PARbars: ucuz, kolay bitki canopies ışık durdurma sürekli ölçümü için Ceptometreler Inşa etmek
Summary
Burada, biz oluşturmak ve araştırma kalitesi ceptometreler (birçok sensörler arasında dikey yatay bir çubuk boyunca dizilmiş ışık yoğunluğu entegre ışık sensörleri) kalibre ayrıntılı talimatlar sunuyoruz.
Abstract
Ceptometri, uzun bir bara paralel olarak bağlı birden fazla ışık sensörü kullanarak bir bitki gölgeliği aracılığıyla fotosynthetically aktif radyasyonun geçirgenliğini ölçmek için kullanılan bir tekniktir. Ceptometri genellikle gölgelik yapısı ve ışık durdurma özellikleri, özellikle yaprak alan indeksi (LAI) ve etkili bitki alanı indeksi (PAIeff) gerçekleştirip için kullanılır. Ticari olarak kullanılabilen ceptometrelerin yüksek maliyetinden dolayı, alınabilen ölçüm sayısı genellikle uzay ve zamanda sınırlıdır. Bu ışık durdurma genetik değişkenlik eğitim için ceptometri kullanışlılığı sınırlar, ve ayrıntılı analiz önler, ve düzeltme, gün zaman bağlı olarak ölçümleri eğriltme olabilir önyargıları. Biz sürekli günlük ceptometreler (PARbars denilen) Bu $75 USD için üretilen ve ticari alternatifler karşılaştırılabilir yüksek kaliteli veri verim geliştirilmiştir. Burada, PARbars ‘ı nasıl inşa etmek ve kalibre etmek, bunları alana nasıl dağıtacağınız ve toplanan geçirgenlik verilerinden PAı nasıl tahmin edileceğiz hakkında ayrıntılı talimat sağlıyoruz. Biz buğday saçaklar temsili sonuçlar sağlamak ve parbars kullanırken yapılması gereken daha fazla hususlar tartışmak.
Introduction
Ceptometreler (ışık sensörleri doğrusal diziler) bitki canopies tarafından yakalanan fotosentetik aktif radyasyon (PAR) oranını ölçmek için kullanılır. Ceptometreler, ölçümler ve veri yorumlaması kolaylığı nispeten basit doğası nedeniyle tarımsal ürün araştırması için yaygın olarak kullanılır. Ceptometri temel prensibi, ışığın bir bitki gölgeliği (τ) tabanına geçirgenliğinin, yukarıdaki ışık emici malzemelerin öngörülen alanına bağımlı olmasıdır. Yukarıda ve Kanopi altında PAR ölçümleri, bu nedenle, yaprak alan indeksi (LAI) ve etkili bitki alanı indeksi (PAIeff) gibi gölgelik özellikleri tahmin etmek için kullanılabilir (hangi oluşan içerir, culms ve yaprakları ek olarak üreme yapıları)1 ,2,3. PAIeff ‘in güvenilirlik tahminleri, gelen par (fb), yaprak absorpsiyonu (a) ve etkili gölgelik tükenme katsayısı (K) ışın kesir etkilerini modelleme tarafından geliştirildi ); K, sırayla, hem güneş Zenith açı (θ) ve yaprak açı dağılımı (χ)1,4,5,6bağlıdır. Bu efektler için düzeltmek için yaygın bir uygulamadır. Ancak, geçmişte metodolojik ve maliyet sınırlamaları nedeniyle dikkate alınmadı diğer önyargıları vardır.
Son zamanlarda, buğday ve arpa gibi satır bitkileri, anlık ceptometri ölçümlerinde önemli zaman bağımlı önyargı tespit7. Bu önyargı satır Ekim yönü ve güneş tepe açısı arasında bir etkileşim kaynaklanır. Bu önyargı üstesinden gelmek için, sürekli oturum ceptometreleri Kanopi ışık durdurma gündüz döngüleri izlemek için alanda monte edilebilir ve sonra τ ve PAIeff günlük ortalamalar hesaplanabilir. Ancak, sürekli ölçümler, ticari olarak kullanılabilen ceptometrelerin yetersiz yüksek maliyetinden dolayı genellikle tek bir enstrüman için birkaç bin ABD Doları-ve birçok alan arazisi ölçümlerinin gereksinimi nedeniyle mümkün değildir. İkincisi, Genom geniş dernek çalışmaları (GWAS) ve genomik seçim (GS) gibi genomik analizler için yüzlerce genotipin gerekli olduğu-omics döneminde özellikle belirgindir (İnceleme için bkz Huang & han, 20148). Biz çok sayıda üretilen ve birçok genotip arasında sürekli ölçümler için kullanılabilir uygun maliyetli ceptometreler için bir ihtiyaç olduğunu tanıdı.
Bir çözüm olarak, birim başına $75 USD maliyetine kolay inşa edilmiş, yüksek hassasiyetli ceptometreler (PARbars) tasarladık ve yaklaşık bir saatlik işçilik gerektirir. Parbars sadece par dalgada (dalga boyu 390 – 700 nm) hassas olan 50 fotodiyotlar kullanılarak inşa edilir, bu aralığın dışında çok az hassasiyet ile, pahalı filtreler kullanımını ortadan kaldırır. Photodiyotlar bir Datalogger ile kaydedilebilir entegre bir diferansiyel voltaj sinyali üretmek için 1 m uzunluğunda paralel olarak bağlanır. Devreler su yalıtımı için epoksi kaplı ve sensörler büyük bir sıcaklık aralığı üzerinde çalışır (-40 ila + 80 °C), PARbars uzun süre alanında dağıtılmasını sağlar. Fotodiyotlar ve düşük sıcaklık katsayısı direnci dışında, bir PARBar oluşturmak için gereken tüm parçalar bir donanım deposundan satın alınabilir. Gerekli parça ve araçların tam listesi malzeme tablosundasağlanmıştır. Burada, PAıeff ‘in öngörü Için parbars ‘ın nasıl inşa edildiğini ve kullanılacağı hakkında ayrıntılı talimatlar sunuyoruz.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ceptometreler (PARbars) oluşturmak için burada özetlenen protokolün başarılı bir şekilde uygulanması, iki adımda en hassas şekilde değişir: 1,5 (yerinde fotodiyotlar yapıştırarak) ve 1,6 (bakır tel lehimleme fotodiyotlar). Adım 1,5, fotodiotlar kendi içsel polaritesi ile ilgili olarak yanlış hizalayarak hataya eğilimli. Kullanılan fotdiotlar için, ve hangi biz temel özel öğeler olarak tavsiye, polarite açıkça farklı boyutlarda olan diyot iki elektrik konnektörü sekmeleri sayesinde tanımlanır. Böylece, siyoakrilat yapıştırıcısını uygulamadan ve fotodiyotlar yerine lehim yapmadan önce, tüm diyotlar tek yönde dönük büyük bağlayıcı sekmeleri ve diğer yönde bakan küçük sekmeler ile yerleştirildiğini iki kez kontrol etmeniz şiddetle tavsiye edilir. Adım 1,6 kötü lehimleme tekniği ve soğuk lehimlenmiş kavşak oluşumu nedeniyle başarısızlık eğilimli. Bu lehim önce hemen bir Flux kalem kullanarak ince lehim akı uygulayarak önlenebilir ve hem tel ve fotodiyot sekmesi lehim ucu ile ısıtılır sağlanması (yaklaşık 350-400 oC) lehimleme kendisi uygulanmadan önce Kavşak. Bir PARbar ‘da Elektrik bağlantılarıyla ilgili sorunlar, genellikle diğer PARbars ‘dan farklı olarak bir kalibrasyon eğimi şeklinde tezahür ederler. Bu tür sorunlar, inşaat sırasında her bir elektrik bağlantısını test ederek erken yakalanabilir (adım 1,6 ‘ de açıklandığı gibi) ve tüm bağlantılar lehimlendikten sonra, ancak Epoksi (Step 1,9) kaplı olduktan önce. Üçüncü bir olası hata kaynağı, direnci sıcaklığa duyarsız olan, düşük sıcaklık katsayısı hassas direnç kullanmaması nedeniyle ortaya çıkar; sıradan bir direnç kullanarak, direnç olarak hataya neden olacak ve dolayısıyla diyotlar tarafından emilen ışık birimi başına voltaj çıkışı, ortam sıcaklığına sahip değişiklikler. Hata son büyük kaynak PARbars için benzersiz değildir, ancak tüm ceptometry ölçümleri için geçerlidir: Yani, ışık yakalama etkili bitki alanı indeksi veya yaprak alan indeksi çıkarma kanopi yapısının özelliklerine bağlıdır (özellikle ortalama yaprak absorpatif ve yaprak açı dağılımı; Eqns 1 ve 2 ‘ de a ve c ), bitki gelişimi sırasında ve genotipler arasında farklılık gösterebilir.
Burada açıklanan protokolün değiştirilmiş veya uyarlanabilir iki ana alanı vardır. İlk olarak, burada sunacağız PARbars özellikle buğday ve arpa gibi satır bitkileri, kullanmak için tasarlanmış, ancak tasarım kolayca diğer uygulamalar için değiştirilebilir. Örneğin, daha büyük direnç ile bir şant direnci daha düşük PAR aralıkları (PAR birim başına mV çıkışı) kazanç artırmak için kullanılabilir. Çok yönlülük için, düşük sıcaklık katsayısı hassasiyeti potansiyometresi (değişken direnç), PARbar ‘ın hassasiyet aralığını gerektiğinde değiştirmek veya birçok PARbars ‘ın aynı kalibrasyon yamaçlarına sahip olması için küçük ayarlamalar yapmak için kullanılabilir. İkinci olarak, fotodiyotlar da bireysel saçaklar içinde ticari olarak kullanılabilir kuantum sensörleri kullanarak mümkün olandan çok daha düşük bir maliyet için uzamsal yanı sıra temporal değişimi yakalamak için izin kuantum sensörleri olarak ayrı olarak kullanılabilir. Bu özellikle dalgalanan ışık koşulları altında dinamik fotosentez artan ilgi verilen değerli olabilir12. Üçüncü olarak, bu çalışmada sunulan veriler için geleneksel (ve pahalı) bir Datalogger kullanılsa da, bunun yerine kapalı-the-raf componentry kullanılarak inşa etmek için veri verileri için kapsam vardır, bir kombine ceptometry ve Datalogger sisteminin oluşturulmasını sağlayarak sınırlı bütçe. Arduino ve Raspberry Pi gibi sözde Maker platformlarının popülaritesi bu alanda büyük bir söz sunuyor; Biz daha fazla gelişim için bir Starter olarak açık kaynak Arduino tabanlı Cave Pearl projesi13 öneririz. Mağara inci veri kaydediciler mağara ekosistemlerinin çevresel izlenmesi için tasarlanmıştır, bu nedenle sağlamlık ve düşük güç talebi kendi tasarımında önemli hususlar vardı. Benzer hususlar fenotipleme çalışması bitki uygulama için geçerlidir. Cave Pearl Datalogger bileşenleri ucuz (birim başına $50 USD ‘den az) ve küçük, doğrudan PARbars içine dahil edilmesini olanaklı kılan.
Burada açıklanan PARbars uygulaması üç ana sınırlama ile karşı karşıyadır. İlk olarak, ölçülen ışık yakalama bitki alanı indeksi veya yaprak alan indeksi çıkarma özellikle satır bitkileri7, güçlü zaman bağımlı önyargıları tarafından engel olur. Bu, bir gün içinde tekrarlanan veya sürekli ölçümler yaparak üstesinden gelebilir. Ikinci, ucuz fotodiyotlar tam olarak foton Flux (fotosentez araştırma büyük ilgi değişkeni) ile orantılı bir spektral çıktı yok. Ortaya çıkan hatanın önceki tahminleri birkaç yüzde7‘ nin sırasına göre olduğunu belirtse de, ışık kalitesi bir gölgelik üzerinden büyük ölçüde değiştiğinde bu önyargı neden olabilir. Üçüncü olarak, PARbars doğrudan kiriş ve gölgelik üzerinde gelen PAR diffü bileşenleri arasında ayırt edemez. Diffik radyasyon doğrudan güneş ışığından daha gölgeliğin derinliklerine nüfuz olarak14, geçirgenlik artırılacak ve toplam ışınlama artışlarının diffik FRAKSIYONU olarak PAIeff hafife olacaktır. Tüm radyasyon diffü olduğunda, PAIeff , denklem 115‘ te gösterilen ilişkinin yerine 1/τ logaritması ile doğrudan orantılıdır. Cruse ve ark. (2015) 16 doğrudan ve DIFFDÜR par ölçmek için şu anda mevcut ticari araçların pahalı ve düzenli bakım gerektirir, bu yüzden bu sorunu gidermek için basit ve ucuz bir cihaz tasarlanmış kaydetti. Sistemleri, düzenli olarak motorlu, hareketli bir shadowband tarafından gölgeli ve toplam, doğrudan ve diffize PAR sürekli ölçümü için izin veren bir kuantum sensörü oluşur. Sensör Cruse et alkullanılır. 16 sistem, maliyeti daha da azaltmak Için parbars ‘da kullanılan aynı fotodiyot ile değiştirilebilir ve mevcut PARBar kurulumuna kolayca eklenebilir. Bu ölçümler veri işleme boru hattına entegre edilebilir ve PAıefftahminlerinin güvenilirliğini daha da artıracak.
Mevcut ticari ceptometreler göreli PARbars büyük avantajı onların düşük maliyetli, bu çok sayıda onları üretmek için mümkün kılar. Son zamanlarda, gölgelik özellikleri tahmini için yeni yüksek verim bitki fenotiplemeyi teknolojilerinde büyüyen bir ilgi olmuştur (İnceleme için bkz: Yang et al., 201717). Bu yöntemler, genellikle çok dolaylı ve geleneksel tekniklere karşı doğrulama gerektiren büyük miktarlarda veri ürettikleri için umut verici iken. PARbars, bu yeni teknikler için ekonomik, zemin tabanlı bir doğrulama aracı olarak hizmet verebilir.
PARbars düşük üretim maliyeti de onları alanda sürekli ölçümler için uygun bir seçenek haline. Bu, çeşitli nedenlerle yararlı olabilir. Örneğin, sürekli ölçümler anlık ölçümler için zamana özel düzeltme fonksiyonları geliştirmek için satır oryantasyon önyargıları karakterize etmek için kullanılabilir (daha fazla bilgi için bkz: Salter et al. 20187). Sürekli ceptometri de zaman içinde gölgelik ışık yakalama kısa dalgalanmalar yakalayabilir (sunflecks ve shadeflecks) bulutların yükü geçen neden, gölgelik hareket, vb. Fotosentez çevresel koşullarda küçük değişikliklere son derece duyarlı olduğu bilinmektedir ve fotosentez ‘ dinamik ‘ değişiklikler şimdi ürün verim sürüş önemli olduğu düşünülmektedir (İnceleme için bkz: Murchie et al., 201812). Bu kısa dalgalanmalar yakalamak ve bitki canopies dinamik doğası daha iyi anlayış sağlamak için bir uygun kısa günlük aralığı ile alanda yüklü PARbars kullanılabilir.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar Dr Richard Richards ve Dr Shek Hossain CMARıS, tarım, ve gıda erişim ve bu araştırma için kullanılan alan araziler yönetimi teşekkür etmek istiyorum. Bu araştırma, tahıl araştırma ve Geliştirme Kurumu (US00082) tarafından sağlanan bir hibe yoluyla uluslararası buğday verim ortaklığı tarafından destekleniyordu. TNB Avustralya Araştırma Konseyi (DP150103863 ve LP130100183) ve Ulusal Bilim Vakfı (ödül #1557906) tarafından destekleniyordu. Bu çalışma USDA Ulusal Gıda ve Tarım Enstitüsü tarafından desteklenen, Hatch projeleri 1016439 ve 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).
