プレスリリース
(研究成果) 自然環境の干ばつを再現した自動潅水(かんすい)制御システムを開発

温暖化などによる地球規模の環境変動により、世界中の農地で干ばつや土壌の荒廃が進んでいます。国内でも、集中豪雨や洪水による作物の冠水被害など、これまでにない厳しい栽培環境へと変わりつつあります。世界中で、このような環境変動に対応した迅速な作物開発が求められています。

近年農業分野でもドローン、カメラ、センサー技術を組合せ、作物の生育状況を計測し、データ駆動型の作物開発に活かそうとする動きが国内外で盛んになっています。しかし、これらの研究開発の現場では、現在の気象・栽培環境で作物を評価しているため、10年、20年先に予想される不良環境などに適応した作物開発を進めることは困難です。そこで、将来予想される不良環境を想定した作物開発の仕組が必要となります。

現在の屋外環境において、将来起こる水不足や高温障害などを予想、具現化し作物の開発を進めることは困難です。そのほかにも、畑や水田などの屋外環境で作物を調査する際には以下のような問題があります。当然ですが、我々は自然環境をコントロールできないため、毎シーズン期待通りの気象条件で作物を調査できません。例えば、作物の干ばつ耐性を屋外で評価する際、栽培期間中に雨が降ると試験になりません。また、同じほ場でも地力ムラや水はけの違いなどにより同じ品種でも均一には栽培できません。

今回、農研機構を中心としたグループはIoT技術とセンサー技術を活用し、屋内の制御環境下で作物を栽培・調査するために、1ポットごとの温湿度、照度、さらに、土壌水分や地温を精密にモニタリングし、任意の土壌水分に自動制御できる遠隔操作型の潅水システム(iPOTs)を開発しました。

従来、多くの研究者は干ばつに対する植物の生育を調査する際、茎葉などの地上部の変化に関心を持ち、潅水の方法が根の生育に及ぼす影響を考慮していませんでした。自然環境で起こる干ばつでは地表から土壌が乾燥することから、これまで主流であった地表からの潅水による土壌水分の分布は不自然と言えます。そこで、我々は土壌水位をより自然な形で制御できるように底面から潅水するアイデアを思いつきました。

本研究は、これまでフィールドにて干ばつ耐性試験を行ってきた農研機構と植物を計測する装置開発を得意とするかずさDNA研究所、このような装置開発に実績のある(株)テックスの3者が共同して実施しました。農研機構の干ばつを再現するために必要な生物学的な観点と、かずさDNA研究所のフェノタイピングシステム開発、(株)テックスの実装技術と工学的な観点をもとに有効性と実現性の両面から有効な底面潅水のアイデアを考案しました。このアイデアに基づいてかずさDNA研究所と(株)テックスによりiPOTsのプロトタイプを構築し、農研機構がiPOTsを用いて干ばつ条件が再現できているかを評価しました。

iPOTsは人工気象室や植物工場などの屋内栽培に特化した仕様で、水位センサーを利用し水環境を自動で制御できることから、365日いつでも無人で植物を栽培管理できます。iPOTsとこのような施設を組み合わせることで、10、20年後の日本の気温や水環境を想定した栽培環境の下で、いち早く作物開発を始め、将来に備えることが可能になります。また、iPOTsを使えば、COVID-19などのパンデミック時の移動制限の際に、リモートで作物の栽培条件を制御・管理できます。さらに、iPOTsと人工気象室を組み合わせて海外の不良環境を再現すれば、日本にいながら、海外の現地と同じ条件で作物開発の支援が可能です。

当研究グループでは、迅速な作物開発をめざし、我々がこれまでに開発した作物の地上部・地下部3次元非破壊計測システム^a)b)とiPOTsを一体運用することを始めました。世界に類を見ないハイスループットな屋内型作物栽培・計測プラットホームとして、干ばつに強いイネをデザインするための開発に利用しています(図4)。

iPOTsの正式な製品化は現時点では未定ですが、今後他の研究者や民間企業の方に広く利用していただけるように、改良を重ね製品化を検討したいと考えています。