プレスリリース
(研究成果) X線CTを用いた水田のイネ根系の可視化

肥料価格の高騰や環境負荷の少ない持続可能な農業の実現のため、栽培管理技術の改良とあわせて、低施肥栽培に適した画期的な品種育成が求められています。品種改良の対象形質のひとつとして、根における肥料吸収効率の改善が挙げられます。特に土中に遍在する肥料を効率的に獲得できる根系が重要です。しかし、現代品種の中で、低施肥栽培に適した根系を持った品種はほとんど知られていません。そこで、在来品種や野生種などの未利用遺伝資源から低施肥栽培でも生育が良好な品種・系統を見出して根系との関係性を明らかにし、現代品種の改良に活用することが有効と考えられます。

一般的な根系の計測では土から根を掘り起こし、洗い出す必要があります。しかし、洗い出しにより土中の根の立体的な形を崩してしまい、正確な形態情報は得られません。また、洗い出しに多大な労力がかかり、育種の現場では根系の選抜は困難でした。そこで、根系の優れた品種育成のためには、土の中の根系を短期間で詳細かつ大量に計測できる技術が必要でした。

従来、イネの根系を観察する一般的な方法として、円筒形の筒を地面に打ち込んで根ごと土壌を収集し(図1)、深さ別に土壌を分割して各土層に含まれる根を洗い出して定量化していました。例えば、収集した土壌を上下に2分割すると、根が浅い品種は浅い層の根の割合が、根が深い品種は深い層の根の割合が多くなります。しかし、この方法では根系の微細な違いが分からず、また1個体を定量化するために最大1日ほど労力がかかる非効率的な方法でした。

これまでに農研機構では、X線CTを用いて、人工培土を充てんしたポットで栽培したイネの根系を可視化する技術を開発してきました(https://www.naro.go.jp/publicity_report/press/laboratory/nics/135606.html)。この技術を水田で栽培したイネの根系評価に応用できれば上記の問題を解決できると考えました。しかし、水田の土は人工培土と異なりひび割れやわらなどの残渣が存在し、そのままではこの技術を応用できません。そこで、X線CT画像の中から根のみを抽出する画像処理法を新たに確立することができれば、水田から収集した土壌中の根系も可視化できるのではないかとの発想に至りました。

• 水田からイネの株を含む土壌ブロックを採取し(図2A)、X線CTで撮影して(図2B)、イネの根のみを抽出する画像処理法を確立しました。本画像処理手法を用いることで、土壌ブロックのX線CT画像から根の情報のみを立体的に抽出し土壌中の根系を可視化できました(図2C)。
• 水田では複数の個体の根が土中で交差していますが、可視化された画像から根の生える方向を立体的に算出することにより、1個体に由来する根だけに絞り込む計算法を開発しました(図2D)。これにより個体単位での根系を評価することが可能になりました。
• 本手法では画像処理は自動的に行われるため、土壌ブロックの収集からX線CTの撮影までにかかる時間は1個体あたり約10分でした。従来の根を洗って評価する手法では、500個体の品種や育成系統の根系を評価する場合、約500人日(1人日は1個体あたり1人の作業者で1日程度かかるという意味)かかることになりますが、本技術を用いることで500個体の評価が約10人日の労力で可能となり、従来法と比較して大幅な時間短縮となりました。本手法により肥料吸収効率と根系との関係性などが明らかになれば、様々な品種から低施肥栽培に適した根系を持つ品種の選抜が可能になると考えられます。