PARbars: pas cher, facile à construire des Ceptomètres pour la mesure continue de l’interception de la lumière dans les auvents de plantes
Summary
Ici, nous présentons des instructions détaillées sur la façon de construire et de calibrer les ceptomètres de qualité de recherche (capteurs de lumière qui intègrent l’intensité lumineuse sur de nombreux capteurs disposés linéairement le long d’une barre horizontale).
Abstract
La ceptométrie est une technique utilisée pour mesurer la transmission du rayonnement photosynthétiquement actif à travers un couvert végétal à l’aide de plusieurs capteurs de lumière reliés en parallèle sur une longue barre. La ceptométrie est souvent utilisée pour déduire les propriétés de la structure de la canopée et de l’interception de la lumière, notamment l’indice de surface foliaire (LAI) et l’indice de surface végétale efficace (PAIeff). En raison du coût élevé des ceptomètres disponibles dans le commerce, le nombre de mesures qui peuvent être prises est souvent limité dans l’espace et le temps. Cela limite l’utilité de la ceptométrie pour étudier la variabilité génétique dans l’interception de la lumière, et exclut l’analyse approfondie et la correction des biais qui peuvent fausser les mesures en fonction de l’heure de la journée. Nous avons développé continuellement des ceptomètres de journalisation (appelés PARbars) qui peuvent être produits pour USD $75 chacun et produire des données de haute qualité comparables aux alternatives disponibles dans le commerce. Ici, nous fournissons des instructions détaillées sur la façon de construire et calibrer parbars, comment les déployer sur le terrain et comment estimer PAI à partir des données de transmission collectées. Nous fournissons des résultats représentatifs des auvents de blé et discutons des autres considérations qui devraient être faites lors de l’utilisation de PARbars.
Introduction
Les ceptomètres (matrices linéaires de capteurs de lumière) sont utilisés pour mesurer la proportion de rayonnement photosynthétiquement actif (PAR) intercepté par les auvents végétaux. Les ceptomètres sont largement utilisés pour la recherche sur les cultures agricoles en raison de la nature relativement simple des mesures et de la simplicité d’interprétation des données. Le principe de base de la ceptométrie est que la transmission de la lumière à la base d’un couvert végétal (τ) dépend de la surface projetée des matériaux absorbant la lumière ci-dessus. Les mesures de la par au-dessus et au-dessous de la canopée peuvent donc être utilisées pour estimer les traits de la canopée tels que l’indice de surface foliaire (LAI) et l’indice de surface végétale efficace (PAIeff) (qui comprend les tiges, les chaumes et les structures de reproduction en plus des feuilles)1 ,2,3. La fiabilité des estimations de PAIeff déduites de τ est améliorée par la modélisation des effets de la fraction de faisceau du par (fb) entrant, de l’absorption foliaire (a) et du coefficient d’extinction effectif de la canopée (K ); K, à son tour, dépend à la fois de l’angle zénith solaire (θ) etde la distribution de l’angle de feuille (c)1,4,5,6. C’est une pratique courante de corriger ces effets. Cependant, il existe d’autres préjugés qui n’ont pas été dûment pris en compte par le passé en raison des limitations méthodologiques et des coûts.
Nous avons récemment identifié un biais significatif dépendant du temps dans les mesures de la ceptométrie instantanée des cultures en rangs, comme le blé et l’orge7. Ce biais est provoqué par une interaction entre l’orientation de plantation de ligne et l’angle zénith solaire. Pour surmonter ce biais, les ceptomètres de journalisation continue peuvent être montés sur le terrain pour surveiller les cycles diurnes d’interception de la lumière du couvert, puis les moyennes quotidiennes de τ et de PAIeff peuvent être calculées. Cependant, les mesures continues sont souvent inréalisables en raison du coût prohibitif des ceptomètres disponibles dans le commerce – souvent plusieurs milliers de dollars américains pour un seul instrument – et de la nécessité de mesurer de nombreuses parcelles de terrain. Cette dernière est particulièrement évidente dans l’ère de l’OMICS où plusieurs centaines de génotypes sont nécessaires pour les analyses génomiques, comme les études d’association à l’échelle du génome (GWAS) et la sélection génomique (GS) (pour examen voir Huang & Han, 20148). Nous avons reconnu qu’il y avait un besoin de ceptomètres rentables qui pourraient être produits en grand nombre et être utilisés pour des mesures continues sur de nombreux génotypes.
En guise de solution, nous avons conçu des ceptomètres à haute précision (PARbars) faciles à construire, à un coût de $75 USD par unité et nécessitant environ une heure de travail à construire. Les PARbars sont construits à l’aide de 50 photodiodes sensibles uniquement dans la bande de fréquences PAR (longueurs d’onde 390 – 700 nm), avec très peu de sensibilité en dehors de cette plage, ce qui évite l’utilisation de filtres coûteux. Les photodiodes sont reliées en parallèle sur une longueur de 1 m pour produire un signal de tension différentielle intégré qui peut être enregistré avec une centrale de mesure. Les circuits sont encastrés dans de l’époxy pour l’imperméabilisation et les capteurs fonctionnent sur une grande plage de température (-40 à + 80 ° c), ce qui permet de déployer les PARbars sur le terrain pendant de longues périodes de temps. À l’exception des photodiodes et d’une résistance à faible coefficient de température, toutes les pièces nécessaires à la construction d’un PARbar peuvent être achetées dans un magasin de matériel. Une liste complète des pièces et outils requis est fournie dans le tableau des matériaux. Ici, nous présentons des instructions détaillées sur la façon de construire et d’utiliser les PARbars pour l’estimation de PAIeff et les résultats représentatifs actuels des auvents de blé.
Protocol
Representative Results
Discussion
La mise en œuvre réussie du protocole décrit ici pour les ceptomètres de construction (PARbars) dépend le plus judicieusement sur deux étapes: 1,5 (photodiodes de collage en place) et 1,6 (photodiodes à souder au fil de cuivre). L’étape 1,5 est sujette à erreur en alignant incorrectement les photodiodes par rapport à leur polarité intrinsèque. Pour les photodiodes que nous avons utilisées, et que nous recommandons comme éléments spécifiques essentiels, la polarité est identifiée en vertu des deux onglets de connecteur électrique sur la diode ayant des tailles clairement différentes. Ainsi, avant d’appliquer la colle cyanoacrylate et de souder les photodiodes en place, il est fortement conseillé de vérifier que toutes les diodes sont placées avec les grands onglets de connecteur orientés dans une direction et les petits onglets orientés dans l’autre sens. L’étape 1,6 est sujette à l’échec en raison de la mauvaise technique de brasage et de la formation d’une jonction soudée à froid. Ceci peut être évité en appliquant un flux de soudure mince à l’aide d’un stylo-flux immédiatement avant la soudure et en veillant à ce que le fil et la languette de la photodiode soient chauffés avec la pointe de soudure (à environ 350-400 °C) avant que la soudure elle-même soit appliquée à la bifurcation. Les problèmes de connexions électriques dans un PARbar se manifestent généralement sous la forme d’une pente d’étalonnage nettement différente de celle des autres PARbars. De tels problèmes peuvent être pris au début en testant chaque raccordement électrique pendant la construction (comme décrit dans l’étape 1,6), et de nouveau après que toutes les connexions aient été soudées, mais avant qu’elles aient été encastrés dans l’époxy (étape 1,9). Une troisième source potentielle d’erreur découle de la non-utilisation d’une résistance de précision à faible coefficient de température, dont la résistance est insensible à la température; l’utilisation d’une résistance ordinaire provoquera l’erreur comme résistance, et donc la sortie de tension par unité de lumière absorbée par les diodes, change avec la température ambiante. La principale source d’erreur finale n’est pas propre à PARbars, mais s’applique à toutes les mesures de la ceptométrie: à savoir, l’inférence de l’indice de surface végétale efficace ou de l’indice de surface foliaire de la capture de la lumière dépend des caractéristiques de la structure de la canopée (notamment l’absorption foliaire moyenne et distribution de l’angle des feuilles; a et c dans les eqns 1 et 2) qui peuvent varier au cours du développement des plantes et entre les génotypes.
Il y a deux domaines principaux dans lesquels le protocole décrit ici pourrait être modifié ou adapté. Premièrement, les PARbars que nous présentons ici ont été conçus spécifiquement pour être utilisés dans les cultures en rangée, comme le blé et l’orge, mais la conception pourrait facilement être modifiée pour d’autres applications. Par exemple, on pourrait utiliser une résistance shunt avec une plus grande résistance pour améliorer le gain (sortie mV par unité par) à des intervalles de PAR inférieurs. Pour la polyvalence, un potentiomètre de précision à coefficient de basse température (résistance variable) pourrait être utilisé pour modifier la plage de sensibilité du PARbar selon les besoins ou pour faire de petits ajustements à gagner afin que chacun de plusieurs PARbars aient des pentes d’étalonnage identiques. Deuxièmement, les photodiodes pourraient également être utilisées individuellement comme des capteurs quantiques, permettant à l’utilisateur de capturer l’espace ainsi que la variation temporelle dans les auvents individuelles pour un coût beaucoup plus faible que possible en utilisant des capteurs quantiques disponibles dans le commerce. Cela pourrait être particulièrement utile compte tenu de l’intérêt croissant pour la photosynthèse dynamique dans des conditions de lumière fluctuantes12. Troisièmement, même si nous avons utilisé un enregistreur de données conventionnel (et coûteux) pour les informations présentées dans cette étude, il est possible de construire des centrales de enregistreur à la place en utilisant des composants hors-étagère, ce qui permet la création d’un système de ceptométrie et de enregistreur combinés sur un budget limité. La popularité des plateformes dites Maker, comme Arduino et Raspberry pi, offre une grande promesse dans ce domaine; Nous suggérons le projet d’open-source d’Arduino-basé de cave Pearl13 comme amorce pour le développement ultérieur. Les centrales de mesure de cave Pearl ont été conçues pour la surveillance environnementale des écosystèmes des grottes, de sorte que la robustesse et la faible demande de puissance ont été des considérations essentielles dans leur conception. Des considérations similaires sont pertinentes pour la mise en œuvre du travail de phénotypage végétal. Les composants de la centrale de enregistreur de cave Pearl sont peu coûteux (moins de USD $50 par unité) et petits, ce qui pourrait leur permettre d’être directement incorporés dans les parbars.
L’application des PARbars décrits ici fait face à trois limitations principales. Premièrement, l’inférence de l’indice de surface végétale ou de l’indice de surface foliaire de la capture de la lumière mesurée est entravée par des biais fortement dépendants du temps, en particulier dans les cultures en rangées7. Cela peut être surmonté en effectuant des mesures répétées ou continues sur une journée. Deuxièmement, les photodiodes peu coûteuses n’ont pas une sortie spectrale qui est exactement proportionnelle au flux de photons (la variable du plus grand intérêt dans la recherche de la photosynthèse). Cela peut provoquer un biais lorsque la qualité de la lumière change grandement à travers un auvent, bien que les estimations précédentes de l’erreur résultante indiquent qu’il est de l’ordre de quelques pour cent7. Troisièmement, les PARbars ne peuvent distinguer entre le faisceau direct et les composantes diffuses du PAR au-dessus de la canopée. Comme le rayonnement diffus pénètre plus profondément dans la canopée que la lumière directe du soleil14, la transmission sera augmentée et le PAIeff sera sous-estimé comme la fraction diffuse de l’irradiance totale augmente. Lorsque tous les rayonnements sont diffus, le PAIeff est directement proportionnel au logarithme de 1/τ plutôt qu’à la relation indiquée dans l’équation 115. Cruse et coll. (2015) 16 a fait remarquer que les instruments commerciaux actuellement disponibles qui peuvent mesurer la par directe et diffuse sont coûteux et nécessitent un entretien régulier, de sorte qu’ils ont conçu un appareil simple et peu coûteux pour résoudre ce problème. Leur système se compose d’un capteur quantique qui est systématiquement ombragé par une bande d’ombre motorisée, mobile et permet de mesurer en continu du PAR total, direct et diffuse. Le capteur utilisé dans le Cruse et al. 16 système pourrait être remplacé par la même photodiode utilisée dans parbars pour réduire encore le coût et peut être facilement incorporé dans la configuration existante de parbar. Ces mesures pourraient être intégrées dans le pipeline de traitement des données et amélioreraient encore la fiabilité des estimations de l’effde PAI.
L’avantage majeur des PARbars par rapport aux ceptomètres commerciaux existants est leur faible coût, ce qui rend possible leur production en grand nombre. Récemment, il y a eu un intérêt croissant pour les nouvelles technologies de phénotypage des plantes à haut débit pour l’estimation des traits de la canopée (pour examen voir Yang et al., 201717). Bien que ces méthodes soient prometteuses en ce qu’elles produisent d’énormes quantités de données, elles sont généralement très indirectes et nécessitent une validation contre les techniques conventionnelles. PARbars pourrait servir d’outil de validation rentable et fondé sur le sol pour ces nouvelles techniques.
Le faible coût de production des PARbars en font également une option viable pour les mesures continues sur le terrain. Cela pourrait être utile pour plusieurs raisons. Par exemple, des mesures continues peuvent être utilisées pour caractériser les biais d’orientation des lignes afin de développer des fonctions de correction temporelles pour les mesures instantanées (pour plus d’informations, voir Salter et al. 20187). La ceptométrie continue peut également capturer de courtes fluctuations dans la capture de la lumière du couvert au fil du temps (taches solaires et taches de soleil) causées par les nuages passant au-dessus, le mouvement de la canopée, etc. La photosynthèse est connue pour être très sensible aux petits changements dans les conditions environnementales et les changements «dynamiques» de la photosynthèse sont maintenant considérés comme importants dans la conduite du rendement des récoltes (pour examen voir Murchy et coll., 201812). Les PARbars installés sur le terrain avec un intervalle de journalisation suffisamment court pourraient être utilisés pour capturer ces fluctuations courtes et fournir une meilleure compréhension de la nature dynamique des auvents végétaux.
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs aimeraient remercier le Dr Richard Richards et le Dr Shek Kaïain au CSIRO, à l’agriculture et à l’alimentation pour l’accès et la gestion des parcelles de terrain utilisées pour cette recherche. Cette recherche a été appuyée par le partenariat international sur le rendement du blé, grâce à une subvention fournie par la société de recherche et de développement des grains (US00082). Le TNB a été appuyé par le Conseil australien de la recherche (DP150103863 et LP130100183) et la National Science Foundation (Award #1557906). Ces travaux ont été soutenus par l’Institut national de l’alimentation et de l’agriculture de l’USDA, Hatch Projects 1016439 et 1001480.
Materials
| 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 |
Riferimenti
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