植物群落の太陽光誘起蛍光による光合成測定○増田 健二 A)
A)

静岡大学 技術部 教育研究支援系

1. はじめに(a)こ れ ま で 、 太 陽 光 誘 起 蛍 光 （ Solar-InducedFluorescence, SIF）による光合成測定システムの開発を進めてきた。日中、太陽光強度が適切な範囲にある場合には、光合成反応に伴ってクロロフィル a(Chla)蛍光が放出され、SIF として観測される。一方、日中の強光条件下では、クロロフィルに吸収された誘起エネルギーは、その多くが余剰エネルギーとして熱または蛍光として放出される。太陽光を利用して生育場所において、CCD 分光器による天体望遠鏡(b)を用いた樹冠レベルの高解像度スペクトル計測とCCD カメラに広角レンズを取り付け、群落レベルの広域の SIF 画像計測をする近接リモートセンシング計測システムを開発[1]-[4]した。本研究では、開発した SIF 計測システムを使い、Chla 蛍光の 750nm のピーク値から光合成活性の評価を行う。太陽光が強光のもとで放出される SIF 強度値からは、熱放散経路の活性化が判断できると考えられる。熱放散が活発な植物ほど葉の表面温度は低くなるため、温暖化緩和能力の評価に利用できる可能性がある。

(c)

2. クロロフィル a 蛍光強度値と含有量の比較
Fig.1(a)のように、LED 光をシアンフィルター（600nm～740nm カット）とホットミラー(675nm～カット)を透過させて、620nm より長波長側をカットした光で誘起するとクロロフィルの吸収の影響を受けない 685nm と 740nm にピークのある純粋な Chla蛍光が検出できる。①濃い緑（SPAD 値：76.1）＞②緑（60.2）＞③黄緑（45.2）＞④黄（11.8）＞⑤赤（1.7）の順で SPAD 値が大きくなる。SPAD 値が同じくら(d)いの値に偏らないように 40 枚の葉を選んで測定する（Fig.1(b)）
。緑葉(①,②,③)は F685 (684.5-685.4nm)と F740 (739.5-740.4nm)にピークがあり、黄色(④)と赤色(⑤)の葉は F740 のピークが小さくなる。2 つのピーク波長の強度比（F740/F685）から、Chla の含有量を推定する（Fig.1(c)）。Fig.1(d)のように、Chla 含有量（F740/F685）と SPAD 値(▲)がよい相関を示した。
Chla 含有量(F740/F685)と F740 のピーク値()も相関関係がみられる。このことから、 F740 のピーク値から光合成活性の判断が可能であると考えられる。

Fig.1 Comparison of Chla fluorescence peak intensity
value and content.

3. ダイズの品種別の SIF 強度の測定[2]2016 年 9 月 2 日に京都大学農学研究科の圃場において、ダイズの品種別の SIF 強度の分光スペクトル計測を行った(Fig.2)。列ごとに異なった品種のダイズが植えられている。5 列目に白板を設置する。天体望遠鏡を水平移動させて、白板とダイズの樹冠を列順に赤〇枠を分光スペクトル計測する。Fig.3 (a)に示すように、青線の白板の近赤外反射スペクトルにダイズの反射率を掛けて蛍光強度のない破線枠のFig.2 Measurement of SIF intensity by soybean variety.

815nm より長波長側をフィッティングして、スケーリングしたのが点線である。赤線はダイズの近赤外反射光＋蛍光の重畳スペクトルであり、赤線から点(a)線を差し引くことによって、SIF スペクトルが検出できる（Fig.3(b)）
。列（No.)ごとのダイズの Chla 蛍光の F750Peak (●)と PAR (破線)を比較した（Fig.3(c)）
。
Fig.3(d)のように、PAR が 550 molm-2s-1 辺りまでは、PAR の上昇に伴って F750Peak の SIF 強度値も大きくなっていく。PAR が 700 molm-2s-1 を超えると SIF強度値は小さくなり、光合成反応が低下していく。
列（No.)ごとに異なった品種のダイズが植えられており、PAR が 550 molm-2s-1 辺りの SIF 強度値の違(b)いは、光合成活性に伴うものと考えられる。
4. Chla 蛍光の強度値と PAM (ETR)の比較
2019 年 9 月 10 日静岡キャンパスにおいて SIF 強度とパルス変調法(Pulse amplitude modulation, PAM)による電子伝達速度(Electron transfer rate, ETR) の測定を行った（Fig.4）。ターゲットの樹木は、18m の距離にあるサカキである。緑葉と赤みがかった葉を(c)(d)

Fig.3 SIF intensity in the spectral analysis obtained forcolumn 1-22 of soybean.

SIF と PAM で交互に測定し、その都度 PAR を測る。
Fig.5 (a)のグラフは、11 時から 15 時の間に観測された緑葉と赤葉の SIF 強度の時間変化である。PARの変化に伴い、SIF が変化する様子が見られる。
緑または赤の個葉に、PAM 装置でレベルの異なった LED パルス光を照射することにより、最大の蛍光量(Fm)と任意の強さの光の下で放出される蛍光量(F)を測定して、式 (1)を用いて電子伝達の量子収率(ΦII)を求めた。Fig.5 (b)のように、PAR が上昇すると光合成に使われるエネルギーの割合である電子伝達の量子収率(ΦII)は低下する。
Φ Ⅱ=(Fm－F) / Fm
(1)
式 (2)のように、ΦII の値に PAR をかけ、さらに葉の吸収係数 0.84 と、二つの光化学系への分配率 0.5をかけると、光合成の電子伝達速度(ETR)が求める。
こうして得られた各 PAR での ETR を結ぶことで、緑葉の ETR(▲)の光飽和曲線が得られる（Fig.5(c)）
。
この飽和値から光合成活性を評価している。

ETR= ΦⅡ×PAR×0.84 ×0.5(2)SIF 強度を PAR で割った SIF 収率は、PAR が 800
molm-2s-1 程度までは低下していくが、以降は一定となる（Fig.5(b)）
。SIF も ETR と同様に PAR の値が-2 -1
650molm s 程度で飽和する。この飽和値から光合 成 活 性 を 判 断 す る こ と が で き る 。 PAR が1000molm-2s-1 を超えると PAR の上昇に伴って、SIF 強度値が増加して行く。これは、余剰エネルギーとしての蛍光(SIF)を検出している（Fig.5(c)）
。

5. 森林でのコナラの蛍光強度と光合成の日変化[3]2015 年 9 月 12 日に森林総合研究所京都山城観測地において、コナラの SIF 強度と光合成の日変化の測定を行った。高さ 10m の櫓の上で、光合成蒸散測定器(LI-COR 社, LI-6400)を設置し、個葉レベルの光合成測定を行う。30m の CO2 タワーの上から天体望遠鏡(Vixen、Φ95mm)を用いて、樹木の樹冠レベルの測定を CCD 分光器（Ocean Optics, QE65 Pro)によるスペクトル計測と CCD カメラ(BITRAN, BU-51LN)による画像計測を行った (Fig.6)。
Fig.7 (a)のように、大気温と PAR の上昇により葉内温度(●)が上昇する。13:00 頃にピークとなり 35℃を越える高温となり、葉内の乾燥を防ぐため気孔を閉じて Fig.7(b)のように、気孔コンダクタンス(Cond,▲)が 13:00 頃に最も低下している。それに伴い CO2 を葉内に吸収する速度である光合成速度(Photo, ● )も低下している。つまり、光合成反応が低下しており、日中の強光条件下においては、光合成のキャパシテ
ィーをはるかに超える太陽光誘起エネルギーをクロFig.4 Measurement of SIF intensity and PAM (ETR) .

ロフィルが吸収すると光合成速度は飽和状態となり、ほとんどは熱として放散され、またごく一部は蛍光(a)として放出して安定な基底状態に戻る。Fig.7(c)は、葉内温度が上昇すると細胞間で飽和した水蒸気圧が上昇するので葉内飽和水蒸気圧差(VPD, ▲)が増大し、蒸散（熱放散）速度が大きくなっていくことを示している。
Fig.8 に示すように PAR の上昇に伴い、余剰エネルギーとしての蛍光強度(●)と VPD(▲)はほぼ直線的に上昇している。

(b)6．広域(群落レベル)の SIF 強度分布画像[4]Fig.10 の緑線（実線）は、日中の強光条件下の余剰エネルギーとして放出される蛍光強度スペクトルである。蛍光強度のある波長領域内の F780 フィルタ(点線)で撮影した蛍光と近赤外反射光の重畳画像から、画像ス
ケーリング法において蛍光強度が生じない波長領域の F740 フィルタ（青線・破線）で撮影した近赤外域(c)反射光画像を差し引くことにより (F780－F740) 、蛍
光強度分布画像を取得する。
2018 年 9 月 30 日(日) 夜間に最大瞬間風速 42m s-1という猛烈な台風 24 号が浜松市を通過し、静岡大学浜松キャンパスの樹木も大きなダメージを受けた。9月 28 日の台風通過前（Fig. 11 (a)）と 10 月 2 日の通過後(Fig.11 (b)）を比べると、距離 37 m の白板の後
方 48 m 右にあるケヤキは黄緑であった葉が一夜にして茶色に変色した。Fig.11 (c)と(d)は台風前後でのFig.5 Comparison of SIF and PAM . (a) Temporal changeof the SIF and PAR intensity. (b) Relation of fluorescence
yield and PAR. (c) PAR dependence of SIF intensity and ETR.

蛍光画像の比較であり、位置 3 のケヤキは灰色からほとんどが黒色に変化しており、蛍光強度値の低下

Fig.6 Stand-off measurement of a forest canopy( 8-12 September, 2015 ).

(a)
Fig.9 Stand-off measurement of a camphor and zelkova.
( 28 September, 2 October, 2018 ).

(b)

(c)

Fig. 10 Fluorescence and vegetation index measurementby the filter. (a) Band-pass filter, (b) F740, and F780
filters used for the Fluorescence measurement.
(a) 28 Sept. 11:54-11:57 (b) 2 Oct. 11:55-11:58

Fig.7 Temporal change of Photo, Cond, VPD andSIF intensity Quercus serrata .

Fig.8 PAR dependence of SIF intensity and VPD.

Fig.11 Observations before and after the passage of a strong
typhoon that hit Hamamatsu on September 30, 2018.

が見られる。強風によって、茎が折れ葉に養分や水(a)分が供給できなくなり、クロロフィルの含有量の低下に由来すると考えられる。クスノキは葉が振り落とされ、枝間隔が広げられたことによる葉密度の低白板下も起きている。Fig.11 (e)と(f)は、赤外線カメラを用いて樹木（群落）葉の表面温度を測定した。熱放散が活発であれば、群落の表面温度は低くなり、より濃い灰色となる。台風通過後（図 11 (f)）は、ほとんど濃い灰色はなくなり、熱放散が低下しているこ(b)とが分かる。
７．強光条件下におけるイネの SIF の画像計測と赤外線カメラによる熱放散の推定

手静岡キャンパス内の農学部の富田研究室の田圃において、イネの個体（複葉）レベルの SIF 強度分布画像と熱放散画像の計測を行った。具体的には、焦点距離 300mm の望遠レンズを CCD カメラに取り付け、F760 の狭帯域の干渉フィルタにより SIF 微細画像（図 12(a)）を取得した。また、熱放散が活発な植物 ほ ど、 葉の 表 面温 度は 低 くな るた め 、ス マホ（ iphone ） 接 続 型 の 赤 外 線 カ メ ラ (FLIR ONE Pro,1080×1440pixel)を用いて熱画像を取得した(図 12(b))。
圃場のイネなどの作物の生産への気候変動に伴う環境動態解析においては、個葉レベルではなく群落レベルでの植生機能の環境応答の解明が必要となる。
8. まとめ
室内において、LED 光(cyan filter+hot mirror 透過光)を用いたクロロフィル a (Chla)蛍光の測定を行なった。太陽誘起蛍光(SIF)には、適切光のもとでの Chla
蛍光と日中の強光条件下での余剰エネルギーとして放出される蛍光がある。
Chla 蛍光の 2 つのピーク波長の強度比 F740/F685 から Chla 含有量を推定する。Chla 含有量(F740/F685)とF740 のピーク値には相関関係が見られることから光合成活性の判断が可能となった。
PAM による光合成の電子伝達速度（ETR）と同様に SIF 強度からも PAR の上昇に伴う飽和曲線が得られ、光合成活性を判断する手法となった。
日中の強光条件下では光合成に使われるエネルギ

Fig.12 Image measurement of rice. (a) SIF intensity
image, (b) Thermal image using the infrared camera.
参考文献[1] K. Masuda , H. Saito, Y. Mabuchi, N.Manago, Hiroaki
Kuze : Stand-off measurement of solar-radiation Inducedvegetation fluorescence using oxygen A-band, IGARSSIEEE International, ,2993-2996, DOI:10.1109/IGARSS.
2014.6947106[2] K. Kuriyama (Masuda), N. Manago, H. Kuze, K. Homma,K. Muramatsu, K. Yoshimura, Y. Kominami, Spectral
image measurement of chlorophyll fluorescence using
the oxygen A-band: application to rice field and forest.
ISRS 2016, Jeju Island, Korea. 22-24 April 2016[3] K. Kuriyama(Masuda), N. Manago, H. Saito, H. Kuze,
Optical remote sensing of vegetation fluorescence on thecanopy level under insolation, International Symposium
Remote Sensing (ISRS 2015), A8-34, National Cheng
Kung University, Taiwan.
[4] K. Masuda , N. Manago, H. Kuze : Remote Sensing ofvegetation canopy fluorescence with wide-area imageacquisition. IGARSS IEEE International, THP1 pp.9,
Yokohama, July 28-August 2 , 2019.

ー割合(光合成収率)が低下し、余剰エネルギーとして放出される蛍光がほぼ直線的に上昇している。

謝辞

広角レンズを冷却式 CCD カメラに直接取り付け、本研究は、2012 年～2021 年度、千葉大学環境リモ

同じ視野内において光学フィルタにより波長帯域をートセンシング研究センターの共同利用研究の助成限定して複数の画像間の演算によって広域の蛍光強を受けた。また、平成 26～28 年度科学研究費補助

度分布画像を取得する新たな手法を開発した。

金・基盤研究Ｃ(課題番号 26340003)の助成を受けた。