JP2000509489A

JP2000509489A - 作物の品質を判定する方法及びシステム

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Publication number: JP2000509489A
Application number: JP9536974A
Authority: JP
Inventors: クーテン・オラフファン; ハービンソン・ジェレミー
Original assignee: インスチチュートボーアアグロテクノロギッシュオンダーゾエク（エーティーオー―ディーエルオー）
Priority date: 1996-04-15
Filing date: 1997-04-09
Publication date: 2000-07-25
Also published as: EA199800925A1; AU703267B2; WO1997039350A1; NL1002870C2; AP972A; EA000801B1; US6100093A; IL126608A0; DE69706162T2; DE69706162D1; CA2251137A1; EP0897539B1; NO984707D0; EP0897539A1; ATE204382T1; AP9801359A0; NZ332259A; NO984707L; BR9708662A; AU2309797A

Abstract

(57)【要約】本発明は、作物の品質指標としての役割を果たす、作物の光合成プロセスにおける少なくとも１つの特定のパラメータの決定からなる、作物の品質を判定する方法において、前記パラメータが、それ自体は既知のフォトシステムＩ（ＰＳＩ）に属し、前記パラメータの決定が（ａ）ＰＳＩのドナー側に位置する複数の分子タイプの少なくとも一部を酸化状態にするステップと、（ｂ）酸化された分子の少なくとも一部を還元するステップと、（ｃ）還元の速度に関する情報を含む緩和パラメータを決定するステップとを備え、ステップ（ｃ）が、（１）還元される間に、作物中の酸化された分子による、予め設定された波長領域の光吸収を測定するサブステップと、（２）時間関数として、測定された吸収の変化の速度に関する情報を含む速度パラメータを計算し、この速度パラメータを緩和パラメータとするサブステップを備えることからなる品質判定方法に関する。また、本発明は、前記方法を用いて得られた緩和パラメータに基づく、作物における品質指標を判定するシステムに関する。

Description

【発明の詳細な説明】作物の品質を判定する方法及びシステム本発明は、作物の光合成プロセスの少なくとも一つの特定パラメータを判定し、この特定パラメータが作物の品質指標としての役割を果して、作物の品質を判定する方法に関する。草木及び花とともに、野菜及び果実のような作物は、生存に必要なエネルギーを環境から取り出すために、光合成のプロセスを利用している。ここで、「作物」という用語は、畑の作物及びそれから収穫された産物の両者を示すために用いられる。上記光合成のプロセスにおいて、二酸化炭素は太陽光により炭化水素化合物に変換され、酸素が放出される。各作物は、このために光合成システムを備えており、この光合成システムは葉、茎又は果実のような作物の緑色部分に位置している。このタイプの光合成システムは、特に、２つの重要な色素−たんぱく質複合体、すなわち、光量子変換要素をもつフォトシステムＩ及びII（ＰＳＩ及びＰＳII）を有する光インタセプトシステムを備えている。この光インタセプトシステムを用いて、作物が太陽光を吸収する。太陽光は、特に光合成システムにおける構成要素の連鎖した酸化／還元反応を与え、インタセプトされた太陽エネルギーは、光量子変換要素によってＰＳＩ及びＰＳIIに運ばれる。運ばれてきた太陽エネルギーは、作物における光化学反応を生起し、この間に電子が伝達され、酸素の放出が行われる。作物の品質を判定する方法は、１９９１年にActa Horticulturae 298でvan Ko otenなどによって、表題“Determination of the phyciological state of pott ed plants and cut flowers by modulated chlorophyll flourescence”の文献に開示されている。既知の方法を用いて、鉢植え植物及び切り取られたばらの光合成膜中の電子の線形ストリームの効率がインビボで測定される。このために、まず、ＰＳIIの一部を形成するクロロフィル分子の蛍光生産Ｆが、周囲の光の通常の強度下、かつ、特定の波長範囲中で測定される。次に、クロロフィル分子の最大蛍光生産Ｆ_mが、周囲の光の飽和強度の同一波長領域で測定される。既知の方法では、調整可能な光強度の第１の活性化光源と一定の光強度の第２の測定用光源とを用いている。両光源は、約３５０〜７００ｎｍの波長を有する第１波長領域の光を発生する。一定の時間の経過後、クロロフィルの蛍光が、７００〜７３０ｎｍの第２波長領域で検出される。蛍光自体が、作物によってインタセプトされた太陽エネルギーの損失を表すため、検出された蛍光生産Ｆ及びＦ_mは、電子の線形的なストリームの効率を計算するために用いられる。このパラメータを、作物に対する品質指標として既知の方法では用いていた。この既知の方法では、前記方法によって判定されたパラメータ値が、特に周囲光の強度に極めて依存するという不都合がある。大気の温度、気体組成及び相対湿度の大きさのような他の周囲の条件もパラメータ値に影響を及ぼしている。既知の方法を用いて判定したパラメータを、絶対的な品質指標として用いる前に、これら要因の全てを補正する必要がある。これら環境的な要因の影響を軽減させるために、その方法を実施する間は、この環境からできる限り遮断する必要がある。これは補足的で複雑な装置、すなわち、高価な遮断装置が要求されることになる。本発明の目的は、上記不都合を克服するとともに、作物に対する絶対的な品質指標を、信頼性のある方法によってインビボで測定できる作物の品質を判定することができる方法を提供することである。このために、本発明による方法は、前記パラメータがそれ自体は既知のフォトシステムＩ（ＰＳＩ）に属し、前記パラメータの測定が次のステップからなることを特徴としている。（ａ）ＰＳＩのドナー側に配置された複数の分子タイプの少なくとも一部を酸化状態にするステップと、（ｂ）酸化された分子の少なくとも一部を還元するステップと、（ｃ）還元の速度の情報を有する緩和パラメータ（relaxation parameter）を決定するステップとを備え、このステップ（ｃ）が、少なくとも、（１）還元の間に作物中の酸化された分子による、予め定められた波長領域の光吸収を測定するサブステップと、（２）時間の関数として、測定された吸収の変化速度の情報を有する速度パラメータを計算し、この速度パラメータを前記緩和パラメータとするサブステップとを備える。ＰＳＩのドナー側には、一連にリンクした３組の分子、特に、Ｐ−７００、プラストシアニン及びチトクローム−ｆが存在する。ＰＳＩのドナー側の還元では、光合成電子伝達の酸化／還元反応の連鎖における最も遅いリンクが形成される。前記酸化還元反応の緩和速度は、光合成代謝に対する作物全体の要求によって調節される。この結果、作物の全光合成プロセスの緩和速度の基準となる。前記緩和速度は緩和パラメータによって特徴づけられ、この値は光に依存しない。したがって、緩和パラメータを、測定中の作物に対する通常の周囲状態に補正する必要がなく、作物の絶対的な品質指標として用いることが可能になる。本発明の方法において、このような緩和パラメータの判定のステップは、少なくとも（１）還元中に作物の酸化された分子によって予め定められた波長領域の光の吸収を測定するサブステップと、（２）時間の関数として、測定された吸収の変化速度の情報を含む速度パラメータを計算し、この速度パラメータを前記緩和パラメータとするサブステップとを有している。この測定技術を用いることによって、数ｋＨｚのダイナミクスを有する作物中のプロセスを測定することができるようになる。この測定技術は、上記緩和パラメータの測定に対して特に適切である。この理由は、例えば、上記３組のものから酸化した分子の還元に対する速度定数（rate constant）の特定値が、一般的に数Ｈｚから数ｋＨｚまでの大きさのオーダーとなるためである。すでに説明したような還元プロセスのダイナミクスのために、本発明方法によると、緩和パラメータの形で、作物の品質指標をリアルタイムで事実上判定できるという利点を提供できることは明らかである。好適例において、分子の少なくとも一部は、第１波長領域の光によって酸化され、この第１波長領域は、本質的に３５０〜７００ｎｍの間の波長を有している。この場合、酸化された分子の数が増大し、この結果、更に強力な吸収シグナルを測定することができる利点がある。他の好適例において、吸収の変化は、本質的に８００〜８５０ｎｍの波長領域の光で測定され、緩和パラメータは、作物のＰＳＩ複合体の酸化されたＰ−７００の反応中心における還元速度の情報を本質的に含んでいる。このような波長の光は、３組の分子が酸化状態にあり、光合成電子伝達に用いられていない場合に、３組の分子によって実際的かつ有利に吸収される。したがって、この波長領域の光を用いて、吸収の変化をよい状態のシグナル／ノイズ（Ｓ／Ｎ）比で測定できるようになる。この理由は、電子伝達にノイズの影響を与えることなく、測定された光強度を高くすることができるためである。また、本発明は、上記方法で得られた緩和パラメータに基づいて、作物に対する品質指標を判定するシステムであって、このシステムには、 − 緩和パラメータと、作物に対してデータベースに記憶された１又はそれ以上の緩和パラメータ又は緩和パラメータ範囲とを比較する比較手段と、 − データベースにセーブされた緩和パラメータ又は緩和パラメータに本質的に対応する緩和パラメータ範囲に関連した品質指標を、データベース中でサーチするサーチ手段とが設けられている。かかるシステムは、ソフトウェアを用いて確実かつ有利に実現できる。また、このソフトウェアを用いることによって、作物に対する品質指標を事実上リアルタイムで判定することができるようになる。本発明を添付図面により、以下に詳細に説明する。図１は、光強度に対するＰ−７００⁺反応中心の還元の速度定数のプロットを示している。図２は、５つの異なった作物のＰ−７００⁺の還元の速度定数に対するＣＯ₂固定の最大速度のプロットを示している。図３は、本発明によるシステムの好適実施形態のブロック図を示している。図１は、２つの相違する作物、すなわち、とうもろこしとジュアヌロア(juanu lloa)の光強度に対するＰ−７００⁺反応中心の還元の速度定数をプロットしたものである。速度定数として示された値は、８２０ｎｍの波長の光を用いて測定した吸収の変化に基づいて計算されている。かかる速度定数が光強度に殆ど依存していないことは図１から明らかである。この驚くべき結果は、本出願人による別の実験的研究に基づいて示されたように、多数のタイプの作物に対してもあてはまることが確認されている。速度定数の光に対する非依存性は、一般的に６９０〜１１００ｎｍの波長の光に対して測定された吸収の変化にも該当することが実験から確認されている。このような波長範囲を有する光は、上記分子が酸化状態にある場合に、ＰＳＩのドナー側の上記３つの分子の２つ、すなわち、Ｐ−７００及びプラストシアニンによって容易に吸収されるものである。図２は、５つの相違する作物の約Ｐ−７００⁺の還元の速度定数に対するＣＯ₂ 固定の最大速度をプロットしたものである。ここでは再度、速度定数として示された値を、実質的に８２０ｎｍの波長を有する光を用いて測定した吸収の変化に基づいて計算した。測定は、２０℃の室温及び２％の酸素濃度で行われた。５つの作物として、ジュアヌロア(juanulloa)、ロドデンドロン(rhododendron)、セントポーリア(saintpaulia)、ヘデラ(hedera)及びピース(peas)が用いられた。Ｐ−７００⁺の還元の速度定数とＣＯ₂固定の最大速度が、比例することが図２からわかる。このような比例関係を、次式（１）によって概略示すことができる。ｙ＝ａＫ_e−ｂ …（１）ここで、ｙはＣＯ₂固定に対する最大速度を示し、また、Ｋ_eはＰ−７００⁺の還元の速度定数である。概略、０．０７＜ａ＜０．２１及び０．５＜ｂ＜１．５であり、ａ及びｂに対する正確な値は主として酸素濃度に依存する。図２に示す比較においては、ａ＝０．１４３及びｂ＝１．０１８が与えられる。数式（１）は、種々の実験から確認されたように、多種類の作物に対して有効であり、波長に依存しない。作物がＣＯ₂を結合できる最大速度が、作物の生理的な状態を示していることは経験的によく知られている。このことは、作物にとって最も重要なプロセスである光合成のプロセスにおいて、二酸化炭素が次式（２）によって、炭化水素化合物及び酸素に変換されることから容易に理解できる。ＣＯ₂＋Ｈ₂Ｏ→（ＣＨ₂Ｏ）＋Ｏ₂ …（２）本発明のコンセプト、すなわち、ＰＳＩのドナー側に位置する複数の分子タイプの少なくとも一部が酸化状態からの還元速度に関する情報を有する緩和パラメータに基づいて、その作物の品質を判定するということは、図１及び図２に示された上述の驚くべき結果に端を発している。品質指標として緩和パラメータを用いることの最も重要な利点は、この値を周囲の光の強度に依存せずに決定できることである。本発明によれば、緩和パラメータの判定は、吸収の変化から時間の関数として緩和パラメータを判定するため、作物によって予め設定された波長の光の吸収を少なくとも測定することによって行われる。かかる測定技術を用いる最大の利点は、この技術がリアルタイムで適用できるということである。更に、前記測定技術を、既知の手段を用いてコンパクトなシステム構成によって、信頼性のある方法で実現できる。本発明による方法の好適な実施の形態において、緩和パラメータは、酸化状態から上記分子の１又はそれ以上の還元に対して複数のステップで判定される。第１ステップにおいて、分子の少なくとも一部を、第１の予め設定された波長範囲にある波長の光で酸化する。この好適な光は、３５０〜７００ｎｍの間における予め設定された波長を有する。この後、酸化された分子による第２の予め設定された波長域における光の吸収を、予め設定された時間にわたって測定する。第２の予め設定された波長は、好ましくは６９０〜１１００ｎｍ、より好ましくは８００〜８５０ｎｍ、例えば、８２０ｎｍである。８２０ｎｍの波長の測定光を用いて測定した吸収の変化を、以下ΔＡ₈₂₀と示す。測定された吸収は、酸化された分子の自然に発生する還元の結果として時間とともに変化する。吸収シグナルの減少は、次式（３）に示されるように、ほぼ一次指数的な挙動を示す。ここで、Ａ（ｔ）は時間ｔにおける吸収であり、Ｋ_eは還元速度に対する基準である関連した特定の速度定数である。次に、既に説明した時間の関数としての吸収の変化に基づいて、還元に対する関連した速度定数を、本発明方法の第３ステップで計算する。速度定数に対する他の例として、もちろん、半減期のような異なる速度定数パラメータを決定することもできる。好適な測定光は、約８２０ｎｍの波長である。この波長に対して、測定された吸収における変化の約６０パーセントは、酸化されたＰ−７００分子、すなわち、ＰＳＩの反応中心を形成する特定のクロロフィルａの還元によって発生する。付加的には、ΔＡ₈₂₀に関連する速度定数を、数式（１）を用いて作物のＣＯ₂固定における最大速度を決定する際に用いて、ＣＯ₂固定における最大速度を、関連の作物に対する品質指標として用いることもできる。作物に対し、完全な一連の実験の実施に基づいて、本発明方法で判定した緩和パラメータに品質指標をリンクさせることができる。かかる品質指標を、消費者にとって重要な特定の作物の特性に関連させることができる。例えば、ばらに対して、花瓶での花のつぼみの開花を品質特性として選択することができる。既に行った実験に基づいて、ばらが１００ｓ^-1より大きいΔＡ₈₂₀における速度定数で事実上常に適切に開花することが確認されている。４０ｓ^-1より小さいΔＡ₈₂ ₀ のにおける速度定数では、ばらは開花せず、花が数日内でしおれ始める。また、中間範囲の速度定数で、ばらは部分的に開花する。したがって、本例では、この３っの品質範囲を、上記本発明方法により決定される速度定数に直接関連して表示することができる。この例における速度定数は、２０℃の温度で少なくとも２時間水中にあるばらの葉で決定された。選択すべき品質基準は作物ごとに相違する。例えば、きゅうりの場合、皮のクロロフィル含量の減少を品質基準として採用することができる。きゅうりの緑が濃くなるに従って品質の等級が高くなる。きゅうりが標準的な状態の下で「青白くなり始める」割合が寿命の基準となる。ここでも上記例に同様に、３つの品質範囲で表示することができ、この限界を各々１００ｓ^-1及び５０ｓ^-1の速度定数によって決定する。きゅうりの露出割合が低くなるにしたがって、速度定数が高くなる。カルセオラリアのような鉢植え植物の場合において、この品質は、植物がもはや売り物にならなくなる前の経過時間で表現できる。この場合、７５ｓ^-1の速度定数は極めて良いものであり、２０ｓ^-1の速度定数は極めて悪いものである。選択される品質指標は、生産者にとっても重要な作物特性に関係する。例えば、作物の成長段階を品質基準として選択し、この選択した基準に基づいて、作物、例えば、りんごやバナナのような果物の最適な収穫時期が決定できるようになる。実験では、緩和パラメータが、収穫すべき作物の成長段階、すなわち、熟した時期に関連した最適曲線に従うことが示された。一般的には、曲線における最適とされる緩和パラメータ値よりも先行する緩和パラメータ値が適切な収穫時期を示すことになる。緩和パラメータ値が、この「最適値」をどの程度先行する必要があるかは、後熟に関連する予測される運搬時間に依存する。更に、じゃがいもの成長段階に対して、例えば、掘り出し前の散布又はたたき打ちによって地上に出ている部分を枯らす最も適切な時点を決定する場合に利用することができる。この場合、前記「最適値」をちょうど越える（地上に出ている部分で測定された）緩和パラメータ値は、これに対する適切な時点を示すことになる。このように、品質範囲を、予め選択された品質基準の観点から、各作物に対して規定することができる。作物に対して判定された緩和パラメータは、関連する作物の現在の品質範囲を表すことになる。以下に説明する方法で、緩和パラメータを温度に応じて修正することができる。二酸化炭素濃度が通常値の範囲内（すなわち、容量で３００〜７００ｐｐｍのＣＯ₂濃度）で変化する場合、緩和パラメータの決定に対して実際に影響を及ぼさない。上記事項に基づいて、例えば、緩和パラメータにおける異なる値又は範囲が品質指標に関連する各作物におけるデータベースをコンパイルすることができる。本発明による方法の好適実施形態において、このデータベースを、測定された緩和パラメータに基づいて、作物の品質指標を判定するのに用いることができる。このために、前記方法は、以下のステップを備える。 − データベースに記憶された作物に対する１つ以上の緩和パラメータ又は緩和パラメータの範囲を用いて決定した緩和パラメータの比較。 − 決定された緩和パラメータに対応する、データベースに記憶された緩和パラメータ又は緩和パラメータの範囲に関連した品質指標に対するデータベースのサーチ。図３は、本発明による方法を実施するシステムの好適例を示す。この図３にあって、システム１は、本発明に関連する作物のＰＳＩのドナー側の前記分子の少なくとも一部を酸化するために適切な第１波長領域の光を放出する第１光源２を備えている。作物の葉３を図式的に示す。第１光源２は、好適には４００〜７００ｎｍの波長の光を放射する。更に好適には、光は短いフラッシュの形態で放出される。このようなフラッシュの持続時間を好適には約１ミリ秒とする。このような光フラッシュの結果として、葉３に存在する前記分子の少なくとも一部が酸化する。酸化状態にある分子は、６９０〜１１００ｎｍの波長を有する第２波長範囲の光に対して酸化されていない分子の吸収挙動とは異なる吸収挙動を示す。かかる光を第２光源４から発生させる。更に好適には、第２光源４からの光は、８００〜８５０ｎｍの波長、例えば、８２０ｎｍの波長である。このような波長の光は、葉３の酸化された分子によって容易に吸収される。この吸収に続いて、酸化された分子は、この後の光合成プロセスの結果として自然に還元する。この結果、第２の予め設定された波長領域の光の吸収が、時間が経過するに従って減少する。既に説明したように、前記吸収の減少は、概略一次指数的挙動を示し、したがって、速度定数あるいは半減期のような他の速度パラメータに基づいて特徴づけられる。検出手段５が吸収を測定するために設けられている。この検出手段は、葉３から送られる散乱した第２波長領域の光の強度の変化を検出する。図示した実施の形態において、検出手段５を葉３から散乱した光を集光するように配置する。光源４として、好ましくは赤外光を放射する発光ダイオードを用い、これにはフィルタを任意に設けることが可能である。第２光源４からの出力シグナルが、極めて安定していことが重要である。この理由は、測定される吸収の変化が非常に小さい（１０^-4のオーダー）ためである。図３に示した好適実施形態において、光源４からの光は変調器／復調器７によって変調／復調される。変調光を検出手段５が容易に検出し、同一波長領域の他の光による干渉をできる限り除去する。この変調を好適には振幅変調とする。変調周波数は、検出シグナルをフィルタ処理し及び／又は復調できる程度に高い周波数にする必要がある。このシグナルは、光源４から発生した光ビームの強度に比例し、数ミリ秒内で発生する吸収シグナルの小さい変化を決定することができる。要求される変調周波数は、種々の要因に依存するが、好適には２０ｋＨｚ以上の周波数である。検出手段５は、好ましくは１つ以上のフォトダイオード、例えば、シリコンダイオードからなる。吸収の変化が生じる範囲内で、光学的なフィルタを用いて、検出手段５を関連の波長領域に対して、より感度が高くなるようにする。この光学的なフィルタは、有色ガラス（例えば、ＳｃｈｏｔｔＲＧ９又はＲＧ７８０）あるいは薄膜タイプとすることができる。シリコンフォトダイオードからは、低出力のシグナルが生じるため、このシグナルを好ましくは処理前にまず増幅する。このために、標準的なプリアンプ６を利用することができる。検出手段５及びプリアンプ６を組み合わせた周波数特性は、周波数領域で葉３によって散乱された振幅変調光を検出するために適切に設定する必要がある。検出手段５を用いて検出した吸収シグナルは変調器／復調器７でまず復調される。この後、復調シグナルをフィルタ手段８に供給して、好ましくないノイズ成分を除去する。ここでは低透過度フィルタのような一般的なフィルタ手段を用いる。図示した装置１の実施の形態において、減算手段９を設けて、関連の波長、例えば、８２０ｎｍでの葉３における標準吸収シグナルを、測定されたシグナルから減算する。このようにして、前記酸化された分子の還元によって生じた吸収差（すなわち、目的とするシグナル）を更に明瞭に識別する。吸収差シグナルの大きさを図示することによって、例えば、特定の作物に存在する全てのＰ−７００反応中心の完全な酸化の結果、散乱した光ビームの強度が、５０００ｍＶから４９７５ｍＶまで変化する。このようにして処理したシグナルを、別の処理のためにメモリ１０にセーブすることができる。図示した好適実施形態において、システム１は、検出手段５により検出され、かつ、上記シグナル処理手段を用いて処理した、一定時間における吸収変化によって品質指標を決定するシステム１１を備えている。このシステム１１には、一定時間における吸収の変化に関連する速度定数のような緩和パラメータを計算する演算手段１２を設けられている。システム１１は、既に説明したように、計算された緩和パラメータとデータベースに記憶された作物の１つ以上の緩和パラメータ又は緩和パラメータの範囲とを比較する比較手段１３を有している。システム１１は、計算した緩和パラメータに本質的に対応するデータベースに記憶した緩和パラメータ又は緩和パラメータの範囲に関連する品質指標をサーチするサーチ手段１４を備えている。システム１１は、吸収の変化を決定中に周囲の状態を考慮するため、緩和パラメータを補正する補正手段（図示せず）を任意に設けることができる。温度やＯ₂／ＣＯ₂濃度のような周囲の状態に基づいて、例えば、緩和パラメータの補正係数を決定することができる。これを実験中に計測する必要がある。好適には、補正手段を設けて、緩和パラメータを再計算し、作物の品温を利用した標準温度での緩和パラメータを付与する。実験によれば、例えば、最適曲線による前記速度定数が吸収測定中の作物の温度に依存することがわかる。速度定数が最大である温度は、種々の作物において多少異なる。更に、最適温度から多少相違する温度で測定された速度定数は、速度定数の最大値より４から５低い係数とする。しかしながら、温度の関数としての速度定数の変化は全ての作物に対して本質的に同一である。したがって、例えば、全ての作物において単一モデルに基づいて温度補正を行うことができる。上記データベースは温度をしたものとすることができる。品質指標を、温度の値及び緩和パラメータの値に基づいて決定することができる。最後に、好適実施形態においては、光源２は作動手段１５に接続されている。この作動手段を、好ましくは、メモリ１０に接続して、測定の開始時に始動シグナルを送出する。このような始動シグナルを、例えば、光源２からの光フラッシュの放射後に発生させる。メモリ１０は、始動シグナルを受信した後、検出手段５から発生したシグナルを自動的にセーブする。上記構成要素６〜１５を、好ましくは、適切なソフトウェアによって制御されるマイクロプロセッサのような１つ以上のハードウェアで可能な限り構成する。かかる好適実施形態では、極めて小型化され、かつ、特に広範囲のメンテナンスが不要であり、信頼性の高いシステムが得られるという利点がある。更に、計算ステップ、比較ステップ及びサーチステップを事実上リアルタイムで実行することができる。他の好適な実施の形態において、システム１は、作物の葉及び茎のような緑の部分の周辺にシステムを配置するための手段を備えている。好ましくは、配置手段はクランプ手段（図示せず）を備え、これによってシステムを作物に対して固定することができるようする。光源２及び／又は光源４を、好ましくは、発光ダイオードの形でクランプ手段に配置する。クランプ手段を用いてシステムを作物の葉又は茎の１つにクランプして、１つ以上の光源が作物に対して固定される。上記システムがコンパクト形態で構成されるので、ユーザが容易に携帯可能になる。上記実施の形態の種々の変形が可能であることは当業者には明らかである。したがって、例えば、光源２を、図３に示したようなシステム１から任意に省略することができる。しかしながら、この場合、前記分子の酸化状態を測定する他の手段が必要になる。このような手段の一例では、作物が事実上他の光を受光しないようにする必要がある。この場合、存在する前記タイプの酸化された分子の全てが事実上自然に還元する。この還元に関連した特定の緩和パラメータを、一次指数的な挙動として仮定することによって、再び決定することができる。関連の速度定数を計算すると、「一次指数的な」(mono-exponential）アプローチの代替として「振動子」アプローチを選択することもできる。「振動子」（oscillat or）アプローチの場合、各分子を振動子と見なし、この酸化を光パルスで誘発し、また還元を電子伝達で誘発する。変調した化学作用のある投光が照射される作物において、予め設定された、例えば、８２０ｎｍの波長での時間関数として、振幅及び吸収シグナルの位相の周波数特性の分析によって、電子伝達に対する速度定数を計算することができる。更に、緩和パラメータ又は緩和パラメータの範囲が品質指標に関連している前記データベースの代案として、決定された緩和パラメータに基づく品質指標の計算にアルゴリズムを利用することができる。本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、上記説明及び添付図面に一致するとともに、添付した請求の範囲内にある任意の実施の形態に関する。図面の説明図１縦座標：Ｐ−７００⁺還元における速度定数（ｓ^-1）横座標：光強度（μｍｏｌｍ^-2ｓ^-1) ＭＡＩＳ＝メイズ図２縦座標：ＣＯ₂固定における最大速度（μｍｏｌｍ^-2ｓ^-2) 横座標：Ｐ−７００⁺還元における速度定数（ｓ^-1）ＲＯＤＯＤＥＮＤＲＯＮ＝ロドデンドロンＥＲＷＴ＝ピーズ

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項【提出日】平成１０年５月１５日（１９９８．５．１５）【補正内容】請求の範囲１．作物の品質指標としての役割を果たす、作物の光合成プセロスにおける少なくとも１つの特定のパラメータの判定からなる、作物の品質を判定する方法において、前記パラメータが、それ自体は既知のフォトシステムＩ（ＰＳＩ）に属し、前記パラメータの判定が以下のステップからなる作物の品質判定方法。（ａ）ＰＳＩのドナー側に位置する複数の分子タイプの少なくとも一部を酸化状態にするステップと、（ｂ）酸化された分子の少なくとも一部を還元するステップと、（ｃ）還元の速度に関する情報を含む緩和パラメータを決定するステップとを備え、ステップ（ｃ）が少なくとも次のサブステップからなる、（１）還元される間に、作物中の酸化された分子による、予め設定された波長領域の光吸収を測定するサブステップと、（２）時間関数として、測定された吸収の変化の速度を計算し、この速度パラメータを緩和パラメータとするサブステップ。２．ステップ（ａ）が、第１波長領域の光により、分子の少なくとも一部を酸化することからなり、この第１波長領域が、本質的に３５０〜７００ｎｍの波長からなることを特徴とする請求の範囲１記載の品質判定方法。３．前記ステップ（ｃ１）が、予め設定された時間中の酸化された分子による第２波長領域の光の吸収を測定することからなり、この第２波長領域が、本質的に６９０〜１１００ｎｍの波長からなることを特徴とする請求の範囲１又は２記載の品質判定方法。４．第２波長領域が本質的に８００〜８５０ｎｍの波長からなることを特徴とする請求の範囲３記載の品質判定方法。５．緩和パラメータをが還元における速度定数であり、次式ｙ＝ａＫ_e−ｂ（式中、ｙはＣＯ₂固定における速度であり、又、Ｋ_eは速度定数であり、ここで概略０．０７＜ａ＜０．２１及び０．５＜ｂ＜１．５である）に従う速度定数に基づいて、作物におけるＣＯ₂固定の最大速度を決定するステップからなる請求の範囲３又は４記載の品質判定方法。６．緩和パラメータに基づいて品質指標を決定するステップを更に含み、かかるステップが次のステップからなる請求の範囲１から５のいずれかに記載の品質判定方法。 − 緩和パラメータと、作物に対してデータベースに記憶された１又はそれ以上の緩和パラメータ又は緩和パラメータ範囲との比較、 − データベースにセーブされた緩和パラメータ又は緩和パラメータに本質的に対応する緩和パラメータ範囲に関連した品質指標を、データベース中でのサーチ。７．作物の品質指標としての役割を果たす、作物の光合成プロセスにおける少なくとも１つの特定のパラメータの判定からなる、作物の品質を判定する装置において、前記パラメータが、それ自体は既知のフォトシステムＩ（ＰＳＩ）に属し、前記装置が以下の手段からなる作物の品質を判定する装置。（ａ）ＰＳＩのドナー側に位置する複数の分子タイプの少なくとも一部を酸化状態にする手段（２）と、（ｂ）酸化された分子の少なくとも一部を還元する手段（４）と、（ｃ）還元の速度に関する情報を含む緩和パラメータを決定する手段とを備え、緩和パラメータを決定する手段が少なくとも次の手段からなる、（１）還元される間に、作物中の酸化された分子による、予め設定された波長領域の光吸収を測定する手段（４，５）と、（２）時間関数として、測定された吸収の変化の速度を計算し、この速度パラメータを緩和パラメータとする手段（１２）。８．緩和パラメーターを判定する手段が、更に以下の手段を含むことを特徴とする請求の範囲７記載の品質判定装置。 − 緩和パラメータと、作物に対してデータベースに記憶された１又はそれ以上の緩和パラメータ又は緩和パラメータ範囲とを比較する比較手段（１３）と、 − データベースにセーブされた緩和パラメータ又は緩和パラメータに本質的に対応する緩和パラメータ範囲に関連した品質指標を、データベース中でサーチするサーチ手段（１４）。９．装置に、吸収の測定中周囲の状態を考慮するため、緩和パラメータを補正する補正手段をが更に設けられていることを特徴とする請求の範囲８記載の品質指標判定装置。１０．作物の品温を利用した標準温度での緩和パラメータを付与するため、緩和パラメータを再計算するための補正手段が設けられていることを特徴とする請求の範囲９記載の品質指標判定装置。１１．装置が、 − ＰＳＩのドナー側に位置する複数の分子タイプの少なくとも一部を酸化状態にする手段が、分子の少なくとも一部を酸化するための本質的に４００〜７００ｎｍからなる第１波長領域の光を放射する第１光源（２）によって構成され、 − 酸化された分子の少なくとも一部を還元する手段が、酸化された分子を還元させるための本質的に６８０〜１１００ｎｍからなる第２波長領域の光を放射する第２光源（４）によって構成され、 − 還元される間に、作物中の酸化された分子による、予め設定された波長領域の光吸収を測定する手段（４，５）が、予め設定された時間の間に、酸化された分子によって第２光源から発生する光の吸収を測定するための検出手段によって構成されることを特徴とする請求の範囲７，８，９又は１０記載の品質指標判定装置。１２．光源中の少なくとも１つが発光ダイオードであることを特徴とする請求の範囲１１記載の品質指標判定装置。１３．装置が、作物を固定するために設けられたクランプ手段からなり、光源の少なくとも１つがクランプ手段に取り付けられていることを特徴とする請求の範囲１１又は１２記載の品質指標判定装置。このために、本発明による方法は、前記パラメータがそれ自体は既知のフォトシステムＩ（ＰＳＩ）に属し、前記パラメータの測定が次のステップからなることを特徴としている。（ａ）ＰＳＩのドナー側に配置された複数の分子タイプの少なくとも一部を酸化状態にするステップと、（ｂ）酸化された分子の少なくとも一部を還元するステップと、（ｃ）還元の速度の情報を有する緩和パラメータ（relaxation parameter）を決定するステップとを備え、このステップ（ｃ）が、少なくとも、（１）還元の間に作物中の酸化された分子による、予め定められた波長領域の光吸収を測定するサブステップと、（２）時間の関数として、測定された吸収の変化速度を計算し、この速度パラメータを前記緩和パラメータとするサブステップとを備える。ＰＳＩのドナー側には、一連にリンクした３組の分子、特に、Ｐ−７００、プラストシアニン及びチトクローム−ｆが存在する。ＰＳＩのドナー側の還元では、光合成電子伝達の酸化／還元反応の連鎖における最も遅いリンクが形成される。前記酸化還元反応の緩和速度は、光合成代謝に対する作物全体の要求によって調節される。この結果、作物の全光合成プロセスの緩和速度の基準となる。前記緩和速度は緩和パラメータによって特徴づけられ、この値は光に依存しない。したがって、緩和パラメータを、測定中の作物に対する通常の周囲状態に補正する必要がなく、作物の絶対的な品質指標として用いることが可能になる。本発明の方法において、このような緩和パラメータの判定のステップは、少なくとも（１）還元中に作物の酸化された分子によって予め定められた波長領域の光の吸収を測定するサブステップと、（２）時間の関数として、測定された吸収の変化速度の情報を含む速度パラメータを計算し、この速度パラメータを前記緩和パラメータとするサブステップとを有している。この測定技術を用いることによって、数ｋＨｚのダイナミクスを有する作物中のプロセスを測定することができるようになる。この測定技術は、上記緩和パラメータの測定に対して特に適切である。この理由は、例えば、上記３組のものから酸化した分子の還元に対する速度定数（rate constant）の特定値が、一般的に数Ｈｚから数ｋＨｚまでの大きさのオーダーとなるためである。すでに説明したような還元プロセスのダイナミクスのために、本発明方法によると、緩和パラメータの形で、作物の品質指標をリアルタイムで事実上判定できるという利点を提供できることは明らかである。好適例において、分子の少なくとも一部は、第１波長領域の光によって酸化され、この第１波長領域は、本質的に３５０〜７００ｎｍの間の波長を有している。この場合、酸化された分子の数が増大し、この結果、更に強力な吸収シグナルを測定することができる利点がある。他の好適例において、吸収の変化は、本質的に８００〜８５０ｎｍの波長領域の光で測定される。このような波長の光は、３組の分子が酸化状態にあり、光合成電子伝達に用いられていない場合に、３組の分子によって実際的かつ有利に吸収される。したがって、この波長領域の光を用いて、吸収の変化をよい状態のシグナル／ノイズ（Ｓ／Ｎ）比で測定できるようになる。この理由は、電子伝達にノイズの影響を与えることなく、測定された光強度を高くすることができるためである。また、本発明は、上記方法で得られた緩和パラメータに基づいて、作物に対する品質指標を判定する装置であって、この装置は、以下の手段から構成されている。（ａ）ＰＳＩのドナー側に位置する複数の分子タイプの少なくとも一部を酸化状態にする手段と、（ｂ）酸化された分子の少なくとも一部を還元する手段と、（ｃ）還元の速度に関する情報を含む緩和パラメータを決定する手段とを備え、緩和パラメータを決定する手段が少なくとも次の手段からなる、（１）還元される間に、作物中の酸化された分子による、予め設定された波長領域の光吸収を測定する手段と、（２）時間関数として、測定された吸収の変化の速度に関する情報を含む速度パラメータを計算し、この速度パラメータを緩和パラメータとする手段。かかる装置は、ソフトウェアを用いて確実かつ有利に実現できる。また、このソフトウェアを用いることによって、作物に対する品質指標を事実上リアルタイムで判定することができるようになる。本発明を添付図面により、以下に詳細に説明する。図１は、光強度に対するＰ−７００⁺反応中心の還元の速度定数のプロットを示している。図２は、５つの異なった作物のＰ−７００⁺の還元の速度定数に対するＣＯ₂固定の最大速度のプロットを示している。図３は、本発明による装置の好適実施形態のブロック図を示している。図１は、２つの相違する作物、すなわち、とうもろこしとジュアヌロア（juan ulloa）の光強度に対するＰ−７００⁺反応中心の還元の速度定数をプロットしたものである。速度定数として示された値は、８２０ｎｍの波長の光を用いて測定した吸収の変化に基づいて計算されている。かかる速度定数が光強度に殆ど依存していないことは図１から明らかである。この驚くべき結果は、本出願人による別の実験的研究に基づいて示されたように、多数のタイプの作物に対してもあてはまることが確認されている。速度定数の光に対する非依存性は、一般的に６９０〜１１００ｎｍの波長の光に対して測定された吸収の変化にも該当することが実験から確認されている。このような波長範囲を有する光は、上記分子が酸化状態にある場合に、ＰＳＩのドナー側の上記３つの分子の２つ、すなわち、Ｐ−７００及びプラストシアニンによって容易に吸収されるものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ

Claims

【特許請求の範囲】１．作物の品質指標としての役割を果たす、作物の光合成プロセスにおける少なくとも１つの特定のパラメータの判定からなる、作物の品質を判定する方法において、前記パラメータが、それ自体は既知のフォトシステムＩ（ＰＳＩ）に属し、前記パラメータの判定が以下のステップからなる作物の品質判定方法。（ａ）ＰＳＩのドナー側に位置する複数の分子タイプの少なくとも一部を酸化状態にするステップと、（ｂ）酸化された分子の少なくとも一部を還元するステップと、（ｃ）還元の速度に関する情報を含む緩和パラメータを決定するステップとを備え、ステップ（ｃ）が少なくとも次のサブステップからなる、（１）還元される間に、作物中の酸化された分子による、予め設定された波長領域の光吸収を測定するサブステップと、（２）時間関数として、測定された吸収の変化の速度に関する情報を含む速度パラメータを計算し、この速度パラメータを緩和パラメータとするサブステップ。２．ステップ（ａ）が、第１波長領域の光により、分子の少なくとも一部を酸化することからなり、この第１波長領域が、本質的に３５０〜７００ｎｍの波長からなることを特徴とする請求の範囲１記載の品質判定方法。３．前記ステップ（ｃ１）が、予め設定された時間中の酸化された分子による第２波長領域の光の吸収を測定することからなり、この第２波長領域が、本質的に６９０〜１１００ｎｍの波長からなることを特徴とする請求の範囲１又は２記載の品質判定方法。４．第２波長領域が本質的に８００〜８５０ｎｍの波長からなり、緩和パラメータが、作物中のＰＳＩ複合体における酸化されたＰ−７００反応中心の還元の速度に関する情報を含むことを特徴とする請求の範囲３記載の品質判定方法。５．緩和パラメータをが還元における速度定数であり、次式ｙ＝ａＫ_e−ｂ（式中、ｙはＣＯ₂固定における速度であり、又、Ｋ_eは速度定数であり、ここで概略０．０７＜ａ＜０．２１及び０．５＜ｂ＜１．５である）に従う速度定数に基づいて、作物におけるＣＯ₂固定の最大速度を決定するステップからなる請求の範囲３又は４記載の品質判定方法。６．緩和パラメータに基づいて品質指標を決定するステップを更に含み、かかるステップが次のステップからなる請求の範囲１から５のいずれかに記載の品質判定方法。 − 緩和パラメータと、作物に対してデータベースに記憶された１又はそれ以上の緩和パラメータ又は緩和パラメータ範囲との比較、 − データベースにセーブされた緩和パラメータ又は緩和パラメータに本質的に対応する緩和パラメータ範囲に関連した品質指標を、データベース中でのサーチ。７．請求の範囲１から４のいずれかに記載の方法を用いて得られた緩和パラメータに基づく、作物の品質指標を判定するシステムであって、このシステムは、 − 緩和パラメータと、作物に対してデータベースに記憶された１又はそれ以上の緩和パラメータ又は緩和パラメータ範囲とを比較する比較手段と、 − データベースにセーブされた緩和パラメータ又は緩和パラメータに本質的に対応する緩和パラメータ範囲に関連した品質指標を、データベース中でサーチするサーチ手段を備えている。８．システムに、吸収の測定中周囲の状態を考慮するため、緩和パラメータを補正する補正手段をが更に設けられていることを特徴とする請求の範囲７記載の品質指標判定システム。９．作物の品温を利用した標準温度での緩和パラメータを付与するため、緩和パラメータを再計算するための補正手段が設けられていることを特徴とする請求の範囲８記載の品質指標判定システム。１０．システムは、緩和パラメータを判定する手段を更に備え、この手段が、 − 分子の少なくとも一部を酸化するための第１波長領域の光を放射する第１光源であって、第１波長領域が本質的に４００〜７００ｎｍからなる − 酸化された分子を還元させるための第２波長領域の光を放射する第２光源であって、第２波長領域が本質的に６８０〜１１００ｎｍからなる − 予め設定された時間の間に、酸化された分子によって第２光源から発生する光の吸収を測定するための検出手段、及び − 時間の関数として、吸収の変化に関連する速度パラメータを計算する演算手段であって、速度パラメータが緩和パラメータであることを特徴とする請求の範囲７，８又は９記載の品質指標判定システム。１１．光源中の少なくとも１つが発光ダイオードであることを特徴とする請求の範囲１０記載の品質指標判定システム。１２．システムが、作物を固定するために設けられたクランプ手段からなり、光源の少なくとも１つがクランプ手段に取り付けられていることを特徴とする請求の範囲１０又は１１記載の品質指標判定システム。