PARbars: Günstig, leicht zu bauen Ceptometer für die kontinuierliche Messung von Lichtabnahme in Packungen

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Summary

Hier stellen wir detaillierte Anweisungen vor, wie man Ceptometer in der Forschungsqualität baut und kalibriert (Lichtsensoren, die Lichtintensität über viele Sensoren integrieren, die linear entlang eines horizontalen Balkens angebracht sind).

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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

Die Ceptometrie ist eine Technik, mit der die Übertragung von photosynthetisch aktiver Strahlung durch ein Pflanzendach mit mehreren Lichtsensoren gemessen wird, die parallel an einem langen Balken angeschlossen sind. Die Ceptometrie wird oft verwendet, um die Eigenschaften der Überdachung und des Lichtabhörens zu ableiten, insbesondere den Blattflächenindex (LAI) und den effektiven Pflanzenflächenindex (PAIeff). Aufgrund der hohen Kosten für handelsübliche Ceptometer ist die Anzahl der zu ergreifenden Messungen oft räumlich und zeitlich begrenzt. Dies schränkt die Nützlichkeit der Ceptometrie für die Untersuchung der genetischen Variabilität im Lichtabhörspiel ein und schließt eine gründliche Analyse und Korrektur von Vorurteilen aus, die die Messungen je nach Tageszeit verzerren können. Wir haben kontinuierlich Protokollierungsceptometer (PARbars genannt) entwickelt, die für jeweils 75 US-Dollar produziert werden können und qualitativ hochwertige Daten liefern, die mit kommerziell erhältlichen Alternativen vergleichbar sind. Hier geben wir detaillierte Anweisungen, wie man PARbars baut und kalibriert, wie man sie im Feld einsetzt und wie man PAI aus gesammelten Übertragungsdaten abschätzen kann. Wir liefern repräsentative Ergebnisse aus Weizenkopien und besprechen weitere Überlegungen, die bei der Verwendung von PARbars zu beachten sind.

Introduction

Mit Ceptometern (lineare Arrays von Lichtsensoren) wird der Anteil der photosynthetisch aktiven Strahlung (PAR) gemessen, die von Pflanzenschutzmitteln abgefangen wird. Aufgrund der relativ einfachen Messung und der Einfachheit der Dateninterpretation werden Ceptometer für die landwirtschaftliche Ernteforschung weit verbreitet. Das Grundprinzip der Ceptometrie ist, dass die Übertragung von Licht auf die Basis eines Pflanzendrohstoffesvon der projizierten Lichtfläche oben abhängt. Messungen von PAR oberhalb und unterhalb des Vordachs können daher zur Abschätzung von Vordachmerkmalen wie Blattflächenindex (LAI) und effektivem Pflanzenflächenindex (PAIeff) (der neben Blättern auch Stängel, Kulme und Fortpflanzungsstrukturen enthält)1 ,2,3. Die Zuverlässigkeit der PAI-eff-Schätzungen, die aus dem, wird durch die Modellierung der Auswirkungen des StrahlBruchteils der eingehenden PAR (fb), der Blattabsorption (a) und des effektiven Baldachin-Aussterbekoeffizienten ( K ); K wiederumhängt sowohl vom Sonnenzenith-Winkel als auch von der Blattwinkelverteilung ab. Es ist eine gängige Praxis, diese Effekte zu korrigieren. Es gibt jedoch auch andere Vorurteile, die in der Vergangenheit aufgrund von methodischen und Kostenbeschränkungen nicht gebührend berücksichtigt wurden.

Vor kurzem haben wir signifikante zeitabhängige Bienenstudie bei der Messung von Reihenkulturen, wie Weizen und Gerste7, identifiziert. Diese Voreingenommenheit wird durch eine Wechselwirkung zwischen Reihenplanungsorientierung und solarem Zenitwinkel verursacht. Um diese Voreingenommenheit zu überwinden, können kontinuierlich protokolannende Ceptometer im Feld montiert werden, um die täglichen Zyklen des Abhörens von Vordach zu überwachen, und dann können tägliche Durchschnittswerte von , und PAIeff berechnet werden. Aufgrund der unerschwinglich hohen Kosten für kommerziell erhältliche Ceptometer sind kontinuierliche Messungen jedoch oft nicht möglich – oft mehrere tausend US-Dollar für ein einzelnes Instrument – und die Notwendigkeit von Messungen vieler Feldgrundstücke. Letzteres zeigt sich vor allem in der Zeit der omics, in der viele Hundert Genotypen für genomische Analysen benötigt werden, wie Genom-weite Assoziationsstudien (GWAS) und genomische Selektion (GS) (siehe Huang & Han, 20148). Wir haben erkannt, dass kostengünstige Ceptometer benötigt werden, die in großer Zahl hergestellt werden konnten und für kontinuierliche Messungen über viele Genotypen hinweg eingesetzt werden konnten.

Als Lösung haben wir einfach zu bauende, hochpräzise Ceptometer (PARbars) zu einem Preis von 75 US-Dollar pro Einheit entwickelt, der etwa eine Stunde Arbeit benötigt, um sie zu konstruieren. Die PARbars werden mit 50 Photodioden gebaut, die nur im PAR-Wellengang empfindlich sind (Wellenlängen 390 – 700 nm), mit sehr wenig Empfindlichkeit außerhalb dieses Bereichs, wodurch der Einsatz von teuren Filtern vermieden wird. Die Photodioden werden parallel über eine Länge von 1 m verbunden, um ein integriertes Differentialspannungssignal zu erzeugen, das mit einem Datenlogger aufgezeichnet werden kann. Die Schaltung ist für die Abdichtung mit Epoxid umhüllt und die Sensoren arbeiten über einen großen Temperaturbereich (-40 bis + 80 ° C), so dass die PARbars über längere Zeit im Feld eingesetzt werden können. Mit Ausnahme der Photodioden und eines niedrigtemperaturarmen Koeffizienten können alle Teile, die für den Bau einer PARbar benötigt werden, in einem Baumarkt erworben werden. Eine vollständige Liste der benötigten Teile und Werkzeuge finden Sie in der Materialliste. Hier stellen wir detaillierte Anweisungen vor, wie man PARbars für die Schätzung von PAIbaut und verwendet und repräsentative Ergebnisse aus Weizenüberdachungen vorlegt.

Protocol

1. Die PARbars bauen und kalibrieren

  1. Sammeln Sie alle Teile und Werkzeuge, die für die Montage in einem sauberen Arbeitsraum benötigt werden.
  2. Bohren Sie ein 4 mm Durchmesser Loch 20 mm von jedem Ende einer weißen Acryl-Diffusorleiste (1.200 mm Länge x 30 mm Breite x 4,5 mm Dicke). Bohr-und Zapfgewäste 20 mm von jedem Ende eines Abschnitts aus Aluminium U-bar, um den Diffusor zu sichern. Bohr-und Leitungsgewindenbohrungen passend zur Befestigungstechnik (z.B. eine Stativ-Befestigungsplatte).
  3. Erhalten Sie eine Länge von 1,25 m nacktem Kupferdraht (1,25 mm Durchmesser). Wenn der Draht auf eine Rolle kam, dann richten Sie ihn, indem Sie ein Ende in eine Laster oder Klemme und das andere Ende in die Griffe eines Handbohrers, und dann drehen Sie den Bohrer mit einer niedrigen Geschwindigkeit (100-200 U/min). Wiederholen Sie mit einer zweiten 1,25 m langen, nackten Kupferdraht.
  4. Markieren Sie die vorgesehenen Stellen der Photodioden entlang des Kanals des Diffusors mit einem fein-tipp-permanenten Marker, beginnend mit der ersten Photodiode-Position bei 13,5 cm von einem Ende des Diffusors und den anderen Positionen, die sich alle 2 cm zwischen der ersten Diode befinden und Das ferne Ende des Diffusors.
    1. Markieren Sie die Position des ersten Kupferdrahtes auf dem Diffusor, indem Sie eine Photodiode auf der Diffusorleiste mit ihren elektrischen Anschlusstabellen, die auf die Seiten des Balkens zeigen, zentrieren, den Draht unter eine der Registerkarten legen und die Position des Drahtes markieren.
    2. Wiederholen Sie den vorhergehenden Schritt, um die Position des Drahtes in der Mitte und das entgegengesetzte Ende der Bar zu markieren.
  5. Verwenden Sie Cyanoacrylat-Klebstoff, um den ersten geradlinigen Kupferdraht an den Diffusor zu kleben, wobei die im vorhergehenden Schritt markierten Stellen verwendet werden, um den Draht auszurichten.
    1. Verwenden Sie Cyanoacrylat-Klebstoff, um 50 Photodioden verdeckt entlang des Diffusors in 20 mm-Intervallen zu kleben (wie im vorhergehenden Schritt markiert), um sicherzustellen, dass sie in der Mitte des Diffusors sind und dass alle in der gleichen Ausrichtung angeordnet sind, so dass der große Tab auf dem Co sitzt Der pper Draht, und der kleine Tab sitzt gegenüber.
    2. Legen Sie den zweiten Kupferdraht so, dass er unter jeder der kleineren Registerkarten der Photodioden sitzt, und kleben Sie den Draht dann mit Cyanoacrylat-Klebstoff an den Diffusor.
  6. Nass beide Tabs einer Photodiode, sowie die angrenzenden und darunter liegenden Drähte, mit Fluss mit einem Lötflus-Stift. Löten Sie jede Registerkarte der Diode mit einem fein gekippten Lötkolben mit einer Temperatur von ca. 350-400 °C an die darunter liegenden Kupferdrähte. Testen Sie die Lötverbindungen, indem Sie ein Licht auf die Photodiode scheinen und auf ein Spannungssignal über die Drähte überprüfen. Mit einem Multimeter. Wiederholen Sie diesen Schritt für alle 50 Photodioden.
    Hinweis: Schritt 1.7 ist optional (wenn der Widerstand nicht in die PARbar gelötet wird, kann er später parallel mit den PARbar-Signaleingängen auf dem Datenlogger verbunden werden).
  7. Löten Sie einen 1,5 °-Niedrigtemperatur-Präzisionswiderstand parallel über die Kupferleitungen.
  8. Löten Sie das männliche Ende eines wasserdichten Gleichstromsteckers an den Enden der Kupferdrähte (die gleichen Enden, an die der Widerstand gelötet wurde, wenn Sie optionaler Schritt 1,7 befolgten) und versiegeln Sie dann die Anschlüsse mit klebegefüttertem Schrägschlauchrohr.
  9. Schaffen Sie eine durchgehende Silikonbarriere um die Schaltkreise auf dem Diffusor zu einem flüssigkeitsdichten Brunnen, indem Sie eine Perle aus Silikondichtstoff auf die Oberfläche des Diffusors, in der Nähe der Kante. Prüfen Sie die Perle genau, um sicherzustellen, dass keine Luftspalten zwischen dem Silikon und der Diffusorleiste bleiben, da Lücken erlauben, Epoxid auszulaufen. Sobald das Dichtmittel ausgehärtet ist, füllen Sie den Brunnen mit Epoxidharz.
  10. Wenn das Epoxidharz sich verhärtet hat (über Nacht), entfernen Sie das Silikon-Dichtmittel mit einer Rasierklinge. Schrauben Sie den Diffusor mit M4-Schrauben auf die vorgefächerte Aluminium-U-Leiste.
  11. Verwenden Sie Maskenband, um den Diffusor auf der ganzen Länge auf dem Aluminium zu sichern, und füllen Sie dann die Leere im Inneren des Keptometers mit Polyurethan-Schaumstofffüller. Sobald der Schaumstofffüller (über Nacht) gesetzt hat, entfernen Sie das Maskenband.
  12. Löten Sie das weibliche Ende des Gleichstromsteckers auf eine Länge von Zweileiterkabel und versiegeln Sie die Anschlüsse mit Leimwärme schrumpfen.
  13. Um den PARbar gegen einen Quantensensor zu kalibrieren,
    1. Verbinden Sie beide Sensoren mit einem Datenlogger oder einem Voltmeter, der in der Lage ist, einen Differenzspannungsausgang zu messen (schließen Sie einen 1,5 °-Niedertemperatur-Koeffizienten Präzisionswiderstand parallel zum PARbar an, wenn ein Widerstand nicht in Schritt 7 in das Design integriert wurde),
    2. Setzen Sie sie nach draußen in voller Sonne auf einer Ebene (Ebene mit einer Spirituosenebene oder Geistblase), erfassen Sie die Ausgänge beider Sensoren in einem Zeitraum, in dem die Sonnenstrahlung stark variiert, wie zum Beispiel einen vollen Taulebyklus, und bestimmen Sie den Kalibrierungsfaktor für die PARbar als Die Neigung einer linearen Regression von PAR, die vom Quantensensor (als abhängige Variable) vs. Rohspannungsleistung (als unabhängige Variable) gemeldet wird.

2. Installieren im Feld

  1. Um einen effektiven Pflanzenflächenindex (PAIeff) zu erreichen, installieren Sie eine PARbar über dem Vordach (die sicherstellt, dass sie nicht von lichtabsorbierenden Elementen innerhalb des Vordachs überschattet wird) und eine weitere unter allen lichtabsorbierenden Elementen, deren Absorption Sie messen möchten ( In der Regel unter den niedrigsten Blättern), wobei beide PARbars in einem 45 °-Winkel auf Pflanzreihen ausgerichtet sind. Stellen Sie sicher, dass der obere PARbar so positioniert ist, dass der untere PARbar nicht schattiert wird. Niveleten Sie die PARbars mit einer Spirituosen-oder Blasenebene.
  2. Schließen Sie die PARbars mit einem Datenlogger oder Voltmeter an, indem Sie Kabel aus Schritt 1.11 verwenden. Wenn während der Konstruktion (Schritt 1.7) ein 1,1,5 °-niedriger Temperatur-Koeit-Präzisionswiderstand nicht in den PARbar-Kreislauf integriert wurde, dann verbinden Sie einen solchen Widerstand in dieser Phase parallel zu jedem PARbar.
  3. Konvertieren Sie die Differentialspannungsausgabe in PAR mit dem Kalibrierungsfaktor, der für jede PARbar in Schritt 1,13 ermittelt wird.

3. Berechnung des effektiven Pflanzenflächenindex (PAI)

  1. Berechnen Sie PAIeff für jedes Paar von PAR-Messungen unter Überdachung und Unterseite mit folgenden Gleichungen 6:
    (1) Equation 1 ,
    Wo A = 0,283 + 0,0785a – 0,159a 2 (in denen a Blattabsorpanz ist), ist das Verhältnis von Below-zu überdachtem PAR, und Kund f b sind durch Equation 24 modelliert und Gleichung 39,jeweils:
    (2) Equation 2 ,
    In diesem Punkt ist der solare Zenitwinkel ein maßloser Parameter, der die Blattwinkelverteilung beschreibt, und
    (3) Equation 3 ,
    Wo r PAR über dem Vordach (PARoben) als Bruchteil seines maximal möglichen Wertes ist (PARoben, max = 2550∙cos); B. r = PAR oben/PARoben, max. Konsultieren Sie die Literatur für die Werte a und c , die Ihren Studienarten entsprechen (wir gingen von a = 0,9 und c = 0,9610 für die hier vorgestellten Weizenkollöche aus).
    Hinweis: Ein Beispiel R-Skript wird als ergänzende Datei zur Verfügung gestellt, um den Nutzern bei der Entwicklung von Code für die automatisierte Bearbeitung großer Datensätze zu helfen.

Representative Results

Ein Schema für den PARbar-Build ist in Abbildung1 dargestellt. Eine repräsentative Kalibrierkurve für eine PARbar ist in Abbildung2 dargestellt. Die Differentialspannungsleistung einer PARbar ist linear proportional zum PAR-Ausgang von einem Quantensensor, mit R2 = 0,9998. PARbars wurden in Weizenköhren eingesetzt und protokollierten alle 20 s bei der Entwicklung der Pflanzen. Ein typischer Tagesablauf der mit einer PARbar an einem klaren Sonnentag gesammelten Überdachung der Lichtumgebung wird in Abbildung 3 gezeigt (Rohübertragungsdaten und korrigierte PAIeff werden zum Vergleich angezeigt). Die Abbildungen 3b und 3c zeigen die Voreingenommenheit, die durch die instanzliche Ceptometrie-Messung zu verschiedenen Tageszeiten (nach Salter et al. 20187) eingeführt werden könnte. Die Weizengrundstücke, die für die Erfassung dieser Daten verwendet wurden, hatten eine Reihenanbaufelung, die Nord-Süd mit der Übertragung von Licht auf das untere Vordach bei 12:30 (Abbildung 3b) zurückzuführen war. Wenn an dieser Stelle eine Sofortmessung durchgeführt würde, würde PAIeff unterschätzt, während sie morgens oder nachmittags überschätzt werden könnte. Die wetterfesten PAR-Bars können auch über längere Zeit im Feld eingesetzt werden; Abbildung 4 zeigt, wie PARbars verwendet werden können, um zu überwachen, wie sich die Lichtumgebung verändert, wenn sich die Pflanzen entwickeln.

Figure 1
Bild 1. Schematik für den PARbar-Build. A) Lage und Anordnung des wasserdichten Steckers und des inneren Shunt-Widerstands; (b) Anordnung und Abstand der Photodioden; (c) Bohrstellen an der Acryldiffusleiste; (d) Bohrstellen an der Aluminium-U-stange; Und (e) elektronisches Schaltplan eines PARbar. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figure 2
Bild 2. Repräsentative PARbar-Kalibrierungskurve. Die Beziehung zwischen der Differentialspannungsleistung eines PARbar (mV) und der photosynthetischen Photonenfluckendichte oder PAR (mmol m-2 s-1) von einem Quantensensor. Jeder Punkt stellt ein einziges Zeitmessungspaar aus dem PARbar und Quantensensor dar, das einmal alle 20 Sekunden über einen Zeitraum von 4 Stunden für einen Tag aufgezeichnet wird. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figure 3
Bild 3. Repräsentative tägliche Zeitreise der PARbar-Ausgabe. Daten, die an einem klaren Tag mit PARbars in Weizen-Vorhängen bei der Anthese in Canberra, Australien (-35 ° 12 ' 00.1008 ", 149 ° 05 ' 17.0988") gesammelt werden. (a) PAR gemessen über dem Vordach (mmol m- 2 s-1), (b) unkorrigierte Übertragung (das Verhältnis von PARüber/PAR unten) (unitlos), und (c) der effektive Pflanzenflächen-Index (PAIeff, m 2 m-2), Ausgerechnet aus der Gleichung 1. Datenpunkte in (b) und (c) sind Mittel (n = 30), feste Linien sind LOESS-lokale Regressionen, die in R (a = 0,5) eingebaut sind, schattige Bereiche sind Standardfehler der Passform und die gestrichelten horizontalen Linien stellen die täglichen Mittel dar. Der schattige Bereich zwischen den gestrichelten Linien ist das Zeitfenster (1100 – 1400h), das für augenblickliche Keptometer-Messungen in Weizen von CIMMYT11empfohlen wird. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figure 4
Bild 4. Repräsentative Daten, die in einer wachsenden Saisongesammelt wurden. PARbar-Daten, die von der frühen Kiste bis zur Anthese in Weizendondeln in Canberra, Australien, gesammelt wurden (-35 ° 12 ' 00.1008 ", 149 ° 05 ' 17.0988"). (a) Unkorrigierte Übertragungsdaten (unitlos) und (b) effektiver Pflanzenflächenindex (PAIeff, m 2 m-2 ), berechnet aus der Gleichung 1. Die angezeigten Datenpunkte stellen Tagesmittel für den Zeitraum 1.000 – 1.400h (n = 30) dar. Feste Linien sind LOESS-lokale Regressionen, die in R (a = 0,75) eingebaut sind, schattige Bereiche sind Standardfehler der Passform. Rohdaten wurden in der weiteren Analyse nicht berücksichtigt, wenn PAR oben 1.500 μmol m-2 s- 1 < und PAR unten> 1 war. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Discussion

Die erfolgreiche Umsetzung des hier skizzierten Protokolls für den Bau von Ceptometern (PARbars) hängt am sensibel von zwei Schritten ab: 1,5 (Klebephotodioden vorhanden) und 1.6 (Lötphotodioden an den Kupferdraht). Schritt 1.5 ist fehleranfällig, indem er die Photodioden in Bezug auf ihre innere Polarität falsch ausrichtet. Für die von uns verwendeten und für uns empfohlenen Photodioden wird die Polarität anhand der beiden elektrischen Steckertabletts auf der Diode mit deutlich unterschiedlichen Größen identifiziert. Vor dem Auftragen von Cyanoacrylat-Klebstoff und dem Löten der Photodioden ist es daher dringend ratsam, zu überprüfen, ob alle Dioden mit den großen Steckertabellen, die in eine Richtung und die kleinen Tabs in die andere Richtung gerichtet sind, platziert werden. Schritt 1.6 ist anfällig für Fehler wegen schlechter Löttechnik und Bildung einer kalten gelöteten Kreuzung. Dies kann durch den Einsatz von dünnem Lötfluss mit einem Flussstift unmittelbar vor dem Löten vermieden werden und dafür sorgen, dass sowohl der Draht als auch der Fotodioden-Tab mit der Lötspitze (bei ca. 350-400 oC) erhitzt werden, bevor das Löten selbst auf die der Knotenpunkt. Probleme mit elektrischen Verbindungen in einer PARbar manifestieren sich typischerweise in Form einer Kalibrierungshang, die sich deutlich von denen anderer PARbar unterscheidet. Solche Probleme können frühzeitig durch das Testen jeder elektrischen Verbindung während der Konstruktion (wie in Schritt 1.6 beschrieben) und wieder nach dem Löten aller Verbindungen, aber bevor sie in Epoxid eingefasst wurden (Schritt 1,9), frühzeitig erwischt werden. Eine dritte potentielle Fehlerquelle ergibt sich aus dem Versäumnis, einen Präzisionswiderstand mit niedrigem Temperatur-Koeffizienten zu verwenden, dessen Widerstand gegen die Temperatur unempfindlich ist; Die Verwendung eines gewöhnlichen Widerstands wird den Fehler verursachen, da der Widerstand, und damit die Spannungsleistung pro Einheit von Licht von den Dioden absorbiert, ändert sich mit der Umgebungstemperatur. Die letzte große Fehlerquelle ist nicht nur für PARbars, sondern gilt für alle Ceptometrie-Messungen: Die Rückschlüsse auf den effektiven Pflanzenflächenindex oder Blattflächenindex aus der Lichteinfallung hängt von den Merkmalen der Überdachungsstruktur ab (insbesondere die Bedeutung der Blattabsorption und Blattwinkelverteilung; A und c in den Eqns 1 und 2), die während der Pflanzenentwicklung und zwischen Genotypen variieren können.

Es gibt zwei Hauptbereiche, in denen das hier beschriebene Protokoll geändert oder angepasst werden könnte. Erstens wurden die hier präsentierten PARbars speziell für den Einsatz in Reihenfrüchten wie Weizen und Gerste entwickelt, aber das Design konnte leicht für andere Anwendungen modifiziert werden. Zum Beispiel könnte ein Shunt-Widerstand mit größerem Widerstand verwendet werden, um den Gewinn (mV-Ausgang pro Einheit PAR) in niedrigeren PAR-Bereichen zu erhöhen. Für die Vielseitigkeit könnte ein Niedertemperatur-koeffizientes Präzisionspotenzial (variabler Widerstand) verwendet werden, um den Empfindlichkeitsbereich der PARbar je nach Bedarf zu verändern oder kleine Anpassungen vorzunehmen, um zu gewinnen, so dass jeder von vielen PARbars identische Kalibrierstänge haben. Zweitens könnten die Photodioden auch einzeln als Quantensensoren genutzt werden, so dass der Anwender sowohl räumliche als auch zeitliche Variationen innerhalb einzelner Überdachungen zu deutlich geringeren Kosten als möglich mit handelsüblichen Quantensensoren erfassen kann. Dies könnte angesichts des wachsenden Interesses an dynamischer Photosynthese unter schwankenden Lichtverhältnissen 12 besonders wertvoll sein. Drittens: Obwohl wir einen konventionellen (und teuren) Datenlogger für die in dieser Studie präsentierten Daten verwendet haben, gibt es stattdessen die Möglichkeit, Datenlogger mit Hilfe von der Stange zu erstellen. Begrenzte Budgetbudget. Die Popularität sogenannter Maker-Plattformen, wie Arduino und Raspberry Pi, bieten in diesem Bereich große Versprechungen; Als Starter für die weitere Entwicklung empfehlen wir das Open-Source-Arve Pearl-Projekt13 . Cave Pearl Datenlogger wurden für die Umweltüberwachung von Höhlenökosystemen entwickelt, so dass Robustheit und geringer Strombedarf die wichtigsten Überlegungen in ihrem Design waren. Ähnliche Überlegungen sind für die Umsetzung von Pflanzenphänotypisierungsarbeiten relevant. Cave Pearl Datalogger-Komponenten sind preiswert (weniger als 50 US-Dollar pro Einheit) und klein, so dass sie direkt in PARbars integriert werden können.

Die Anwendung der hier beschriebenen PARbars steht vor drei wesentlichen Einschränkungen. Erstens wird die Schlussfolgerung des Pflanzenflächenindex oder des Blattflächenindex aus der gemessenen Lichteinfallung durch starke zeitabhängige Vorurteile, insbesondere beiReihenkulturen 7, behindert. Dies kann durch wiederholte oder kontinuierliche Messungen über einen Tag überwunden werden. Zweitens haben preiswerte Photodioden keinen Spektralausstoß, der genau proportional zum Photonenfluss ist (die Variable, die das größte Interesse an Photosyntheseforschung hat). Dies kann zu Voreingenommenheit führen, wenn sich die Lichtqualität durch ein Vordach stark verändert, obwohl frühere Schätzungen des resultierenden Fehlers darauf hindeuten, dass es sich auf die Größenordnung von einigen Prozent7 befindet. Drittens können die PARbars nicht unterscheiden zwischen dem direkten Strahl und den diffusen Komponenten der eingehenden PAR über dem Vordach. Wenn diffuse Strahlung tiefer in das Vordach eindringt als die direkteSonneneinstrahlung 14, wird die Übertragung erhöht und PAIeff wird unterschätzt, wenn der diffuse Bruchteil der gesamten Strahlung zunimmt. Wenn alle Strahlung diffus ist, ist PAIeff direkt proportional zum Logarithmus von 1/, und nicht zur Beziehung, die in der Gleichung 115gezeigt wird. Cruse et al. (2015) 16 darauf hingewiesen, dass derzeit verfügbare kommerzielle Instrumente, die direkte und diffuse PAR messen können, teuer sind und eine regelmäßige Wartung erfordern, so dass sie ein einfaches und kostengünstiges Gerät entwickelt haben, um dieses Problem anzugehen. Ihr System besteht aus einem Quantensensor, der routinemäßig von einem motorisierten, sich bewegenden Schattenband beschattet wird und eine kontinuierliche Messung von totaler, direkter und diffuser PAR ermöglicht. Der Sensor, der im Cruse etal verwendet wird. 16 System könnte durch die gleiche Fotodiode ersetzt werden, die in PARbars verwendet wird, um die Kosten weiter zu senken, und kann leicht in das bestehende PARbar-Setup integriert werden. Diese Messungen könnten in die Datenverarbeitungs-Pipeline integriert werden und würden die Zuverlässigkeit der Schätzungen von PAIeffweiter erhöhen.

Der große Vorteil von PARbars im Vergleich zu bestehenden kommerziellen Ceptometern sind ihre niedrigen Kosten, die es möglich machen, sie in großer Zahl zu produzieren. In jüngster Zeit ist das Interesse an neuartigen Hochdurchsatz-Phenotyping-Technologien zur Abschätzung von Vordach-Eigenschaften gewachsen (siehe Yang et al., 201717). Während diese Methoden vielversprechend sind, weil sie riesige Datenmengen produzieren, sind sie in der Regel sehr indirekt und bedürfen der Validierung gegen konventionelle Techniken. PARbars könnten als kostengünstiges, bodenbasiertes Validierungswerkzeug für diese neuen Techniken dienen.

Die niedrigen Produktionskosten von PARbars machen sie auch zu einer praktikablen Option für kontinuierliche Messungen im Feld. Dies könnte aus mehreren Gründen nützlich sein. Mit kontinuierlichen Messungen lassen sich beispielsweise Zeileitungsvorsagen charakterisieren, um zeitspezifische Korrekturfunktionen für augenblickliche Messungen zu entwickeln (weitere Informationen siehe Salter et al. 20187). Die kontinuierliche Ceptometrie kann auch kurze Schwankungen in der Überdachung des Lichts im Laufe der Zeit erfassen (Sonnenflecken und Shadeflecks), die durch Wolken verursacht werden, die über dem Kopf ziehen, Bewegung des Vordachs, etc. Es ist bekannt, dass Photosynthese sehr empfindlich auf kleine Veränderungen der Umweltbedingungen reagiert, und "dynamische" Veränderungen in der Photosynthese werden heute als wichtig für die Antriebserträge der Ernte angesehen (siehe Murchie et al., 201812). Mit einem entsprechend kurzen Holzeinschlag im Feld installierten PARbars könnten diese kurzen Schwankungen erfasst und die Dynamik von Pflanzendachteln besser verstanden werden.

Disclosures

Die Autoren bestätigen, dass sie keine Interessenkonflikte und nichts zu offenbaren haben.

Acknowledgments

Die Autoren bedanken sich bei Dr. Richard Richards und Dr. Shek Hossain von CSIRO, Landwirtschaft und Ernährung für den Zugang zu und die Verwaltung der für diese Forschung genutzten Feldgrundstücke. Diese Forschung wurde von der International Wheat Yield Partnership unterstützt, die von der Grains Research and Development Corporation (US00082) bereitgestellt wurde. TNB wurde vom Australian Research Council (DP150103863 und LP130100183) und der National Science Foundation (Award #1557906) unterstützt. Diese Arbeit wurde unterstützt vom USDA National Institute of Food and Agriculture, Hatch Projekte 1016439 und 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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