ポロメーター・クロロフィル蛍光測定装置を用いた葉の光合成速度の高速・高精度・汎用的な推定手法
要約
作物生産に直結する光合成速度を、軽量・小型なポロメーター・クロロフィル蛍光測定装置を用いた測定と数理モデルを組み合わせて、高速・高精度に推定する手法である。本手法は、多様な植物に適用でき、収量ポテンシャルの高い品種の選抜や最適な栽培法の研究・開発を加速させる。
- キーワード : 光合成、クロロフィル蛍光、気孔コンダクタンス、ハイスループットフェノタイピング、炭素循環
- 担当 : 農業環境研究部門・気候変動適応策研究領域・気象・作物モデルグループ
- 代表連絡先 :
- 分類 : 研究成果情報
背景・ねらい
植物が光エネルギーを化学エネルギーに変換し、有機物を作り出す光合成は、地球上全ての生物の生命活動を支える反応である。作物生産においても、光合成は最も基本的な反応であり、作物がどの程度光合成をしているのか(光合成速度)を知ることは、作物の健康状態や生産性を評価する上で極めて重要である。しかし、光合成速度を測定するための既存の装置は大型で測定時間も長く、現場での測定には多くの労力と時間がかかるという問題がある。そのため、光合成速度のデータを多量に収集することは困難であり、実際の農業研究の現場で活用される機会は限られている。
そこで、本研究ではこのボトルネックを解消するため、片手で操作できる軽量・小型のポロメーター・クロロフィル蛍光測定装置での計測と光合成生化学モデルを組み合わせて、葉の光合成速度を高速かつ高精度に推定する手法を開発する。
成果の内容・特徴
- 本手法で使用するポロメーター・クロロフィル蛍光測定装置(図1)は、葉を数秒間挟むだけで、光合成を左右する2つの重要な生理指標(気孔コンダクタンス注1)と光化学系IIの量子収率注2))を同時に測定することができきる。これらの指標と、本装置で同時に測定できる環境要素(光の強さ等)を光合成生化学モデルに入力することで、光合成速度を計算する。これまで、この装置の計測だけでは光合成速度自体を推定することができなかったが、モデルと組み合わせることで高精度な推定が可能となる(図1)。
注1)気孔コンダクタンス : 葉の表面にある微小な気孔の開き具合。これが大きいほど、光合成の原料である二酸化炭素を効率よく取り込むことが可能。
注2)光化学系IIの量子収率 : 葉の中にある葉緑体が、吸収した光エネルギーをどれだけ効率よく化学エネルギーに変換しているかを示す指標。 - 本手法では植物の種類やその生育環境の違いによる変化が大きい気孔コンダクタンスと光化学系IIの量子収率をどちらとも実測しているため、測定する植物種や環境が変わっても推定誤差を最小限に抑えることができる。実際に、本手法を生育条件の異なる12種の植物を用いて検証したところ、既存の測定装置で実測した値と本手法で推定した値との間の誤差が小さく(図2)、多様な植物の光合成速度を精度良く推定可能である。
- ポロメーター・クロロフィル蛍光測定装置は既存の測定装置の5～10分の1の軽さで、片手で操作できるほどコンパクトなため、圃場での調査労力を軽減できる。また、測定時間も葉を挟んで数秒で完了するため、既存の測定装置の数倍～数十倍は高速である。
成果の活用面・留意点
- 作物生産に対して基礎となる光合成速度のデータを多量に収集することが可能となり、育種や栽培などの幅広い農業研究に貢献する。
- 本手法に必要な指標はリモートセンシングでも推定可能なため、今後はさらに短時間で広範囲の光合成速度を推定することも可能となる。
- 本手法は今のところポロメーター・クロロフィル蛍光測定装置で人が測定を行わなければならないが、将来的に収穫ロボットなどの自動ロボットの高度化が進めば、装置をロボットに装着して自動で光合成のデータを取得することが可能となる。
具体的データ
その他
- 予算区分 : 交付金、文部科学省(科研費)、その他外部資金(高知県ネクスト次世代型施設園芸農業推進事業費補助金 : IoP研究開発事業)
- 研究期間 : 2023～2025年度
- 研究担当者 : 木村建介、熊谷悦史、伏見栄利奈、丸山篤志、松波寿典、紺野祥平、野村浩一(高知大)
- 発表論文等 : Kimura K. et al. (2025) Plant Cell Environ. 48:7213-7224