PARbars: رخيصه ، وسهله لبناء Ceptometers لقياس مستمر من الضوء اعتراض في الستائر النباتية
Summary
هنا ، نقدم تعليمات مفصله حول كيفيه بناء ومعايره مقاييس الجودة البحثية (أجهزه الاستشعار الخفيفة التي تدمج كثافة الضوء عبر العديد من أجهزه الاستشعار بشكل خطي علي طول شريط أفقي).
Abstract
Ceptometry هو تقنيه تستخدم لقياس نفاذيه الإشعاع النشط الضوئي من خلال مظلة النبات باستخدام أجهزه استشعار الضوء متعددة متصلة بالتوازي علي شريط طويل. وغالبا ما يستخدم ceptometry لاستنتاج خصائص هيكل المظلة والاعتراض الخفيف ، ولا سيما مؤشر المنطقة الطرفية (LAI) ومؤشر المنطقة النباتية الفعالة (PAI f). ونظرا للتكلفة العالية لمقاييس الضغط المتاحة تجاريا ، فان عدد القياسات التي يمكن اتخاذها غالبا ما يكون محدودا في المكان والزمان. وهذا يحد من فائده القياس الوراثي لدراسة التغير الجيني في الاعتراض الخفيف ، ويحول دون اجراء تحليل شامل للتحيزات التي يمكن ان تشوه المقاييس تبعا للوقت من اليوم ، وتصحيح هذه الانحرافات. قمنا بتطوير التسجيل المستمر لمقاييس الإنتاج (المسمية باربارات) والتي يمكن ان تنتج لكل منها $75 دولار أمريكي وتعطي بيانات عاليه الجودة مقارنه بالبدائل المتاحة تجاريا. هنا نقدم تعليمات مفصله حول كيفيه بناء ومعايره PARbars ، وكيفيه نشرها في الحقل وكيفيه تقدير PAI من البيانات النفاذيه التي تم جمعها. نحن نقدم نتائج تمثيليه من الستائر القمح ومناقشه المزيد من الاعتبارات التي ينبغي اجراؤها عند استخدام PARbars.
Introduction
وتستخدم ceptometers (صفائف خطيه من أجهزه استشعار الضوء) لقياس نسبه الإشعاع النشط الضوئي (PAR) التي اعترضتها الستائر النباتية. وتستخدم ceptometers علي نطاق واسع في بحوث المحاصيل الزراعية نظرا للطبيعة المباشرة نسبيا للقياسات وبساطه تفسير البيانات. المبدا أساسيه [سبتومتري] ان ال [نفاذيه] الضوء إلى القاعدة من معمل مظلة (τ) متدلية علي ال يسلط منطقه من ضوء يمتص مواد أعلاه. التالي يمكن استخدام قياسات PAR أعلاه وتحت المظلة لتقدير سمات المظلة مثل مؤشر منطقه الأوراق (LAI) والمؤشر الفعال للمناطق النباتية (بأي اف) (الذي يشمل السيقان والبني التناسلية والهياكل الانجابيه بالاضافه إلى الأوراق)1 ،2،3. يتم تحسين موثوقيه تقديرات بأي اف الاستدلال من τ عن طريق نمذجة اثار جزء شعاع من PAR الواردة (fb) ، ورقه أبسوربتانسي (a) ومعامل الانقراض المظلة الفعالة (K ); K، في المقابل ، يعتمد علي كل من زاوية ذروه الشمسية (θ) وتوزيع زاوية ورقه (χ)1،4،5،6. ومن الممارسات الشائعة لتصحيح هذه الآثار. ومع ذلك ، هناك تحيزات أخرى لم تحظ بالاعتبار الواجب في الماضي بسبب القيود المنهجية والتكاليف.
وقد حددنا مؤخرا تحيزا كبيرا يعتمد علي الوقت في قياسات الإنتاج اللحظية لمحاصيل الصفوف ، مثل القمح والشعير7. ويحدث هذا التحيز بسبب التفاعل بين اتجاه زراعه الصفوف وزاوية الذروة الشمسية. وللتغلب علي هذا التحيز ، يمكن تركيب مقاييس التسجيل المستمرة في الحقل لمراقبه الدورات النهارية لاعتراض المظلة الخفيفة ومن ثم يمكن حساب المتوسطات اليومية لτ وباييف . ومع ذلك ، غالبا ما تكون القياسات المستمرة غير ممكنة بسبب التكلفة الباهظة لمقاييس الارتفاع المتاحة تجاريا – والتي غالبا ما تكون عده آلاف من الدولارات الامريكيه لأداه واحده – ومتطلبات قياسات العديد من المؤامرات الميدانية. ويتجلى هذا الأخير بشكل خاص في الحقبة التي تكون فيها مئات عديده من الأنماط الجينية مطلوبه للتحليلات الجينية ، مثل دراسات الجينوم الواسعة النطاق (GWAS) واختيار الجينوم (GS) (للمراجعة انظر هوانغ & Han ، 20148). وقد أدركنا ان هناك حاجه إلى مقاييس فعاله من حيث التكلفة يمكن إنتاجها باعداد كبيره واستخدامها في القياسات المستمرة عبر العديد من الأنماط الجينية.
كحل ، صممنا سهله البناء ، وعاليه الدقة ceptometers (PARbars) بتكلفه $75 دولار للوحدة وتتطلب ما يقرب من ساعة واحده من العمل لبناء. يتم بناء PARbars باستخدام 50 الضوئية التي هي حساسة فقط في الموجه PAR (موجات 390-700 nm) ، مع حساسية قليله جدا خارج هذا النطاق ، وتجنب استخدام مرشحات مكلفه. يتم توصيل الصور بالتوازي عبر طول 1 متر لإنتاج اشاره الجهد التفاضلي المتكاملة التي يمكن تسجيلها مع datalogger. والمغلفة الدوائر في الايبوكسي لمنع التسرب المائي وأجهزه الاستشعار تعمل علي مدي درجه حرارة كبيره (-40 إلى + 80 درجه مئوية) ، والسماح لل PARbars ليتم نشرها في الميدان لفترات طويلة من الزمن. باستثناء الصور الضوئية والمقاوم معامل درجه الحرارة المنخفضة ، يمكن شراء جميع الأجزاء المطلوبة لبناء PARbar من متجر للاجهزه. وترد قائمه كامله بالأجزاء والاداات المطلوبة في جدول المواد. هنا نقدم تعليمات مفصله حول كيفيه بناء واستخدام الحانات لتقدير بأي اف والنتائج التمثيلية الحالية من الستائر القمح.
Protocol
Representative Results
Discussion
التنفيذ الناجح للبروتوكول المبين هنا لبناء ceptometers (PARbars) يعتمد بشكل أكثر حساسية علي خطوتين: 1.5 (التصاق فوتوديدات في مكان) و 1.6 (لحام فوتوديدات إلى الأسلاك النحاسية). الخطوة 1.5 عرضه للخطا عن طريق محاذاة الصور بشكل غير صحيح فيما يتعلق بالقطبية المتاصله. بالنسبة للفوتوديودات التي استخدمناها ، والتي نوصي كعناصر أساسيه محدده ، يتم تحديد القطبية بفضل علامتي التبويب موصل الكهربائية علي الصمام الثنائي وجود احجام مختلفه بوضوح. التالي ، قبل تطبيق الغراء سيانوكريلات ولحام فوتوديودات في مكانها ، ينصح بشده للتحقق المزدوج ان يتم وضع جميع الثنائيات مع علامات التبويب موصل كبيره تواجه في اتجاه واحد وعلامات التبويب الصغيرة التي تواجه في الاتجاه الآخر. الخطوة 1.6 عرضه للفشل بسبب تقنيه لحام الفقراء وتشكيل تقاطع ملحومه الباردة. ويمكن تجنب هذا عن طريق تطبيق تدفق لحام رقيقه باستخدام القلم تدفق مباشره قبل لحام وضمان ان يتم تسخين كل من الأسلاك وعلامة التبويب ضوئي مع طرف لحام (في حوالي 350-400 سج) قبل لحام نفسه يتم تطبيقها علي تقاطع. مشاكل مع الاتصالات الكهربائية في PARbar عاده ما تظهر في شكل منحدر معايره مختلفه بوضوح عن تلك الموجودة في الحانات الأخرى. ويمكن القبض علي مثل هذه المشاكل في وقت مبكر عن طريق اختبار كل اتصال كهربائي اثناء البناء (كما هو موضح في الخطوة 1.6) ، ومره أخرى بعد ان تم ملحوم جميع الاتصالات ، ولكن قبل ان تم المغطي في الايبوكسي (الخطوة 1.9). ينشا مصدر محتمل ثالث للخطا من الفشل في استخدام المقاوم الدقة معامل درجه الحرارة منخفضه ، التي مقاومه غير حساسة لدرجه الحرارة. باستخدام المقاوم العادية سوف يسبب الخطا كما المقاومة ، التالي الجهد الناتج لكل وحده من الضوء التي تمتصها الثنائيات ، يتغير مع درجه الحرارة المحيطة. المصدر الرئيسي النهائي للخطا ليست فريدة من نوعها إلى PARbars ، ولكن ينطبق علي جميع قياسات ceptometry: وهي الاستدلال من مؤشر منطقه النباتات الفعالة أو مؤشر منطقه ورقه من التقاط الضوء يعتمد علي ملامح هيكل المظلة (ولا سيما يعني ورقه أبسوربتانسي توزيع زاوية الأوراق ؛ a و c في eqns 1 و 2) التي قد تختلف اثناء تطوير النبات وبين الأنماط الجينية.
وهناك مجالان رئيسيا يمكن فيهما تعديل البروتوكول الموصوف هنا أو تكييفه. أولا ، تم تصميم الحانات التي نقدمها هنا خصيصا لاستخدامها في المحاصيل الصف ، مثل القمح والشعير ، ولكن يمكن بسهوله تعديل التصميم للتطبيقات الأخرى. علي سبيل المثال ، يمكن استخدام المقاوم تحويله مع مقاومه أكبر لتعزيز الربح (الناتج mV لكل وحده PAR) في نطاقات PAR اقل. لبراعة ، يمكن استخدام مقياس الجهد المنخفض درجه الحرارة (المقاوم متغير) لتعديل نطاق الحساسية PARbar حسب الحاجة أو لاجراء تعديلات صغيره لكسب بحيث يكون لكل من العديد من الحانات منحدرات المعايرة متطابقة. ثانيا ، يمكن أيضا استخدام الصور الضوئية بشكل فردي كاجهزه استشعار كميه ، مما يسمح للمستخدم بالتقاط التباين المكاني وكذلك الزماني داخل الستائر الفردية بتكلفه اقل بكثير من الممكن باستخدام أجهزه استشعار الكم المتاحة تجاريا. ويمكن ان يكون ذلك ذا قيمه خاصه نظرا للاهتمام المتزايد بالتمثيل الضوئي الدينامي في ظل ظروف الاضاءه المتقلبة12. ثالثا ، علي الرغم من اننا استخدمنا التقليدية (ومكلفه) datalogger للبيانات المقدمة في هذه الدراسة ، وهناك مجال لل datalogger بدلا من ذلك ان يبني باستخدام المكونات خارج الرف ، وتمكين إنشاء نظام الجمع والبيانات المجمعة علي ميزانيه محدوده. شعبيه ما يسمي منصات صانع ، مثل اردوينو والتوت Pi ، تقدم وعدا كبيرا في هذا المجال. نقترح المفتوحة المصدر اردوينو القائم كهف بيرل المشروع13 كبداية لمزيد من التطوير. صممت الكهوف الكهف بيرل لمراقبه البيئة من النظم الايكولوجيه الكهف ، لذلك كانت الصلابة وانخفاض الطلب علي الطاقة الاعتبارات الرئيسية في تصميمها. وهناك اعتبارات مماثله ذات صله بالتنفيذ لاعمال التنميط النباتي. مكونات datalogger اللؤلؤ الكهف غير مكلفه (اقل من $50 دولار للوحدة) والصغيرة ، والتي يمكن ان تمكنهم من ان تدمج مباشره في PARbars.
ويواجه تطبيق الحانات الموصوفة هنا ثلاثه قيود رئيسيه. أولا ، ان الاستدلال علي مؤشر منطقه النباتات أو مؤشر منطقه الأوراق من التقاط الضوئي المقيس يعوقه التحيز القوي المعتمد علي الوقت ، ولا سيما في المحاصيل المتتالية7. ويمكن التغلب علي ذلك عن طريق اجراء قياسات متكررة أو مستمرة علي مدي يوم واحد. ثانيا ، لا تحتوي الصور الضوئية غير المكلفة علي ناتج طيفي يتناسب تماما مع تدفق الفوتون (المتغير ذو الاهتمام الأكبر في بحوث التمثيل الضوئي). وهذا يمكن ان يسبب التحيز عندما تغير نوعيه الضوء إلى حد كبير من خلال مظلة, علي الرغم من التقديرات السابقة للخطا الناتج تشير إلى انه علي ترتيب عدد قليل من7في المئة. ثالثا ، لا يمكن للباربارات التمييز بين الشعاع المباشر والمكونات المنتشرة لل PAR الواردة فوق المظلة. كما يخترق الإشعاع منتشر أعمق في المظلة من أشعه الشمس المباشرة14، سيتم زيادة النفاذيه سيتم الاستهانة بأي اف كما الجزء منتشر من الزيادات الإشعاع الكلي. عندما يكون كل إشعاع منتشرة, [بأي] [اف] متناسبة مباشره إلى اللوغاريتم من 1/τ [رثر ثن] العلاقة يبدي في معادله 115. Cruse وآخرون. (2015) وأشار 16 إلى ان الاداات التجارية المتاحة حاليا والتي يمكن ان تقيس المستوي المباشر والمنتشر باهظه التكلفة وتتطلب صيانة منتظمة ، ولذلك صممت جهازا بسيطا وغير مكلف لمعالجه هذه المسالة. يتكون نظامها من جهاز استشعار الكم التي مظلله بشكل روتيني من قبل الميكانيكية ، والفرقة ظلال المتحركة ويسمح للقياس المستمر من المجموع ، المباشر ومنتشر PAR. المستشعر المستخدم في Cruse وآخرون. 16 يمكن استبدال النظام مع نفس ضوئي المستخدمة في parbars لزيادة خفض التكلفة ويمكن دمجها بسهوله في الاعداد باربار القائمة. ويمكن دمج هذه القياسات في خط أنابيب معالجه البيانات ستزيد من تعزيز موثوقيهتقديرات بأي اف.
والميزة الرئيسية للباربارات بالنسبة إلى المقاييس التجارية القائمة هي تكلفتها المنخفضة ، مما يجعل من الممكن إنتاجها باعداد كبيره. وفي الاونه الاخيره ، كان هناك اهتمام متزايد بالتكنولوجيات الجديدة ذات الانتاجيه العالية للنباتات لتقدير سمات المظلة (للاطلاع علي الاستعراض ، انظر يانغ وآخرون ، 201717). في حين ان هذه الطرق واعده من حيث انها تنتج كميات ضخمه من البيانات فهي عاده غير مباشره جدا وتتطلب التحقق من التقنيات التقليدية. ويمكن لهذه التقنيات الجديدة ان تكون أداه فعاله من حيث التكلفة وقائمه علي الأرض.
كما ان انخفاض تكلفه الإنتاج في الحانات يجعلها خيارا صالحا للقياسات المستمرة في الميدان. وقد يكون ذلك مفيدا لعده أسباب. علي سبيل المثال ، يمكن استخدام القياسات المستمرة لتوصيف التحيزات في اتجاه الصف لتطوير وظائف تصحيح محدده زمنيا للقياسات اللحظية (لمزيد من المعلومات انظر Salter et al. 20187). كما يمكن ان تلتقط القياسات المستمرة التقلبات القصيرة في التقاط ضوء المظلة مع مرور الوقت (البقع الشمسية والبقع) الناجمة عن مرور الغيوم الزائدة ، وحركه المظلة ، الخ. ومن المعروف التمثيل الضوئي لتكون حساسة للغاية للتغيرات الصغيرة في الظروف البيئية والتغيرات ‘ ديناميكية ‘ في التمثيل الضوئي ويعتقد الآن ان تكون مهمة في القيادة محصول المحاصيل (للمراجعة انظر Murchie et al., 201812). ويمكن استخدام الحانات المثبتة في الحقل مع فتره تسجيل قصيرة بشكل مناسب للتقاط هذه التقلبات القصيرة وتوفير فهم أفضل للطبيعة الديناميكية للستائر النباتية.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويود المؤلفون ان يشكروا الدكتور ريتشارد ريتشاردز والدكتور شيك حسين في المركز الزراعي والغذاء للوصول إلى الأراضي الميدانية المستخدمة في هذا البحث وأدارتها. وقد حظي هذا البحث بدعم الشراكة الدولية لإنتاج القمح ، من خلال منحه قدمتها مؤسسه بحوث وتطوير الحبوب (US00082). وقد حظي الصندوق بدعم من مجلس البحوث الأسترالي (DP150103863 و LP130100183) والمؤسسة الوطنية للعلوم (جائزه #1557906). وقد حظي هذا العمل بدعم المعهد الوطني للاغذيه والزراعة الذي يعمل بالوزارة ، وهو مشروع يفقس 1016439 و 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 |
References
- Armbrust, D. V. Rapid measurement of crop canopy cover. Agronomy Journal. 82 (6), 1170-1171 (1990).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- . . AccuPAR PAR/LAI Ceptometer Model LP-80 Operator's Manual. , (2017).
- Salter, W. T., Gilbert, M. E., Buckley, T. N. Time-dependent bias in instantaneous ceptometry caused by row orientation. The Plant Phenome Journal. , (2018).
- Huang, X. H., Han, B., Merchant, S. S. . Annual Review of Plant Biology. 65, 531-551 (2014).
- . . Application Note: Beam fraction calculation in the LP80. , (2009).
- Campbell, G. S., Van Evert, F. K. . Light interception by plant canopies – efficiency and architecture. , (1994).
- Pask, A., Pietragalla, J., Mullan, D., Reynolds, M. . Physiological breeding II: a field guide to wheat phenotyping. , (2012).
- Murchie, E. H., et al. Measuring the dynamic photosynthome. Annals of Botany. 122 (2), 207-220 (2018).
- 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).
- Li, T., et al. Enhancement of crop photosynthesis by diffuse light: quantifying the contributing factors. Annals of Botany. 114 (1), 145-156 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
