JP6244574B2

JP6244574B2 - 連続光障害を発生する植物に対する植物栽培方法及び植物栽培装置

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Publication number: JP6244574B2
Application number: JP2014046986A
Authority: JP
Inventors: 弘爾後藤; 勝徳田村
Original assignee: Okayama Prefectural Government
Current assignee: Okayama Prefectural Government
Priority date: 2014-03-10
Filing date: 2014-03-10
Publication date: 2017-12-13
Anticipated expiration: 2034-03-10
Also published as: JP2015167544A

Description

本発明は、連続光障害を発生する植物に対する植物栽培方法及び植物栽培装置に関する。

連続光栽培により、植物の成長促進、新鮮重の増大、果実成熟の促進、糖度の増大等の効果が得られることが知られているが、連続光を与え続けることにより、連続光障害と呼ばれる生理障害が発生する植物が知られている。ここで、連続光障害とは、生育不良(重量低下)だけでなく、デンプンの過剰蓄積、葉の黄変（クロロシス）、細胞死（ネクロシス）、活性酸素種の発生、光合成速度の低下等の生理障害のことをいう。

特許文献１には、人工的に制御された明暗サイクル下で栽培光を照射して植物を栽培するための栽培光制御方法であって、前記明暗サイクルは、栽培光が照射される明期と、当該明期における光量よりも少ない光量が照射されるか又は光量のない時期を有し、前記明暗サイクルの周期は、前記植物が有する固有のフリーラン周期と異なる周期であり、前記時期が光合成活性の低い時間帯に設定されるか又は前記明期が光合成活性の高い時間帯に設定された栽培光制御方法について記載されている。これによれば、光合成活性の低い時間帯に時期が設定されることにより、同じ照射時間で栽培した場合に比べて光合成の総量が増大し、これによって出荷可能な大きさになるまでの栽培期間が短くなり、投下エネルギー当たりのコストパフォーマンスをあげることができるとされている。

一方、特許文献２には、植物を収容する栽培用の容器と、前記容器に設けられた複数の発光ダイオード素子からなる光源とを備え、栽培する植物の種類及び栽培時期に応じて前記光源の光照射時間を変化させる植物栽培装置が記載されている。これによれば、園芸植物をその鑑賞的価値を損なうことなく、かつ設置場所を選ばずに簡単に栽培することができるとされている。

しかしながら、特許文献１及び２のいずれにも、連続光障害を発生する植物に対して主光源として白色光源による連続光を照射しながら、該主光源とは別の補助光源を照射することによって概日リズムを与えることについての記載はなく、植物栽培方法の更なる改善が望まれていた。

ＷＯ２０１２／１０２３７２特開平１０−１７８８９９号公報

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、連続光障害を発生する植物に対して連続光を与え続けても、連続光障害を発生することなく、生産量を増大させることの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目的とするものである。

上記課題は、連続光障害を発生する植物に対して２４時間を１周期とする概日リズムを与える植物栽培方法であって、前記概日リズムが、前記植物に対して主光源による連続光を２４時間照射しながら更に青色光源からなる補助光源による光を１〜２３時間連続照射し、その後前記補助光源による光を照射しないものであることを特徴とする植物栽培方法を提供することによって解決される。

このとき、前記補助光源による光が、４００〜４９０ｎｍの範囲に発光ピーク波長を有する光であることが好適である。

また、上記課題は、前記植物栽培方法に用いられる植物栽培装置であって、連続光障害を発生する植物に対して連続光を照射する主光源と、２４時間を１周期として、１〜２３時間連続照射しその後照射しないように制御された青色光源からなる補助光源とを備えたことを特徴とする植物栽培装置を提供することによっても解決される。

本発明により、連続光障害を発生する植物に対して連続光を与え続けても、連続光障害を発生することなく、生産量を増大させることのできる植物栽培方法及び植物栽培装置が提供される。

栽培日数（週）とトマトの地上部生重量との関係を示したグラフである。実施例１で得られたトマトの写真である（スケールバー：５０ｍｍ）。比較例１で得られたトマトの写真である（スケールバー：５０ｍｍ）。実施例１と比較例１における葉内デンプンの蓄積を示した写真である。実施例２と比較例１における葉内デンプンの蓄積を示した写真である。実施例１と比較例１における活性酸素種の蓄積を示した写真である。活性酸素量の定量結果を示したグラフである。比較例２で得られたトマトの写真である（スケールバー：５０ｍｍ）。比較例３で得られたトマトの写真である（スケールバー：５０ｍｍ）。実施例３と比較例４における西洋ホウレンソウの写真、及び葉内デンプンの蓄積を示した写真である。

本発明は、連続光障害を発生する植物に対して２４時間を１周期とする概日リズムを与える植物栽培方法であって、前記概日リズムが、前記植物に対して主光源による連続光を２４時間照射しながら更に青色光源からなる補助光源による光を１〜２３時間連続照射し、その後前記補助光源による光を照射しないものであることを特徴とする植物栽培方法である。本発明の植物栽培方法ように、連続光障害を発生する植物に対して２４時間を１周期とする概日リズムを与えることにより、連続光障害を緩和することが可能となった。すなわち、連続光障害を発生する植物に対して主光源による連続光を２４時間照射しながら更に青色光源からなる補助光源による光を１〜２３時間連続照射し、その後前記補助光源による光を照射しないサイクルを１周期とすることにより、連続光を与え続けても連続光障害を発生することなく、生産量を増大させることが可能となった。後述する実施例と比較例との対比から明らかなように、主光源として白色光源による連続光のみを２４時間照射した場合には、生育不良が観察されるとともに、葉内デンプンの蓄積及び活性酸素種の蓄積が観察された。これに対し、主光源として白色光源による連続光を２４時間照射しながら更に青色光源からなる補助光源による光を１〜２３時間連続照射し、その後前記補助光源による光を照射しないサイクルを１周期とする概日リズムを与えた場合、生産量が増大するとともに、葉内デンプンの蓄積及び活性酸素種の蓄積は観察されなかった。したがって、連続光障害を発生する植物に対して上記概日リズムを与える構成を採用する意義が大きい。

本発明の植物栽培方法に用いられる連続光障害を発生する植物としては特に限定されず、トマト、ナス、ジャガイモ、タバコ等のナス科植物；カボチャ、キュウリ、メロン等のウリ科植物；ホウレンソウ、テーブルビート等のアカザ科植物；キャベツ、ナタネ、カリフラワー、ブロッコリー等のアブラナ科植物；タマネギ、アスパラガス等のユリ科植物；サツマイモ、アサガオ等のヒルガオ科植物；リンゴ、オウトウ、イチゴ、モモ等のバラ科植物；バジル、コリウス等のシソ科；ソバ等のタデ科植物；ネギ等のネギ科；インゲンマメ、ダイズ等のマメ科植物；オオムギ、イネ等のイネ科植物；ゴマ等のゴマ科植物などが挙げられる。中でも、本発明の植物栽培方法は、ナス科植物、ウリ科植物、アカザ科植物に対して好適に使用される。

本発明で用いられる主光源としては特に限定されず、１つの光源であってもよいし、２種類以上の光源を組み合わせて使用してもよい。例えば、太陽光と人工光源とを組み合わせて使用しても構わない。主光源としては、太陽光、蛍光灯、メタハラなどを光源とする植物生育光を広く用いることができ、４００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲の植物の生育に有効な光質バランスを持つ光であれば特に限定されないが、白色光源であることが好ましく、中でも、白色蛍光灯及び／又は白色ＬＥＤが好適に使用される。本発明において、主光源による連続光の光量子束密度としては特に限定されないが、主光源として白色光源を用いる場合、５０〜５００μｍｏｌ・ｍ^−２・ｓ^−１の範囲にあることが好ましい。白色光源による連続光の光量子束密度が５０μｍｏｌ・ｍ^−２・ｓ^−１未満の場合、植物の生育が悪くなるおそれがあり、７０μｍｏｌ・ｍ^−２・ｓ^−１以上であることがより好ましい。一方、白色光源による連続光の光量子束密度が５００μｍｏｌ・ｍ^−２・ｓ^−１を超える場合、植物の生育が悪くなるおそれがあり、３００μｍｏｌ・ｍ^−２・ｓ^−１以下であることがより好ましい。

本発明の植物栽培方法は、連続光障害を発生する植物に対して主光源による連続光を２４時間照射しながら更に青色光源からなる補助光源による光を１〜２３時間連続照射し、その後前記補助光源による光を照射しないといった概日リズムを与えることを特徴とする。本発明で用いられる青色光源からなる補助光源としては特に限定されない。補助光源による光が、４００〜４９０ｎｍの範囲に発光ピーク波長を有する光であることが好ましい。青色光源としては、青色ＬＥＤが好適に使用される。後述する実施例と比較例との対比から分かるように、青色光源の代わりに赤色光源（６００〜７００ｎｍの範囲に発光ピーク波長を有する光）や近赤外光源（７１０〜７５０ｎｍの範囲に発光ピーク波長を有する光）を使用すると、連続光障害を緩和することができなかった。したがって、本発明のように、青色光源からなる補助光源による光を用いて概日リズムを与えることが重要であることが分かる。

本発明における概日リズムは、２４時間を１周期として、連続光障害を発生する植物に対して主光源による連続光を２４時間照射しながら更に青色光源からなる補助光源による光を１〜２３時間連続照射し、その後前記補助光源による光を照射しないものである。このような概日リズムを与えることにより、連続光障害を緩和することが可能となった。青色光源からなる補助光源による光を１〜２３時間連続照射し、その後前記補助光源による光を照射しない概日リズムとは、例えば、青色光源からなる補助光源による光を１６時間連続照射した場合には、２４時間から１６時間の照射時間を引いた残りの８時間は前記補助光源による光を照射しないサイクルを１周期とするものである。ここで、本発明者は、連続光障害を発生する植物に対して主光源として白色光源による連続光を２４時間照射しながら、青色光源からなる補助光源による光を８時間照射し、その後前記補助光源による光を８時間照射せず、再度前記補助光源による光を８時間照射するといったサイクルで青色光源による光を照射すると、連続光障害の緩和が困難であることを確認している。したがって、青色光源からなる補助光源による光を一定時間連続照射した後は、再度前記補助光源による光を照射することなく、残りの時間は前記補助光源による光を照射しないサイクルを１周期とすることが重要である。

本発明において、青色光源からなる補助光源による光の連続照射時間が１時間未満の場合、植物に概日リズムを与えることが困難となり、２時間以上であることが好ましく、４時間以上であることがより好ましく、６時間以上であることが更に好ましい。一方、青色光源からなる補助光源による光の連続照射時間が２３時間を超える場合、植物に概日リズムを与えることが困難となり、２２時間以下であることが好ましく、２０時間以下であることがより好ましく、１８時間以下であることが更に好ましい。

本発明において、青色光源からなる補助光源による光の光量子束密度としては特に限定されないが、１〜１００μｍｏｌ・ｍ^−２・ｓ^−１の範囲にあることが好ましい。青色光源からなる補助光源による光の光量子束密度が１μｍｏｌ・ｍ^−２・ｓ^−１未満の場合、概日リズムを与えることが困難となるおそれがあり、５μｍｏｌ・ｍ^−２・ｓ^−１以上であることがより好ましい。一方、青色光源からなる補助光源による光の光量子束密度が１００μｍｏｌ・ｍ^−２・ｓ^−１を超える場合にも特段の問題はないが、栽培における費用対効果の観点から８０μｍｏｌ・ｍ^−２・ｓ^−１以下であることがより好ましい。

本発明の植物栽培方法により、連続光障害を緩和することが可能となるため、植物栽培に必要な総光量が不足しがちな人工光型植物工場において好適に採用される。すなわち、上記説明した植物栽培方法に用いられる植物栽培装置であって、連続光障害を発生する植物に対して連続光を照射する主光源と、２４時間を１周期として、１〜２３時間連続照射しその後照射しないように制御された青色光源からなる補助光源とを備えた植物栽培装置が本発明の好適な実施態様である。

以下、実施例を用いて本発明を更に具体的に説明する。

実施例１
連続光感受性であるトマト品種（Ｍ８２）の苗に対して、主光源として用いた白色蛍光灯による光を２４時間照射（光量子束密度：１００μｍｏｌ・ｍ^−２・ｓ^−１）しながら、青色光源からなる補助光源として用いた青色ＬＥＤ（三洋電機(株)製／ＭＩＬ−Ｂ１８（Ａ）／ピーク波長：４７０ｎｍ）による光を１６時間連続照射（光量子束密度：３０μｍｏｌ・ｍ^−２・ｓ^−１）し、その後８時間青色ＬＥＤによる光を照射しないサイクルを１周期として、２５℃で栽培を行った。７周期（発芽１週間後）、１４周期（発芽２週間後）、２１周期（発芽３週間後）、２８周期（発芽４週間後）、３５周期（発芽５週間後）ごとに、５個体のトマトの地上部生重量を計測して平均値を算出した。得られた結果を図１に示す。また、４２周期（発芽６週間後）栽培して得られたトマトの写真を図２に示す。後述の比較例１と異なり、白色の連続光照射に加え、青色光を１６時間明期、８時間暗期の条件で付加的に照射することで、植物は継続的に成長し、連続光障害が緩和されることが分かった。なお、青色光源として異なる青色ＬＥＤ（(株)日本医化器械製作所／ＮＫ３ｉｎ１／ピーク波長：４４５ｎｍ）を用いた場合にも同様の効果が得られた。

実施例２
実施例１において、主光源として用いた白色蛍光灯による連続光を２４時間照射しながら、青色光源からなる補助光源として用いた青色ＬＥＤによる光を８時間連続照射し、その後１６時間青色ＬＥＤによる光を照射しないサイクルを１周期とした以外は実施例１と同様にして、トマトの栽培を行った。７周期（発芽１週間後）、１４周期（発芽２週間後）、２１周期（発芽３週間後）、２８周期（発芽４週間後）、３５周期（発芽５週間後）ごとに、５個体のトマトの地上部生重量を計測して平均値を算出した。トマトの地上部生重量を計測して得られた結果を図１に示す。実施例１と同様に、白色蛍光灯による連続光照射に加え、青色光を８時間明期、１６時間暗期の条件で付加的に照射することで、植物は継続的に成長し、連続光障害が緩和されることが分かった。

比較例１
実施例１において、青色光源からなる補助光源を使用しなかった以外は実施例１と同様にして、主光源として用いた白色蛍光灯による連続光のみを２４時間照射してトマトの栽培を行った。実施例１と同様に、発芽１週間後、発芽２週間後、発芽３週間後、発芽４週間後、発芽５週間後に、５個体のトマトの地上部生重量を計測して平均値を算出した。トマトの地上部生重量を計測して得られた結果を図１に示す。また、播種６週間後に得られたトマトの写真を図３に示す。主光源として白色蛍光灯による連続光のみを照射した場合では、図３のように、植物は著しい連続光障害を呈した。すなわち、葉は黄変し、ネクロシスを起こし成長が抑制され、立ち枯れの様相を呈した。

（葉内デンプンの蓄積と活性酸素種の蓄積の比較）
実施例１、実施例２及び比較例１で得られたトマトの葉をそれぞれ用い、葉内デンプンの蓄積と活性酸素種の蓄積を、それぞれヨウ素デンプン反応を用いた染色（ルゴール染色）とＤＡＢ（ジアミノベンジジンテトラハイドロクロライド）染色法を用いて観察した。ヨウ素デンプン反応は、慣例に従って行った。すなわち、栽培したトマトより葉を採取し、湯せんした７０％エタノールでクロロフィルを脱色後、ヨウ素液（ヨウ素ヨウ化カリウム溶液）により葉内デンプンを検出した。また、活性酸素種の発生量の比較として、葉内ペルオキシダーゼのＤＡＢ染色を用いた。採取した葉にジアミノベンジジンテトラハイドロクロライド溶液を処理して葉内ペルオキシダーゼと反応・発色させ、湯せんした７０％エタノールでクロロフィルを溶出させた後に観察を行った。また、活性酸素量の定量には、分光光度計で硫酸チタニウムの４１０ｎｍ吸収を測定し、計算を行った。葉内デンプンの蓄積を示した写真を図４及び５に、活性酸素種の蓄積を示した写真を図６に、活性酸素量の定量結果を図７に示す。

図４及び図５に示すように、補助光源による青色光照射を行わなかった場合（ＬＬ)では、連続光障害の特徴であるデンプンの蓄積が観察されたが、１６時間明期８時間暗期又は、８時間明期１６時間暗期の補助光源による青色光照射を行った場合（ＬＬ＋Ｂ−ＬＥＤ）には、デンプンの蓄積は観察されなかった。また、図６及び図7に示すように、補助光源による青色光照射を行わなかった場合(ＬＬ)では、連続光障害の特徴である活性酸素種の過剰発生が観察されたが、１６時間明期８時間暗期の補助光源による青色光照射を行った場合（ＣＬ＋Ｂ−ＬＥＤ）には、活性酸素種の過剰発生は殆ど観察されなかった。

比較例２
実施例１において、青色光源からなる補助光源として用いた青色ＬＥＤの代わりに、赤色光源として赤色ＬＥＤ（ピーク波長：６６０ｎｍ）を用いた以外は実施例１と同様にして、トマトの栽培を行った。４２周期（発芽６週間後）栽培して得られたトマトの写真を図８に示す。補助光源として赤色ＬＥＤを用いたときには、図８に示されるように連続光障害の緩和は見られなかった。

比較例３
実施例１において、青色光源からなる補助光源として用いた青色ＬＥＤの代わりに、近赤外光源として近赤外ＬＥＤ（ピーク波長：７３０ｎｍ）を用いた以外は実施例１と同様にして、トマトの栽培を行った。４２周期（発芽６週間後）栽培して得られたトマトの写真を図９に示す。補助光源として近赤外ＬＥＤを用いたときには、図９に示されるように連続光障害の緩和は見られなかった。

実施例３
ホウレンソウ（品種：西洋ホウレンソウ）の苗に対して、主光源として用いた白色蛍光灯による連続光を２４時間照射（光量子束密度：１００μｍｏｌ・ｍ^−２・ｓ^−１）しながら、青色光源からなる補助光源として用いた青色ＬＥＤ（三洋電機(株)製／ＭＩＬ−Ｂ１８（Ａ）／ピーク波長：４７０ｎｍ）による光を８時間連続照射（光量子束密度：３０μｍｏｌ・ｍ^−２・ｓ^−１）し、その後１６時間青色ＬＥＤによる光を照射しないサイクルを１周期として、２５℃で栽培を行った。また、実施例１に記した方法と同様にして、葉内デンプンの蓄積を観察した。２８周期（発芽４週間後）後の西洋ホウレンソウの写真と葉内デンプンの蓄積を示した写真を図１０に示す。

比較例４
実施例３において、青色光源からなる補助光源（青色ＬＥＤ）を使用しなかった以外は実施例３と同様にして、主光源として用いた白色蛍光灯による連続光のみを２４時間照射して西洋ホウレンソウの栽培を行った。実施例１と同様に、葉内デンプンの蓄積を観察した。２８周期（発芽４週間後）後の西洋ホウレンソウの写真と葉内デンプンの蓄積を示した写真を図１０に示す。

Claims

連続光障害を発生する植物に対して２４時間を１周期とする概日リズムを与える植物栽培方法であって、
前記概日リズムが、前記植物に対して主光源による連続光を２４時間照射しながら更に青色光源からなる補助光源による光を１〜２３時間連続照射し、その後前記補助光源による光を照射しないものであることを特徴とする植物栽培方法。
前記補助光源による光が、４００〜４９０ｎｍの範囲に発光ピーク波長を有する光である請求項１記載の植物栽培方法。
請求項１又は２記載の植物栽培方法に用いられる植物栽培装置であって、
連続光障害を発生する植物に対して連続光を照射する主光源と、
２４時間を１周期として、１〜２３時間連続照射しその後照射しないように制御された青色光源からなる補助光源とを備えたことを特徴とする植物栽培装置。