2015 Fiscal Year Research-status Report
光化学系IIの量子収率を指標にした植物工場におけるLED照射の標準化
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15K07664
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| Research Institution | Shinshu University |
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Principal Investigator |
野末 雅之 信州大学, 学術研究院繊維学系, 教授 (30135165)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 人工光型植物工場 / LED / 量子収率 / ΦII / ETR / 光量 / 光質 / 光阻害 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
人工光型植物工場では栽培品目ごとに最適な光環境条件が異なる。LEDには多様な素子があり、調光条件や照射方法も様々である。しかし、異なる栽培状況下で適性光量・適性光質を統一的に評価する方法は確立されていない。本研究では光化学系IIの量子収率（ΦII）を指標にした人工光型植物工場における適性LED照射の標準化を目的とした。平成27年度の研究実績の概要を以下に記す。
（１） 各種LEDを組合せた光環境下でロメインレタス等を水耕栽培し、ΦII、新鮮重、乾燥重、消費電力、ETR、SPAD値を測定した。また、ΦII、Fv'/Fm’、qP、ETR、NPQ、光合成速度のLight-Curveを作成した。設定範囲内で高光量になるにつれ、ΦIIはいずれも減少したが生産量は増加した。これは光合成効率が低下しても光合成速度が光飽和に達するまでは成長が進むためである。この結果から、ΦIIによる光合成効率の評価は可能だが、ΦIIのみで適性光量を直接推測するのは困難と判断した。そこで、ΦIIと光量の両方のパラメータを含むETR のLight-Curveを作成し、両者の直線関係が成り立つ最大光量を適性光量とした。この値は生長量および消費電力量からも妥当と判断され、適性光量を評価するのにETRが有効であることがわかった。
（２）光阻害を指標とした光環境評価を検討した。ワサビ葉では赤色光で光阻害が顕著に起こるが、その理由は赤色強光下で葉緑体逃避が起こらず過剰な光エネルギーの吸収によりPSII修復系が阻害されるためであった。青色光では高光量でPSIIが損傷するが、NPQの増大と葉緑体逃避により受光量が調節され、修復系が作動し光阻害が回避されると考えられた。光阻害は照明のエネルギーコストの浪費だけでなく、著しい生育阻害を引き起す。光阻害を回避するために、植物工場では光量だけでなく、光質の選択も重要であることが明らかになった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
交付申請書に記載した「研究目的」は、（１）クロロフィル蛍光測定によるPSII量子収率を指標にした植物育成における効果的なLED照射法の構築、（２）人工光型植物工場における光環境最適化のためのLED照射の標準化の提案、（３）省エネルギー栽培法の実証、の3点である。平成27年度（初年度）は、（１）を中心におおむね順調に研究を進展させることができた。その理由は以下の通りである。
（１）に関しては、植物育成における適性光量を評価するのにPSIIの実効量子収率（ΦII）とPAR（光量）の両パラメータを含むETR（電子伝達速度）が有効であることがわかった。また、波長スペクトル特性（光質）が異なる種々のLED素子によってもΦIIの値が変動することから、適性光量は光質によっても変化することが明らかになった。さらに、光量だけでなく光質も光阻害に影響することが明らかになり、太陽光を用いない人工光型植物工場での光源の波長設定が光阻害を回避するために重要であることがわかった。
（２）に関しては、ΦIIをパラメータに含むETRの有効性を明らかにすることができた。今後、さらにETRによる「LED照射の標準化」に向けた検証を続けていく。
（３）に関しては、本研究の最終段階として、本研究で提唱する「LED照射の標準化」の最終評価を行う予定である。
「当初の計画以上に推進している」と判断しなかった理由は、ΦIIに対する波長スペクトル特性（光質）の影響、特に高光量下でもΦIIの低下を緩和させる有効な波長スペクトル特性（光質）の解析が十分に進められなかったためである。その原因は実験に使用可能なLED灯具を速やかに設置できなかったためであるが、その後ほぼ十分なLED灯具が入手できているので問題はない。
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| Strategy for Future Research Activity |
人工光型植物工場における最適光量の設定には「量子収率（ΦII）」と「最大光合成速度」の２つの要因が重要である。高光量になるにつれ（ΦII）は低下するが、最大光合成速度は光量が飽和するまで増加するためである。今後の研究の推進方策として、より高光量でも量子収率が低下せず、高い光合成活性が維持されるLED照明法について検討する。
具体的には、光質のΦIIに対する影響を検討する。青・緑・赤・遠赤色光LEDの他、広域波長スペクトルを持つ白色光（蛍光色、電灯色）LEDなど多様なLED素子を用いて栽培実験を行い、ΦII、ETR、光合成活性等のLight-Curveを作成する。続いて、次の３点に注目し、高光量でもΦII低下が緩和される要因について明らかにする。（１）遠赤色光によるPSII／PSI励起バランスの調整とΦIIに対する影響、（２）遠赤色光の形態形成と生長に対する影響について調べ、（３）遠赤色光による光阻害緩和効果の検証するために、遠赤色光のFv/FmおよびD1タンパク質発現に対する影響を調べる。
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| Causes of Carryover |
当初計画で見込んでいたよりも安価に研究が完了したため、次年度使用額が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度使用額（12,408円）は、平成２８年度の請求額と合わせてD1タンパク質のウェスタンブロット解析用の試薬購入のために使用する。
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Research Products
(3 results)
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[Presentation] The characteristics of functional photosystems in mature leaves that support leaf longevity in Arabidopsis thaliana2016
Author(s)
Saruta, R., Fukuda, S., Nozue, H., Kumazaki, S. and Nozue, M
Organizer
The 57th Annual Meeting of The Japanese Society of Plant Physiologists
Place of Presentation
Iwate University, Ueda Campus (3-18-8 Ueda, Morioka, Iwate, Japan)
Year and Date
2016-03-18 – 2016-03-20
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