2018 Fiscal Year Research-status Report
Development of the micro-optical devises for monitoring plant activities at the tissue and cellular levels
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18KT0088
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| Research Institution | Nara Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
久保 稔 奈良先端科学技術大学院大学, 研究推進機構, 特任准教授 (30342778)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
春田 牧人 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 助教 (40733663)
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| Project Period (FY) |
2018-07-18 – 2021-03-31
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| Keywords | 微小光学デバイス / 非侵襲 / リアルタイムイメージング / 植物生理応答モニタリング / 組織・細胞レベル / 環境応答 / ICT |
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| Outline of Annual Research Achievements |
少子高齢化社会に対応した農業を営むためには、なるべくヒトの手をかけずに作物栽培を行う必要がある。そのためには、作物の生育情報を効率的に取得することが重要であり、近年、このICT化が進められてきた。これまで、天気、気温、降水量など環境情報の取得は進んでいるが、作物の成長具合や、病虫害の有無など生体情報については作物の個体レベルでの画像を利用したものがほとんどである。そのため、環境変化に応答した植物の初期の微細な生育情報を取得し、迅速に対応することは困難であった。そこで本研究課題では、植物の生理応答を組織・細胞レベルでリアルタイムにモニタリングでき、野外でも利用可能な微小光学デバイスの開発に着手した。
CMOSイメージセンサ、LED光源、FOP、制御基盤を用いて、モニタリングデバイスを作成し、植物の葉の表皮細胞の撮像に成功した。植物の葉の表面には、気孔と呼ばれる穴があり、この開閉により、蒸散による水分の排出および根から水の吸い上げ、光合成に必要な二酸化炭素の取り込みを調整している。よって、気孔の開閉をモニタリングすることは、植物体内の水の移動、光合成能とリンクしたリアルタイムな生体活動を取得することになると考えられる。作成した光学デバイスはこの気孔の状態を観察することができ、タイムラプスイメージングによる長時間の撮影にも成功した。また、Wi-Fiモジュールを搭載することにより、無線による画像の取得にも成功した。
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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
平成30年度は以下の研究を中心に行った。
（1）組織・細胞レベルでの植物生理活性モニタリングデバイスの開発
植物に対して着脱可能で長期計測可能な非侵襲型の微小光学センサを開発するために、１）CMOSセンサ、２）LED光源、３）デバイス固定、４）無線化の条件検討を行った。１）では、当初、使用予定だった自作のCMOSセンサでは画素サイズが大きく、モノクロ撮影に特化していたため、植物の組織・細胞の詳細な画像取得が難しいことがわかった。そこで、市販のより微細な画素サイズのカラーCMOSセンサを採用した。２）では植物の生理応答に影響が少ないと考えられる緑色光LEDを搭載し、光源位置を多点化することで、撮像ノイズを除去する手法を導入した。３）では、搭載するLED光源からの透過光を用いて葉表面上の細胞を観察するため、このデバイスを植物の葉に固定する必要がある。そこで、様々な種の植物において、葉にダメージを与えない最大限の圧力を見積もるために、葉のせん断応力の測定を行った。４）では、上記のデバイスにWi-Fiモジュールを装着し、その画像をタブレット端末およびスマートフォンへ無線により転送し、リアルタイムで観察できることを確認した。これらの条件を備えた微小光学デバイスを試作し、ツユクサ科植物のトラディスカンティアの葉表面を撮影し、その表皮にある気孔が解析可能な解像度で取得できることを確認した。
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| Strategy for Future Research Activity |
H30年度で作成した植物生理応答モニタリングデバイスを量産し、植物における設置部位や使用条件を決定するために、広く利用されている実験植物のシロイヌナズナに加え、様々な栽培作物を用いて、 気孔の画像情報を取得し、データ取得のインターバルやデータ取得時間など、様々な植物に適したモニタリング条件を検討する。 また、これらのデータをもとに気孔の開閉状態を判別するモデルおよびプログラムの作成に着手する。さらに気孔の開閉状態と植物の生育状態を関連付けるために適した植物の栽培条件の検討を行う。これらに加えて、野外での植物生理活性モニタリングに適したデバイスの改良も行う。
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| Causes of Carryover |
当初、植物生理応答モニタリングデバイスの開発を進めるとともに、その対象となる植物種とその栽培状況の条件検討を行う予定であったが、より本研究課題に適したモニタリングデバイスの開発に注力したため、気孔が観察しやすい植物種１種のみを用いることとなった。そのため、H30年度に計上した植物育成関連試薬・器具類の購入に係る消耗品費を次年度に繰り越すことにした。繰り越した経費は、植物生理応答モニタリングデバイスを用いる様々な植物種、およびそれらの育成条件の検討に使用予定である。
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