JP2023174451A - Plant cultivation method and plant cultivation device - Google Patents

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Abstract

To provide a plant cultivation method for performing light control of distribution of glucose produced by photosynthesis to a primary metabolism route and a secondary metabolism route, and realizing control of metabolite production in each metabolic reaction.SOLUTION: In at least a part of a cultivation period from sowing to harvest, irradiation is performed with main light for photosynthesis and additional light for promoting photosynthesis of a plant via the main light. The additional light includes additional signal light whose light intensity varies periodically and additional moderation light whose light intensity changes more gently than the additional light. The wavelength of the additional signal light includes a light absorption wavelength band of a red light receptor in the plant.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、例えば、植物の有用成分生産を促進させる植物栽培法、及び植物栽培装置に関する。 The present invention relates to, for example, a plant cultivation method that promotes production of useful components in plants, and a plant cultivation device.

植物は光合成で作り出したグルコースを、一次代謝回路と二次代謝回路で他の物質に転換している。一次代謝はどの植物にも共通している代謝であり、植物の生存と生育に必要な化学エネルギー、と、根、茎、葉などの器官形成に必要な化学物質を作り出している。二次代謝は植物によって異なるが、外敵や損傷に対する防御や損傷の修復に有用な化学物質を作り出している。
植物が代謝で作り出す化学物質は、人間にとっては解毒、鎮痛、解熱、抗酸化のための薬として有用である。このため、植物の代謝物質の効率的な生産をめざして、遺伝子組換技術やゲノム編集技術が応用されている。
Plants convert glucose produced through photosynthesis into other substances through primary and secondary metabolic cycles. Primary metabolism is common to all plants and produces the chemical energy necessary for plant survival and growth, as well as the chemicals necessary for the formation of organs such as roots, stems, and leaves. Secondary metabolism differs from plant to plant, but it produces chemicals that help protect against and repair damage from foreign invaders and damage.
Chemical substances produced by plants through metabolism are useful for humans as detoxifying, analgesic, antipyretic, and antioxidant medicines. For this reason, genetic recombination technology and genome editing technology are being applied with the aim of efficiently producing plant metabolites.

国際公開第2019/031559号公報International Publication No. 2019/031559

特許文献1に記載の方法は、植物の光合成が行われていない光環境下で、比較的デューティー比が小さい光を照射する。発明者らの実験では、植物が比較的強い刺激によるダメージを受け、変質するという結果が得られている。さらに、一次代謝と二次代謝の生成物質生産を独立して制御できないという課題もある。 The method described in Patent Document 1 irradiates light with a relatively small duty ratio in a light environment where plants are not photosynthesizing. Experiments conducted by the inventors have shown that plants are damaged by relatively strong stimuli and undergo deterioration. Furthermore, there is also the problem that the production of products of primary metabolism and secondary metabolism cannot be independently controlled.

本発明は、光合成で生成したグルコースの一次代謝経路と二次代謝経路への分配を光制御し、さらに、各代謝反応内での代謝物質生産を制御できる植物栽培方法、及び植物栽培装置を提供することを課題とする。 The present invention provides a plant cultivation method and a plant cultivation device that can optically control the distribution of glucose produced by photosynthesis to the primary metabolic pathway and the secondary metabolic pathway, and further control the production of metabolites within each metabolic reaction. The task is to do so.

本発明は、以下の構成を有する植物栽培法、及び植物栽培装置を提供する。 The present invention provides a plant cultivation method and a plant cultivation device having the following configurations.

(1)播種から収穫までの栽培期間の少なくとも一部で、光合成のための主光と、前記主光による植物の光合成を促進する追加光の照射とを行い、前記追加光は、光強度が周期的に変動する追加シグナル光と、光強度が前記追加光よりも緩やかに変化する追加緩和光とを含み、前記追加シグナル光の波長が、植物内の赤色光受容体の光吸収波長帯を含む植物栽培方法。
(2)植物の葉又は芽を、根や枝、もしくは、茎から切り離し、前記葉又は前記芽のみに前記主光を一定の時間照射し、その後、暗所において一定の時間保持する上記(1)に記載の植物栽培方法。
(3)植物の光合成のための主光が照射される植物栽培装置であって、
前記主光による植物の光合成を促進する追加光の照射を行う追加光光源と、
前記追加光光源を駆動制御することが可能な照射光制御部とを備え、
前記追加光光源が、
光強度が周期的に変動する追加シグナル光を照射する追加シグナル光光源と、
光強度が前記追加光よりも緩やかに変化する追加緩和光を照射する追加緩和光光源と、を備え、
前記追加緩和光を前記追加シグナル光とともに照射し、
前記追加シグナル光の波長が、植物内の赤色光受容体の光吸収波長帯を含む植物栽培装置。
(1) During at least a part of the cultivation period from sowing to harvest, main light for photosynthesis and additional light for promoting photosynthesis of plants by the main light are irradiated, and the additional light has a light intensity of The wavelength of the additional signal light includes additional signal light that changes periodically and additional relaxed light whose light intensity changes more slowly than the additional light, and the wavelength of the additional signal light falls within the light absorption wavelength band of red photoreceptors in the plant. Plant cultivation methods including.
(2) Separating the leaves or buds of the plant from the roots, branches, or stems, irradiating only the leaves or buds with the main light for a certain period of time, and then keeping them in a dark place for a certain period of time (1) ) The plant cultivation method described in .
(3) A plant cultivation device that is irradiated with main light for photosynthesis of plants,
an additional light source that irradiates additional light that promotes photosynthesis of plants by the main light;
and an irradiation light control unit capable of driving and controlling the additional light source,
The additional light source is
an additional signal light source that emits additional signal light whose light intensity periodically fluctuates;
an additional relaxation light source that emits additional relaxation light whose light intensity changes more slowly than the additional light;
irradiating the additional relaxation light together with the additional signal light;
A plant cultivation device in which the wavelength of the additional signal light includes a light absorption wavelength band of a red photoreceptor within the plant.

本発明によれば、光合成で生成したグルコースの一次代謝経路と二次代謝経路への分配を光制御し、さらに、各代謝反応内での代謝物質生産を制御できる植物栽培方法、及び植物栽培装置を提供できる。 According to the present invention, there is provided a plant cultivation method and a plant cultivation apparatus in which the distribution of glucose produced by photosynthesis to the primary metabolic pathway and the secondary metabolic pathway is optically controlled, and further, the production of metabolites within each metabolic reaction can be controlled. can be provided.

光合成色素と光受容体の光吸収波長帯を示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing light absorption wavelength bands of photosynthetic pigments and photoreceptors. 光合成産物であるグルコースが転流経路と二次代謝経路に分配されるまでの流れを示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing the flow of glucose, which is a photosynthetic product, being distributed to a translocation pathway and a secondary metabolic pathway. フィトクロムの光吸収スペクトルを示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing a light absorption spectrum of phytochrome. 光吸収によるフィトクロムの状態変化を示す説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram showing a state change of phytochrome due to light absorption. 実施形態の追加光を示す説明図である。It is an explanatory view showing additional light of an embodiment. 実施形態の収穫後の光照射プロファイルを示す説明図である。It is an explanatory view showing a light irradiation profile after harvest of an embodiment. 植物栽培装置の概略構成図である。FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a plant cultivation device. (a)~(d)は実施例1の条件を示す説明図。(a) to (d) are explanatory diagrams showing the conditions of Example 1. (a)~(d)は実施例2の条件を示す説明図。(a) to (d) are explanatory diagrams showing the conditions of Example 2. (a)~(d)は実施例3の条件を示す説明図。(a) to (d) are explanatory diagrams showing the conditions of Example 3.

以下、本発明の実施形態について、詳細に説明する。 Embodiments of the present invention will be described in detail below.

<植物栽培方法>
<<ストレスを利用した代謝産物増加技術>>
<Plant cultivation method>
<<Technology to increase metabolites using stress>>

本実施形態では、最初に、フィトクロムに起因するストレスを利用する植物栽培方法を説明する。次に、植物の外傷に起因するストレス利用する植物栽培方法を説明する。 In this embodiment, first, a plant cultivation method using stress caused by phytochrome will be described. Next, a method of cultivating plants that utilizes stress caused by trauma to plants will be explained.

<<フィトクロムに起因するストレス>>
植物は、光や光環境を生育に利用するために光受容体を利用している。光受容体には、光合成に必要な光エネルギーを捕集するクロロフィルやカロテノイドがあり、光環境情報を収集するフィトクロム、クリプトクロム、フォトロロピンがある。図1に、植物の中の光受容体と、それぞれの光吸収波長を示す。
<<Stress caused by phytochrome>>
Plants use photoreceptors to utilize light and the light environment for growth. Photoreceptors include chlorophyll and carotenoids that collect the light energy necessary for photosynthesis, and phytochromes, cryptochromes, and photololopins that collect information about the light environment. Figure 1 shows photoreceptors in plants and their respective light absorption wavelengths.

植物は、クロロフィルとカロテノイドが捕集した光エネルギーを使って、水(H20)と二酸化炭素(CO2)から糖質であるグルコース(C6H12O6)を生産している。グルコースは、一次代謝経路と二次代謝経路に分配されていく。 Plants use light energy captured by chlorophyll and carotenoids to produce the carbohydrate glucose (C 6 H 12 O 6 ) from water (H 2 0) and carbon dioxide (CO 2 ). Glucose is distributed between primary and secondary metabolic pathways.

光環境を感知する上述の3種類の光受容体(フィトクロム、クリプトクロム、フォトロロピン)の中で、フィトクロムは、花芽形成、発芽の制御、芽から葉への成長促進、代謝制御をしている。フィトクロムが光を感知すると、花芽形成、発芽などに関与する遺伝子が発現する。発現とは、遺伝子転写因子と呼ばれるタンパク質が遺伝子に結合することで、個々の働きをする遺伝子が活性化することである。フィトクロムは、細胞核内に移動することで、発現遺伝子を制御している。 Among the above-mentioned three types of photoreceptors (phytochrome, cryptochrome, and photorolopin) that sense the light environment, phytochrome controls flower bud formation, germination, promotes growth from bud to leaf, and controls metabolism. When phytochromes sense light, genes involved in flower bud formation and germination are expressed. Expression refers to the activation of genes that perform individual functions when proteins called gene transcription factors bind to genes. Phytochromes control expressed genes by moving into the cell nucleus.

フィトクロムは多数のタンパク質が集合している組織である。フィトクロムは、集合状態によって、Pfr型とPr型に分類されている。Pfr型のフィトクロムは、細胞核内の特定の遺伝子転写因子と結合して、遺伝子転写因子の分解を促進する。その結果、この遺伝子転写因子が制御していた複数の遺伝子の発現量が増減して、細胞の性質が変化する。Pr型のフィトクロムは、遺伝子とは離れた場所にあるので、遺伝子との相互作用はしない。したがって、Pr型フィトクロムによっては、細胞の性質は変化しない。 Phytochrome is a tissue in which many proteins are assembled. Phytochromes are classified into Pfr type and Pr type depending on their aggregation state. Pfr-type phytochromes bind to specific gene transcription factors in the cell nucleus and promote their degradation. As a result, the expression levels of multiple genes controlled by this gene transcription factor increase or decrease, and the properties of the cell change. Pr-type phytochromes are located far away from genes, so they do not interact with genes. Therefore, cell properties do not change depending on Pr-type phytochrome.

図2に、フィトクロムの赤色から遠赤外域での光吸収スペクトルを示す。Pr型フィトクロムは、600nmから710nmの赤色光を吸収する。Pfr型フィトクロムは、赤色光を含む600nmから長波長域の光を吸収する。図2の縦軸は吸光度である。図2では、吸光度と光学密度(O.D.、「光学濃度」ともいう)を同じものとしている。 FIG. 2 shows the optical absorption spectrum of phytochrome in the red to far infrared region. Pr-type phytochrome absorbs red light between 600 nm and 710 nm. Pfr-type phytochrome absorbs light in the long wavelength range from 600 nm, including red light. The vertical axis in FIG. 2 is absorbance. In FIG. 2, absorbance and optical density (O.D., also referred to as "optical density") are the same.

フィトクロムの集合組織の状態は、光を吸収すると変化する。図3に赤色光と遠赤色光によるPr型とPfr型の間の可逆的変化を示す。Pr型フィトクロムが赤色光を吸収するとPfr型に変化する。逆に、Pfr型フィトクロムが遠赤色光を吸収するとPr型に変化する。 The texture of phytochrome changes when it absorbs light. Figure 3 shows the reversible change between Pr type and Pfr type due to red light and far-red light. When Pr-type phytochrome absorbs red light, it changes to Pfr-type. Conversely, when Pfr-type phytochrome absorbs far-red light, it changes to Pr-type.

光合成が十分に起きる赤色光と遠赤色光が同時に照射されていると、フィトクロムはPr型とPfr型の間を循環して、それぞれの分布は一定の光平衡状態になる。光がない環境では、フィトクロムは、Pfr型からPr型に徐々に熱緩和する。波長が700nmより長い光の照射で、Pfr型からPr型への転換が促進する。一方、波長が600nmから710nmまでの光は、Pr型とPfr型の両方が吸収する。この場合の光吸収量はPr型の方が多いので、フィトクロムにおいては、Pr型からPfr型への転換が優勢である。 When red light and far-red light, which are sufficient for photosynthesis to occur, are simultaneously irradiated, phytochrome cycles between the Pr type and the Pfr type, and each distribution reaches a certain light equilibrium state. In the absence of light, phytochrome gradually undergoes thermal relaxation from the Pfr form to the Pr form. Irradiation with light with a wavelength longer than 700 nm promotes the conversion from Pfr type to Pr type. On the other hand, light with a wavelength of 600 nm to 710 nm is absorbed by both Pr type and Pfr type. In this case, since the Pr type absorbs more light, conversion from the Pr type to the Pfr type is predominant in phytochrome.

フィトクロムは、Pfr型になると細胞核に移動するが、Pr型になると細胞質に局在して異物化する。細胞にとっては、異物化したフィトクロムはストレス要因になる。そのため、フィトクロムが誘発する細胞ストレスをSとし、Pr型のストレスをS(Pr型)とし、Pfr型のストレスをS(Pfr型)とすると、これらの関係は、S(Pr型)>S(Pfr型)である。 When phytochrome becomes Pfr type, it moves to the cell nucleus, but when it becomes Pr type, it localizes to the cytoplasm and becomes a foreign substance. For cells, foreign phytochrome becomes a stress factor. Therefore, if the cellular stress induced by phytochrome is S, the Pr type stress is S (Pr type), and the Pfr type stress is S (Pfr type), then the relationship between these is S(Pr type)>S( Pfr type).

植物は、強光、高温、低温、乾燥などの環境ストレスにさらされている。これらの環境ストレスにより細胞に何らかの損傷が生じると、植物は、損傷を防御、緩和、修復するために多様な抗酸化物質を代謝反応で作り出す。アスコルビン酸やポリフェノールは代表的な抗酸化物質であるが、これらは、二次代謝産物である。 Plants are exposed to environmental stresses such as strong light, high temperature, low temperature, and dryness. When cells are damaged by these environmental stresses, plants produce a variety of antioxidants through metabolic reactions to protect, alleviate, and repair the damage. Ascorbic acid and polyphenols are typical antioxidants, but they are secondary metabolites.

図4に、グルコースが、一次代謝経路と二次代謝経路に流れる過程を示す。光合成で合成されたグルコースから、一次代謝経路の中で、デンプン、スクロース、フルクトースなどが合成される。これらの一部が二次代謝経路に入り、多種類の二次代謝物質が合成される。植物はストレス状態を感知すると、二次代謝反応が活発になり、ビタミンC(アスコルビン酸)やポリフェノール、s-アリルシステインなどの抗酸化物質の生産量が増加する。 FIG. 4 shows the process by which glucose flows into the primary metabolic pathway and the secondary metabolic pathway. From glucose synthesized through photosynthesis, starch, sucrose, fructose, etc. are synthesized in the primary metabolic pathway. A part of these enters the secondary metabolic pathway, and many types of secondary metabolites are synthesized. When plants sense stress conditions, they activate secondary metabolic reactions and increase the production of antioxidants such as vitamin C (ascorbic acid), polyphenols, and s-allylcysteine.

植物が受けるストレスを、フィトクロムの集合状態(Pr型またはPrf型)で制御することで、光合成産物であるグルコースの一次代謝経路と二次代謝経路への分配比率や分配量を変える(制御する)ことができる。 By controlling the stress that plants receive through the state of phytochrome assembly (Pr type or Prf type), we can change (control) the distribution ratio and amount of glucose, a photosynthetic product, to the primary and secondary metabolic pathways. be able to.

本実施形態に係る植物栽培方法は、太陽光(自然光)やLEDなどの人工光(後述する主光)により植物が生育されている環境で、光強度が周期的に変化する光を追加して照射する。追加する光がフィトクロムのアミノ酸集合組織を変化させるので、フィトクロムに起因するストレス状態も変わる。これにより、代謝産物生産を制御することができる。追加する光は、以下では「追加光」ともいう。追加光については後述する。 The plant cultivation method according to the present embodiment is an environment in which plants are grown using sunlight (natural light) or artificial light such as LED (main light described later), by adding light whose light intensity changes periodically. irradiate. Since the additional light changes the amino acid organization of the phytochromes, the stress conditions caused by them also change. This makes it possible to control metabolite production. The additional light will also be referred to as "additional light" below. Additional light will be described later.

<<主光による植物の成長>>
本実施形態では、太陽光(自然光)や、人工的な補光を、光合成のための「主光」と称する。この主光は、光合成を直接的に起こしたり、増大させたりするための光である。主光は、太陽光やLED等から発せられる光で、光合成を主に担う光である。「主光」は、光合成に関し、光補償点以上の光合成有効量子束密度を有する光であり、「追加光」は光補償点未満の光合成有効量子束密度を有する光である。光合成における二酸化炭素吸収速度(μmolCO2 m-2s-1)と、呼吸における二酸化炭素放出速度(μmolCO2 m-2s-1)の差が、光合成速度(μmolCO2 m-2s-1)である。光合成速度がゼロになるPPFD(光合成有効量子束密度)が光補償点であるが、この値は植物によって異なる。光補償点を超えるPPFDの光は、光合成のための光ということができ、光補償点を超えるPPFDの主光は、光合成のための主光であるということができる。
<<Plant growth using main light>>
In this embodiment, sunlight (natural light) and artificial supplementary light are referred to as "main light" for photosynthesis. This main light is light for directly causing or increasing photosynthesis. Principal light is light emitted from sunlight, LEDs, etc., and is the light that is primarily responsible for photosynthesis. With respect to photosynthesis, the "main light" is light that has a photosynthetically effective quantum flux density that is greater than or equal to the optical compensation point, and the "additional light" is light that has a photosynthetically effective quantum flux density that is less than the optical compensation point. The difference between the carbon dioxide absorption rate during photosynthesis (μmolCO 2 m -2 s -1 ) and the carbon dioxide release rate during respiration (μmolCO 2 m -2 s -1 ) is the photosynthetic rate (μmolCO 2 m -2 s -1 ). It is. The light compensation point is PPFD (Photosynthetically Effective Quantum Flux Density), where the photosynthetic rate becomes zero, but this value differs depending on the plant. The light of PPFD that exceeds the light compensation point can be said to be light for photosynthesis, and the principal light of PPFD that exceeds the light compensation point can be said to be the principal light for photosynthesis.

<<追加光による代謝促進成長促進>>
本実施形態では、主光とは異なる補助的な光を人工的に作成し、植物に照射する。この補助的な光を「追加光」とする。この追加光の照射は、詳細は後述するが、所定の時期や期間に行われる。追加光は、光合成を間接的に促進させるための光である。
<<Additional light promotes metabolism and growth>>
In this embodiment, auxiliary light different from the main light is artificially created and irradiated onto the plants. This auxiliary light is referred to as "additional light." This additional light irradiation is performed at a predetermined time or period, although the details will be described later. Additional light is light for indirectly promoting photosynthesis.

追加光が植物のDNAの生存能力を刺激することで、光合成を間接的に促進させることができる。植物には光の積算機能があることが知られていて、植物は太陽光の強度や照射時間を日々積算している。主光におけるPPFDの低下(PPDF低下)が積算機能により検知されると、植物の葉緑体にあるDNAは、光アンテナ内の葉緑素を増産させる指令を出す。これにより、光吸収量が増加して、光合成が促進される。 Additional light can indirectly increase photosynthesis by stimulating the viability of a plant's DNA. Plants are known to have a light accumulation function, and they accumulate the intensity and duration of sunlight on a daily basis. When the integration function detects a decrease in PPFD (PPDF decrease) in the main light, the DNA in the plant's chloroplasts issues a command to increase the production of chlorophyll in the light antenna. This increases the amount of light absorption and promotes photosynthesis.

本実施形態では、植物に潜在的に備わっている光の強度変化率を検出する微分機能を活用する。植物の微分機能をもっとも効率的に刺激できるのが、一定の時間間隔で点灯と消灯を繰り返すパルス光(シグナル光)である。このパルス光(シグナル光)を、以下では「追加シグナル光」と称する。追加シグナル光は、追加光に含まれる光である。本実施形態では、この追加シグナル光を単独で、又は、追加緩和光とともに、植物に照射する。 In this embodiment, a differential function for detecting the rate of change in light intensity, which plants have latently, is utilized. Pulsed light (signal light) that repeatedly turns on and off at regular intervals is the most efficient way to stimulate the differential functions of plants. This pulsed light (signal light) is hereinafter referred to as "additional signal light". The additional signal light is light included in the additional light. In this embodiment, the plant is irradiated with this additional signal light alone or together with the additional relaxation light.

追加シグナル光は、主光と比較して、光合成を起こすには不十分である。このため、植物は、一時的に光合成の飢餓状態であると認識する。DNAが光合成飢餓状態を検知すると、光合成に必要な光をもっと吸収させるために、DNAが葉緑素を増産する指令を出す。さらに追加シグナル光により、DNAは二酸化炭素の吸収量が増えるように、外気の出入り口である気孔の開閉制御指令を出す。この結果、追加パルス光照射によって、光合成に必要な光エネルギーと二酸化炭素の吸収量が増加する。すなわち、本実施形態における追加シグナル光は、DNAに葉緑素増産指令と気孔開閉指令を出させるためのトリガー信号として機能する。このような考え方における追加シグナル光の効果を、追加シグナル光のDNAトリガー効果と定義する。 The additional signal light is insufficient compared to the main light to cause photosynthesis. For this reason, plants perceive that they are temporarily starved for photosynthesis. When DNA detects photosynthetic starvation, it issues a command to produce more chlorophyll to absorb more of the light needed for photosynthesis. Furthermore, the additional signal light causes the DNA to issue commands to control the opening and closing of the stomata, which are the entrances and exits for outside air, so that the amount of carbon dioxide absorbed increases. As a result, the additional pulsed light irradiation increases the light energy required for photosynthesis and the amount of carbon dioxide absorbed. That is, the additional signal light in this embodiment functions as a trigger signal for causing DNA to issue a command to increase chlorophyll production and a command to open and close stomata. The effect of additional signal light in this way of thinking is defined as the DNA triggering effect of additional signal light.

DNAトリガー効果は、時間あたりのトリガー回数には比例して増加するが、トリガー信号の強さには依存しない。トリガー信号の時間間隔が短くなりすぎると、DNAトリガー効果は減少する。また、追加シグナル光を含む追加光による光合成促進効果は、主光のPPFDがどのような値であっても得られる。 The DNA trigger effect increases proportionally to the number of triggers per time, but is independent of the strength of the trigger signal. If the time interval of the trigger signals becomes too short, the DNA triggering effect will decrease. Further, the photosynthesis promoting effect of the additional light including the additional signal light can be obtained regardless of the value of the PPFD of the main light.

本実施形態ではこれに加え、追加シグナル光に、追加シグナル光よりも更に光強度が緩やかに変化する光(追加緩和光)が、所望の光合成促進効果に応じて合成される。追加緩和光は、正弦波状の波形を有しており、基本周期は1ms以上である。追加シグナル光の周期は8μs<T<200μsであり、追加緩和光の基本周期は、追加シグナル光の周期Tの125~2倍以上である。 In addition to this, in this embodiment, light whose light intensity changes more slowly than the additional signal light (additional relaxation light) is combined with the additional signal light in accordance with the desired photosynthesis promoting effect. The additional relaxation light has a sinusoidal waveform, and the fundamental period is 1 ms or more. The period of the additional signal light is 8 μs<T<200 μs, and the fundamental period of the additional relaxation light is 125 to 2 times or more the period T of the additional signal light.

このように、追加シグナル光に追加緩和光を組み合わせて得られた追加光を植物に照射することにより、追加シグナル光を単独で照射した場合に比べて、より一層、植物が感じる光ストレスを緩和できる。すなわち、本実施形態の追加光は、追加シグナル光と追加緩和光とを組み合わせて、追加光による光ストレスの軽減効果を、可及的に向上させることが可能な光である。 In this way, by irradiating plants with the additional light obtained by combining the additional signal light with the additional relaxation light, the photo stress felt by the plants is further alleviated than when the additional signal light is applied alone. can. That is, the additional light of this embodiment is light that can improve the optical stress reduction effect of the additional light as much as possible by combining the additional signal light and the additional relaxation light.

追加シグナル光とは、点灯と消灯を任意の周期で繰り返す光である。追加緩和光とは、強度がほぼ一定の光である。本実施形態において、追加緩和光には、60Hz程度の周波数のリップルがわずかに含まれていることもある。 The additional signal light is a light that repeats turning on and off at an arbitrary period. The additional relaxation light is light whose intensity is approximately constant. In this embodiment, the additional relaxation light may slightly include ripples at a frequency of about 60 Hz.

本実施形態の追加シグナル光は、先行技術のパルス光に比べれば、植物に対する光ストレスを緩和できると考えられる。しかし、本実施形態の追加シグナル光のみだけではなく、更に他の態様の光(ここでは追加緩和光)を加えることで、追加光が植物に与える光ストレスを、より効果的に軽減できる。 It is thought that the additional signal light of this embodiment can alleviate the light stress on plants compared to the pulsed light of the prior art. However, by adding not only the additional signal light of this embodiment but also another type of light (here, additional relaxation light), it is possible to more effectively reduce the optical stress that the additional light gives to the plants.

追加シグナル光による光ストレスを可能な限り緩和するためには、追加緩和光のPPFDは、追加シグナル光と同程度以上であることが望ましい。追加シグナル光と追加緩和光の波長域(波長帯)は、同じであっても、異なっていてもよい。いずれの場合も、光合成促進効果がある。ただし、追加シグナル光の波長帯と、追加緩和光の波長帯とは、互いに共通する部分(重なり部分)があること(少なくとも一部の波長帯が共通すること)が望ましい。 In order to alleviate the optical stress caused by the additional signal light as much as possible, it is desirable that the PPFD of the additional relaxation light be equal to or higher than that of the additional signal light. The wavelength ranges (wavelength bands) of the additional signal light and the additional relaxation light may be the same or different. In either case, there is a photosynthesis promoting effect. However, it is desirable that the wavelength band of the additional signal light and the wavelength band of the additional relaxation light have a common part (overlapping part) with each other (at least some wavelength bands are common).

植物は、光強度の時間的変化に敏感である。したがって、追加シグナル光と追加緩和光が同時に植物に照射されると、植物は、追加シグナル光を優先的に検知する。このような植物の反応を、植物の光検知におけるカクテルパーティー効果と定義する。追加光に対するカクテルパーティー効果は、主光が照射されていても有効である。 Plants are sensitive to temporal changes in light intensity. Therefore, when a plant is irradiated with additional signal light and additional relaxed light at the same time, the plant preferentially detects the additional signal light. We define this plant response as the cocktail party effect in plant light sensing. The cocktail party effect for additional light is effective even when the main light is illuminated.

主光による光合成よりも弱い光合成が周期的に起きると、植物は光合成の飢餓状態であると認識し、DNAは光アンテナの葉緑素合成の指令を出す。その結果、光合成のための光利用効率が向上し、太陽光や人工光による主光のPPFDが一定であっても、光合成速度は増える。光合成速度の増加は、追加シグナル光のみを照射した場合でも観察される。 When photosynthesis that is weaker than that produced by the main light occurs periodically, the plant recognizes that it is in a state of photosynthetic starvation, and its DNA issues a command to synthesize chlorophyll in the light antenna. As a result, the efficiency of light use for photosynthesis improves, and the rate of photosynthesis increases even if the PPFD of the primary light from sunlight or artificial light remains constant. An increase in photosynthetic rate is observed even when only the additional signal light is irradiated.

光合成の促進効果と、より安定した生育促進効果は、追加シグナル光よりも緩やかに変化する追加緩和光を重ね合わせることで得られる。追加シグナル光はDNAにトリガー信号を与える光なので、PPFDに制約はない。一方、追加緩和光のPPFDは、追加シグナル光と同等以上であることが望ましい。 A photosynthesis promoting effect and a more stable growth promoting effect can be obtained by superimposing additional relaxing light that changes more slowly than the additional signal light. Since the additional signal light is light that gives a trigger signal to DNA, there are no restrictions on PPFD. On the other hand, it is desirable that the PPFD of the additional relaxation light is equal to or higher than that of the additional signal light.

例えば、本実施形態の植物栽培方法は、太陽光や人工光を光合成のための主光(メイン光)として照射する過程で、播種から収穫までの任意の栽培期間に、追加光を照射する。追加光は、光強度が周期的に変動する光(追加シグナル光)、及び、光強度が緩やかに変化する光(追加緩和光)の内の少なくとも1つである。追加シグナル光のみを追加光として照射する場合もある。 For example, in the plant cultivation method of this embodiment, during the process of irradiating sunlight or artificial light as main light for photosynthesis, additional light is irradiated during any cultivation period from sowing to harvest. The additional light is at least one of light whose light intensity changes periodically (additional signal light) and light whose light intensity changes gradually (additional relaxation light). In some cases, only the additional signal light is irradiated as additional light.

追加光は、タンパク質光受容体であるフィトクロムを励起できる光である。本実施形態の植物栽培方法は、この追加光を、1日の任意の時間帯に追加して照射する植物栽培法であって、追加シグナル光の光強度(PPFD)の変動が周期的で、その変動周期が8μs以上200μs以下で、該周期的変動光の波長が500nm以上2000nm以下であり、該周期的変動光のデューティー比が、例えば0.1以上である。この点については後述する。 The additional light is light that can excite phytochromes, which are protein photoreceptors. The plant cultivation method of the present embodiment is a plant cultivation method in which the additional light is additionally irradiated at any time of the day, and the fluctuation of the light intensity (PPFD) of the additional signal light is periodic. The fluctuation period is 8 μs or more and 200 μs or less, the wavelength of the periodically fluctuating light is 500 nm or more and 2000 nm or less, and the duty ratio of the periodically fluctuating light is, for example, 0.1 or more. This point will be discussed later.

Pr型フィトクロムは細胞質に局在している。Pr型フィトクロムがPfr型に変化されると、細胞核に近づくように移動する。逆に、Pfr型フィトクロムがPr型に変化すると、細胞核から離れるように移動し、細胞質内に局在化する。したがって、細胞核に接近していたPfr型フィトクロムがPr型に転換すると、細胞核から離れるように移動する。逆に、Pr型フィトクロムがPfr型に転換すると、細胞核に近づくように移動する。 Pr-type phytochromes are localized in the cytoplasm. When Pr-type phytochrome is converted to Pfr-type, it moves closer to the cell nucleus. Conversely, when Pfr-type phytochrome changes to Pr-type, it moves away from the cell nucleus and localizes within the cytoplasm. Therefore, when Pfr-type phytochrome that was close to the cell nucleus converts to Pr-type, it moves away from the cell nucleus. Conversely, when Pr-type phytochrome converts to Pfr-type, it moves closer to the cell nucleus.

光強度(PPFD)が周期的に変化する追加光が、フィトクロムの転換を促進するメカニズムを説明する。既述したように、フィトクロムは多数のタンパク質が集合している組織である。アミノ酸が光を吸収すると、フィトクロム集合組織は局所的に変化する。アミノ酸集合組織全体を効率よく転換するには、間欠的にアミノ酸を励起し続けることが効果的である。 We explain the mechanism by which additional light with periodically varying light intensity (PPFD) promotes phytochrome conversion. As mentioned above, phytochrome is a tissue in which many proteins are assembled. When amino acids absorb light, the phytochrome texture changes locally. In order to efficiently convert the entire amino acid assembly, it is effective to continue to excite the amino acids intermittently.

つまり、1つのアミノ酸分子が光を吸収すると、HOMO軌道(最高被占軌道)には空孔(負電荷の電子がぬけて生じた正に帯電した孔)が、LUMO軌道(最低空軌道)には電子が生じる。その結果、アミノ酸内の局所的な電気的な中性状態が崩れるので、アミノ酸分子の原子配列が歪む。この歪みがアミノ酸集合組織全体で発生すると、アミノ酸集合組織の全体で歪みが発生する。 In other words, when one amino acid molecule absorbs light, a vacancy (a positively charged hole created by the escape of a negatively charged electron) is created in the HOMO orbital (highest occupied orbital) and becomes the LUMO orbital (lowest unoccupied orbital). produces an electron. As a result, the local electrically neutral state within the amino acid is disrupted, and the atomic arrangement of the amino acid molecule is distorted. When this distortion occurs throughout the amino acid texture, distortion occurs throughout the amino acid texture.

このとき、時間的にほぼ一定強度の光を照射するよりも、急峻に強度が変化する光(図5)を照射する方が、アミノ酸集合体の全体組織の変形を促進できる。瞬間的にアミノ酸集合組織を変形させた後に一定の時間だけ待つサイクルを繰り返すと、アミノ酸集合組織全体に大きな変形の力を働かせることが可能になる。このため、アミノ酸集合組織全体を効率よく転換するには、間欠的にアミノ酸を励起し続けることが効果的である。 At this time, the deformation of the entire structure of the amino acid assembly can be promoted by irradiating light whose intensity changes sharply (FIG. 5) rather than by irradiating light whose intensity is approximately constant over time. By repeating the cycle of momentarily deforming the amino acid texture and then waiting for a certain amount of time, it becomes possible to exert a large deformation force on the entire amino acid texture. Therefore, in order to efficiently convert the entire amino acid assembly, it is effective to continue to excite the amino acids intermittently.

Pfr型フィトクロムは、光がない環境(暗中)では、熱的な緩和によりゆっくりとPr型に戻る。したがって、Pfr型フィトクロムを恒常的に得るためには、光合成のための主光がない時間帯にPr型フィトクロムを励起することが必要である。 In the absence of light (in the dark), Pfr-type phytochrome slowly returns to the Pr-type due to thermal relaxation. Therefore, in order to permanently obtain Pfr-type phytochrome, it is necessary to excite Pr-type phytochrome during a time period when there is no main light for photosynthesis.

フィトクロムのPr型とPfr型の間での転換速度、Pfr型に係る細胞核への移動と離脱の速さは、時間あたりの光励起回数に比例して増加する。フィトクロムの光励起の時間間隔が短くなりすぎると、連続光照射に近づくので、接近と離脱の促進効果は減少する。したがって、最も効率よくフィトクロムを移動させるのに適した光強度変化の周期が存在する。 The rate of conversion between the Pr and Pfr forms of phytochrome, and the rate of movement of the Pfr form into and out of the cell nucleus, increase in proportion to the number of photoexcitations per hour. If the time interval of photoexcitation of phytochrome becomes too short, it approaches continuous light irradiation, and the effect of promoting approach and detachment decreases. Therefore, there is a period of light intensity change that is suitable for moving phytochrome most efficiently.

図5は、本実施形態の追加光を示す図である。図5におけるグラフは、葉面に入射する光子数(光合成有効量子束密度(PPFD)を表す)の時間変化を示している。 FIG. 5 is a diagram showing additional light in this embodiment. The graph in FIG. 5 shows the temporal change in the number of photons (representing photosynthetic effective quantum flux density (PPFD)) incident on the leaf surface.

本実施形態においては、追加光に係るパルスの形状が台形である。追加光の周期(基本周期)がTであり、一つのパルスの立ち上がり時間がΔT1、ピーク時間がΔT2、立ち下がり時間がΔT3である。これらのうちΔT1及びΔT3の光強度は、時間とともに変化する。これらのΔT1及びΔT3における時間変化の勾配は、ΔT1とΔT3とで同じであっても、異なっていてもよい。さらに、ΔT1やΔT3における勾配を、ΔT1やΔT3の途中で変化させてもよい。これらのΔT1やΔT3における勾配を途中で異ならせる形態としては、ΔT1やΔT3における波形を、例えば、曲線状(弓形状、円弧状、波状など)や、ステップ状(段差状、階段状など)等とすることを例示できる。 In this embodiment, the pulse shape of the additional light is trapezoidal. The period (basic period) of the additional light is T, the rise time of one pulse is ΔT 1 , the peak time is ΔT 2 , and the fall time is ΔT 3 . Among these, the light intensity of ΔT 1 and ΔT 3 changes with time. The gradients of time changes in ΔT 1 and ΔT 3 may be the same or different for ΔT 1 and ΔT 3 . Furthermore, the gradient at ΔT 1 or ΔT 3 may be changed in the middle of ΔT 1 or ΔT 3 . The waveforms at ΔT 1 and ΔT 3 can be made to have a curved shape (bow shape, circular arc shape, wave shape, etc. ) or step shape (step shape, staircase shape, etc.) to make the slopes at ΔT 1 and ΔT 3 different in the middle. For example,

発明者らの実験によれば、追加光による光合成促進効果は、追加光の周期Tが、8μs<T<200μsのときに良好に得られる。また、ピーク時間ΔT2の前後のΔT1とΔT3については、どちらか一方が5μs以下であるときに良好に得られる。 According to experiments conducted by the inventors, the photosynthesis promoting effect of additional light can be favorably obtained when the period T of additional light is 8 μs<T<200 μs. Further, ΔT1 and ΔT3 before and after the peak time ΔT 2 can be obtained satisfactorily when either one is 5 μs or less.

本実施形態ではこれに加え、追加光に、追加光(図2の左側)よりも更に光強度が緩やかに変化する光(追加緩和光)が、所望の光合成促進効果に応じて合成される。追加緩和光は、基本周期は1ms以上である。追加光の周期は8μs<T<200μsであり、追加緩和光の基本周期は、追加光の周期Tの125~2倍以上である。 In this embodiment, in addition to this, light whose light intensity changes more gently than the additional light (on the left side in FIG. 2) (additional relaxation light) is combined with the additional light in accordance with the desired photosynthesis promoting effect. The basic period of the additional relaxation light is 1 ms or more. The period of the additional light is 8 μs<T<200 μs, and the fundamental period of the additional relaxation light is 125 to 2 times or more the period T of the additional light.

このように、追加光に追加緩和光を組み合わせて得られた追加光を植物に照射することにより、追加光を単独で照射した場合に比べて、より一層、植物が感じる光ストレスを緩和できる。すなわち、本実施形態の追加光は、追加光と追加緩和光とを組み合わせて、追加光による光ストレスの軽減効果を、可及的に向上させることが可能な光である。 In this way, by irradiating plants with additional light obtained by combining additional light with additional relaxing light, the light stress felt by plants can be further alleviated than when the additional light is applied alone. That is, the additional light of this embodiment is light that can improve the optical stress reduction effect of the additional light as much as possible by combining the additional light and the additional relaxation light.

追加光とは、点灯と消灯を任意の周期で繰り返す光である。追加緩和光とは、強度がほぼ一定の光である。本実施形態において、追加緩和光には、60Hz程度の周波数のリップルがわずかに含まれていることもある。 The additional light is light that repeats turning on and off at an arbitrary period. The additional relaxation light is light whose intensity is approximately constant. In this embodiment, the additional relaxation light may slightly include ripples at a frequency of about 60 Hz.

本実施形態の追加光は、先行技術のパルス光に比べれば、植物に対する光ストレスを緩和できると考えられる。しかし、本実施形態の追加光のみだけではなく、更に他の態様の光(ここでは追加緩和光)を加えることで、追加光が植物に与える光ストレスを、より効果的に軽減できる。 It is believed that the additional light of this embodiment can alleviate light stress on plants compared to the pulsed light of the prior art. However, by adding not only the additional light of this embodiment but also another type of light (here, additional relaxation light), it is possible to more effectively reduce the optical stress that the additional light gives to the plants.

追加光による光ストレスを可能な限り緩和するためには、追加緩和光のPPFDは、追加光と同程度以上であることが望ましい。追加光と追加緩和光の波長域(波長帯)は、同じであっても、異なっていてもよい。いずれの場合も、光合成促進効果がある。ただし、追加光の波長帯と、追加緩和光の波長帯とは、互いに共通する部分(重なり部分)があること(少なくとも一部の波長帯が共通すること)が望ましい。 In order to alleviate the optical stress caused by the additional light as much as possible, it is desirable that the PPFD of the additional relaxing light be equal to or higher than that of the additional light. The wavelength ranges (wavelength bands) of the additional light and the additional relaxed light may be the same or different. In either case, there is a photosynthesis promoting effect. However, it is desirable that the wavelength band of the additional light and the wavelength band of the additional relaxation light have a common part (overlapping part) with each other (at least some wavelength bands are common).

追加光は、1日における24時間のうちの任意の時間帯に照射してもよく、予め決められた所定の時間帯に照射してもよい。追加光の波長は、500nmから2000nmの範囲である。 The additional light may be applied at any time within 24 hours in a day, or may be applied at a predetermined time. The wavelength of the additional light ranges from 500 nm to 2000 nm.

<<外傷に起因するストレス>> <<Stress caused by trauma>>

発芽直後の植物の新芽は、乾燥した種子には含まれていないビタミンやポリフェノールなどの二次代謝物質を合成している。 Immediately after germination, plant shoots synthesize secondary metabolic substances such as vitamins and polyphenols that are not contained in dried seeds.

発明者らは、新芽や葉に含まれている代謝産物を急速に増やすために、外傷によるストレスを利用することを検討した。
外傷によるストレスを利用するため、光合成を行っている新芽を根元から刈り取り、水分が抜けない環境下で保持する。その状態で、刈り取る前と同じ程度の光環境下で光合成を一定の時間だけ行わせ、その後は、光がない環境下で一定の時間保持する。新芽や葉は、刈り取られると、外傷性ストレスを感知する。そうすると、新芽や葉は、光合成産物の転流を制限し、一方で、二次代謝を活発化させて、ストレスの防御、緩和、細胞修復作用がある抗酸化物質を増産する。
The inventors considered using stress caused by trauma to rapidly increase the amount of metabolites contained in shoots and leaves.
In order to take advantage of the stress caused by trauma, shoots that perform photosynthesis are cut off from the base and kept in an environment where water cannot escape. In this state, photosynthesis is allowed to occur for a certain period of time under the same light environment as before harvesting, and after that, it is maintained for a certain period of time under an environment without light. When shoots and leaves are cut, they sense traumatic stress. In this way, shoots and leaves limit the translocation of photosynthetic products, while activating secondary metabolism and increasing the production of antioxidants that have stress protection, mitigation, and cell repair effects.

図6に、本実施形態における光照射プロファイル(収穫後の光照射プロファイル)を示す。本実施形態に係る光照射は「ポストハーベスト光照射」等とも称する。上段から順に、収穫後に暗所に静置した場合の光照射プロファイル(光照射なし)、白色LEDを12時間照射した場合の光照射プロファイル、同じく白色LEDを24時間照射した場合の光照射プロファイルを示している。これらの態様の光照射を適宜使い分けて、植物へのポストハーベスト光照射を行う。
上述した方法で、新芽や葉に含まれている二次代謝物質を、刈り取り後12時間程度で大幅に増やすことができる。外傷性ストレスを利用する二次代謝促進技術は、大麦、ブロッコリー、ニンニクなどの新芽やオリーブ、茶、赤紫蘇、大葉など、あらゆる植物に有効である。
FIG. 6 shows a light irradiation profile (post-harvest light irradiation profile) in this embodiment. The light irradiation according to this embodiment is also referred to as "post-harvest light irradiation" or the like. Starting from the top, the light irradiation profile when left in a dark place after harvest (no light irradiation), the light irradiation profile when irradiated with a white LED for 12 hours, and the light irradiation profile when irradiated with a white LED for 24 hours. It shows. Post-harvest light irradiation to plants is performed by appropriately using these modes of light irradiation.
By using the method described above, secondary metabolites contained in shoots and leaves can be significantly increased within about 12 hours after cutting. Secondary metabolism promotion technology that utilizes traumatic stress is effective for all kinds of plants, including sprouts of barley, broccoli, and garlic, as well as olive, tea, red perilla, and perilla leaves.

上述の植物栽培方法(外傷によるストレスを利用した植物栽培方法)は、単独で行ってもよいし、フィトクロムに起因するストレスを利用した植物栽培に続いて行ってもよい。 The above-mentioned plant cultivation method (plant cultivation method using stress caused by trauma) may be performed alone, or may be performed following plant cultivation using stress caused by phytochrome.

本実施形態による植物栽培方法は、すべての種類の植物の光合成に有効である。したがって、葉菜類、花き、果樹、海草、藻類、及び、微細藻類の生育促進に応用できる。さらに、圃場、ハウス、植物工場、陸上養殖、海面、海中、及び、中山間地での植物栽培に効果がある。 The plant cultivation method according to this embodiment is effective for photosynthesis of all types of plants. Therefore, it can be applied to promoting the growth of leafy vegetables, flowers, fruit trees, seaweed, algae, and microalgae. Furthermore, it is effective for plant cultivation in fields, greenhouses, plant factories, terrestrial aquaculture, on the sea surface, under the sea, and in mountainous areas.

<植物栽培装置10>
図7は、本実施形態の植物栽培装置10に係る概略構成を示している。植物栽培装置10は、水耕又は土耕用の栽培床12と、栽培床12に向けて光を照射する光照射部14と、光照射部14を点灯駆動する照射光制御部16とを備えている。植物栽培装置10は、栽培床12を覆って栽培室を形成する保護部材18を有している。保護部材18を省略することも可能である。
<Plant cultivation device 10>
FIG. 7 shows a schematic configuration of the plant cultivation device 10 of this embodiment. The plant cultivation device 10 includes a cultivation bed 12 for hydroponic or soil cultivation, a light irradiation unit 14 that irradiates light toward the cultivation bed 12, and an irradiation light control unit 16 that drives the light irradiation unit 14 to turn on. ing. The plant cultivation device 10 includes a protection member 18 that covers the cultivation bed 12 to form a cultivation chamber. It is also possible to omit the protective member 18.

光照射部14は、主光の照射を行う主光光源20と、追加光の照射を行う追加光光源22とを有する。主光光源20と追加光光源22は、照射光制御部16の制御(ここでは電流制御)により個々に駆動制御される。図5では、主光光源20と追加光光源22とが、左右に並んで示されているが、主光光源20の光と追加光光源22の光は、図示を省略する拡散板(拡散レンズであってもよい)を介し、同様の経路で栽培床12に向けて照射される。追加光光源22の光は、図示を省略する光ファイバーを介し、栽培床12に向けて照射してもよい。光ファイバーは、端面発光または側面発光のものを適宜用いることができる。 The light irradiation unit 14 includes a main light source 20 that irradiates main light, and an additional light source 22 that irradiates additional light. The main light source 20 and the additional light source 22 are individually driven and controlled by the irradiation light control unit 16 (here, current control). In FIG. 5, the main light source 20 and the additional light source 22 are shown side by side, but the light from the main light source 20 and the light from the additional light source 22 are transmitted through a diffusion plate (not shown) ), and the cultivation bed 12 is irradiated via the same route. The light from the additional light source 22 may be directed toward the cultivation bed 12 via an optical fiber (not shown). As the optical fiber, an edge-emitting or side-emitting type can be used as appropriate.

主光光源20は、所定の時間内で連続点灯し、主光(「連続照射光」ともいう)を連続して出射する。主光光源20には、例えば、LED、蛍光灯、プラズマランプ、水銀灯、白熱電球、メタルハライドランプ、ナトリウムランプ、又は、無電極ランプ等の人工光源が用いられる。 The main light source 20 lights up continuously within a predetermined period of time and continuously emits main light (also referred to as "continuous irradiation light"). As the main light source 20, for example, an artificial light source such as an LED, a fluorescent lamp, a plasma lamp, a mercury lamp, an incandescent lamp, a metal halide lamp, a sodium lamp, or an electrodeless lamp is used.

他の主光として、太陽光を使用することも可能である。太陽光を使用する場合、主光光源20を使用しないことや、主光光源20を省略することが可能である。太陽光と主光光源20の光とを併用することも可能である。この場合、太陽光と主光光源20の光を、時間帯等の条件に応じて使い分けてもよい。さらに、太陽光と主光光源20の光を、同時に出射する場合があってもよい。 It is also possible to use sunlight as other main light. When using sunlight, it is possible not to use the main light source 20 or to omit the main light source 20. It is also possible to use sunlight and the light from the main light source 20 in combination. In this case, sunlight and light from the main light source 20 may be used depending on conditions such as time of day. Furthermore, sunlight and the light from the main light source 20 may be emitted simultaneously.

追加光光源22は、追加シグナル光光源24と追加緩和光光源26とを有する。追加シグナル光光源24は追加シグナル光を照射し、追加緩和光光源26は追加緩和光を照射する。追加シグナル光と追加緩和光は追加光を構成する(図4)。 The additional light source 22 includes an additional signal light source 24 and an additional relaxation light source 26. The additional signal light source 24 emits additional signal light, and the additional relaxation light source 26 emits additional relaxation light. The additional signal light and additional relaxation light constitute additional light (FIG. 4).

図5では、追加シグナル光光源24と追加緩和光光源26とが、左右に並んで示されているが、追加シグナル光と追加緩和光は、図示を省略する拡散板(拡散レンズであってもよい)を介し、同様の経路で栽培床12に向けて照射される。追加光光源22は、追加シグナル光光源24と追加緩和光光源26とを集積し、一体化したものであってもよい。 In FIG. 5, the additional signal light source 24 and the additional relaxation light source 26 are shown side by side, but the additional signal light and the additional relaxation light are transmitted through a diffuser plate (not shown) (even if it is a diffuser lens). irradiation to the cultivation bed 12 via a similar route. The additional light source 22 may be one in which the additional signal light source 24 and the additional relaxation light source 26 are integrated and integrated.

追加光光源22は、追加シグナル光光源24により、500nm~2000nmの波長の範囲内の光を発することができる。追加シグナル光光源24には、栽培対象とする植物の育成に適した波長の光を出射できれば、例えば、LED、EL(エレクトロルミネセンス)、レーザ、紫外光、赤外光などの各種の光源を採用できる。また、追加シグナル光光源24には、パルス点灯制御が容易な光源を用いることが望ましい。追加緩和光光源26としては、例えば、電灯線(50Hzまたは60Hz)で駆動する冷陰極蛍光灯、LED単色灯、LED蛍光灯などの各種の光源を採用できる。 The additional signal light source 22 is capable of emitting light within a wavelength range of 500 nm to 2000 nm. The additional signal light source 24 may include various light sources such as LED, EL (electroluminescence), laser, ultraviolet light, and infrared light, as long as they can emit light with a wavelength suitable for growing the plants to be cultivated. Can be adopted. Further, it is desirable to use a light source that can easily control pulse lighting as the additional signal light source 24. As the additional relaxation light source 26, various light sources such as a cold cathode fluorescent lamp, an LED monochromatic lamp, and an LED fluorescent lamp driven by a power line (50 Hz or 60 Hz) can be employed, for example.

図示は省略するが、追加光光源22は、連続発光する光源と、光路途中に配置されたシャッタを備えたものであってもよい。この場合、シャッタにより光路を断続的に遮って、シグナル光を形成する。また、白色光光源に波長制限フィルタを取り付けて、必要な波長の光を形成することも可能である。シャッタやフィルタは、追加シグナル光光源24と追加緩和光光源26の各々に設けてもよい。 Although not shown, the additional light source 22 may include a light source that continuously emits light and a shutter placed in the middle of the optical path. In this case, the optical path is intermittently interrupted by a shutter to form signal light. It is also possible to attach a wavelength limiting filter to the white light source to form light of a required wavelength. A shutter or a filter may be provided for each of the additional signal light source 24 and the additional relaxation light source 26.

光照射部14は、保護部材18の天井面や側壁の上方、又は栽培床12に設置された柱の上方等に設置される。光照射部14は、照射光制御部16からの指令に応じて、栽培床12を照明する。 The light irradiation unit 14 is installed above the ceiling surface or side wall of the protection member 18, or above the pillars installed on the cultivation bed 12, or the like. The light irradiation unit 14 illuminates the cultivation bed 12 in accordance with a command from the irradiation light control unit 16.

光照射部14は、主光光源20、及び、追加光光源22を、それぞれ複数を備えたものとすることが可能である。この場合、複数の主光光源20、及び、複数の追加光光源22を、異なる位置で、かつ、照射角度を異ならせて配置することが可能である。例えば、複数の主光光源20、及び、複数の追加光光源22を、交互に配置するといったことも可能である。また、複数の主光光源20と単数の追加光光源22(又は単数の主光光源20と複数の追加光光源22)を備えるといったことも可能である。栽培床12に複数の方向から光が照射されるように、追加光光源22を設置することも可能である。このようにすると、より安定した生育促進効果が得られる。 The light irradiation unit 14 may include a plurality of main light sources 20 and a plurality of additional light sources 22. In this case, it is possible to arrange the plurality of main light sources 20 and the plurality of additional light sources 22 at different positions and with different irradiation angles. For example, it is also possible to alternately arrange a plurality of main light sources 20 and a plurality of additional light sources 22. It is also possible to include a plurality of main light sources 20 and a single additional light source 22 (or a single main light source 20 and a plurality of additional light sources 22). It is also possible to install additional light sources 22 so that the cultivation bed 12 is irradiated with light from a plurality of directions. In this way, a more stable growth promoting effect can be obtained.

このように、複数の主光光源20、及び/又は、複数の追加光光源22を備えることにより、より緻密な光照射を行うことが可能となる。そして、複数の光源の配置や照射角度を異ならせることにより、栽培床12の植物に均一に光照射でき、場所による成長ムラを抑制できる。 In this way, by providing a plurality of main light sources 20 and/or a plurality of additional light sources 22, it becomes possible to perform more precise light irradiation. By varying the arrangement and irradiation angle of the plurality of light sources, the plants on the cultivation bed 12 can be uniformly irradiated with light, and uneven growth depending on location can be suppressed.

照射光制御部16は、本実施形態の植物栽培方法に基づいて、光照射部14を点灯駆動する。照射光制御部16は、主光光源20のみを点灯駆動することや、追加光光源22のみを点灯駆動すること、及び、主光光源20と追加光光源22の両方を同時に点灯駆動することが可能である。 The irradiation light control unit 16 drives the light irradiation unit 14 to turn on based on the plant cultivation method of this embodiment. The irradiation light control unit 16 can drive only the main light source 20 to turn on, drive only the additional light source 22, or drive both the main light source 20 and the additional light source 22 to turn on at the same time. It is possible.

光照射部14が複数の主光光源20、及び/又は、複数の追加光光源22を備える場合には、照射光制御部16は、同種の光源を同期させて点灯させることが可能である。また、栽培床12を複数のブロック(試験区)に分ける場合には、照射光制御部16は、それぞれのブロックで、主光光源20及び追加光光源22を個別に制御することが可能である。 When the light irradiation section 14 includes a plurality of main light sources 20 and/or a plurality of additional light sources 22, the irradiation light control section 16 can synchronize and turn on the same type of light sources. Furthermore, when dividing the cultivation bed 12 into a plurality of blocks (test plots), the irradiation light control unit 16 can individually control the main light source 20 and the additional light source 22 in each block. .

照射光制御部16は、ブロック単位で、主光光源20及び追加光光源22を同期させてもよく、複数ブロック又は全ブロックの主光光源20及び追加光光源22を同期させてもよい。追加光光源22における追加シグナル光を同期させることで、植物に照射する追加シグナル光のデューティー比を正確に維持できる。 The irradiation light control unit 16 may synchronize the main light source 20 and the additional light source 22 on a block-by-block basis, or may synchronize the main light source 20 and the additional light source 22 in a plurality of blocks or all blocks. By synchronizing the additional signal light in the additional light source 22, the duty ratio of the additional signal light irradiated to the plants can be maintained accurately.

このような植物栽培装置10は、一般家庭で手軽に家屋内にて栽培するための小型栽培キット、農業用ハウス、建造された栽培室を有する植物工場等の大型のもの等に広く適用することが可能である。 Such a plant cultivation device 10 can be widely applied to small-sized cultivation kits for easy indoor cultivation in general households, agricultural greenhouses, large-sized ones such as plant factories having built cultivation rooms, etc. is possible.

ここで、農業用ハウスとは、透光性を有するフィルムがハウス全面に展張された農業用ビニールハウスのほか、ガラス窓の内側の全面にフィルムが伸ばし拡げられた農業用ガラスハウスとすることもできる。農業用ガラスハウスにおいては、ハウス内の栽培空間における水分を含んだ空気が、フィルムを透過して、ガラス窓とガラス窓の骨組み部分との隙間を通じてハウス外に出る。そのため、農業用ガラスハウスにおいても、ハウス内が高温多湿になることを抑制できる。なお、上記した「透光性」とは、昼間に植物を育てるのに必要な光を通すことを意味する。 Here, agricultural greenhouses include agricultural vinyl greenhouses in which a translucent film is spread over the entire surface of the greenhouse, as well as agricultural glass houses in which film is stretched over the entire inside of the glass windows. can. In agricultural glass houses, air containing moisture in the cultivation space inside the house passes through the film and exits the house through the gap between the glass windows and the framework of the glass windows. Therefore, even in agricultural glass houses, it is possible to prevent the inside of the house from becoming hot and humid. Note that the above-mentioned "translucent property" means that light necessary for growing plants passes through during the day.

追加光の光源(ここでは追加光光源22)を、農業用ハウス内に設置した場合、追加光の一部は、ガラス板、樹脂板、樹脂製フィルムなどにより反射及び拡散(反射拡散)がされるので、追加光の照射効率があがるという利点がある。小型栽培キットや植物工場などでも、同様の照射効率向上の効果は得られる。 When a light source for additional light (in this case, additional light source 22) is installed inside an agricultural greenhouse, a portion of the additional light is reflected and diffused (reflection and diffusion) by glass plates, resin plates, resin films, etc. This has the advantage of increasing the irradiation efficiency of additional light. A similar effect of improving irradiation efficiency can be obtained with small-scale cultivation kits and plant factories.

また、追加光(追加シグナル光、及び/又は、追加緩和光)の有効な照射方向についても考えることができる。追加光を、主光と同じ方向から照射した場合も、主光と異なる方向から照射した場合も、いずれも生育促進効果は得られる。さらに、主光が十分に届いていない場所(例えば、日陰に位置する葉の表裏の葉面や、日の当たる場所にある葉の裏面など)に追加光を照射すれば、より大きな生育促進効果が得られる。 Furthermore, it is possible to consider the effective direction of irradiation of additional light (additional signal light and/or additional relaxation light). The growth promoting effect can be obtained whether the additional light is irradiated from the same direction as the main light or from a direction different from the main light. Furthermore, if additional light is applied to areas where the main light does not reach sufficiently (for example, the front and back surfaces of leaves in the shade, or the underside of leaves in sunny areas), the growth promotion effect will be even greater. is obtained.

具体的には、例えば葡萄のように、枝が水平方向に伸びている植物に対して、地面から上方向(斜め上方向を含む)に追加光を照射する。この場合、日陰にある葉の裏面(地面の側の面)に当たる光が増加する。そして、追加光を照射しない場合に比べて、盛んに光合成が行われ、葡萄の甘みが増す。このように、追加光の照射方向を、植物の栽培が行われている環境や、植物の特性等に応じ設定することで、植物の成長をより一層効果的に促進できる。 Specifically, additional light is irradiated upward from the ground (including diagonally upward) to a plant, such as a grape, whose branches extend horizontally. In this case, more light hits the underside of the leaf (the side facing the ground) in the shade. Photosynthesis takes place more actively than when no additional light is irradiated, and the sweetness of the grapes increases. In this way, by setting the irradiation direction of the additional light according to the environment in which the plants are cultivated, the characteristics of the plants, etc., the growth of the plants can be promoted even more effectively.

<先行技術と本実施形態における追加光の比較>
以下の表1は、先行技術(前掲の特許文献1に開示された技術事項)と、本実施形態に係る植物栽培方法(追加光照射)の基本的な技術事項とを比較して示している。
<Comparison of additional light in the prior art and this embodiment>
Table 1 below shows a comparison between the prior art (technical matters disclosed in Patent Document 1 mentioned above) and the basic technical matters of the plant cultivation method (additional light irradiation) according to the present embodiment. .

表1に示すように、主光は、先行技術も本実施形態も、太陽光及び人口光(LEDなど)である。追加光の周期は、先行技術が8μs~500μsであり、本実施形態が8μs~200μsである。追加光のデューティー比は、先行技術には20%以下の制約があるのに対し、本実施形態では制約がない。 As shown in Table 1, the main light is sunlight and artificial light (LED etc.) in both the prior art and the present embodiment. The period of the additional light is 8 μs to 500 μs in the prior art and 8 μs to 200 μs in the present embodiment. The duty ratio of the additional light is limited to 20% or less in the prior art, but is not limited in this embodiment.

追加光の光合成光量子密度(μmol・m-2・s-1)は、先行技術には0.001~4.0の制約があるのに対し、本実施形態では制約がない。主光に付加する光の種類は、先行技術が1種類であり、本実施形態が、追加光と追加緩和光の2種類である。波長帯は、先行技術が400nm~500nmであり、本実施形態が500nm~2000nmである。 The photosynthetic photon density (μmol·m -2 ·s -1 ) of the additional light is limited to 0.001 to 4.0 in the prior art, but there is no such limit in this embodiment. In the prior art, there is only one type of light added to the main light, and in this embodiment, there are two types: additional light and additional relaxation light. The wavelength band is 400 nm to 500 nm in the prior art and 500 nm to 2000 nm in this embodiment.

照射期間は、先行技術が定植後の生育期であり、本実施形態が、播種から育苗期及び生育期までのうちの任意の期間(全体の期間を含む)である。播種から定植までを育苗期、定植から収穫までを生育期と定義している。 In the prior art, the irradiation period is the growing period after planting, and in the present embodiment, it is any period from sowing to the seedling-raising period and the growing period (including the entire period). The period from sowing to planting is defined as the seedling-raising period, and the period from planting to harvesting is defined as the growing period.

1日の照射時間帯は、先行技術が夜間の時間帯であり、本実施形態が1日の24時間のうちの任意時間帯である。技術的な効果は、先行技術が、生育の促進及び有用成分の増加を可能とすることであり、本実施形態が、生育及び有用成分生産の個別制御を可能とすることである。 The irradiation time period of one day is the night time period in the prior art, and the irradiation time period in the present embodiment is any time period within 24 hours of the day. The technical effect is that the prior art allows for promotion of growth and increase of useful components, and this embodiment allows for individual control of growth and production of useful components.

また、表1には記載されていないが、先行技術では、パルス光により相対的に強い刺激が植物に与えられる。また、パルス光の波長帯を青色の波長帯に限っているので、葉が重なっているような状況では、隠れている葉まで光が到達し難い。さらに、生育と二次代謝の個別制御(生育速度と有用物質生産を独立して制御すること)は難しい。 Although not listed in Table 1, in the prior art, relatively strong stimulation is given to plants by pulsed light. Furthermore, since the wavelength band of the pulsed light is limited to the blue wavelength band, in situations where leaves overlap, it is difficult for the light to reach hidden leaves. Furthermore, individual control of growth and secondary metabolism (independent control of growth rate and production of useful substances) is difficult.

これに対して、本実施形態では、点滅光(追加光)と緩やかに変化する光(追加緩和光)の重畳により、先行技術に比べて、植物に与えられる刺激が少ない。そして、本実施形態の植物栽培方法や植物栽培装置10は、生育と二次代謝の個別制御が可能である。生育と二次代謝の個別制御は、追加光や追加緩和光の波長や光強度を変化させることにより可能である。 On the other hand, in the present embodiment, the stimulation given to plants is less than that of the prior art due to the superposition of flashing light (additional light) and slowly changing light (additional relaxation light). The plant cultivation method and plant cultivation apparatus 10 of this embodiment are capable of individually controlling growth and secondary metabolism. Individual control of growth and secondary metabolism is possible by changing the wavelength and light intensity of additional light and additional relaxation light.

なお、本実施形態は、本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。 Note that this embodiment is merely an example of the implementation of the present invention, and the technical scope of the present invention should not be interpreted to be limited thereby. That is, the present invention can be implemented in various forms without departing from its gist or main features.

以下、実施例によって本発明の実施形態を詳細に説明する。各実施例のような条件で追加光の照射を行うことにより、追加シグナル光により促進された光合成で生成したグルコースの一次代謝経路と二次代謝経路への分配を光制御し、さらに、各代謝反応内での代謝物質生産を制御できるようになる。より詳細には、追加シグナル光と追加緩和光により促進された光合成で生産されるグルコースの、一次代謝反応経路経と二次代謝反応経路の分配を追加シグナル光が引き起こすストレスにより制御し、さらに、各代謝反応経路内での代謝物質の生産比率を追加シグナル光が引き起こすストレスにより制御できるようになる。ただし、本発明は以下の記載によって限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to Examples. By irradiating additional light under the conditions described in each example, the distribution of glucose produced through photosynthesis promoted by the additional signal light to the primary metabolic pathway and secondary metabolic pathway can be optically controlled, and each metabolic It becomes possible to control metabolite production within a reaction. More specifically, the stress caused by the additional signal light controls the distribution of glucose produced through photosynthesis promoted by the additional signal light and additional relaxed light between the primary metabolic reaction pathway and the secondary metabolic reaction pathway, and further, The production ratio of metabolites within each metabolic reaction pathway can be controlled by stress induced by additional signal light. However, the present invention is not limited to the following description.

<実施例1>
実施例1では、レタスの生育に及ぼす追加光照射の影響を調べた。図8は、実施例1に係る条件を、破線で区切った4つの領域の図によって示している。図8における左上の図(領域)は、各種の光の照射期間等を示しており、右上の図(領域)は1日における各種の光の照射時間帯を示している。左下の図(領域)は、各種の光の特性を示しており、右下の図(領域)は、追加シグナル光の光子数の変化や追加緩和光の周期等を示している。
<Example 1>
In Example 1, the effect of additional light irradiation on the growth of lettuce was investigated. FIG. 8 shows the conditions according to Example 1 by a diagram of four regions separated by broken lines. The upper left diagram (region) in FIG. 8 shows the irradiation periods of various types of light, etc., and the upper right diagram (region) shows the irradiation time periods of various types of light in one day. The lower left diagram (region) shows the characteristics of various types of light, and the lower right diagram (region) shows changes in the number of photons of the additional signal light, the period of the additional relaxed light, etc.

最初に、水を含んでいるスポンジにレタスの種を撒き、暗所で3日保管したのち、主光を7日間(第1所定期間)照射して、苗を育てた。図8の左上の図の「主光」に係る矢印の左端に示されている「3」の数値は、暗所での3日間(第2所定期間)の保管を意味している。同じく図8の左上の図における横軸の「7」の数値は、この3日間の暗所での保管を経て、さらに7日間(合計で10日間(第2所定期間))が経過していることを意味している。次に、この苗を水耕栽培キットに定植し、28日間栽培した。栽培中、気温22℃、湿度40~50%に保持した。液肥には、ハイポネックス(登録商標:ハイポネックスジャパン社製液体肥料)を1000倍に希釈して使用した。 First, lettuce seeds were scattered on a sponge containing water, kept in a dark place for 3 days, and then exposed to main light for 7 days (first prescribed period) to grow seedlings. The numerical value "3" shown at the left end of the arrow related to "principal light" in the upper left diagram of FIG. 8 means storage for three days (second predetermined period) in a dark place. Similarly, the value "7" on the horizontal axis in the upper left diagram of Figure 8 indicates that another 7 days (10 days in total (second predetermined period)) have passed after the storage in the dark for the past 3 days. It means that. Next, the seedlings were planted in a hydroponic cultivation kit and cultivated for 28 days. During cultivation, the temperature was maintained at 22°C and the humidity was maintained at 40-50%. Hyponex (registered trademark: liquid fertilizer manufactured by Hyponex Japan Co., Ltd.) was diluted 1000 times and used as the liquid fertilizer.

レタスには、主光と2種類の追加光を照射した(図8における左上の図及び右上の図)。追加光は、追加シグナル光と追加緩和光を組み合わせた光である。
図8における右上の図に示すように、1日の24時間のうち、主光は0時から12時まで照射し、追加光は6時から18時まで照射した。それぞれの光のPPFD(μmol・m-2・s-1)は、図8における左下の図に示すように、主光が220、追加シグナル光が0.05、追加緩和光は0.05であった。
図8における左上の図に示すように、主光は播種後3日目から35日まで照射し、追加光は定植した7日目から35日目まで照射した。
The lettuce was irradiated with the main light and two types of additional light (upper left diagram and upper right diagram in FIG. 8). The additional light is a combination of additional signal light and additional relaxation light.
As shown in the upper right diagram in FIG. 8, the main light was irradiated from 0:00 to 12:00 during the 24 hours of the day, and the additional light was irradiated from 6:00 to 18:00. The PPFD (μmol・m -2・s -1 ) of each light is 220 for the main light, 0.05 for the additional signal light, and 0.05 for the additional relaxed light, as shown in the lower left diagram in Figure 8. there were.
As shown in the upper left diagram in FIG. 8, the main light was applied from the 3rd day to the 35th day after sowing, and the additional light was applied from the 7th day after planting to the 35th day.

以下では、主光のみで栽培した試験を、コントロール(以後、「CNT」と略す場合がある)と呼び、追加光を照射した試験を、比較試験と呼ぶ。 Hereinafter, a test in which cultivation was performed using only main light will be referred to as a control (hereinafter sometimes abbreviated as "CNT"), and a test in which additional light was irradiated will be referred to as a comparative test.

本実施例1では、以下の「1.」~「2.」の2種類の比較試験を行った(図8における左下の図)。
1.比較試験1 波長域が620nmから640nmの追加光を照射
2.比較試験2 波長域が710nmから1000nmの追加光を照射
In Example 1, the following two types of comparative tests "1." to "2." were conducted (bottom left diagram in FIG. 8).
1. Comparative test 1 Irradiation with additional light in the wavelength range from 620 nm to 640 nm 2. Comparison test 2 Irradiation of additional light with wavelength range from 710nm to 1000nm

上記の比較試験1~比較試験2では、追加シグナル光1と追加シグナル光2のパラメーターは以下の値に固定した(図8における右下の図)。
T=25μs 、ΔT1=2μs、ΔT2=2μs、ΔT3=4μs
ここで、T、ΔT1、ΔT2、及び、ΔT3図5について説明したのと同様の意味である。
追加シグナル光1と追加シグナル光2の周期は16.7msであった。
In Comparative Test 1 to Comparative Test 2 above, the parameters of additional signal light 1 and additional signal light 2 were fixed to the following values (lower right diagram in FIG. 8).
T=25μs, ΔT 1 =2μs, ΔT 2 =2μs, ΔT 3 =4μs
Here, T, ΔT 1 , ΔT 2 , and ΔT 3 have the same meanings as explained in connection with FIG. 5 .
The period of additional signal light 1 and additional signal light 2 was 16.7 ms.

播種から35日目に収穫して、根を除いた部分の収穫湿重量を計測し、湿重量比を以下の(1)式により算出した。湿重量は10株の平均値から求めた。

[収穫湿重量比]=試験区の収穫湿重量/コントロール(CNT)の収穫湿重量 (1)

レタスの収穫湿重量1gあたりに含まれるアスコルビン酸(ビタミンC)とグルタミン酸の重量を高速液体クロマトグラフィー装置(以後、HPLC装置)で定量分析した。アスコルビン酸比(重量比)を(2)式により算出した。

[アスコルビン酸重量比]=試験区のアスコルビン酸重量/コントロール(CNT)の湿アスコルビン酸重量 (2)
レタスに含まれるアスコルビン酸の総重量比は以下の(3)式により算出した。

[アスコルビン酸総重量比]=[収穫湿重量比]×[アスコルビン酸重量比] (3)

グルタミン酸比(重量比)を(4)式により算出した。

[グルタミン酸重量比]=試験区のグルタミン酸重量/コントロール(CNT)の湿グルタミン酸重量 (4)
レタスに含まれるグルタミン酸の総重量比は以下の(5)式により算出した。

[グルタミン酸総重量比]=[収穫湿重量比]×[グルタミン酸重量比] (5)
The plants were harvested on the 35th day after sowing, the harvested wet weight of the portion excluding roots was measured, and the wet weight ratio was calculated using the following formula (1). Wet weight was determined from the average value of 10 plants.

[Harvest wet weight ratio] = Harvested wet weight of test plot/harvested wet weight of control (CNT) (1)

The weight of ascorbic acid (vitamin C) and glutamic acid contained in 1 g of harvested wet weight of lettuce was quantitatively analyzed using a high performance liquid chromatography device (hereinafter referred to as HPLC device). The ascorbic acid ratio (weight ratio) was calculated using equation (2).

[Ascorbic acid weight ratio] = Ascorbic acid weight of test plot/wet ascorbic acid weight of control (CNT) (2)
The total weight ratio of ascorbic acid contained in lettuce was calculated using the following equation (3).

[Ascorbic acid total weight ratio] = [Harvest wet weight ratio] x [Ascorbic acid weight ratio] (3)

The glutamic acid ratio (weight ratio) was calculated using equation (4).

[Glutamic acid weight ratio] = Glutamic acid weight of test plot/Wet glutamic acid weight of control (CNT) (4)
The total weight ratio of glutamic acid contained in lettuce was calculated using the following formula (5).

[Glutamic acid total weight ratio] = [Harvest wet weight ratio] x [Glutamic acid weight ratio] (5)

表2に、各比較試験における、収穫湿重量比、アスコルビン酸重量比、及び、アスコルビン酸総重量比の計算結果を示す。
Table 2 shows the calculation results of the harvest wet weight ratio, ascorbic acid weight ratio, and total ascorbic acid weight ratio in each comparative test.

本実施例1によれば、コントロール(CNT)との比率を表す「収穫湿重量比」と「アスコルビン酸総重量比」と「グルタミン酸総重量比」の結果から、追加光の照射(追加光照射)には、レタスの収穫湿重量を増やす効果がある。さらに、二次代謝で合成されるアスコルビン酸と、一次代謝で合成されるグルタミン酸の生産を促進させる効果がある。さらに、比較試験1と比較試験2の結果から、追加光はアスコルビン酸とグルタミン酸の合成を促進させる効果がある。さらに、比較試験1と比較試験2の結果から、波長が620nmから640nmの追加光照射にはグルタミン酸の合成促進に高い効果があり、波長が710nmから1000nmの追加光照射にはアスコルビン酸の合成促進に高い効果がある。 According to Example 1, additional light irradiation (additional light irradiation ) has the effect of increasing the harvested wet weight of lettuce. Furthermore, it has the effect of promoting the production of ascorbic acid, which is synthesized through secondary metabolism, and glutamic acid, which is synthesized through primary metabolism. Furthermore, from the results of Comparative Test 1 and Comparative Test 2, additional light has the effect of promoting the synthesis of ascorbic acid and glutamic acid. Furthermore, from the results of Comparative Test 1 and Comparative Test 2, additional light irradiation with a wavelength of 620 nm to 640 nm is highly effective in promoting the synthesis of glutamic acid, and additional light irradiation with a wavelength of 710 nm to 1000 nm promotes the synthesis of ascorbic acid. is highly effective.

<実施例2>
ニンニクの新芽の生育と二次代謝物質であるアリルシステイン(図4には「s-アリルシステイン」として示されている)合成に及ぼす追加光照射の影響を調べた。図9は、実施例2に係る条件を、破線で区切った4つの領域の図によって示している。図9における左上の図(領域)は、各種の光の照射期間等を示しており、右上の図(領域)は1日における各種の光の照射時間帯を示している。左下の図(領域)は、各種の光の特性を示しており、右下の図(領域)は、追加シグナル光の光子数の変化や追加緩和光の周期等を示している。
<Example 2>
The effect of additional light irradiation on the growth of garlic shoots and the synthesis of the secondary metabolite allylcysteine (indicated as "s-allylcysteine" in Figure 4) was investigated. FIG. 9 shows the conditions according to the second embodiment by a diagram of four regions separated by broken lines. The upper left diagram (region) in FIG. 9 shows the irradiation periods of various types of light, etc., and the upper right diagram (region) shows the irradiation time periods of various lights in one day. The lower left diagram (region) shows the characteristics of various types of light, and the lower right diagram (region) shows changes in the number of photons of the additional signal light, the period of the additional relaxed light, etc.

最初に、ニンニク球根を温度4℃で1日保管し、次に温度20℃で24時間保管した。次に、水分を含んだロックウールの上に、ニンニク球根、ニンニク球根1個分の間隔をあけて置いた。 First, the garlic bulbs were stored at a temperature of 4°C for 1 day, and then at a temperature of 20°C for 24 hours. Next, the garlic bulbs were placed on top of the moist rock wool with an interval the length of one garlic bulb apart.

ニンニク球根には、主光1、追加光1、主光2を照射した(図9における左上の図及び右上の図)。追加光は、追加シグナル光と追加緩和光を組み合わせた光である。
図9における右上の図に示すように、1日の24時間のうち、主光1は0時から12時まで、追加光1と追加光2は6時から20時まで、主光2は12時から24時まで照射した。それぞれの光のPPFD(μmol・m-2・s-1)は、図9における左下の図に示すように、主光1が160、追加シグナル光が0.1、追加緩和光が3.0、主光2が160であった。
図9における左上の図に示すように、主光1は栽培1日目から6日目まで照射し、追加光は栽培1日目から6日目まで照射した。主光2は栽培6日目の主光1が消灯した直後から12時間照射した。
Garlic bulbs were irradiated with main light 1, additional light 1, and main light 2 (upper left diagram and upper right diagram in FIG. 9). The additional light is a combination of additional signal light and additional relaxation light.
As shown in the upper right diagram in FIG. 9, during the 24 hours of the day, main light 1 is from 0:00 to 12:00, additional light 1 and additional light 2 are from 6:00 to 20:00, and main light 2 is from 12:00. It was irradiated from 1:00 to 24:00. The PPFD (μmol·m -2 ·s -1 ) of each light is 160 for principal light 1, 0.1 for additional signal light, and 3.0 for additional relaxed light, as shown in the lower left diagram in Figure 9. , the main light 2 was 160.
As shown in the upper left diagram in FIG. 9, main light 1 was applied from the first day to the sixth day of cultivation, and additional light was applied from the first day to the sixth day of cultivation. Main light 2 was applied for 12 hours immediately after main light 1 was turned off on the 6th day of cultivation.

以下では、主光1のみで栽培した試験を、コントロール(以後、「CNT」と略す場合がある)と呼び、追加光と主光2を照射した試験を、比較試験と呼ぶ。
主光1と主光2の波長域は400nmから750nmである。
Hereinafter, a test in which cultivation was performed using only main light 1 will be referred to as a control (hereinafter sometimes abbreviated as "CNT"), and a test in which cultivation was performed using additional light and main light 2 will be referred to as a comparative test.
The wavelength range of principal light 1 and principal light 2 is from 400 nm to 750 nm.

本実施例2では、以下の「1.」~「2.」の2種類の比較試験を行った(図9における左下の図)。
1.比較試験1 波長域が600nmから660nmの追加光1を照射
2.比較試験2 追加光と主光2を照射
In Example 2, the following two types of comparative tests "1." to "2." were conducted (bottom left diagram in FIG. 9).
1. Comparative test 1 Irradiation of additional light 1 with a wavelength range of 600 nm to 660 nm 2. Comparison test 2 Irradiation with additional light and main light 2

上記の比較試験1と比較試験2では、追加シグナル光のパラメーターは以下の値に固定した(図9における右下の図)。
T=30μs 、ΔT1=2μs、ΔT2=10μs、ΔT3=4μs
ここで、T、ΔT1、ΔT2、及び、ΔT3図5について説明したのと同様の意味である。
In Comparative Test 1 and Comparative Test 2 described above, the parameters of the additional signal light were fixed to the following values (lower right diagram in FIG. 9).
T=30μs, ΔT 1 =2μs, ΔT 2 =10μs, ΔT 3 =4μs
Here, T, ΔT 1, ΔT 2, and ΔT 3 have the same meanings as explained in connection with FIG. 5.

上記の比較試験1と比較試験2では、追加緩和光の強度変化の基本周期は16.7msであった。 In Comparative Test 1 and Comparative Test 2 described above, the basic cycle of the intensity change of the additional relaxation light was 16.7 ms.

コントロールと比較試験1は、栽培6日目の14時に新芽のみを球根から切り取った(収穫した)。比較試験2は、栽培6日目の14時に新芽のみを球根から切り取り(収穫し
)、湿度65%に保持されている透明容器に入れ、主光2を照射した。
In control and comparative test 1, only the new shoots were cut (harvested) from the bulbs at 2:00 pm on the 6th day of cultivation. In Comparative Test 2, only the new shoots were cut (harvested) from the bulbs at 14:00 on the 6th day of cultivation, placed in a transparent container maintained at a humidity of 65%, and irradiated with Principal Light 2.

ニンニク球根から切り取った新芽のみの収穫湿重量を計測し、湿重量比を以下の(6)式により算出した。湿重量は20株の平均値から求めた。

[収穫湿重量比]=試験区の収穫湿重量/コントロール(CNT)の収穫湿重量 (6)

ニンニク新芽に含まれているアリルシステイン重量を高速液体クロマトグラフィー装置(以後、HPLC装置)で定量分析した。アリルシステイン比を(7)式により算出した。

[アスコルビン酸重量比]=試験区のアスコルビン酸重量/コントロール(CNT)の湿アスコルビン酸重量 (7)

ニンニク新芽に含まれるアリルシステインの総重量比は以下の(8)式により算出した。

[アリルシステイン総重量比]=[収穫湿重量比]×[アリルシステイン重量比](8)
The harvested wet weight of only the new shoots cut from the garlic bulb was measured, and the wet weight ratio was calculated using the following equation (6). Wet weight was determined from the average value of 20 plants.

[Harvest wet weight ratio] = Harvested wet weight of test plot/harvested wet weight of control (CNT) (6)

The weight of allylcysteine contained in garlic sprouts was quantitatively analyzed using a high performance liquid chromatography device (hereinafter referred to as an HPLC device). The allylcysteine ratio was calculated using equation (7).

[Ascorbic acid weight ratio] = Ascorbic acid weight of test plot/wet ascorbic acid weight of control (CNT) (7)

The total weight ratio of allylcysteine contained in garlic sprouts was calculated using the following formula (8).

[Allylcysteine total weight ratio] = [Harvested wet weight ratio] x [allylcysteine weight ratio] (8)

表3に、各比較試験における、収穫湿重量比、アリルシステイン酸重量比、及び、アリルシステイン総重量比の計算結果を示す。
Table 3 shows the calculation results of the harvest wet weight ratio, allyl cysteic acid weight ratio, and allyl cysteine total weight ratio in each comparative test.

本実施例2によれば、コントロール(CNT)との比率を表す「収穫湿重量比」と「アリルシステイン重量比」の結果から、追加光の照射(追加光照射)には、ニンニク新芽の収穫湿重量と、二次代謝成分であるアリルシステインを増加させる効果がある。さらに、比較試験1と比較試験2の結果から、主光2の光照射には、比較試験1と比べて、収穫湿重量の増加効果はないが、アリルシステインを増加させる効果がある。 According to this Example 2, from the results of "harvest wet weight ratio" and "allylcysteine weight ratio" which represent the ratio with control (CNT), additional light irradiation (additional light irradiation) requires harvesting of garlic sprouts. It has the effect of increasing wet weight and allylcysteine, a secondary metabolic component. Furthermore, from the results of Comparative Test 1 and Comparative Test 2, the light irradiation of Principal Light 2 does not have the effect of increasing harvested wet weight compared to Comparative Test 1, but has the effect of increasing allylcysteine.

<実施例3>
実施例3では、オリーブの生葉に含まれるポリフェノールに及ぼすポストハーベスト光照射の影響を調べた。図10は、実施例3に係る条件を、破線で区切った2つの領域の図によって示している。図10における上段の図(領域)は、主光の種類を示しており、下段の図(領域)は試験方法を示している。
<Example 3>
In Example 3, the influence of post-harvest light irradiation on polyphenols contained in fresh olive leaves was investigated. FIG. 10 shows the conditions according to the third embodiment by a diagram of two regions separated by a broken line. The upper diagram (region) in FIG. 10 shows the type of principal light, and the lower diagram (region) shows the test method.

オリーブは畑で栽培した。主光1は太陽光である。晴天の日の正午(以降)に、オリーブの葉を刈り取りとった(収穫した)。オリーブの生葉200gを用いて、以下の試験を実施した。 Olives were grown in the field. Principal light 1 is sunlight. The olive leaves were cut (harvested) at noon (afterwards) on a sunny day. The following test was conducted using 200 g of fresh olive leaves.

図10の下段の図に示すように、以下では、刈り取った(収穫した)直後のオリーブの生葉のポリフェノール定量試験を、コントロール(以後、「CNT」と略す場合がある)と呼び、刈り取った(収穫した)オリーブ生葉を24時間後にポリフェノール定量に主光を照射する試験を比較試験と呼ぶ。 As shown in the lower diagram of Figure 10, below, the polyphenol quantitative test of fresh olive leaves immediately after cutting (harvesting) is referred to as control (hereinafter sometimes abbreviated as "CNT"), A test in which fresh olive leaves (harvested) are irradiated with main light to quantify polyphenols after 24 hours is called a comparative test.

本実施例3では、以下の「1.」~「3.」の3種類の比較試験(比較試験1~3)を行った。
1.比較試験1 暗所に24時間静置
2.比較試験2 波長域が380nmから770nmで、PPFD(μmol・m-2・s-1)が230の主光2を12時間(第1所定期間)照射、暗所で12時間(第2所定期間)静置
3.比較試験3 波長域が380nmから770nmで、PPFD(μmol・m-2・s-1)が230の主光2を24時間照射
In Example 3, three types of comparative tests (Comparative Tests 1 to 3) were conducted: "1." to "3." below.
1. Comparative test 1: Leave in the dark for 24 hours 2. Comparison test 2 Irradiated with main light 2 with wavelength range from 380 nm to 770 nm and PPFD (μmol・m -2・s -1 ) of 230 for 12 hours (first predetermined period), 12 hours in a dark place (second predetermined period) )Stand still 3. Comparative test 3 Main light 2 with wavelength range from 380 nm to 770 nm and PPFD (μmol・m -2・s -1 ) of 230 is irradiated for 24 hours

比較試験2、3については、刈り取られた(収穫された)オリーブの葉を、湿度65%の容器に入れた。その後、白色LED(波長域が380nmから770nm)の光(主光)の照射を行い、暗所での保管(比較試験2では12時間、比較試験3では24時間)を行った。 For Comparative Tests 2 and 3, the cut (harvested) olive leaves were placed in a container with a humidity of 65%. Thereafter, it was irradiated with light (principal light) from a white LED (wavelength range from 380 nm to 770 nm) and stored in a dark place (12 hours in Comparative Test 2 and 24 hours in Comparative Test 3).

オリーブの生葉に含まれる総ポリフェノール量を吸光度計測により定量した。総ポリフェノール重量比は以下の(1)式により算出した。

[総ポリフェノール重量比]=試験区の総ポリフェノール重量/コントロール(CNT)の総ポリフェノール重量 (1)
The total amount of polyphenols contained in fresh olive leaves was quantified by absorbance measurement. The total polyphenol weight ratio was calculated using the following formula (1).

[Total polyphenol weight ratio] = total polyphenol weight of test plot/total polyphenol weight of control (CNT) (1)

表4に、各比較試験における、総ポリフェノール重量比の計算結果を示す。
Table 4 shows the calculation results of the total polyphenol weight ratio in each comparative test.

本実施例3によれば、コントロール(CNT)との比率を表す「総ポリフェノール重量比」の結果から、収穫直後の主光の照射は、オリーブの生葉に含まれる総ポリフェノール重量を増加させる効果がある。比較試験2の結果より、主光2の照射終了後に暗所で静置すると、総ポリフェノール重量を増加させる効果が大きい。 According to Example 3, from the results of the "total polyphenol weight ratio" representing the ratio with the control (CNT), irradiation with main light immediately after harvest has the effect of increasing the total polyphenol weight contained in fresh olive leaves. be. From the results of Comparative Test 2, the effect of increasing the total polyphenol weight is large when the sample is left standing in a dark place after the irradiation with Main Light 2 is completed.

<各植物の光補償点>
レタスの光補償点の値は、20~30(μmol・m-2・s-1)である。大麦の光補償点についての具体的なデータは取得していないが、イネが7~15(μmol・m-2・s-1)であるので、大麦も7~15(μmol・m-2・s-1)と推察できる。オリーブについても、具体的なデータは取得していないが、お茶の光補償点は文献(植物環境工学 (J.SHITA)24(1):16-24. 2012. 、”低光量条件下における光質の違いが幼茶樹の光合成および窒素吸収同化能に及ぼす影響“、鈴木利和ほか)に、光補償点は30~50(μmol・m-2・s-1)であり、光飽和点は500~850(μmol・m-2・s-1)であることが記載されている。したがって、オリーブの光補償点も、30~50(μmol・m-2・s-1)の範囲と推察できる。
<Light compensation point of each plant>
The value of the light compensation point of lettuce is 20 to 30 (μmol·m −2 ·s −1 ). Although we have not obtained specific data on the light compensation point of barley, it is 7 to 15 (μmol·m -2·s -1 ) for rice, so barley is also 7 to 15 (μmol·m -2 ·s -1 ). s -1 ). Regarding olives, we have not obtained specific data, but the light compensation point for tea is based on the literature (Plant Environmental Engineering (J.SHITA) 24(1):16-24. 2012. ``Light under low light conditions''). The effect of differences in quality on the photosynthesis and nitrogen absorption and assimilation abilities of young tea plants (Toshikazu Suzuki et al.) shows that the light compensation point is 30 to 50 (μmol・m -2・s -1 ), and the light saturation point is 500. ~850 (μmol·m −2 ·s −1 ). Therefore, it can be inferred that the optical compensation point of the olive is also in the range of 30 to 50 (μmol·m −2 ·s −1 ).

<実施形態及び実施例から抽出可能な発明>
(1)播種から収穫までの栽培期間の少なくとも一部で、光合成のための主光(太陽光、人工光など)と、前記主光による植物の光合成を促進する追加光の照射とを行い、前記追加光は、光強度が周期的に変動する追加シグナル光と、光強度が前記追加光よりも緩やかに変化する追加緩和光とを含み、前記追加シグナル光の波長(500~2000nmなど)が、植物内の赤色光受容体(Pr型フィトクロム、Pfr型フィトクロムなど)の光吸収波長帯(600nm以上の波長帯など)を含む植物栽培方法。
(2)植物の葉又は芽を、根や枝、もしくは、茎から切り離し、前記葉又は前記芽のみに前記主光を一定の時間(第1所定期間など)照射し、その後、暗所において一定の時間(第2所定期間など)保持する上記(1)に記載の植物栽培方法。
(3)植物の光合成のための主光(太陽光、人工光など)が照射される植物栽培装置(植物栽培装置10など)であって、
前記主光による植物の光合成を促進する追加光の照射を行う追加光光源(追加光光源22など)と、
前記追加光光源を駆動制御することが可能な照射光制御部(照射光制御部16など)とを備え、
前記追加光光源が、
光強度が周期的に変動する追加シグナル光を照射する追加シグナル光光源(追加シグナル光光源24など)と、
光強度が前記追加光よりも緩やかに変化する追加緩和光を照射する追加緩和光光源(追加緩和光光源26など)と、を備え、
前記追加緩和光を前記追加シグナル光とともに照射し、
前記追加シグナル光の波長(500~2000nmなど)が、植物内の赤色光受容体(Pr型フィトクロム、Pfr型フィトクロムなど)の光吸収波長帯(600nm以上の波長帯など)を含む植物栽培装置。
<Inventions that can be extracted from the embodiments and examples>
(1) During at least part of the cultivation period from sowing to harvest, irradiation of main light for photosynthesis (sunlight, artificial light, etc.) and additional light to promote photosynthesis of plants by the main light, The additional light includes additional signal light whose light intensity changes periodically and additional relaxed light whose light intensity changes more slowly than the additional light, and the wavelength of the additional signal light (such as 500 to 2000 nm) is , a plant cultivation method that includes the light absorption wavelength band (wavelength band of 600 nm or more, etc.) of red photoreceptors (Pr-type phytochrome, Pfr-type phytochrome, etc.) in plants.
(2) Separate the leaves or buds of the plant from the roots, branches, or stems, irradiate only the leaves or buds with the main light for a certain period of time (such as a first predetermined period), and then keep the leaves or buds in a dark place for a certain period of time. The method for cultivating plants according to (1) above, wherein the plant cultivation method is maintained for a period of time (such as a second predetermined period).
(3) A plant cultivation device (plant cultivation device 10, etc.) that is irradiated with main light (sunlight, artificial light, etc.) for photosynthesis of plants,
an additional light source (such as the additional light source 22) that irradiates additional light that promotes photosynthesis of plants by the main light;
comprising an irradiation light control unit (e.g. irradiation light control unit 16) capable of driving and controlling the additional light source,
The additional light source is
an additional signal light source (such as the additional signal light source 24) that emits additional signal light whose light intensity periodically fluctuates;
an additional relaxation light source (such as the additional relaxation light source 26) that irradiates additional relaxation light whose light intensity changes more slowly than the additional light;
irradiating the additional relaxation light together with the additional signal light;
A plant cultivation device in which the wavelength of the additional signal light (500 to 2000 nm, etc.) includes a light absorption wavelength band (600 nm or more wavelength band, etc.) of red photoreceptors (Pr type phytochrome, Pfr type phytochrome, etc.) in the plant.

本願発明の植物栽培方法は、露地栽培、ハウス栽培、植物工場栽培に有効である。光合成を行っているあらゆる植物に対して成長促進効果があるので、レタスや、紫蘇、バジル等の葉物、イチゴ等の果樹類、稲や小麦等の穀物、ワカメ等の海藻類、ヒトエグサやユーグレナ等の緑藻類、等の生産効率向上や生産コスト低減に利用できる。 The plant cultivation method of the present invention is effective for outdoor cultivation, greenhouse cultivation, and plant factory cultivation. It has a growth-promoting effect on all plants that perform photosynthesis, so lettuce, leaves such as perilla and basil, fruit trees such as strawberries, grains such as rice and wheat, seaweed such as wakame, human extract and euglena. It can be used to improve production efficiency and reduce production costs of green algae, etc.

10 :植物栽培装置
12 :栽培床
14 :光照射部
16 :照射光制御部
18 :保護部材
20 :主光光源
22 :追加光光源
24 :追加光光源
26 :追加緩和光光源
10: Plant cultivation device 12: Cultivation bed 14: Light irradiation unit 16: Irradiation light control unit 18: Protective member 20: Main light source 22: Additional light source 24: Additional light source 26: Additional relaxing light source

Claims (3)

播種から収穫までの栽培期間の少なくとも一部で、光合成のための主光と、前記主光による植物の光合成を促進する追加光の照射とを行い、前記追加光は、光強度が周期的に変動する追加シグナル光と、光強度が前記追加光よりも緩やかに変化する追加緩和光とを含み、前記追加シグナル光の波長が、植物内の赤色光受容体の光吸収波長帯を含む植物栽培方法。 During at least part of the cultivation period from sowing to harvest, main light for photosynthesis and additional light for promoting photosynthesis of the plants by the main light are irradiated, and the additional light has a light intensity that is periodically Plant cultivation comprising additional signal light that fluctuates and additional relaxation light whose light intensity changes more slowly than the additional light, and the wavelength of the additional signal light includes a light absorption wavelength band of red photoreceptors in the plant. Method. 植物の葉又は芽を、根や枝、もしくは、茎から切り離し、前記葉又は前記芽のみに前記主光を一定の時間照射し、その後、暗所において一定の時間保持する請求項1に記載の植物栽培方法。 2. The method according to claim 1, wherein leaves or buds of the plant are separated from roots, branches, or stems, only the leaves or buds are irradiated with the main light for a certain period of time, and then kept in a dark place for a certain period of time. Plant cultivation methods. 植物の光合成のための主光が照射される植物栽培装置であって、
前記主光による植物の光合成を促進する追加光の照射を行う追加光光源と、
前記追加光光源を駆動制御することが可能な照射光制御部とを備え、
前記追加光光源が、
光強度が周期的に変動する追加シグナル光を照射する追加シグナル光光源と、
光強度が前記追加光よりも緩やかに変化する追加緩和光を照射する追加緩和光光源と、を備え、
前記追加緩和光を前記追加シグナル光とともに照射し、
前記追加シグナル光の波長が、植物内の赤色光受容体の光吸収波長帯を含む植物栽培装置。
A plant cultivation device that is irradiated with main light for photosynthesis of plants,
an additional light source that irradiates additional light that promotes photosynthesis of plants by the main light;
and an irradiation light control unit capable of driving and controlling the additional light source,
The additional light source is
an additional signal light source that emits additional signal light whose light intensity periodically fluctuates;
an additional relaxation light source that emits additional relaxation light whose light intensity changes more slowly than the additional light;
irradiating the additional relaxation light together with the additional signal light;
A plant cultivation device in which the wavelength of the additional signal light includes a light absorption wavelength band of a red photoreceptor within the plant.
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