最近の主要な研究テーマ


光植物学研究用LED人工太陽光光源システム

 自然環境下での実用的な植物生産あるいは植物利用型の物質生産に応用可能な知見を得ようとすると,自然環境に近い分光分布の光を用いた研究が不可欠である.そしてそのためには,種々の分光分布の光を作出可能で,しかも異なる分光分布の光を短い時間間隔で連続して作出可能な光源システムが必要となる.
 そこで,光植物学研究で取り扱われる波長範囲について地表面における太陽光(以後,単に太陽光)の分光分布に近い光を作出可能であり,また異なる分光分布の光を短い時間間隔で連続して作出可能なLED人工光源システムの開発に2002年後半から着手した.2013年には,直径30 mmの被照射面積に対してではあるが,380〜940 nmの波長範囲について,快晴時の太陽光の放射照度(約500 W m−2)を実現可能で,かつ光源システムの操作性および制御性を備えた第2世代光源システムを開発するに至った.第2世代光源システムは,苗などの小さな植物個体あるいは個葉を対象とすることに限定すれば,光植物学研究に十分利用可能な光源システムとなった.
現在も改良を続けているが,ここでは2013年時点のLED人工太陽光光源システムの概要について紹介する.


LED人工太陽光光源システムに関する主要な講演要旨・原著論文

富士原和宏, 澤多俊成 (2005) 波長組成制御可能な発光ダイオード擬似太陽光光源の開発, 農業環境工学関連7学会2005年合同大会講演要旨集, p.324. (第2号試作機)

Fujiwara, K. and T. Sawada (2006) Design and development of an LED-artificial sunlight source system prototype capable of controlling relative spectral power distribution. Journal of Light and Visual Environment 30(3): 170-176. (第3号試作機)

Fujiwara, K., T. Sawada, S. Goda, Y. Ando and A. Yano (2007) An LED-artificial sunlight source system available for light effects research in flower science. Acta Horticulturae 755: 373-380. (第4号試作機)

Fujiwara, K. and A. Yano (2011) Controllable spectrum artificial sunlight source system using LEDs with 32 different peak wavelengths of 385−910 nm. Bioelectromagnetics 32(3): 243-252. (第5号試作機)

Fujiwara, K., K. Eijima and A. Yano (2013) Second-generation LED-artificial sunlight source system available for light effects research in biological and agricultural sciences. Proc. 7th LuxPacifica, pp.140-145. (第6号試作機 = 第2世代システム)

 図1 LED人工太陽光光源システム

 図2 光源ユニット(LEDモジュールと集光混光筒から成る)およびその光照射口
 図3 非点灯時と点灯時のLEDモジュール

 図4 LED人工太陽光光源システム制御用PCの分光分布作出・制御ソフトウエア操作主画面


図5 全てのピーク波長LEDをそれぞれ標準順電圧を印加して点灯したときの光照射口における分光放射照度分布(SID) (全LED光積算SID),参照用としての地表面における基準太陽光(IEC60904-3 ed.2)のSIDを移動平均で平滑化したSID (基準太陽光SID),およびそれぞれのピーク波長LEDを標準順電圧で点灯したときのSID (LED別SID) (Fujiwara et al., 2013)


図6 東京都内9月快晴日の6,8,10,12,14,および16時の地表面における分光放射照度分布(SID)実測値(目標光SID),およびLED人工太陽光光源システムで作出したそれぞれの時刻のSIDに対する最良近似SID (作出光SID) (Fujiwara et al., 2013)


図7 種々の形状の分光放射照度分布(SID)(目標光SID) ,およびLED人工太陽光光源システムで作出したそれらのSIDに対する最良近似SID (作出光SID) (Fujiwara et al., 2013)

top


CO2施用速度−温室内植物個体群純光合成速度応答曲線のリアルタイム推定法 ― デジャブ・データ抽出による温室環境制御用コア情報の構築 ―

 温室内の全植物体(以後、植物個体群)の純光合成速度を大きく高めることができる現実的でかつ十分な費用対効果が期待できる方法としては、CO2施用を挙げることができる。従来のCO2施用法には、天窓や側窓が閉まっている日の出前後から日中の時間帯に温室内のCO2濃度を温室外のCO2濃度の2倍程度以上に維持するものと、天窓や側窓が開いている時間帯に設定濃度を温室外のCO2濃度以下あるいはそれと同程度に維持するものがある。後者は、Partial enrichment (Hicklenton, 1988) あるいはゼロ濃度差CO2施用(古在・大山, 2008)と呼ばれている。前者の施用法では、一日のうちの施用可能な時間が換気を要しない温室内気温の低い時間に限られ、また後者の施用法では、純光合成速度の増加量が限定的である。また、これらの施用法では、温室管理者が費用対効果を把握・納得した上でCO2の施用速度を決定することはない。
 そこで我々は、温室内に現時点でどれだけの速度でCO2を施用すれば、その温室内の植物個体群の純光合成速度がどれだけになるのか、すなわち費用対効果に関する「コア」情報であるCO2施用速度−温室内植物個体群純光合成速度応答曲線(CP曲線)をリアルタイムで時々刻々と推定する方法を開発し、このCP曲線に基づいてCO2施用速度を決定する手法の確立を目指すことにした。この手法が完成すれば、温室管理者は費用対効果を把握・納得した上で積極的なCO2施用を行うことができるようになる。ここでは、そのCP曲線のリアルタイム推定法について紹介する。


top


植物を利用した有用タンパク質生産のための環境調節

人工光型植物工場の有効な活用法の1つとして,植物を利用した有用タンパク質生産に着目しています。有用タンパク質の代表的なものとして,医薬品タンパク質があります。例えば,ワクチンとしての作用を有する抗原タンパク質や,治療薬などとして用いられるモノクローナル抗体などです。従来,これらの医薬用タンパク質は,微生物や哺乳動物由来の細胞を培養することで,あるいは孵化鶏卵を用いてウイルスを培養することで生産されてきましたが,植物を用いることで,生産コストの低減,需要に応じた容易な生産規模の調整,生産過程での病原体混入リスクの低減などのメリットがあると考えられています。 私たちは,有用タンパク質生産に適した人工光型植物工場(または温室)の環境調節法を確立するための基礎研究を行なってきました。特に,植物(ベンサミアナタバコ)に後天的に有用タンパク質の遺伝子を導入して一過的に発現させる一過性遺伝子発現法という技術を対象として,研究を展開しています。新しい植物バイオ技術の活用・普及に,生物環境工学の立場から貢献したいと考えています。

 一過性遺伝子発現法の植物材料として用いられるベンサミアナタバコ(Nicotiana benthamiana

 減圧浸潤法によるベンサミアナタバコ地上部への外来遺伝子導入


Matsuda, R., A. Ueno, K. Fujiwara. (2019) Effects of environmental conditions before gene transfer on the amount of influenza hemagglutinin transiently expressed in Nicotiana benthamiana leaves. Journal of Agricultural Meteorology 75(3): 129-136.

松田 怜・藤内直道.(2018) 植物を利用した医薬用タンパク質生産のための環境調節.関東の農業気象 44: 6-11.

Matsuda, R., A. Ueno, H. Nakaigawa, K. Fujiwara. (2018) Gas exchange rates decrease and leaf temperature increases in Nicotiana benthamiana leaves transiently overexpressing hemagglutinin in an Agrobacterium-assisted viral vector system. Frontiers in Plant Science 9: 1315.

Fujiuchi, N., R. Matsuda, N. Matoba, K. Fujiwara. (2017) Effects of plant density on recombinant hemagglutinin yields in an Agrobacterium-mediated transient gene expression system using Nicotiana benthamiana plants. Biotechnology and Bioengineering 114(8): 1762-1770.

Matsuda, R., T. Abe, N. Fujiuchi, N. Matoba, K. Fujiwara. (2017) Effect of temperature post viral vector inoculation on the amount of hemagglutinin transiently expressed in Nicotiana benthamiana leaves. Journal of Bioscience and Bioengineering 124(3): 346-350.

Matsuda, R., T. Abe, K. Fujiwara. (2017) Viral vector-based transient gene expression in Nicotiana benthamiana: effects of light source on leaf temperature and hemagglutinin content. Plant Cell Reports 36(10): 1667-1669.

Fujiuchi, N., N. Matoba, R. Matsuda. (2016) Environment control to improve recombinant protein yields in plants based on Agrobacterium-mediated transient gene expression. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology 4: 23.

Fujiuchi, N., R. Matsuda, N. Matoba, K. Fujiwara. (2016) Removal of bacterial suspension water occupying the intercellular space of detached leaves after agroinfiltration improves the yield of recombinant hemagglutinin in a Nicotiana benthamiana transient gene expression system. Biotechnology and Bioengineering 113(4): 901-906.

Fujiuchi, N., R. Matsuda, N. Matoba, K. Fujiwara. (2014) Effect of nitrate concentration in nutrient solution on hemagglutinin content of Nicotiana benthamiana leaves in a viral vector-mediated transient gene expression system. Plant Biotechnology 31(3): 207-211.

Matsuda, R., A. Tahara, N. Matoba, K. Fujiwara. (2012) Virus-vector mediated rapid protein production in Nicotiana benthamiana: effects of temperature and photosynthetic photon flux density on hemagglutinin accumulation. Environment Control in Biology 50(4): 375-381.


top


光合成の光環境応の解明,および施設園芸における光環境制御への応用

光環境が光合成に及ぼす影響を生理生態学的に解析し,その知見を温室や植物工場における光環境制御に応用することを目的としています。これまで,分光分布(光質)の影響,下位葉への補光の影響,連続明期の影響などについて研究を行なってきました。現在は,時間的に変動する光環境の影響に興味を持って研究を進めています。これらの研究には,分光分布制御や出力の時間変化の制御が容易で,局所的な照射も可能なLEDを活用してきました。生物学と工学の両者の知識・テクニックを利用して,興味深い知見の獲得と新技術の開発を目指します。

 LED人工太陽光光源システムを用いて再現した太陽光照射下におけるキュウリ葉の純光合成速度測定


 夜間に照射するLED光の分光分布がトマト苗の生育に及ぼす影響


Matsuda, R. (2019) Effects of supplemental lighting with LEDs on physiological aspects of photosynthesis in crop plants. Light & Engineering 27: 42-48.

村上貴一・地子智浩・松田 怜・富士原和宏.(2019) 人工光植物栽培における光質と光合成.光合成研究 29(2): 138-146.

Murakami, K., R. Matsuda, K. Fujiwara. (2018) Quantification of excitation energy distribution between photosystems based on a mechanistic model of photosynthetic electron transport. Plant, Cell and Environment 41(1): 148-159.

Murakami, K., R. Matsuda, K. Fujiwara. (2018) A mathematical model of photosynthetic electron transport in response to light spectrum based on excitation energy distributed to photosystems. Plant and Cell Physiology 59(8): 1643-1651.

Murakami, K., R. Matsuda, K. Fujiwara. (2017) A basis for selecting light spectral distribution for evaluating leaf photosynthetic rates of plants grown under different light spectral distributions. Environmental Control in Biology 55(1): 1-6.

Matsuda, R., K. Murakami. (2016) Light- and CO2-dependent systemic regulation of photosynthesis. Progress in Botany 77 (Luttge, U., F.M. Canovas, R. Matyssek eds.), Springer International Publishing, Switzerland, p.151-166.

Murakami, K., R. Matsuda. (2016) Optical and physiological properties of a leaf. LED Lighting for Urban Agriculture (Kozai, T., K. Fujiwara, E. Runkle eds.), Springer Science+Business Media, Singapore, p.113-123.

Matsuda, R. (2016) Effects of physical environment on photosynthesis, respiration, and transpiration. LED Lighting for Urban Agriculture (Kozai, T., K. Fujiwara, E. Runkle eds.), Springer Science+Business Media, Singapore, p.163-175.

Matsuda, R., T. Yamano, K. Murakami, K. Fujiwara. (2016) Effects of spectral distribution and photosynthetic photon flux density for overnight LED light irradiation on tomato seedling growth and leaf injury. Scientia Horticulturae 198: 363-369.

Murakami, K., R. Matsuda, K. Fujiwara. (2016) Interaction between the spectral photon flux density distributions of light during growth and for measurements in net photosynthetic rates of cucumber leaves. Physiologia Plantarum 158(2): 213-224.

Matsuda, R., N. Ozawa, K. Fujiwara. (2014) Leaf photosynthesis, plant growth, and carbohydrate accumulation of tomato under different photoperiods and diurnal temperature differences. Scientia Horticulturae 170: 150-158.

Murakami, K., R. Matsuda, K. Fujiwara. (2014) Light-induced systemic regulation of photosynthesis in primary and trifoliate leaves of Phaseolus vulgaris: effects of photosynthetic photon flux density (PPFD) versus spectrum. Plant Biology 16(1): 16-21.

Murakami, K., R. Matsuda, K. Fujiwara. (2013) Effects of supplemental lighting to a lower leaf using light-emitting diodes with different spectra on the leaf photosynthetic rate in sweet pepper. Journal of Agricultural Meteorology 69(2): 55-63.

top


Home page