio di base della ceptometria è che la trasmittanza della luce alla base di una tettoia vegetale (τ) dipende dall'area proiettata dei materiali che assorbono la luce sopra. Le misurazioni di PAR sopra e sotto la tettoia possono quindi essere utilizzate per stimare tratti di tettuccio come l'indice dell'area delle foglie (LAI) e l'indice di area vegetale efficace (PAIeff) (che comprende steli, culmi e strutture riproduttive oltre alle foglie)1 ,2,3. L'affidabilità delle stime di PAIeff dedotte da τ è migliorata modellando gli effetti della frazione di fascio del par in entrata (fb), l'assorbanza delle foglie (a) e il coefficiente di estinzione efficace della tettoia (K ); K, a sua volta, dipende sia l'angolo di Zenith solare) e la distribuzione dell'angolo di foglia (χ)1,4,5,6. È una pratica comune correggere per questi effetti. Tuttavia, ci sono altri pregiudizi che non hanno ricevuto la dovuta considerazione in passato a causa di limitazioni metodologiche e di costo.

Recentemente abbiamo identificato un significativo bias dipendente dal tempo nelle misurazioni istantanee della ceptometria delle colture di fila, come grano e orzo7. Questa polarizzazione è causata da un'interazione tra l'orientamento di piantagione di fila e l'angolo di Zenith solare. Per superare questa polarizzazione, i ceptometer in continuo Logging possono essere montati sul campo per monitorare i cicli diurni di intercettazione della luce della tettoia e quindi calcolare le medie giornaliere di τ e Paieff . Tuttavia, le misurazioni continue sono spesso inrealizzabili a causa del costo proibitivo dei ceptometri disponibili in commercio – spesso diverse migliaia di dollari USA per un singolo strumento – e il requisito per le misurazioni di molte trame di campo. Quest'ultimo è particolarmente evidente nell'era-omica in cui sono necessarie molte centinaia di genotipi per le analisi genomiche, come gli studi di associazione a livello di genoma (GWAS) e la selezione genomica (GS) (per la revisione vedere Huang & Han, 20148). Abbiamo riconosciuto la necessità di un ceptometri economicamente vantaggioso che potesse essere prodotto in grandi quantità e di essere utilizzato per misurazioni continue su molti genotipi.

Come soluzione, abbiamo progettato dei ceptometri (PARbars) facili da costruire e ad alta precisione al costo di $75 USD per unità e richiedendo circa un'ora di lavoro da costruire. I PARbars sono costruiti utilizzando 50 fotodiodi che sono sensibili solo nella banda PAR (lunghezze d'onda 390 – 700 nm), con poca sensibilità al di fuori di questa gamma, eliminando l'uso di costosi filtri. I fotodiodi sono collegati in parallelo su una lunghezza di 1 m per produrre un segnale di tensione differenziale integrato che può essere registrato con un datalogger. La circuiteria è rivestita in resina epossidica per l'impermeabilizzazione e i sensori operano su un ampio intervallo di temperatura (-40 a + 80 ° c), permettendo ai PARbars di essere distribuiti sul campo per lunghi periodi di tempo. Con l'eccezione dei fotodiodi e un resistore a basso coefficiente di temperatura, tutte le parti necessarie per costruire un PARbar possono essere acquistate da un negozio di ferramenta. Nella tabella dei materialiviene fornito un elenco completo delle parti e degli strumenti necessari. Qui presentiamo le istruzioni dettagliate su come costruire e utilizzare PARbars per la stima di PAIeff e presentare i risultati rappresentativi da tettine di grano.

Protocol

1. costruire e calibrare i PARbars

  1. Raccogliere tutte le parti e gli strumenti necessari per l'assieme in un'area di lavoro pulita.
  2. Praticare un foro di 4 mm di diametro 20 mm da ciascuna estremità di una barra diffusore acrilica bianca (1.200 mm di lunghezza x 30 mm di larghezza x 4,5 mm di spessore). Forare e toccare i fori filettati 20 mm da ciascuna estremità di una sezione di alluminio U-bar per garantire il diffusore. Forare e toccare i fori filettati per adattarsi all'hardware di montaggio (ad esempio, una piastra di montaggio per treppiede).
  3. Ottenere una lunghezza di 1,25 m di filo di rame nudo (1,25 mm di diametro). Se il filo è venuto su un rotolo, quindi raddrizzarlo assicurandosi un'estremità in una morsa o morsetto e l'altra estremità nelle impugnature di un trapano a mano, e quindi accendere il trapano a bassa velocità (100-200 rpm). Ripetere con un secondo 1,25 m di lunghezza di filo di rame nudo.
  4. Contrassegnare le posizioni previste dei fotodiodi lungo il bordo del diffusore utilizzando un marcatore permanente a punta fine, iniziando con la prima posizione del fotodiodo a 13,5 cm da un'estremità del diffusore e le altre posizioni situate ogni 2 cm tra il primo diodo e estremità del diffusore.
    1. Segnare la posizione del primo filo di rame sul diffusore centrando un fotodiodo sulla barra del diffusore con le sue linguette di connessione elettrica che puntano verso i lati della barra, posizionando il filo sotto una delle linguette, e marcendo la posizione del filo.
    2. Ripetere il passaggio precedente per contrassegnare la posizione del filo al centro e l'estremità opposta della barra.
  5. Utilizzare colla cianoacrilato per incollare il primo filo di rame raddrizzato al diffusore, utilizzando le posizioni contrassegnate nel passaggio precedente per allineare il filo.
    1. Utilizzare colla cianoacrilato per incollare 50 fotodiodi a faccia in giù lungo il diffusore a intervalli di 20 mm (come indicato nel passaggio precedente), assicurandosi che siano al centro del diffusore e che tutti siano disposti tutti nello stesso orientamento in modo tale che la grande linguetta si siede sul co e la piccola linguetta si trova di fronte.
    2. Posizionare il secondo filo di rame in modo che si siede sotto ciascuna delle schede più piccole dei fotodiodi, e quindi incollare il filo al diffusore con colla cianoacrilato.
  6. Bagnare entrambe le linguette di un fotodiodo, così come i fili adiacenti e sottostanti, con flusso utilizzando una penna flusso di saldatura. Saldare ogni linguetta del diodo ai fili di rame sottostanti utilizzando un saldatore a punta fine ad una temperatura di circa 350-400 oC. test i collegamenti a saldare illuminando una luce sul fotodiodo e controllando un segnale di tensione attraverso i fili utilizzando un multimetro. Ripeti questo passaggio per tutti i fotodiodi 50.
    Nota: il passo 1,7 è facoltativo (se il resistore non è saldato nel PARbar, può invece essere collegato in parallelo con gli ingressi di segnale PARbar sul datalogger).
  7. Saldare un resistore di precisione a coefficiente di bassa temperatura 1,5 Ω in parallelo attraverso i fili di rame.
  8. Saldare l'estremità maschio di un connettore CC impermeabile alle estremità dei fili di rame (le stesse estremità a cui è stato saldato il resistore, se hai seguito il passaggio opzionale 1,7) e quindi sigillare i collegamenti utilizzando il tubo termorestringente rivestito di colla.
  9. Creare una barriera di silicone continuo intorno alla circuità sul diffusore per formare un pozzo fluido-stretto, applicando un cordone di sigillante siliconico alla superficie del diffusore, vicino al bordo. Ispezionare attentamente il cordone per garantire che non rimangano vuoti d'aria tra il silicone e la barra del diffusore, poiché le lacune permetteranno di fuoriuscire la resina epossidica. Una volta che il sigillante ha curato, riempire il pozzo con resina epossidica.
  10. Quando la resina epossidica è indurita (durante la notte), rimuovere il sigillante siliconico utilizzando una lama di rasoio. Avvitare il diffusore all'U-bar pre-filettato in alluminio con bulloni M4.
  11. Utilizzare nastro adesivo per fissare il diffusore all'alluminio lungo tutta la sua lunghezza, e poi riempire il vuoto all'interno del ceptometer con stucco in schiuma poliuretanica. Una volta che il riempitivo di schiuma è impostato (durante la notte), rimuovere il nastro adesivo.
  12. Saldare l'estremità femmina del connettore CC ad una lunghezza di cavo a due conduttori e sigillare i collegamenti con colla termoretraibile foderata.
  13. Per calibrare la PARbar contro un sensore quantico,
    1. Collegare entrambi i sensori a un datalogger o voltmetro in grado di misurare un'uscita di tensione differenziale (collegare un resistore di precisione a basso coefficiente di temperatura 1,5 Ω in parallelo con il PARbar se un resistore non è stato integrato nel progetto nel passaggio 1,7),
    2. Impostarli all'esterno in pieno sole su un piano di livello (livello con una bolla di spirito o di spirito), registrare le uscite di entrambi i sensori in un periodo durante il quale la radiazione solare varia ampiamente, come un ciclo diurno completo, e determinare il fattore di calibrazione per il PARbar come la pendenza di una regressione lineare di PAR riportata dal sensore quantico (come variabile dipendente) rispetto all'uscita di tensione grezza (come variabile indipendente).

2. installare sul campo

  1. Per dedurre un efficace indice dell'area vegetale (PAIeff), installare un Parbar sopra la tettoia (assicurandosi che non sia ombreggiato da elementi che assorbono la luce all'interno della tettoia) e un altro sotto tutti gli elementi che assorbe la luce la cui assorbanza si desidera misurare ( tipicamente, sotto le foglie più basse), con entrambe le PARbars allineate ad un angolo di 45 ° per piantare le righe. Assicurarsi che la PARbar superiore sia posizionata in modo da non ombreggiare la PARbar inferiore. Livellare i PARbars utilizzando un livello di livella o bolla.
  2. Collegare i PARbars a un datalogger o VOLTMETRO utilizzando cavi realizzati al passo 1,11. Se un resistore di precisione a basso coefficiente di temperatura 1,5 Ω non è stato integrato nel circuito PARbar durante la costruzione (passo 1,7), quindi collegare tale resistore in parallelo con ogni PARbar in questa fase.
  3. Convertire l'uscita di tensione differenziale in PAR utilizzando il fattore di calibrazione determinato per ogni PARbar al passo 1,13.

3. calcolare l'indice dell'area vegetale efficace (PAIeff)

  1. Calcola il PAIeff per ogni coppia di misurazioni par sopra e sotto la tettoia utilizzando le seguenti equazioni6:
    (1) Equation 1 ,
    dove a = 0,283 + 0,0785a – 0,159a2 (in cui a è l'assorbanza delle foglie), τ è il rapporto tra sotto-a sopra-tettuccio par, e K e fb sono modellati da equazione 24 e Equazione 39, rispettivamente:
    (2) Equation 2 ,
    dove χ è un parametro adimensionale che descrive la distribuzione dell'angolo di foglia, θ è l'angolo di Zenith solare, e
    (3) Equation 3 ,
    dove r è par sopra la tettoia (parsopra) come una frazione del suo valore massimo possibile (parsopra, Max = 2550 ∙ cosθ); cioè r = parsopra/parsopra, Max. Consultare la letteratura per i valori di a e c appropriati alle vostre specie di studio (abbiamo assunto a = 0,9 e c = 0,9610 per le tettine di grano utilizzate per le misurazioni di prova presentate qui).
    Nota: uno script R di esempio viene fornito come file supplementare per assistere gli utenti nello sviluppo di codice per l'elaborazione automatizzata di DataSet di grandi dimensioni.

Representative Results

Uno schema per la compilazione PARbar è illustrato nella Figura 1. Una curva di calibrazione rappresentativa per un PARbar è mostrata in Figura 2. L'uscita di tensione differenziale di un PARbar è linearemente proporzionale all'uscita PAR da un sensore quantico, con R2 = 0,9998. PARbars sono stati distribuiti in tettine di grano e registrato ogni 20 s attraverso lo sviluppo delle piante. Un tipico decorso diurno dell'ambiente luminoso della tettoia raccolto utilizzando un PARbar in una chiara giornata di sole è mostrato nella Figura 3 (i dati di trasmittanza RAW e il Paieff corretto sono mostrati per il confronto). Le figure 3B e 3C dimostrano il pregiudizio che potrebbe essere introdotto prendendo misurazioni istantanee della ceptometria in varie ore del giorno (secondo Salter et al. 20187). Le trame di grano utilizzate per la raccolta di questi dati avevano un orientamento di piantatura a nord-sud con la trasmissione della luce al picco del baldacchino inferiore a 12:30 (Figura 3B). Se a questo punto dovesse essere presa una misurazione istantanea, il PAIeff sarebbe sottovalutato, mentre se fosse stato preso al mattino o al pomeriggio può essere sopravvalutato. I PARbars resistenti alle intemperie possono anche essere distribuiti sul campo per lunghi periodi di tempo; Figura 4 illustra come parbars potrebbe essere utilizzato per monitorare come l'ambiente luce baldacchino cambia come piante si sviluppano.

Figure 1
Figura 1. Schemi per la build PARbar. (a) Ubicazione e disposizione del connettore impermeabile e della resistenza di shunt interna; b) disposizione e spaziatura dei fotodiodi; c) sedi di foratura sulla barra diffusore acrilico; d) sedi di foratura sull'U-bar in alluminio; e) schema elettrico di un PARbar. Si prega di cliccare qui per visualizzare una versione più grande di questa cifra.

Figure 2
Figura 2. Curva di calibrazione PARbar rappresentativa. Il rapporto tra l'uscita di tensione differenziale di una PARbar (mV) e la densità del flusso fotoni fotosintetico o PAR (mmol m-2 s-1) da un sensore quantico. Ogni punto rappresenta una singola coppia di misurazioni dal PARbar e dal sensore quantistico, registrata una volta ogni 20 secondi per un periodo di 4 ore per un giorno. Si prega di cliccare qui per visualizzare una versione più grande di questa cifra.

Figure 3
Figura 3. Corso giornaliero rappresentativo dell'uscita PARbar. I dati raccolti in una giornata limpida utilizzando parbars in tettine di grano a antesi a Canberra, Australia (-35 ° 12' 00.1008 ", 149 ° 05' 17.0988"). a) PAR misurati sopra la tettoia (mmol m-2 s-1), (b) trasmittanza non corretta (il rapporto tra parsopra/par diseguito) (senza unità) e (c) l'indice di superficie vegetale efficace (Paieff, m2 m-2), calcolata dall'equazione 1. I punti di dati di cui alle lettere b) e c) sono mezzi (n = 30), le linee solide sono regressioni locali loess montate in R (a = 0,5), le aree ombreggiate sono errori standard della calzata e le linee orizzontali tratteggiate rappresentano il mezzo giornaliero. L'area ombreggiata tra le linee tratteggiate è la finestra temporale (1100-1400h) consigliata per le misurazioni istantanee del ceptometro nel grano da CIMMYT11. Si prega di cliccare qui per visualizzare una versione più grande di questa cifra.

Figure 4
Figura 4. Dati rappresentativi raccolti in una stagione in crescita. I dati Parbar raccolti dalla lavorazione precoce a antesi in baldacche di grano a Canberra, Australia (-35 ° 12' 00.1008 ", 149 ° 05' 17.0988"). (a) dati di trasmittanza non corretti (senza unità) e (b) indice di superficie vegetale efficace (PAIeff, m2 m-2) calcolato dall'equazione 1. I punti dati mostrati rappresentano i mezzi giornalieri per il periodo 1.000 – 1, 400h (n = 30). Le linee solide sono regressioni locali LOESS montate in R (a = 0,75), le aree ombreggiate sono errori standard della calzata. I dati grezzi non sono stati inclusi in ulteriori analisi se PAR dicui sopra era < 1.500 μmol m-2 s-1 e se parsotto/parsopra era > 1. Si prega di cliccare qui per visualizzare una versione più grande di questa cifra.

Discussion

La corretta attuazione del protocollo delineato qui per i ceptometri di costruzione (PARbars) dipende in modo più sensibile su due fasi: 1,5 (incollaggio fotodiodi in posizione) e 1,6 (fotodiodi saldanti al filo di rame). Passo 1,5 è incline all'errore allineando i fotodiodi in modo non corretto rispetto alla loro polarità intrinseca. Per i fotodiodi che abbiamo usato, e che si consiglia come elementi specifici essenziali, la polarità è identificata in virtù delle due linguette del connettore elettrico sul diodo aventi dimensioni chiaramente diverse. Quindi, prima di applicare la colla cianoacrilato e saldare i fotodiodi in posizione, si consiglia vivamente di controllare che tutti i diodi siano posizionati con le grandi linguette di collegamento che si affacciano in una direzione e le piccole linguette che si affacciano nell'altra direzione. Passo 1,6 è incline al fallimento a causa di scarsa tecnica di saldatura e la formazione di una giunzione saldata a freddo. Questo può essere evitato applicando il flusso di saldatura sottile utilizzando una penna di flusso immediatamente prima della saldatura e assicurando che sia il filo e la scheda fotodiodo sono riscaldati con la punta di saldatura (a circa 350-400 oC) prima di saldare stesso viene applicato al bivio. I problemi con i collegamenti elettrici in un PARbar tipicamente si manifestano sotto forma di una pendenza di calibrazione nettamente diversa da quelle di altri PARbars. Tali problemi possono essere catturati in anticipo testando ogni collegamento elettrico durante la costruzione (come descritto al passo 1,6), e di nuovo dopo che tutti i collegamenti sono stati saldati, ma prima che siano stati chiusi in resina epossidica (passo 1,9). Una terza fonte potenziale di errore deriva dal mancato utilizzo di un resistore di precisione a basso coefficiente di temperatura, la cui resistenza è insensibile alla temperatura; utilizzando un resistore ordinario causerà l'errore come la resistenza, e quindi l'uscita di tensione per unità di luce assorbita dai diodi, cambia con la temperatura ambiente. La principale fonte di errore finale non è univoca per le PARbars, ma si applica a tutte le misurazioni della ceptometria: l'inferenza di un indice di area vegetale efficace o di un indice dell'area delle foglie dalla cattura della luce dipende dalle caratteristiche della struttura del baldacchino (in particolare l'assorbanza delle foglie e distribuzione dell'angolo di foglia; a e c in eqns 1 e 2) che possono variare durante lo sviluppo vegetale e tra i genotipi.

Ci sono due aree principali in cui il protocollo qui descritto potrebbe essere modificato o adattato. In primo luogo, i PARbars che presentiamo qui sono stati progettati specificamente per l'uso in colture di fila, come il grano e l'orzo, ma il design potrebbe essere facilmente modificato per altre applicazioni. Ad esempio, un resistore shunt con maggiore resistenza potrebbe essere utilizzato per migliorare il guadagno (uscita mV per unità PAR) a intervalli di PAR inferiori. Per la versatilità, un potenziometro di precisione a coefficiente di bassa temperatura (resistore variabile) potrebbe essere utilizzato per modificare la gamma di sensibilità del PARbar in base alle esigenze o per apportare piccole regolazioni per guadagnare in modo che ognuna di molte PARbars abbia piste di calibrazione identiche. In secondo luogo, i fotodiodi potrebbero anche essere utilizzati singolarmente come sensori quantistici, permettendo all'utente di catturare la variazione spaziale e temporale all'interno di tettine individuali per un costo molto inferiore a quello possibile utilizzando sensori quantistici disponibili in commercio. Questo potrebbe essere particolarmente prezioso dato il crescente interesse per la fotosintesi dinamica in condizioni di luce fluttuante12. In terzo luogo, anche se abbiamo utilizzato un datalogger convenzionale (e costoso) per i dati presentati in questo studio, è possibile che i datalogger siano costruiti utilizzando componenti di base pronti all'uso, consentendo la creazione di un sistema combinato di ceptometria e datalogger su un bilancio limitato. La popolarità delle cosiddette piattaforme Maker, come Arduino e Raspberry Pi, offrono grande promessa in questo settore; suggeriamo il progetto open source di Cave Pearl, basato su Arduino,13 come antipasto per un ulteriore sviluppo. I datalogger Cave Pearl sono stati progettati per il monitoraggio ambientale degli ecosistemi delle grotte, quindi la robustezza e la scarsa domanda di energia sono state considerazioni fondamentali nel loro design. Considerazioni analoghe sono rilevanti per l'attuazione del lavoro di fenotipizzazione vegetale. I componenti del datalogger Cave Pearl sono poco costosi (meno di $50 USD per unità) e piccoli, che potrebbero consentire loro di essere incorporati direttamente nei PARbars.

L'applicazione dei PARbars qui descritti affronta tre limitazioni principali. In primo luogo, l'inferenza dell'indice dell'area vegetale o dell'indice dell'area delle foglie dalla cattura della luce misurata è ostacolata da forti distorsioni dipendenti dal tempo, in particolare nelle colture di fila7. Questo può essere superato effettuando misurazioni ripetute o continue in un giorno. Secondo, i fotodiodi economici non hanno un'uscita spettrale che è esattamente proporzionale al flusso del Foton (la variabile di maggiore interesse nella ricerca sulla fotosintesi). Ciò può causare pregiudizi quando la qualità della luce cambia notevolmente attraverso una tettoia, anche se le stime precedenti dell'errore risultante indicano che è nell'ordine di qualche percentuale7. In terzo luogo, i PARbars non possono distinguere tra la trave diretta e i componenti diffusi della PAR in entrata sopra la tettoia. Poiché la radiazione diffusa penetra più in profondità nel baldacchino rispetto alla luce solare diretta14, la trasmittanza sarà aumentata e il Paieff sarà sottovalutato Man mano che la frazione diffusa dell'irradianza totale aumenta. Quando tutte le radiazioni sono diffuse, PAIeff è direttamente proporzionale al logaritmo di 1/τ piuttosto che alla relazione mostrata nell'equazione 115. Cruse et al. (2015) 16 notato che gli strumenti commerciali attualmente disponibili che possono misurare la par diretta e diffusa sono costosi e richiedono una manutenzione regolare, così hanno progettato un apparato semplice ed economico per affrontare questo problema. Il loro sistema è costituito da un sensore quantistico che viene regolarmente ombreggiato da un gruppo di shadowband motorizzato e mobile e consente la misurazione continua del PAR totale, diretto e diffuso. Il sensore utilizzato nel Cruse et al. 16 sistema potrebbe essere sostituito con lo stesso fotodiodo utilizzato in parbars per ridurre ulteriormente i costi e può essere facilmente incorporato nella configurazione Parbar esistente. Queste misurazioni potrebbero essere integrate nella pipeline di elaborazione dei dati e migliorerebbero ulteriormente l'affidabilità delle stime di PAIeff.

Il vantaggio principale di PARbars rispetto ai ceptometri commerciali esistenti è il loro basso costo, che rende possibile produrli in grandi quantità. Recentemente, c'è stato un crescente interesse per le nuove tecnologie di fenotipizzazione vegetale ad alto rendimento per la stima dei tratti di baldacchino (per la revisione Vedi Yang et al., 201717). Mentre questi metodi sono promettenti in quanto producono enormi quantità di dati sono tipicamente molto indiretti e richiedono la convalida contro le tecniche convenzionali. Le PARbars potrebbero fungere da strumento di convalida basato sui costi e a terra per queste nuove tecniche.

Il basso costo di produzione dei PARbars li rende anche un'opzione praticabile per le misurazioni continue sul campo. Questo potrebbe essere utile per diversi motivi. Ad esempio, le misurazioni continue possono essere utilizzate per caratterizzare i bias di orientamento delle righe per sviluppare funzioni di correzione specifiche per il tempo per le misurazioni istantanee (per ulteriori informazioni vedere Salter et al. 20187). La ceptometria continua può anche catturare brevi fluttuazioni nella cattura della luce del baldacchino nel tempo (macchie solari e macchie) causate da nuvole che passano in testa, movimento della tettoia, ecc. La fotosintesi è nota per essere molto sensibile ai piccoli cambiamenti nelle condizioni ambientali e i cambiamenti "dinamici" nella fotosintesi sono ora pensati per essere importanti nella resa delle colture (per la revisione Vedi Murchie et al., 201812). Le PARbars installate sul campo con un intervallo di registrazione opportunamente breve potrebbero essere utilizzate per catturare queste brevi fluttuazioni e fornire una migliore comprensione della natura dinamica delle tettine vegetali.

Disclosures

Gli autori confermano di non avere conflitti di interesse e nulla da rivelare.

Acknowledgments

Gli autori vorrebbero ringraziare il dottor Richard Richards e il dottor shek Hossain a CSIRO, agricoltura e cibo per l'accesso e la gestione delle trame di campo utilizzate per questa ricerca. Questa ricerca è stata sostenuta dal partenariato internazionale sulla resa del grano, attraverso una sovvenzione fornita dalla società di ricerca e sviluppo dei cereali (US00082). TNB è stato sostenuto dal Consiglio australiano della ricerca (DP150103863 e LP130100183) e dalla National Science Foundation (premio #1557906). Questo lavoro è stato sostenuto dall'Istituto nazionale USDA per l'alimentazione e l'agricoltura, i progetti Hatch 1016439 e 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