Development of A Plant Growth Simulation Model …...Laboratory of Environmenta lControl Engineering, Graduate School of Horticutul re, Chiba University 植物生育に有効な光の波長域

Laboratory of Environmental Control Engineering, Graduate School of Horticulture, Chiba University

日本農学アカデミー公開シンポジウム

人工光下の植物育成と光環境制御

千葉大学大学院園芸学研究科後藤英司

2013年11月9日


１．植物生育に適する光源

２．人工光下の光合成

３．人工光下の光形態形成・物質合成

４．まとめ

2

講演内容


植物生育に有効な光の波長域

R FR B G UV-A

300 400 500 600 700 800 波長 (nm)

光合成

光形態形成

IR UV-B UV-C

機能性物質の合成

着色の促進花成誘導

葉の形態形成

茎伸長

花成誘導開花調節

光合成の促進

茎伸長病害抵抗性の誘導

フィトクロムクリプトクロム／フォトトロピン

クロロフィル／カロテノイド

光受容体

光合成色素

3

可視光（人間）


0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

350 400 450 500 550 600 650 700 750波長（nm）

4

人間が好む光の波長域

自然光のスペクトル

光量

子比

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

波長 (nm)

蛍光ランプ（3波長形、昼光色）

光量

子束

( μm

ol m

-2 s-1

nm

-1)

・白色といっても、自然光と蛍光ランプはまったく違う・蛍光ランプは、緑色の割合が高い

蛍光ランプのスペクトル

R B G


0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

波長 (nm)

5

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

350 400 450 500 550 600 650 700 750

波長（nm）

比視

感度

人間は、緑（555 nm）を最も明るく感じる。赤色と青色は、暗く感じる。そのため、人間用照明には、緑色を多く含んだ白色を作る

人間が好む光の波長域

人間の比視感度曲線蛍光ランプのスペクトル

蛍光ランプ（3波長形、昼光色）

光量

子束

( μm

ol m

-2 s-1

nm

-1)


人間の比視感度曲線

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

350 400 450 500 550 600 650 700 750

波長（nm）

比視

感度

緑色光を多く含む人間照明用の光源は非効率

70

80

90

100

400 450 500 550 600 650 700

波長 (nm)

葉の

吸収

率 (

%)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

光合

成効

率、

光量

子数

（相

対値

）

吸収率

光合成効率

光量子数

6

植物葉の吸収スペクトル・光合成効率吸収スペクトルはトマト、キュウリ、ナスの平均値。光合成効率は数種類の作物の平均値。

人間照明用と植物育成用の光源は、同じではいけない

Laboratory of Environmental Control Engineering, Graduate School of Horticulture, Chiba University 7

高圧ナトリウムランプ・メタルハライドランプ

今までの植物工場の光源（人間照明用の光源を"しかたなく"使用）

蛍光ランプ


～ピーク波長を１つ持ち、強光を作れる～

=>植物工場の光源に使える。

8

LED（発光ダイオード）の特徴

空冷式でPPFが 1,000 μmol m-2 s-1

夏季の自然光に匹敵する強光を作れる

ウシオライティング、昭和電工、千葉大学で開発(2010）


LEDで植物育成用の光質を作る

9

R FR B G UV-A

300 400 500 600 700 800 波長 (nm)

IR UV-B UV-C

機能性物質の合成

着色の促進花成誘導

葉の形態形成

茎伸長

花成誘導開花調節

光合成の促進

茎伸長病害抵抗性の誘導

青（光形態形成）と赤（光合成）をベースとする光質がベスト


LEDと蛍光ランプの生育比較（リーフレタス）

LED 青（B)と赤（R)の光量子比

蛍光ランプ（FL)

光強度は同一（200 μumol m-2 s-1）

100 80

0

20

40

60

80

7 14 21 28 35

B1R2B1R3B1R4FL

abc

c

a

ab

bb

播種後日数

可食

部生

体重

(g)

乾物重

Furuyama, S. et al. 2014. Acta Hort., in press


LEDと蛍光ランプの照明コスト（リーフレタス、計算値）

青色LED （B）

赤色LED （R）

B:R １：３

白色蛍光灯

光合成量（乾物重）

100 80

電気－光変換効率(%)

35 45 42.5 23

消費電力あたりの光合成量

4250 1840

光合成量あたりの消費電力

0.43 1.0

・LEDの照明コストは、蛍光灯の半分以下

・室内への発生熱が減るので、空調コストも約半分

・植物工場の電気使用量を約半分に低減することが可能





４．まとめ

12

講演内容


過去８年間、当研究室が植物工場で栽培試験した作物

レタス類（リーフレタス、サラダナ）

コマツナ、チンゲンサイ、ホウレンソウ

ルッコラ、モロヘイヤ、ケール

スプラウト、ハツカダイコン

イチゴ、トマト、キュウリ

イネ、ダイズ

シソ、ハッカ、カンゾウ、スイカズラ、セントジョーンズワート

シロイヌナズナ、ベンサミアーナタバコ

コチョウラン、トルコキキョウ


0

500

1000

1500

2000

2500

4 8 12 16 20Time (h）

人工環境下の光合成の好適条件 P

PF

(µm

ol m

-2 s

-1)

日積算光量が 43 mol m-2 /dになるように光強度を設定

明期の気温 27oC一定

水田の約５ヶ月間の

平均日積算光量 DLI= 43 mol m-2 /d

人工環境下のイネ栽培のための光強度、明期、気温の作り方

14

PPF 1000 1000 1200 Paddy field Planting density(m-2)

90 120 120

DLI 41 41 49 43 Avg Temp 25 25 25 24

0

200

400

600

800

1,000

1,200

Ric

e yi

eld

(g/m

2)

0

50

100

150

200

LUE

(g/k

mol

)

Productivity Light utilization efficiency

ワクチン米


人工光型下での作物ごとの投入光当たりの光合成量

レタスイチゴトマトイネ

栽培期間（栽培室内）日 30 90 90 100

栽培サイクル回/年 12 4 4 3.6

可食部収量 gFW m-2 /年 30,000 12,800 30,000 2,880

乾物率 % 5 10 6 85

収穫指数 0.9 0.5 0.5 0.5

総乾物重 gDW m-2 /年 1,667 2,560 3,600 4,896

栽培時の光環境

光強度（PPF） μmol m-2 s-1 200 300 600 800

明期 h /d 16 16 12 12

日積算PPF mol m-2 /d 11.5 17.3 25.9 34.6

年積算PPF mol m-2 /年 4,150 6,220 9,330 12,440

投入光当たりの光合成量 g/mol 0.40 0.41 0.39 0.39

引用：後藤英司、TechnoInnovation、70：20-25、2009.


人工光型下での作物ごとの投入光当たりの光合成量

PPF=200 （照明電力 200とする）

冷凍機電力 50

合計電力 250

PPF=800 （照明電力 800とする）

冷凍機電力 200

合計電力 1000

光合成産物 100 光合成産物 400

光合成産物あたりの照明・空調のランニングコストは，植物種や光強度の影響はあまり受けない → 食用でなく、物質生産であれば、どの種類の植物でも利用可能

レタスイネ

ランプ





１）茎伸長の制御

２）花成の制御

３）ファイトケミカルの合成

４）抗酸化能の増加

４．まとめ

17

講演内容



R75B75 R105B45

B150 R150

Leng

th (m

m)

Hypocotyl 1st internode

R150 R105B45 R75B75 B150 0

10 20 30 40 50 60 70 80 90

100 Stem a

b c

b a

b c

b

a

b c bc

Mastuo, S. et al. 2011. Joint International Symposium on Japanese Solanaceae/Cucurbitaceae Genomics Initiatives, Tsukuba, March, 2011.

図異なるR/B比で育てたトマト苗の茎長・胚軸長・節間長（品種：麗容） RとBに続く数値はPPF (umol m-2 s-1)

人工光育苗


Mastuo, S. et al. 2011. Joint International Symposium on Japanese Solanaceae/Cucurbitaceae Genomics Initiatives, Tsukuba, March, 2011.

mR

NA

発現

量、

相対

値

SlGA3ox3 SlGA2ox7

0.00

0.02

0.04

R150 R105 B45

R75 B75

B150 0

1

2

R150 R105 B45

R75 B75

B150

GA4

GA2ox

GA24 GA9

GA51 GA34

GA20ox GA20ox GA3ox

GA2ox

R/B比が活性型ジベレリン生合成に関する遺伝子発現に関与


定植する本圃の条件に適するトマト苗を生産


抽台したホウレンソウ

0

5

10

15

20

25

0.1 0.6 1.0 1.7 10.0Fl

ower

sta

lk le

ngth

(mm

)B:R

0

5

10

15

20

25

30

35

0.1 0.6 1.0 1.7 10.0

Day

s to

bol

ting

B:R

抽台

まで

の日

数

花茎

長

青色光割合を高めると、花芽分化が抑制されて、抽台が遅くなる

図異なるB/R比で育てたホウレンソウの抽台（品種：ディンプル）

Goto, E. 2012. Acta Hort., 956: 37-49.

抽台しないホウレンソウ



青色光が多いと活性型ジベレリン合成が抑制されるため、抽台が遅れる

Goto, E. et al. ISHS 5th International Symposium on Artificial Lighting in Horticulture, June 21-24, 2005, Lillehammer, Norway, 66


0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

16 18 20 22 24 26 28 30

播種後日数

SoG

A20

ox/1

8SrR

NA

B:R=0.3

B:R=10

抽台開始抽台

まだ

GA20-酸化酵素 GA3-酸化酵素

SoGA3ox

GA20 GA1

(活性型ジベレリン)

GA8 GA２９

GA2-酸化酵素

GA53

SoGA20ox

SoGA2ox



青色光は，幼穂分化を早める（生殖成長への転換を早める）効果【花成誘導】穂形成を促進する効果【幼穂形成促進】

Ｗ（白色）Ｂ（青色）

W（白色）

R（赤色）

0 23 33 43 53 63 73 80

発芽幼穂分化出穂 - 12h日長で実験 -

図光質とイネの花成誘導、幼穂分化、出穂（品種、日本晴）

収穫までの日数を短縮できるので、品種改良や遺伝子組換えイネの系統選抜


青色光（400～500 nm）を増加 →

B3 B82 B17 B32

図異なる青色光割合で育てた赤系リーフレタスのアントシアニン濃度（品種：レッドファイアー）数値は光合成有効光量子束に対する青色光量子束の割合

02468

1012141618

B3 B5 B11 B17 B32 B82アン

トシ

アニ

ン(C

3G

) 濃

度

(mg/

g le

afD

W)

青色光割合(%) 青色光割合を高めると、抗酸化作用のある赤色アントシアニン色素が増大

Goto, E. 2012. Acta Hort., 956: 37-49.

３）ファイトケミカルの合成ー機能性成分


B/R比がアントシアニン生合成に関する遺伝子発現に関与（2日で効果）

SHOJI, K. et al. 2010. J. SHITA 22(2): 107-113.



0

100

200

300

400

500

600

700

200 500 1000 1500

UV-B強度（mW/m2）

クロ

ロゲ

ン酸

濃度

（μ

g/gF

W）

図紫外線照射がモロヘイヤ葉のクロロゲン酸濃度に及ぼす影響

紫外線の必要性：UVは機能性成分合成に効果的

Goto, E. 2012. Acta Hort., 956: 37-49.



紫外線の必要性：UVは薬用成分合成に効果的

0

20

40

60

80

100

120

H M L

WWAWBWAB

l-men

thol

濃度

(µg

cm-2

) a a

ab

b

葉位（H：上位葉、M：中位葉、L：下位葉）

W：白色蛍光灯のみ WA：白色蛍光灯にUV-A付加 WB：白色蛍光灯にUV-B付加 WAB：白色蛍光灯に UV-AとUV-Bを付加

紫外線を付加すると、葉の中の薬用成分が増大する図異なる紫外線（UV-A、UV-B）の組み合わせで

育てたニホンハッカ（ミント）の l -メントール濃度。 l -メントール：漢方薬の成分

Hikosaka, S. et al. 2010. Environ. Control in Biol., 48:185-190.

３）ファイトケミカルの合成ー薬用成分


４）抗酸化能の増加 –ORAC値 U

V 強

度、

相対

値

波長 (nm)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

200 300 400 500

290 nm

320 nm

340 nm

0

5

10

15

Cont. 290 nm 320 nm 340 nm

b

a

abab

0

20

40

60

80

Cont. 290 nm 320 nm 340 nmCont. 290 320 340

アン

トシ

アニ

ン濃

度

530 n

m O

D /

FW

Tota

l O

RA

C

(µm

ol Tro

lox

equiv

. g-

1 F

W)

紫外線照射が赤系リーフレタスのORAC値（抗酸化能）に及ぼす影響







３）ファイトケミカルの合成

４）抗酸化能の増加

４．まとめ

28

講演内容


２．人工光下の光合成投入光当たりの光合成量は植物種間にあまり差がない。 →物質合成、たとえば植物工場で遺伝子組換え作物を生産し、可食部を医薬品原材料（経口ワクチンなど）にするイネ、ダイズ、トマト、レタス、、、何でも宿主になりえる３．人工光下の光形態形成・物質合成１）茎伸長の制御・・・高品質野菜や苗を作る２）花成の制御・・・高品質苗や花きを作る。育種に活用３）ファイトケミカルの合成・・・機能性野菜、薬用植物の生産性UP ４）抗酸化能の増加・・・「食べて健康、食の機能性」にマッチ

４．まとめ -光を利用する植物の生育制御



～単色光を作る方法～

光源（キセノンランプ、ハロゲンランプなど）

＋

色フィルター（シャープカット、バンドパスなど）

基礎研究に適するが、強光で広いエリアを照射するのは難しい。

=>農業には使えない。

31

人工光を用いる植物研究（1950年代～）

１．LEDの特徴と植物工場への展開


1980s - 1990s 光源: 高圧ナトリウムランプ栽培棚：平面式

人工光型植物工場の特徴 - 生産性向上に貢献した技術 -

2000s - 光源: Hf 蛍光ランプ栽培棚：多段式蛍光ランプからLEDへ

１）照明

２）空調（冷凍機）

インバーター式、COP（成績係数）の向上

近接照明の実現


ピーク波長を１つ持つため、複数のLEDを組み合わせて、さまざまな色を作れる

調光が容易

寿命が長い（蛍光灯 14,000 h、LED 40,000 h）

素子が小さいため、任意の形状・サイズの照明器具を作れる

指向性が強いため、必要な場所にだけ照射できる

点滅を繰り返しても、劣化しない

水銀を含まない

ラボで得た好適条件を商業栽培で実現できる

33

LEDの特徴

１．LEDの特徴と植物工場への展開


植物工場で利用されるLED光源の種類

ラインLED 直管型LED パネル型LED

３．LEDの利用


光量

子束

( μm

ol m

-2 s-1

nm

-1)

青赤LEDのスペクトル

LEDの注意点（光質の選択ミスは致命的）

35

・白色といえども、LEDと蛍光灯はスペクトルが大いに異なる・白色LEDは植物育成には適していない・蛍光灯とほぼ同じ程度の照明コストがかかる（推定）

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

波長 (nm)

青色LED 赤色LED

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

波長 (nm)

LED（昼光色）蛍光ランプ（昼光色）

白色LEDのスペクトル

３．LEDの利用


図植物工場で有用物質を大量生産するための光環境制御の考え方（例：赤系リーフレタス）

発芽葉面積の増大収穫

赤色光で光合成を促進

青色光や紫外線で目的成分を増大（例：２日間）

葉の成熟

収穫直前 30日間

光を利用する植物の生育制御－色素合成

４．光を利用する植物の生育制御


４．まとめ -光を利用する植物の生育制御

植物は様々な環境適応能力を持っている ↓

環境ストレス（光，温度，養分等）を適度に与えると、植物は潜在能力を最大限に発揮させて、

有用成分（ビタミンや機能性成分）の含有量を増加する

根圏

地上部環境ストレス

肥料・水・温度等の管理

Documents

Development of A Plant Growth Simulation Model …...Laboratory of Environmenta lControl Engineering, Graduate School of Horticutul re, Chiba University 植物生育に有効な光の波長域