2018 Fiscal Year Research-status Report
人工光型植物工場の環境制御への植物形質計測と環境・植物形質モデルの応用
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18K05899
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| Research Institution | Chiba University |
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Principal Investigator |
古在 豊樹 千葉大学, 環境健康フィールド科学センター, 名誉教授 (90081570)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 人工光型植物工場 / 環境制御 / 植物形質計測 / フェノタイピング / 環境・植物形質モデル / 生産最適化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、人工光型植物工場（以下、植物工場）における生産目標値（収量、特質(traits)、収穫時期など）を所与の条件（栽培面積、生産コスト上限値、環境制御性能など）下で実現するための制御環境要因の設定値のセットを提示し、その設定値を最小費用で実現する環境制御方法を開発することを最終的な目的としている。まず、実在する植物工場の栽培モジュールを利用して、光合成、蒸散およびミトコンドリア呼吸の速度および電気、水、CO2等の消費速度を連続測定した。それらの計測結果を用いて、申請者が計算方法を開発した資源利用効率を算定した。また、上記の栽培モジュールにおいて栽培中の植物体の葉面積、生体重、植物成分（クロロフィル濃度など）を比較的安価な機器（各種のカメラなど）を用いて非破壊的に一定間隔で計測し、それら計測値を光合成、蒸散およびミトコンドリア呼吸の速度の計測値と関連付けることを試みた。
次に、環境要因が植物の特質に及ぼす影響を、生理生態学的決定論的モデル、多変量統計モデル、行動モデル、人工知能 (deep learning法等）モデルで予測する方策を検討した。さらに、４種モデルの中の最適なモデルおよび計測データセットを用いて環境設定値セットを定める方法論を検討した。植物形質の特性を連続的に計測する手法が予定通りに進まなかったので、その手法の改良を検討した。上記の研究成果は、学術図書、国際学会講演、学術雑誌、専門商業雑誌などで公表した。
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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
現在までの研究進捗状況は以下のとおりである。①設置されている4段の栽培棚を有する栽培モジュールの各種センサーと環境制御機器が正常に動作することを確認した。正常動作が確認された後に、生育時期がほぼそろった複数の苗を栽培棚上の栽培ベッドに定植し、その苗の成長過程に伴なう正味光合成・吸水・蒸散・暗呼吸の各速度の時系列的な計測を試みた。②上記計測データと環境計測データおよび物質・エネルギー収支式を利用して、光合成、呼吸および蒸散に関する数式モデルのパラメータ値を半自動的に求める方法について検討した。③さらに、別途開発された植物特質計測用のphenotypingユニットを用いてのデータ取得と人手計測で得られたデータの比較に基づいて、葉面積、生体重、草丈、クロロフィル濃度などの推定を試みた。④各環境要因の計測値は平均値と分散だけではなく、その空間・時間分布と植物特質の空間・時間分布とに関連するので、それら要因の分布もある程度計測した。⑤環境計測データを入力として、光合成・呼吸・蒸散および葉面積、生体重、草丈を出力とする、ⅰ.エネルギー物質収支モデル、ⅱ.多変量統計モデル、ⅲ.人工知能モデルの長所と短所を検討した。⑥さらに、「環境制御設定値の逐次決定」に関する準備を開始した。⑦これらの検討事項の概要の多くは、2018年末にSpringer社から発刊されたSmart Plant Factoryに掲載された。
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| Strategy for Future Research Activity |
2018年度に引き続き、以下の時系列データの収集を行ない、それらデータを用いた解析を行なう。本研究の申請書に書かれた方法論の手順に基づいて、複数の環境制御設定値の逐次決定を行ない、それらの設定値に基づく環境制御を行ない、植物の諸形質（葉面積、生体重、草丈、クロロフィル濃度、光合成、蒸散およびミトコンドリア呼吸など）を計測する。環境制御設定値の決定に際しては、資源消費量、コストなどを考慮し、また予測される植物成長量と生産価値から栽培モジュールの生産性を各資源に関して算定する。上記の手順を繰り返すことにより、環境制御設定値の決定に関する妥当性と資源生産性・金額換算生産性が次第に向上すると考えられる。
各種子の発芽および発芽後の植物個体の成長は、①種子の遺伝的性質、②播種前の種子処理（プライミング、コーティングの有無など）の方法、③播種の方法（手播き、自動播種など）、④播種密度、⑤培地の微細環境（含水率、温度など）、⑥隣接植物体との相互干渉（物理的接触、相互被陰など、およびそれらに伴う微細環境変化）に影響される。これら要因が各植物体の植物特性に及ぼす影響の解析方法を検討する。他方、申請者だけでは収集および解析できないデータおよび計測できない要因（植物に含まれる化学成分など）については、データ提供と共同研究を実施する方向で検討する。
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| Causes of Carryover |
申請時には、2018年度にタイ国・バンコックで開催される国際植物工場シンポジウムに参加するための費用を34万円計上していたが、申請者が基調講演者となり、シンポジウムへ参加するための費用の全額を主催者が負担することになった。これにより、予算計上した旅費34万円が未使用になった。2019年度には中国への国際シンポジウム参加のために、旅費24万円を予算計上しているが、他に中国以外にもう1か国の訪問を計画する予定である。
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