测定植物对环境胁迫的反应！
揭秘助力智慧农业发展的感知技术<前篇>

利用感知技术挑战农业面临的课题

── 请介绍一下当前农业面临的课题。

（玉城）
农业面临的课题有很多，例如，农户老龄化导致劳动力减少，废弃耕地增加等，近年来，尤其受到关注的问题是资材价格的上涨。
新闻就聚焦了肥料价格飙升的问题，而且，在使用塑料大棚等的设施园艺方面，钢材价格的上涨也给农户造成了沉重负担。尤其是过去曾遭受最大瞬时风速超过80m/s的台风袭击的冲绳，需要抗风性极强的园艺设施，因此，钢材价格的飙升成为了一个亟待解决的问题。
为尽可能打开这一局面，我所属的农业系统开发组正努力开发成本低廉、抗风能力强的园艺设施。虽然说要设计抗风能力强的设施，但是作为培育农作物的设施，采光也同样重要。比如，在荷兰有报告称增加1%的光，就能实现1%的增收。但是，我们要开发的必须是既有高采光率，又能以细框架抗强风的园艺设施。这是一个非常棘手的问题。

另外，冲绳是亚热带气候，长年处于高温潮湿的环境中。因为潮湿，就很难使用细雾制冷^*1和湿帘风机^*2等低成本的降温技术。并且，这里夜间温度很高，日照量变化也很显著。从农作物培育的角度来说，这样的环境并不合适。但是，人为改变气候是不可能的，因此，评估农作物的状态，开发尽可能提供适合农作物的环境的技术，是我们的职责之一。

*1) 在园艺设施内设置喷出雾状水的喷嘴，利用间歇或连续喷出的水雾气化时带来的气化冷却效果，降低设施内温度的降温方式。

*2) 在园艺设施的山墙面和侧面安装湿帘（具有高锁水力的填充物），当外气通过湿帘时，空气被气化冷却，然后进入设施内，达到降温效果的系统。

── 针对这一课题，SSS采取了哪些措施？

（小川）
SSS正尝试用高光谱相机测量植物的压力状态。人类通过三种细胞识别RGB代表的红色、绿色和蓝色，而高光谱相机能够区分人类无法识别的颜色差异。这比传统的人眼可见的RGB成像技术更进一步，它通过测量更多波长，测量和分析不同波长的光的吸收率与荧光，从而以光学手段实现对植物内部生理状态的测量。

以番茄为例，当番茄变红时，看起来就会很美味，这是因为番茄只反射红色光线，吸收蓝色和绿色光线，从而让我们觉得番茄变红了。而番茄的红色与番茄内的色素成分番茄红素密切相关，利用光谱测量法识别人眼无法识别的颜色上的细微差异，可以帮助我们分析内部组成。在此次研究中，我们将我们专有的感知技术应用于研究高光谱相机的数据，以使用光谱测量来实现精确的植物分析。

植物的色素结构会在几分钟内发生变化。这是因各种环境压力导致的。比如，动物会在缺水时转移到有水的地方，在天热时转移到阴凉处，而植物无法移动位置，因此，必须让自己的身体适应环境。

── 我们是否可以把植物的压力等同与人类的压力？

（小川）
人类在没有食物的状态下持续工作会感觉到压力，但就植物而言，即使在某些情况下，例如因缺水而无法进行光合作用，它们也必须对持续吸收的大量太阳能做出反应。当光、水等投入到植物上的条件不匹配时，就会形成巨大压力。植物就算处于压力巨大的环境中，也无法改变自己的位置，因此，它们就通过改变自身内部的结构来应对不断变化的周边环境，这种改变有时甚至是在瞬间发生的。

起初对共创不感兴趣

── 请介绍一下共创的契机。

（小川）
我现在所在的UNVS开发部正尝试通过感测地球上的所有事物，利用通信、AI等技术，为解决地球环境等社会课题做贡献。农业方面的研究开发也是活动的一环。由于SSS与东北大学的基础研究揭示了测量原理的可能性，我们开始了面向实际应用的经验研究。当时，东北大学向我们介绍了冲绳县农业研究中心，于是我们就联合研究一事联系了冲绳县农业研究中心。

（玉城）
我们的任务之一就是构建农作物的最佳环境。因此，在与小川先生接洽前，我们一直在进行光合作用的测量和研究工作。尽管过去使用的机械可以正确测量光合作用，但是只能以一片树叶为对象。但我们的目标是构建农作物的最佳环境。因此，需要对叶子群落和整个田地中的农作物的光合作用量进行评估，这项工作非常困难。

在这样的背景下，通过东北大学彦坂教授的介绍，我结识了小川先生。实际上，我认为对于他最先提案的课题，很难共同推进。因为我认为要研发能在冲绳的农业现场使用的技术，还有许多课题需要解决。我们的研究是以发展冲绳县农业为目标的，因此，就算是有协助研究的委托，也不可能草率答应。我们参与研究后的成果能回馈冲绳县的农业，这是必不可少的条件。
之后，在与小川先生的交流中，我也询问了他未来的研究目标。那就是我们现在一起在推进研发的植物对环境胁迫的反应测定，而我也从中受到启发，意识到这项技术可以应用于冲绳的农业现场。于是，我同意与他一起进行这项技术研究。

── 实际开展了哪些研究？

（小川）
我们现在在研究的是热放散的感知，这是植物的压力反应机制之一。如前文所述，不能用于光合作用的过多光能会给植物带来压力。光合作用是叶绿素*3吸收光能并从二氧化碳和水产生葡萄糖的过程，但在强光条件下，色素Xanthophyll相关的机制会将剩余的光能转化为热能并放散。通过使用高光谱相机测量和分析这种色素转化，可以估算植物的压力水平。

*3) 植物叶子的绿色色素，又称为“叶绿素”。

具体来说，我们在接近实际农田的环境中和生长过程中测量植物对环境压力（例如，减少灌溉）的反应，并使用专门的手法确认这些反应。

（玉城）
刚才小川先生提到了热放散，而NPQ*4常被用作表示热放散的指标。相机测量得到的NPQ较高，就意味着植物正承受着压力。通常有一个数值，代表在这个环境中，植物必须进行的光合作用的量，但是如果受到压力，NPQ的值就会上升，而光合作用的量则会下降。如果出现这种情况，产量就会受到影响，所以必须采取对策。
但是在农业现场也存在NPQ低，光合作用量也低的状况。这表明存在压力以外的问题。注意到这些问题的存在也很重要，让无人机全天飞行，尽早注意到“这里没有问题”、“这里有些异常”，然后尽早处理，也会给产量带来显著影响，因此，非常重要。从这项研究开发中，我们可以看到这样的未来前景。

*4) 收集的光能不用于光合作用，而是作为热能废弃的机制

── 冲绳县经常遭遇台风，这个地区是否会对植物造成较大的压力？

（玉城）
以亚利桑那州为例，那里降水量很少，环境严酷，但是反过来说，如果有水，那里的环境一年四季还是很稳定的。现在，那里的人们利用较低成本的制冷技术，能够将白天园艺设施内的气温维持在20℃，从而构建起非常有利于植物培育的环境。另一方面，冲绳县经常遭遇台风，不同日子的气温变化也很大。而且多云天气频繁，本以为是大晴天的时候却立即变为阴天，过一会儿太阳又出来了。这种气温与日照量的急剧变化对植物而言可能不是一个有利的环境。另外，在离岛地区，缺水的情况频繁发生。这样的条件会给植物造成压力，导致产量下降。这是冲绳县的一个大难题。

植物在压力重重的环境中，仍在努力生长、适应。如果植物枯萎，我们一眼就能看出它的糟糕状态，例如，当冲绳的主要农作物甘蔗枯萎时，可以认为它在很长的时期里都处于压力状态下。尽早把握压力发生的状态并采取对策有助于确保稳定的产量。