PARbars: goedkoop, makkelijk te bouwen Ceptometers voor continue meting van lichte interceptie in planten luifels

De succesvolle implementatie van het protocol dat hier voor de bouw van ceptometers (PARbars) wordt geschetst hangt het meest gevoelig op twee stappen af: 1,5 (het lijmen fotodiodes in plaats) en 1,6 (solderende fotodioden aan de koperdraad). Stap 1,5 is gevoelig voor fouten door het uitlijnen van de fotodiodes ten onrechte met betrekking tot hun intrinsieke polariteit. Voor de fotodiodes die wij gebruikten, en die wij als essentiële specifieke punten adviseren, wordt de polariteit geïdentificeerde op grond van de twee elektro schakelaar lusjes op de diode die duidelijk verschillende grootte heeft. Dus, voor het aanbrengen van Cyanoacrylaat lijm en solderen van de fotodiodes op zijn plaats, is het sterk aangeraden om te controleren of alle diodes worden geplaatst met de grote connector tabbladen geconfronteerd in een richting en de kleine tabbladen geconfronteerd in de andere richting. Stap 1,6 is gevoelig voor falen als gevolg van slechte solderen techniek en de vorming van een koude gesoldeerd kruispunt. Dit kan worden vermeden door het toepassen van dunne soldeer Flux met behulp van een flux pen onmiddellijk vóór het solderen en ervoor te zorgen dat zowel de draad en de fotodiode tabblad worden verwarmd met de soldeer tip (op ongeveer 350-400 ^oC) voordat solderen zelf wordt toegepast op de Junction. Problemen met elektrische aansluitingen in een PARbar meestal manifesteren in de vorm van een kalibratie helling duidelijk verschillend van die van andere PARbars. Dergelijke problemen kunnen vroeg worden gevangen door het testen van elke elektrische verbinding tijdens de bouw (zoals beschreven in stap 1,6), en opnieuw nadat alle aansluitingen zijn gesoldeerd, maar voordat ze zijn ingekapseld in epoxy (stap 1,9). Een derde potentiële bron van fouten komt voort uit het niet gebruiken van een lage temperatuur-coëfficiënt precisie weerstand, waarvan de weerstand is ongevoelig voor temperatuur; met behulp van een gewone weerstand zal de fout veroorzaken als het verzet, en dus de spanning per eenheid van het licht geabsorbeerd door de diodes, veranderingen met omgevingstemperatuur. De laatste belangrijke bron van fouten is niet uniek voor PARbars, maar geldt voor alle ceptometry metingen: namelijk, de gevolgtrekking van effectieve plant gebied index of Leaf Area index van licht te vangen is afhankelijk van de kenmerken van de luifel structuur (met name mean Leaf absorptance en bladhoek verdeling; a en c in Eqns 1 en 2) die kunnen variëren tijdens de ontwikkeling van de plant en tussen genotypen.

Er zijn twee belangrijke gebieden waarop het hier beschreven protocol kan worden gewijzigd of aangepast. Ten eerste, de PARbars die we hier presenteren zijn speciaal ontworpen voor gebruik in de rij gewassen, zoals tarwe en gerst, maar het ontwerp kan gemakkelijk worden aangepast voor andere toepassingen. Bijvoorbeeld, zou een shunt weerstand met grotere weerstand kunnen worden gebruikt om aanwinst (mV output per eenheid pari) bij lagere pari waaiers te verbeteren. Voor veelzijdigheid, een lage-temperatuur coëfficiënt precisie potentiometer (variabele weerstand) kan worden gebruikt om de PARbar gevoeligheid bereik te wijzigen als nodig is of om kleine aanpassingen te maken om te winnen, zodat elk van de vele PARbars hebben identieke kalibratie hellingen. Ten tweede, de fotodiodes kunnen ook individueel worden gebruikt als Quantum sensoren, waardoor de gebruiker te vangen ruimtelijke en temporele variatie binnen individuele Luifels voor een veel lagere kosten dan mogelijk met behulp van commercieel verkrijgbare Quantum sensoren. Dit kan bijzonder waardevol zijn gezien de groeiende belangstelling voor dynamische fotosynthese onder fluctuerende lichtomstandigheden¹². Ten derde, hoewel we gebruik gemaakt van een conventionele (en dure) datalogger voor de gegevens die in deze studie, is er ruimte voor dataloggers in plaats daarvan worden gebouwd met behulp van off-the-shelf componenten, waardoor de oprichting van een gecombineerde ceptometry en datalogger systeem op een beperkt budget. De populariteit van zogenaamde Maker platforms, zoals Arduino en framboos Pi, biedt grote belofte op dit gebied aan; Wij stellen voor de open-source Arduino op basis van Cave Pearl project¹³ als een starter voor verdere ontwikkeling. Cave Pearl dataloggers werden ontworpen voor het milieumonitoring van de grot ecosystemen, dus robuustheid en een laag vermogen vraag waren belangrijke overwegingen in hun ontwerp. Soortgelijke overwegingen zijn relevant voor de uitvoering van de plant fenotype werk. Cave Pearl datalogger componenten zijn goedkoop (minder dan USD $50 per eenheid) en klein, waardoor ze direct kunnen worden opgenomen in PARbars.

Toepassing van de hier beschreven PARbars gezichten drie belangrijke beperkingen. Ten eerste, de gevolgtrekking van de plant gebied index of blad gebied index van gemeten licht vangen wordt belemmerd door een sterke tijd-afhankelijke biases, met name in de rij gewassen⁷. Dit kan worden overwonnen door het maken van herhaalde of continue metingen over een dag. Ten tweede, goedkope fotodiodes hebben geen spectrale output die precies evenredig is aan foton flux (de variabele van de grootste belangstelling voor fotosynthese onderzoek). Dit kan bias veroorzaken wanneer de lichte kwaliteit zeer door een luifel verandert, hoewel de vorige ramingen van de resulterende fout erop wijzen dat het op de orde van een paar percenten⁷is. Ten derde, PARbars kan geen onderscheid maken tussen de directe straal en diffuse componenten van inkomende PAR boven de luifel. Zoals diffuse straling dieper doordringt in de luifel dan direct zonlicht¹⁴, zal de overbrenging worden verhoogd en Pai_eff zal worden onderschat als de diffuse Fractie van de totale straling stijgt. Wanneer alle straling diffuus is, is PAI_eff direct evenredig met de logaritme van 1/τ in plaats van de relatie getoond in vergelijking 1¹⁵. Cruse et al. (2015) ¹⁶ merkte op dat momenteel beschikbare commerciële instrumenten die kunnen meten directe en diffuse par zijn duur en vereisen regelmatig onderhoud, zodat ze ontwierp een eenvoudig en goedkoop apparaat om dit probleem aan te pakken. Hun systeem bestaat uit een Quantum sensor die routinematig wordt gearceerd door een gemotoriseerde, bewegende shadowband en zorgt voor continue meting van de totale, directe en diffuse PAR. De sensor gebruikt in de Cruse et al. ¹⁶ het systeem zou met de zelfde fotodiode kunnen worden vervangen die in PARbars wordt gebruikt om kosten verder te verminderen en kan gemakkelijk in de bestaande PARbar opstelling worden opgenomen. Deze metingen kunnen worden geïntegreerd in de gegevensverwerkings pijplijn en zouden de betrouwbaarheid van de ramingen van PAI_effverder vergroten.

Het grote voordeel van PARbars ten opzichte van bestaande commerciële ceptometers is hun lage kosten, waardoor het haalbaar is om ze te produceren in grote aantallen. Onlangs is er een groeiende belangstelling voor nieuwe high-throughput plant fenotype technologieën voor de schatting van de luifel eigenschappen (voor de herziening zie Yang et al., 2017¹⁷). Hoewel deze methoden zijn veelbelovend in dat ze produceren enorme hoeveelheden gegevens ze zijn meestal zeer indirect en vereisen validatie tegen conventionele technieken. PARbars kan dienen als een kosteneffectieve, op de grond gebaseerde validatie tool voor deze nieuwe technieken.

De lage productiekosten van PARbars maken hen ook een haalbare optie voor ononderbroken metingen in het gebied. Dit kan nuttig zijn om verschillende redenen. Continue metingen kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om rij-oriëntatie-biases te karakteriseren om tijdspecifieke correctiefuncties te ontwikkelen voor momentane metingen (voor meer informatie zie Salter et al. 2018⁷). Continue ceptometry kan ook vastleggen korte schommelingen in de luifel licht vast te leggen in de tijd (sunflecks en shadeflecks) veroorzaakt door wolken passeren overhead, beweging van de luifel, enz. Fotosynthese is bekend dat zeer gevoelig zijn voor kleine veranderingen in de omgevingsomstandigheden en ‘ dynamische ‘ veranderingen in de fotosynthese worden nu gedacht dat het belangrijk in het rijden gewasopbrengst (voor de herziening Zie Murchie et al., 2018¹²). PARbars geïnstalleerd in het veld met een voldoende korte logging interval kan worden gebruikt om deze korte schommelingen vast te leggen en een beter begrip van de dynamische aard van de plant luifels te bieden.