PARbars: 植物の天蓋での光遮断の連続的な測定のための Ceptometers を構築するために、安価で簡単に

Ceptometers を構築するためにここに概説されたプロトコルの成功した実装 (PARbars) は、2つのステップで最も敏感に依存します: 1.5 (その場でのフォトダイオードの接着) と 1.6 (銅線へのフォトダイオードのはんだ付け)。ステップ1.5 は、固有の極性に関してフォトダイオードを誤って位置合わせすることによってエラーを起こしやすい。我々が使用したフォトダイオード、および重要な特定の項目として推奨される極性は、ダイオード上の2つの電気コネクタタブによって明確に異なるサイズを持つことによって識別します。したがって、cyanoacrylate 接着剤を適用して、フォトダイオードをはんだ付けする前に、すべてのダイオードが1つの方向に面した大きなコネクタタブ、もう一方の方向に面している小さなタブに配置されていることを再度確認することを強くお勧めします。ステップ1.6 は、はんだ付け技術の悪さおよび冷間はんだ接合の形成により故障しやすい。これは、はんだ付けの直前にフラックスペンを使用して薄いはんだフラックスを塗布し、ワイヤとフォトダイオードタブの両方をはんだ先端部 (約350-400 ° C) で加熱してから、はんだ付け自体に適用することで回避できます。ジャンクション。PARbar における電気接続に関する問題は、通常、他の PARbars とは明確に異なる較正斜面の形で現れる。このような問題は、(ステップ1.6 で説明したように) 構築中に各電気接続をテストすることによって早期に捕捉することができ、すべての接続がはんだ付けされた後でも、エポキシに包まれる前に (ステップ 1.9)。3番目の潜在的なエラーの原因は、その抵抗が温度に対して鈍感である、低い温度係数の精度抵抗を使用しないことから生じます。通常の抵抗を使用するとエラーが抵抗となり、ダイオードによって吸収される光の単位当たりの電圧出力が周囲温度によって変化します。最後の主要なエラーの原因は PARbars に固有ではありませんが、すべての ceptometry 測定に適用されます。すなわち、光捕捉からの有効な植物面積指数又は葉面積指数の推定は、樹冠構造の特徴 (特に平均葉日射と葉の角度の分布;Eqns 1 および 2) における a およびc は、植物の発育中および遺伝子型間で変化し得る。

ここで説明するプロトコルを変更または適合させることができる2つの主な領域があります。まず、ここで紹介する PARbars は、小麦や大麦などの行作物に使用するために特別に設計されていますが、他のアプリケーションでも簡単にデザインを変更できます。たとえば、抵抗の大きいシャント抵抗を使用して、より低い PAR 範囲でゲイン (単位パーあたりの mV 出力) を向上させることができます。汎用性を高めるために、低温係数の高精度ポテンショメータ (可変抵抗) を使用して、必要に応じて PARbar の感度範囲を変更したり、多くの PARbars が同一のキャリブレーションスロープを持つように小さな調整を行ったりすることができます。第2に、フォトダイオードは、量子センサとして個別に使用することもでき、市販の量子センサを使用して可能な場合よりもはるかに低いコストで、個々の天蓋内の空間的な変化と時間的変動を捉えることができる。これは、変動する光条件¹²の下で動的光合成に対する関心が高まっていることを考えると特に価値がある。第3に、本研究で提示されたデータに従来の (そして高価な) データロガーを使用したものの、データロガーが既製の易いを使用して構築され、ceptometry とデータロガーシステムを組み合わせて作成することが可能である。限られた予算。Arduino やラズベリーパイなどのいわゆるメーカーのプラットフォームの人気は、この分野で大きな期待を提供しています。我々は、さらなる開発のためのスターターとしてオープンソースの Arduino ベースの洞窟パールプロジェクト¹³を提案します。ケーブパールデータロガーは、洞窟生態系の環境モニタリングのために設計されたため、堅牢性と低消費電力が設計上の重要な考慮事項でした。同様の考慮事項は、プラントみつかり作業への実装に関連しています。ケーブパールデータロガーコンポーネントは、安価 (1 単位あたり $50 米ドル未満) で、小型であり、PARbars に直接組み込むことができる可能性があります。

ここに記載された PARbars の適用は、3つの主な制限に直面します。第1に、測定された光捕捉からの植物領域インデックスまたは葉面積インデックスの推論は、特に行作物⁷において時間依存性の強いバイアスによって妨げられる。これは、1日に繰り返しまたは連続的な測定を行うことによって克服することができます。第2に、安価なフォトダイオードは、フォトンフラックス (光合成研究における最大の関心の変数) に正確に比例するスペクトル出力を持っていません。これにより、キャノピーを通じて光の質が大幅に変化した場合にバイアスが発生することがありますが、これまでに得られた誤差の推定値は、数パーセント⁷のオーダーであることを示しています。第3に、PARbars はキャノピーの上に入ってくる PAR の直接ビームと拡散コンポーネントを区別できません。拡散放射線は直接日光¹⁴よりもキャノピーの奥深くまで浸透するので、透過率は増加し、PAI_effは総放射照度の拡散画分が増加するにつれて過小評価されます。すべての放射線が拡散する場合、PAI_effは、式 1¹⁵に示される関係ではなく、1/τの対数に直接比例する。クルーズet al.(2015)¹⁶は、現在利用可能な直接および拡散 PAR を測定することができる市販の楽器は高価であり、定期的なメンテナンスを必要とするので、彼らはこの問題に対処するためのシンプルで安価な装置を設計したことに注意しましたそれらのシステムはモーターを備えられた、動く shadowband によって定期的に影である量子センサーから成り、総、直接および拡散 PAR の連続的な測定を可能にする。クルーズet al. で使用されているセンサー。¹⁶システムは、さらにコストを削減するために PARbars で使用される同じフォトダイオードに置き換えることができ、簡単に既存の PARbar セットアップに組み込むことができます。これらの測定値はデータ処理パイプラインに統合され、PAI_effの推定値の信頼性がさらに向上します。

既存の商業 ceptometers に比べて PARbars の主な利点は、それらを大量に生産することが可能になり、低コストである。最近では、樹冠形質の推定のための新しい高スループットプラントみつかり技術への関心が高まっています (レビュー用ヤンet al., 2017¹⁷)。これらの方法は、膨大な量のデータを生成するということで有望ですが、通常は非常に間接的で、従来の手法に対する検証が必要です。PARbars は、これらの新しい技術のための費用対効果の高い、地上ベースの検証ツールとして機能することができます。

PARbars の生産コストが低いため、現場での連続測定のための実行可能なオプションにもなります。これは、いくつかの理由で役に立ちます。たとえば、連続測定は、瞬間的な測定のための時間固有の補正関数を開発するために、行方向のバイアスを特徴付けるために使用できます (詳細については、ソルター et al. 2018⁷)。連続 ceptometry はまた、オーバーヘッド、キャノピーの動きなどの雲が通過することによって引き起こされる、時間をかけてキャノピーライトキャプチャ (sunflecks と shadeflecks) の短い変動をキャプチャすることができます。光合成は、環境条件の小さな変化に対して非常に敏感であることが知られており、光合成の「ダイナミックな」変化は現在、作物収量を駆動する上で重要であると考えられている (レビューのために Murchie et al., 2018¹²)。適切に短いロギング間隔でフィールドにインストールされた PARbars は、これらの短い変動を捕捉し、植物の天蓋の動的な性質のより良い理解を提供するために使用することができます。