分光分布情報による光合成能力の非破壊・連続測定の高度化に関する研究

Research Project

Project/Area Number	23K14046
Research Category	Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Basic Section 41040:Agricultural environmental engineering and agricultural information engineering-related
Research Institution	Kyushu University
Principal Investigator	横山岳九州大学, 農学研究院, 助教 (80962472)
Project Period (FY)	2023-04-01 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000) Fiscal Year 2024: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000) Fiscal Year 2023: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
Keywords	分光反射率 / 光合成能力 / 葉温 / リモートセンシング / 可視近赤外分光 / 分光反射 / 非破壊推定
Outline of Research at the Start	本研究では，光合成能力を構成する，温度変化の影響を受けない光合成タンパク質“量”と温度によって変化する光合成タンパク質の“温度活性”の二つの性質を分光法により推定することが可能かを明らかにする．まず，様々な温度環境において光合成能力と分光情報の同時計測が可能なオリジナル装置を３Dプリンタを用いて製作する．その装置を用いて，様々な温度，光合成能力の条件でデータを取得し，機械学習モデルを用いて詳細に解析する．
Outline of Annual Research Achievements	近年，分光分布情報から植物情報（光合成能力，水分状態 etc.）の推定を試みる研究が盛んに行われている．しかし，分光法は，分光分布情報と植物情報の実測値の関係から構築した統計モデル（ブラックボックスモデル）を用いて植物情報を推定するため，既往の研究の多くは，分光分布情報から任意の植物情報を推定できるかどうかを目的としている．一方で本研究では，独自の計測システムを用いて様々な条件の葉の分光分布情報を計測し，分光分布情報を網羅的に解析することで，分光分布情報がどのような植物の生理プロセスを反映しているかといった現象の理解に挑む点．具体的には，分光法による光合成能力の推定において，「なぜ？光合成能力の温度依存性まで含めて推定できるのか？」という点を明らかにすることを目的とする．当該年度においては，まず光合成能力・葉温・分光反射率を同時測定可能な装置の開発に取り組んだ．その結果，近赤外域を計測するために用いた光源の強度が非常に強いため照射部の葉が変色してしまうという課題が生じた．照射光源を葉から遠ざけることで葉の変色は防ぐことが可能であるが，光源の距離が遠すぎた場合，分光反射率の計測精度が低下するという課題がある．そこで，葉を変色させないが測定精度も維持できる最適な葉と光源の距離を探索し決定した．加えて，様々な葉温において分光反射率を計測し，主成分分析により葉温の変化と分光反射率の変化の関係を調べたところ，葉温の変化に伴って特定の波長域の反射率が変化することが明らかとなった．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 当該年度においては，分光反射率を計測する際に照射光源と葉の距離が近すぎた場合，葉が熱の影響で変色するという課題が生じた．そのため，光源と葉の距離を最適化することに時間を要した．特に市販の分光計測装置や光源は，簡単には改良できないため，３Dプリンタなどを使用し，自作の積分球などを作成するなどの工夫に時間を費やした．
Strategy for Future Research Activity	今後は，光合成測定装置に分光反射率の計測するプローブと光源を固定可能なシステムを３Dプリンタにより作成し，引き続き光合成能力・葉温・分光反射率を同時測定可能な装置の開発に取り組む．その後，様々な温度条件において光合成能力と分光反射率の関係を解析する．