葉の光合成活動を約7倍速く測定できる装置を開発―未知の生命メカニズムや遺伝子の発見に期待：京都大学/茨城大学ほか
(2021年6月7日発表)
京都大学大学院農学研究科の田中祐助教と茨城大学農学部の安達俊輔助教、大手計測器会社(株)マサインタナショナル（京都市）の研究グループは６月７日、植物の光合成活動によるCO2の吸収速度を効率よく測定できる新装置を開発したと発表した。これまでの装置と比べて約7倍も測定効率が上がる。光合成の仕組みのより深い理解と活用につながり、複雑な生命システムの発見にも役立つとみている。
光合成は太陽光エネルギーによって、水と大気中のCO2から炭水化物（しょ糖やでんぷん）を合成する仕組みで、地球上の炭素循環や作物生産の基本となる極めて重要な生命プロセスである。
光合成の簡単な仕組みは小学校でも教わるものの、実際には複雑で奥が深く、精密な観測もできていない。植物の営みを理解するには、まず葉によるCO2ガスの吸収速度を正確に把握する必要がある。
現在の測定法は「解放型」と呼ばれ、葉を数十㎤程度の同化箱に挟み込み、外気を循環させながら箱に流入する前後のCO2の濃度変化から算出した。濃度差が大きいほど光合成が活発な証拠になる。
この方法はCO2濃度の安定に時間がかかり、１枚の葉の測定に数分以上もかかって効率が悪かった。複数のセンサーや空気循環用のポンプなども必要で、扱いが煩雑でもあった。
研究チームが考案したのが「閉鎖型」システム。箱の中に測定する葉を配置し、外気は循環させない。CO2は光合成で消費されると急速に濃度が低下する。この低下率から合成速度を算出する。
直接検知が可能で、CO2濃度が安定するまで待機する必要がなく、理論的には数秒以内で迅速な測定ができる。装置が単純で扱いやすく、小型・低価格化ができる画期的なシステムだ。
濃度変化をリアルタイムで検知するには高性能のセンサーが欠かせない。CO2が特定の波長の赤外線をよく吸収する性質を利用して、ほぼリアルタイムで濃度変化を検知できるセンサーを考案、このセンサーを組み込んだ新型の光合成測定装置「MIC-100」を開発した。イネとダイズの実証実験をしたところ、CO2吸収速度を理論通りの数秒以内に算出できた。
実際には測定する葉の選定や同化箱内への葉の固定、データ入力などの手続きがかかるが、１サンプルあたり３０秒以内で測定ができる。従来の開放型と比べると数倍から10倍のスピードアップができたという。この装置ではまだ蒸散速度などが得られないため、さらに改良を進めている。
将来、自然界に存在する多様な陸上植物や作物品種の光合成を大量・迅速に測定できるようになれば、光合成に関わる未知のメカニズムや新たな遺伝子の発見などにもつながるものと期待している。
