JPS62503126A - 植物の光合成活性の測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 植物の光合成活性の測定装置 本発明は、植物の光合成活性と容量の測定装置に関するものである。更に特別に は、本発明は同時に起こるクロロフィルの蛍光発生、ＣＯ１同化速度、若し必要 ならば、蒸散速度、植物の一般的代謝の総ての特性となるパラメータ、及び健康 状態を測定する装置に関するものである。

光合成の誘導中にクロロフィルの蛍光発生が変化することが炭酸ガス同化速度に 密接に関係するという最近の実証は、葉の光合成活性の便利なモニターとして蛍 光の使用に益々関心を高めるに至っている。

研究室において、葉からのクロロフィル蛍光発生の測定装置と技術は公知である 。クロロフィル蛍光発生は光合成に関する光反応を示すもので、光合成活性にお ける変化を示す第一の検出可能のパラメータである。葉の光合成活性のレベルが 蛍光発生によって明らかにされる時、これは葉の一般的健康の証拠を提供できる のみならず、葉がその環境の変化にいかに反応するかをも提供できることが分か ってきた。この反応は急速でかつ葉のどの可視的物理変化よりも前に、葉の活性 を充分に示すであろう。

葉のＣＯ１同化速度と連続的蛍光信号との同時測定は、以前に研究室的条件下に なされたことがある。現在まで、ＣＯ７同化速度と蛍光信号との測定装置は、赤 色除去フィルターを備えた白色光を使用する連続手段によっているので、連続蛍 光誘導曲線は赤色不足光を示すであろう。それで適切なフィルターを備えた連続 検出器を使用して赤色光として発生する葉の蛍光を検出するなら、葉の蛍光から 誘導される総ての赤色のみが検出される。蛍光を検出するこの方法は、スペクト ルの赤色部不足の光を葉に照射する時に、発生蛍光の測定を可能にする。

野外条件において白色光は、赤色光、即ち赤色除去フィルターによって除去され るであろうスペクトル部を含んでいる。赤色不足光に存在しないであろう或種の 光は、光合成を行うことが出来る。前記連続方法は、野外条件下として、白色光 を植物に照射する時に、植物の活性を代表しない。それ故、白色光に露らされる 葉の蛍光応答の測定と同時に葉のＣＯを同化を測定するシステムの開発が要望さ れた。

ＣＯｚ同化並びに白色光例えば太陽光又は人工白色光によって発生される葉によ るクロロフィル蛍光のパラメータを同時に測定するのに使用出来る装置が発明さ れるに至った。

本発明によると、葉（５）の生体内における光合成活性を示す複数のパラメータ を同時に測定する装置（２）は、（ａ）　葉（５）に対する気密室（４）と、（ ｂ）　葉に不充分な強度の変調光を照射して光合成を推進する手段（１０）と、 （ｃ）葉からの変調蛍光を検出する手段（１４）と、（ｄ）　葉に光合成活性光 を照射・する手段と、（ｅ）　Ｈにより吸収された光を測定する手段（４３）と 、（ｆ）　葉により炭酸ガスを取り込む速度を測定する手段（３２）とから成る 。

本明細書における葉という術語は、葉の一部及び一枚の葉以上も包含する。術語 の葉は又、光合成可能な植物のどの部分にも関係する。

植物の光合成活性はＣＯ２取り込みを評価することにより直接に測定可能である 。赤外分光学はＣＯ２取り込みの迅速な非破壊評価手段を提供する。葉が白色光 に露される時の光レベルと周囲ＣＯ７との同時測定と前記赤外分光学を組み合わ せることにより、葉の光とカルボキシル化の効率の夫々は測定出来る。この装置 は、同じ葉の組織に基づく前記パラメータの総ての同時測定を可能とする。

好適には、この測定は又、葉による水分損失速度を測定する手段、例えば室への 入口管と出口管の水分含量を測定する手段を含む。かくして、蒸散速度測定をＣ Ｏ３固定速度の同時測定と組み合わせることにより、葉の水分使用効率も又測定 可能にされる。これは、葉による水分損失の炭素増加に対する比である。

この装置は室中の温度を測定する手段を含むのが好適である。

葉を保持する室で為される測定の誤差は最小にするのが望ましい。

葉を収容する室は２つの部分から形成するのが良く、これらは必要なら丁番付け にして良く、これにより室は、葉の周りに配置されかつ葉から隔てられる。

結合して気密室を形成する室部分間の縁は、弾性材料（例えばフオームラバー） で構成されて植物の損傷を防ぐのが良い。この部分は留め具又はクランプにより 保持されて室を植物上でしっかりと固定するのが良い。これら弾性縁は室のガス 気密シールも形成するのが良い。

室は実質的に光に不透明であるべきで、これにより室に入った光は逃げることが 出来ない。

室部分は金属、好適には軽合金で作るのが良く、室内に光を管で送る手段を備え て密閉するのが好都合である。

好適には、室は曲面を有し、かつ最も好適には球面である。更に室の内面は高反 射率塗料、例えば白色高反射率塗料又は内面にマグネシウムを燃焼することによ り得られる皮膜で被覆されるのが好適である。これらの光学的機能は、室による 光の吸光度を減少するので好ましい。

前記機能を備えて、室内の光の唯一つの重要効果的な散逸は収容される吸収体、 例えば葉によるものである。

葉は広範囲の形と寸法を取るので、装置は、植物の特別な型に合わせて設計され た、形と寸法の変えられる多数の互換性の室を備えるのが良い。この実施態様に 伴って、装置は室への光とガス入口と出口との種々の接続用の枠とかつこの互換 性室を保持する手段とを備えて、これらの入口と出口がぴったり合った接続と整 列されるのが良い。

投射する変調光の周波数は、発生蛍光の周波数と異なる様に選択され、例えば弱 い黄色変調光であるため発生周波数において検出される総ての光は蛍光に起因す るものである。

変調光源は一つ又はそれ以上の適切に脈打つ発光体であるのが良い。この光生成 用の適切なシステムは主発振器、ダイオード配列及び一つ又はそれ以上の高度に 精密な可視短ギャップのフィルターを備える。変調光は、それ自体の最小可変蛍 光°を発生することにより、他の副射線源に露す際に生成されるこのような追加 可変蛍光が葉の光合成活性を指示すようにされるのが好ましい。

変調光は単色又は多色で良いが、単色であるのが好ましい。

変調光は葉の上面又は下面に投射されかつ光はどの都合の良い方法で投射しても 良い。かくして、変調光は室内の葉に直接に投射して良い。光源は、光源から室 へ例えば光ファイバーによりで伝達される光を備えて室から離れていて良い。

変調蛍光発光検出器は一つ又はそれ以上の光ダイオードであって良い。出力信号 は一つ又はそれ以上の段階で増幅し・て良く、かつ例えばチャート記録計に記録 されて良い。検出器は適切な波長とバンド幅の千渉フィルタによって保護されて 良く、それによりクロロフィル蛍光の波長に一致する波長の光のみ検出し、かつ 増幅器と記録計の間で出力信号は整流されかつ緩衝される。

増幅器は主発振器に結合されて主発振器により発生される周波数と同じ周波数で 操作するのを確実にする。

かくして、変調蛍光検出器は変調光の変調周波数に固定され、それ故変調光によ り発生されるクロロフィル蛍光のみを測定する。

葉に照射した光によって発生した蛍光の量は、変調光のみが葉に照射される場合 は葉の光合成の能力を示す。変調光は光合成を推進できないので、蛍光を出す変 調光の部分は始終、即ち影のレベルに互って一定である。

光合成的に活性な光が変調光と共に葉に照射され始めると、葉の光合成装置は操 作を始め、従って蛍光として発生される葉により吸収される総照射光の部分に瞬 間的増大がある。

葉により蛍光に転換される変調光の部分も又同じ様に瞬間的に変わる。光合成が 開始する時に黄色変調光により発生する蛍光のピークのパラメータは植物の光合 成活性を指示する。

か＜１．て変調蛍光検出器は変調光の変調周波数に固定され、従って変調光によ って発生するクロロフィル蛍光のみを測定する。

前記したような変調光源を使用する蛍光検出システムは普通の光条件で操作可能 である。それ故、装置はどの光条件の野外で又は温室又は他の覆いのある栽培区 域、必要とあれば、人工照明される区域を含めて使用できる。

幅広の透明アクリル樹脂円錐体であって良い。好適には、装置は変調光や他のど の自然光に加えて植物部分に照射可能の白色光源を備えても良い。装置は、好適 には手段、例えばこの白色光の強度と質とを変えるためにアイリス絞りまたは、 フィルターを備える。

白色光源は取り外し可能の赤色除去フィルターを固定していて赤色不足光によっ て発生される連続蛍光誘導曲線を可能とし、それによりこの装置を使用して得ら れる追加情報を可能にする。

赤色光不足によって発生される蛍光は変調光に使用したと同じ検出器により取り 上げることが出来る。別の検出器は不必要である。赤色不足光は変調光と同じ方 法、直接又は光フアイバーケーブルを介して葉に照射できる。

前記蛍光検出システムに加えて、装置は、前記した様に、ＣＯ！同化並びに、好 適には蒸散を測定する別のシステムを備える。

収容される葉のＣＯ７同化速度を測定するシステムは、室への入口と室からの出 口、ガスを室に通すポンプ、室を出るガスのＣＯ１含量を測定するガス分析器及 び好適には室に入るガスのＣＯ３含量を制御する手段とを含む。対照の流れは、 入口に先立って入口からガス分析器へガスを通す。

室は室内に光合成活性放射、即ち、光合成を推進可能の光を監視する手段を存す る。これはフィルターを固定した量子センサの形聾で良い。これは、温度と湿度 プローブと組み合わされて室内の総合微気候を監視する。この様な測定は植物の 量子効率の測定並びに記録データの正確な解釈に必要である。

装置は手動で操作されるが、しかし好適には操作と制御、データ獲得と貯蔵、並 びにデータ分析の適切なプログラム、を備えたマイクロプロセッサによって制御 される。データは、ＣＯ７固定速度、クロロフィル蛍光発生パラメータ、蒸散速 度、量子効率並びに葉の内部炭酸ガス濃度を読み出す補正単位として表示される のが良い。装置は再充電可能なバツテリイによって電力供給されるのが良い。

本発明は、添付した図面を参照して説明する。第１図は光合成遂行の測定用装置 のブロック図であり第２図は直径を含む平面に関する球形の葉収容室の拡大断面 図である。

第１図を参照すると、参照符号２によって一般的に示される装置は、葉５を保持 する球形気密室４から成る。室４は入口６、出口８及び葉５を照射するための光 発光ダイオード１０の形態の変調光源を備える。葉からの変調蛍光放射を測定す °る手段は変調増幅器１６に作動的に接続される光ダイオード検出器１４の形態 で備えられている。検出器１４は光発光ダイオード１０と同じ周波数に固定され て太陽光条件下に蛍光を測定可能にする。光ダイオード検出器はまた連続蛍光を 可能にする単純増幅器１８に作動的に接続されて、葉５が赤色不足光源により照 射される時に蛍光を測定する。

装置は、参照符号２０により一般的に示されるガス制御システムを含み、これは ポンプ２２、流量制御器２４及び炭酸ガス吸収器２６を含む。ガス制御システム ２０は管２８により室４の入口６に接続される。管２９は、管２８を赤外線ガス 分析器３２に接続する対照流れを付与する。室からの出口８は管３０により赤外 線ガス分析器３２に接続され、この赤外線ガス分析器３２は炭酸ガスの絶対濃度 及び測定流れと対照流れ間の濃度差異、それ枚葉による炭酸ガスの取り込み速度 の測定可能である。

室４は更に連続的白色光源３４又は別法として太陽光を集める透明アクリル樹脂 円錐体を備える。電子的湿度プローブ３６と３８は各々管２８と３０に備えられ て、室４を通るガス流れ中の湿度差、従って葉による水分損失速度、即ち箕の蒸 散速度を測定する。プローブ３６と３８からの信号は湿度差記録計４０に通され 、この記録計４０は又、葉の温度を測定する熱電対プローブ４２からの信号も受 信する。マイクロプロセッサ４４が備えられて、ガス分析器３２、湿度記録計４ ０、蛍光測定システム２５、量子センサ４３並びにガス制御システム２０からの データを受理する。

第２図を参照すると、室４は葉５を保持して示されている。室４は、葉５の工に 対し気密シールを形成する軟質ホームラバーシール４７を備える。室４は葉の上 面と下面にガスを通すよう配置された入口６と空気が室から排出される出口８を 備える。室は上下の透明アクリル樹脂板４５と４６が備えられ、この板４５と４ ６はガス交換領域を削減し、ガス交換速度の測定の応答時間を増大するように配 置される。室の内面は球形で、白色高反射率塗料（その反射率は照射光の９９％ 以上）で被覆される。かくして室は光を一体にまとめる球体として作用する。

理論的に、若し１００％内部反射率があるならば、球体内の光の唯一つの散逸は 収容吸収体による吸収によるものである。従って、収容葉の存在と不存在の室内 の光束の差異は葉により直接に吸収された光量と等しい。室壁に起こる吸収量を 最小にするため、球形室が使用され、これは内部反射率の数を最小にする。更に 、既知吸収能を有する黒体を使用することにより、室の実際の吸収能が定量化で きる。このパラメータは葉の吸収能の連続計算に使用されて、各種プローブが適 所にある場合に室による光吸収を補正する。葉の吸収能を測定したら、葉による ＣＯ７同化の絶対的量子効率、即ち、葉により吸収された光量子当たりの葉によ り同化されたＣ０ｆｆ１量が測定出来る。

操作に際して、取り付けた葉は室４の中に収容され、ガス気密シールが軟質ホー ムラバーシール４７によって葉の茎に対して形成される。空気が室４を介してガ ス制御システム２０から通される。空気の流量は正確に制御され、空気中の炭酸 ガスの濃度は、炭酸ガス吸収塔２６を通る空気流量の割合を変えて通すことによ り所要量に調節される。室４への入口６は室寸法に比較して小さく作られるので 乱流を引き起こして°ガスの混合を助長する。葉５を越えてガスが出口８と管３ ０を介してガス分析器３２へ通されると、ガス分析器３２は炭酸ガスの絶対濃度 と分析流れと対照流れ間の濃度差とを測定する。これらの測定から、葉による炭 酸ガスの取り込み速度が測定できる。

葉５は光発光ダイオード１０からの変調光によって照射されかつ変調蛍光発生は 光ダイオード検出器１４によって測定される。高強度白色光源３４が取り外し可 能の装置として操作されて、蛍光誘導曲線の野外における測定と光合成に際し光 強度の変化による効率検討とを可能にする。

葉により吸収された光の量は、室内に葉の無い場合の光源と検出器を操作するこ とにより測定される。

湿度と温度が電子湿度プローブ３６と３８及び熱電対プローブ４２の各々によっ て測定され、これらから室を通るガス流れ中の湿度差、従って葉蒸散速度が測定 できる。量子センサ４３は光合成活性放射を測定する。記録計からのアナログ出 力信号は迅速データ獲得及び分析用のマイクロプロセッサ４４に送られる。

矢印は情報の流れ方向をしめす。

上記装置は、（ｉ）　葉を損傷すること無く葉に対して測定実施可能とし、かつ 一方、葉は植物の残部に付着したままであり、（ｉｉ）　普通の光条件で光合成 パラメータの測定を可能とし、この光条件は影から強い直接太陽光に変えられ、 （ｉｉｉ）再充電可能なバッテリイのようなポータプル電源によって操作可能で あり、かつ（１ｖ）コンパクトでかつポータプルである。

Ｃ）。

国際調査報告 一τ−ｊ１１６１ｔａ−＾剛ζ−１°ｅｅＮ・ＰＣＴ／にＢ　８６１００３４１ ＡＮＮＥＸ　Ｔｏ　ＴＨＥ　ＩＩＪＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ　５ＥＡＲＣＨＲＥ ＰＯＲＴ　０ＮＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ　ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ　Ｎｏ、 　ＰＣＴ／ＧＢ　８６１００３４１　（ＳＡ　１３６１５）ＦＲ−Ａ−１５９０ ５４４１３１０４／７０　ＮｏｎｅＤＥ−Ａ−３３０３５１０１４１０７／８３ 　、　Ｎｏｎｅ

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. １．生体内における棄（５）の光合成活性を示す複数のパラメータを同時に測定 する装置において、この装置は（ａ）葉（５）を収容する気密室（４）と、（ｂ ）室内の葉を光合成を推進できない変調光で照射する手段（１０）と、 （ｃ）葉からの変調蛍光発生を検出する手段（１４）と、（ｄ）葉を光合成活性 の放射で照射する手段と、（ｅ）葉により吸収された光を測定する手段（４３） と、（ｆ）葉による炭酸ガスの取り込み速度の測定手段（３２）とを備えること を特徴とする植物の光合成活性の測定装置。
2. ２．装置は葉による水分損失速度を測定する手段（３６，３８）を備えることを 特徴とする特許請求の範囲第１項記載の植物の光合成活性の測定装置。
3. ３．装置は室内の温度を測定する手段（４２）を備えることを特徴とする特許請 求の範囲第１項または第２項記載の植物の光合成活性の測定装置。
4. ４．炭酸ガスの取り込み速度を測定する手段（３２）は炭酸ガス含有ガス流れの 流量を供給し制御する手段（２０，２８）と室からガスを引き出す手段（３０） と室に供給しかっ室から引き出すガス中の炭酸ガス含有量を測定する手段（２９ ，３２）とを備えることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第３項のいずれ か１項に記載の植物の光合成活性の測定装置。
5. ５．手段（２４，２６）を、室に供給されるガスの炭酸ガス含有量を制御可能に 変えるよう備えることを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の植物の光合成活 性の測定装置。
6. ６．変調蛍光発生を検出する手段（１４）は変調光源（１０）と同じ周波数に固 定可能な光ダイオード検出器を備えることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃 至第５項のいずれか１項に記載の植物の光合成活性の測定装置。
7. ７．光ダイオード検出器は変調増幅器（１６）に作動的に接続されることを特徴 とする特許請求の範囲第６項記載の植物の光合成活性の測定装置。
8. ８．葉による水分損失速度測定手段（３６，３８）は室へ供給しかつ室から引き 出すガスの水分含量を測定するため配置された湿度検出器を備えることを特徴と する特許請求の範囲第２項記載の植物の光合成活性の測定装置。
9. ９．室（４）は内部曲面を有することを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第 ８項のいずれか１項に記載の植物の光合成活性の測定装置。
10. １０．変調光は単色であることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第９項の いずれか１項に記載の植物の光合成活性の測定装置。
11. １１．光合成を推進出来ない変調光で葉を照射し、かっ光合成を推進可能の光で 葉に照射した葉からの変調蛍光発生を測定し次いで葉により吸収された光を測定 し、かつ葉による炭酸ガスの取り込み速度を測定することからなる葉の光合成活 性を示す複数のパラメータを同時に測定する方法。
12. １２．葉による水分の取り込み速度の測定を含むことを特徴とする特許請求の範 囲第１１項記載の方法。
13. １３．葉の温度の測定を含むことを特徴とする特許請求の範囲第１１項または第 １２項に記載の方法。
14. １４．葉は室に収容され、室の内面は高光反射率を有するので実質的に総ての吸 収光は葉により吸収されることを特徴とする特許請求の範囲第１１項乃至第１３ 項のいずれか１項に記載の方法。