クロロフィル蛍光と光合成機能における季節変化メカニズムの解明

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17J05444
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 辻本 克斗 東北大学, 生命科学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2017-04-26 – 2020-03-31
• Keywords: リモートセンシング / クロロフィル蛍光 / 環境応答 / PRI / キサントフィルサイクル

Outline of Annual Research Achievements

１）人工気象室を用いて異なる光環境・栄養条件で育成した植物について、光合成・蛍光・反射分光を調べる研究を行い、生育条件によって光合成と蛍光・反射分光の間の関係に違いがあることを発見した。
２）北大苫小牧研究林において分光放射計の定点観測データからSIFの季節変化を検出し解析を行った。
３）異なる環境で育成した植物の葉について、蛍光と反射分光スペクトルから得られる情報から光合成速度を予測する研究を行ったが、装置の不調により実験は中止となった。
４）これまで野外での蛍光検出は高精度分光光度計でなければ行えないとされていたが、中程度の精度の分光光度計でも高精度の蛍光強度を評価する方法を発案し、実験によって証明した。実験結果をテクニカルノートとしてまとめ、投稿中である。
（３）の実験については予想外の問題が生じたため中止となった一方、（４）の予想外の発見があったため、全体としては期待通り研究が進展したと認められる。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度は、昨年度に引き続き、植物が育つ環境の違いがクロロフィル蛍光・分光反射・光合成の環境応答に与える影響を中心に研究を行った。
蛍光と反射分光指数PRIから、蛍光-光合成のモデルを使って異なる光・栄養条件で育った葉の光合成を推定しその精度を検証することを目的として、以下のような実験を行った。人工気象室内で強光・弱光・貧栄養の生育条件を再現し、その中で一年生草本シロザを育成し、光強度・CO2濃度を変えながらクロロフィル蛍光・分光反射・ガス交換を同時に測定した。クロロフィル蛍光データからは蛍光収率を、分光反射からは熱放散の指標PRIを計算し、熱放散を推定した。そして蛍光モデルを用いて量子収率を求め、そこから光合成モデルで光合成速度を推定した。その結果、強光で育った葉は弱光あるいは貧栄養で育った葉に比べ2倍から3倍の光合成能力があったが、PRIと蛍光を用いれば、葉の生育光環境にかかわらず高精度で光合成速度を推定することができることがわかった。さらに、PRIは葉の色素の影響を受けることがこれまで大きな問題とされてきたが、PRIとは別のカロテノイド含量の指標を用いることでその影響を低減させることに成功した。この成果は2018年8月に学会発表し、好評価を得、現在投稿論文としてまとめている段階である。

Strategy for Future Research Activity

本研究は、人工衛星による生態系の光合成推定を将来の最終的な目標に据えている。本年度までは一枚の葉のスケールを対象にしてきたが、来年度からは群落の光合成推定に取り組む予定である。そこで問題になるのが、太陽光の入射角、センサーの観測角、葉の傾斜角および方位角の三者による幾何学的な影響である。群落で観測されるクロロフィル蛍光（SIF）および反射光から計算できるPRIは、植物の生理学的な変化だけでなくそのような幾何学的影響を受ける。それらを補正しながら群落の光合成を推定する方法を確立するのが本年度の目標である。