JP7236186B1 - 植物栽培方法、及び植物栽培装置 - Google Patents
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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。
(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。
<<ストレスを利用した代謝産物増加技術>>
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
T=25μs 、ΔT1=2μs、ΔT2=2μs、ΔT3=4μs
ここで、T、ΔT1、ΔT2、及び、ΔT3は、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。
[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)
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。
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。
主光1と主光2の波長域は400nmから750nmである。
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
T=30μs 、ΔT1=2μs、ΔT2=10μs、ΔT3=4μs
ここで、T、ΔT1、ΔT2、及び、ΔT3は、図5について説明したのと同様の意味である。
)、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。
[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)
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。
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
[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)
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。
(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。
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
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。
- 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。
- 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。
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