植物体内を流れる光合成産物の転流速度のリアルタイム計測-スマート農業、植物工場への適用国立研究開発法人 量子科学技術研究開発機構
量子ビーム科学部門
高崎量子応用研究所 放射線生物応用研究部
プロジェクト RIイメージング研究
研究員 三好悠太
2022年7月26日
1

研究分野の概要
⾼度な環境制御技術やICTを活⽤した植物⼯場やスマート農業が普及拡⼤

植物の⽣理情報をモニタリング

湿度︖
度温︖

⽣理機能を⾼める
環境調節2

研究分野の概要
⾼度な環境制御技術やICTを活⽤した植物⼯場やスマート農業が普及拡⼤
光合成産物の輸送（転流）速度をリアルタイムに計測する新技術を考案︕!
転流情報＋

植物の⽣理情報をモニタリング

湿度︖
度
温︖

⽣理機能を⾼める
環境調節3

研究分野の概要
⾼度な環境制御技術やICTを活⽤した植物⼯場やスマート農業が普及拡⼤
光合成産物の輸送（転流）速度をリアルタイムに計測する新技術を考案︕!
転流情報＋

植物の⽣理情報をモニタリング

転流機能

湿度︖
度温︖

＋

⽣理機能を⾼める
環境調節4

研究分野の概要
⾼度な環境制御技術やICTを活⽤した植物⼯場やスマート農業が普及拡⼤
光合成産物の輸送（転流）速度をリアルタイムに計測する新技術を考案︕!
アウトカム

転流情報＋

植物の⽣理情報を• 転流速度のリアルタイムな計測値に基づき、転流機能を⾼める新しいモニタリング
スマート農業技術の創出
湿度︖
度
温︖

• 現施設に⼤きな変更を加えることなく（⾼額な投資なしに）、単位⾯
転流機能
積当たりのイチゴの収量を増加＋
⽣理機能を⾼める
環境調節• ⾼品質な作物を安定して多量に⽣産する超⾼収益農業の実現
5研究分野の概要
⽇本におけるイチゴ収量の推移• 2002年ごろまで収量は年々増加
2002 年 以 降 は 収 量 が 伸 び 悩 み 、2015年時点で約1.01倍増に留まる
1.01倍• 2015年以降収量が再び増加傾向
植物⼯場・スマート農業等での、植物⽣理を基盤とした栽培技術の⾼度化が要因︖

出展: 野菜⽣産出荷統計（イチゴ）

これまで考慮されなかった転流を組み込み更なる増収を⽬指す︕︕
6

研究分野の概要
栽培現場でモニタリングされる⽣理情報
光合成

呼吸

…

蒸散・草丈・葉⾯積・果実肥⼤光合成を促進するような環境制御が主流だが…
光合成は間接的にしか収量品質に影響しない
光合成を促進しても、作られた光合成産物の約10%程度しか果実に蓄えられず、ほとんど葉に留まるケースも

養⽔分吸収
7

研究分野の概要
収量・品質に直接影響する重要な⽣理機能︓光合成産物の転流
光合成
光合成産物

転流

光合成産物の果実への転流を促進するような環境制御

時々刻々と変化する転流動態のモニタリングが必要︕︕
果実の成⻑を⽀配
8

新技術の特徴
栽培現場で光合成産物の転流速度をリアルタイムに計測する︕︕
キーワードはサップフロー（サップフロー）液体流速

9従来技術とその問題点
研究レベルで光合成産物の転流動態を評価する⼿法は存在するが…
13Cトレーサー法

ポジトロンイメージング技術

導管流師管流13C

ヒート
導管流リング法

肥⼤計測

植物のサンプリングが必要
⼀定期間の積算値を評価

11C radioactivity

師管流

2Low

13CO

High

イチゴ果実へ転流する11C-光合成産物の様⼦

放射線管理区域でのみ使⽤可能10新技術の特徴
茎表⾯の熱伝導速度を計測し、茎の内部を流れる液体の流速を評価（サップフロー）

現状のセンサスペック
・1-5mmの果柄に設置可能
・センササイズ 30×30×40mm程度
・加熱電⼒ 30mW
・測定範囲<3 ml/h
加熱⽅法、センサ形状など更なる条件検討の必要あり︕︕

サップフローから導管流を切り分けることで転流速度をリアルタイムに評価
ポジトロンイメージング
技術で答え合わせ11

新技術の特徴
サップフローから導管流を切り分ける① -同化箱法-

・チャンバーに果実をセットし流⼊/流出する空気の⽔蒸気濃度を計測

サップフローセンサと同化箱法の差分から、転流速度をリアルタイムに評価
12

新技術の特徴
サップフローから導管流を切り分ける② -コールドガードリング法-

・ペルチェ素⼦を利⽤したクリップ型の冷却装置を試作
・果柄温度を-5℃~30℃まで操作可能

コールドガードリングオン/オフの差分から転流速度をリアルタイムに評価
13実証試験
イチゴ果柄にサップフローセンサを設置、果実への転流動態を評価

Low

果実❶

11

果実❶へ転流した光合成
Fruit 1
産物量の経時変化

800600

転流速度が低下

400200001300

sapflow (mV)果実❶

11C radioactivity

High

サップフローセンサ

C radioactivity (cps / MBq)

1000

4080
Time (min)120160

サップフローセンサ出⼒値

1200
1100
1000
900060Time (min)120180果実への転流速度が低下したタイミングで、サップフローセンサの出⼒値も低下
14実⽤化に向けた課題
1st ステップ

2nd ステップ

3rd ステップ
実際の植物⼯場等で試験し、植物育成作業等への影響評価考案した転流計測シス
テムの有効性を確認

対象植物に併せて、センサ
転流の情報を現場に提供
形状やヒーター加熱⽅法等するソフトウェア開発の条件検討
転流計測システムの試作開発転流計測システムの実⽤化

イチゴやトマトを代表に、施設園芸におけるスマート農業や植物⼯場での栽培対象となるあらゆる植物へ展開を想定
15

新技術の応⽤
代表的な施設園芸作物であるトマト栽培を例に…

コンピューターによる環境制御技術が進展した1985年以降オランダでは収量が⼤きく増加
⽇本での収量は⼀定の⽔準で推移（伸び悩み）

出展: オランダ;FAOSTAT， ⽇本; 野菜⽣産出荷統計（冬春トマト）

これまでほとんど考慮されていない転流を基盤とした新たな栽培管理に
よって収量伸び悩みを打破し、⾶躍的に増加させる可能性
16想定される⽤途
植物⼯場・スマート農業に転流計測システムを導⼊:0013:0
0:00121110:00

転流速度

転流計測システムを導⼊

果実への転流速度をリアルタイム計測

転流が遅くなってきてるな…
○○処理をしよう!

• 転流動態に基づき、転流機能を⾼める新たな栽培管理を創出• ⾼収量、⾼品質⽣産を実現
17

企業への期待
協働したい項⽬
転流計測計の試作
実際の栽培現場での実証試験

転流計測システムの製品化• スマート農業や植物⼯場へ導⼊するセンサや、植物⽣理情報を活⽤した営農管理システムの開発技術等を持つ企業（分析・計測装置メーカー）との共同研究を希望。
• スマート農業や植物⼯場など、植物⽣理に基づいたデータ駆動型農業分野への展開を考えている企業には、本技術の導⼊が有効と思われる。
18

本技術に関する知的財産権
発明の名称︓ 植物の育成管理システム、植物の育成管理⽅法、師管転流速の測定⽅法及び師管転流速の算出プ
ログラム、植物の⽣産⽅法
出願番号 ︓特願2021-130988
出願⼈

︓量⼦科学技術研究開発機構

発明者

︓三好悠太、尹永根、鈴井伸郎、河地有⽊

19

お問い合わせ先
国立研究開発法人
量子科学技術研究開発機構
イノベーションセンターまでお願いいたします。
ＴＥＬ 043－206 － 3146（共同研究）
ＴＥＬ 043－206 － 3027（ライセンス）
ＦＡＸ 043－206 － 4061
e-mail innov-prom1＠qst.go.jp（共同研究）
e-mail chizai＠qst.go.jp（ライセンス）
20

ご清聴ありがとうございました
植物⼯場・スマート農業に転流計測システムを導⼊:0013:0
0:00121110:00

転流速度

転流計測システムを導⼊

果実への転流速度をリアルタイム計測

転流が遅くなってきてるな…
○○処理をしよう!

• 転流動態に基づき、転流機能を⾼める新たな栽培管理を創出• ⾼収量、⾼品質⽣産を実現
21