非線形振動子制御理論を用いた植物概日時計制御技術の構築

利用非线性振荡器控制理论构建植物生物钟控制技术

• 批准号: 18J20079
• 负责人: 増田 亘作
• 金额: $ 1.79万
• 依托单位: Osaka Prefecture University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2018
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2018-04-25 至 2021-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-18J20079/
• 关键词: 概日リズム; 位相応答; 数理モデル; 同期制御; 植物工場; シロイヌナズナ

植物工場の主要な生産品目であるリーフレタスを用い、これまでの研究で示された概日時計の位相応答曲線（PRC）の計測手法とPRCに基づいた栽培環境設計の有効性を検証した．まず，先行研究で示されたPRC推定手法の有効性を検証した．実験では遺伝子組換えリーフレタスを用い，発光計測により時計遺伝子CCA1のリズムを計測した．恒明条件下で11日経過させた後，暗期・温度刺激を加え応答を計測した．結果，恒明条件下では時間経過によりリズムの振幅が0に至り，この状態での刺激によりリズムが特定の位相・振幅にリセットされることが確認できた．さらに，それぞれの刺激に対する応答が，シロイヌナズナの応答特性と類似することが分かった．次に，概日時計の時空間パターンを用いたPRC計測手法の有効性を検証した．植物の概日時計では自発的あるいは環境制御により，根や葉の中に複数の位相が存在する時空間パターンが現れる．この状態で刺激を与えることで全ての位相に対する応答を一度に計測できる．この手法を用いてリーフレタスのPRCを計測した．結果，リーフレタスにおいても根と葉に時空間パターンが現れ，この状態での刺激に対する応答からPRCを計測することができた．最後に，リーフレタスを用いてPRCに基づいた栽培環境設計の有効性を検証した．明暗と冷温サイクルの複合環境においてそれぞれの時差を変化させ概日リズムと生育を計測した結果，シロイヌナズナと同様にサイクル間の時差により生育量が変化し，この変化に概日リズムの振幅と正の相関があることが分かった．また，PRCを用いたシミュレーションにより，振幅の変化が予測できることが分かった．これらの結果を組み合わせ，PRCに基づいて環境の変化に対する生育量の変化を予測できることが確かめられた．以上の結果から，概日時計の応答特性を植物工場での栽培に応用するための一連の計測手法と利用方法を提案した．

利用植物工厂的主要产品生菜，验证了以往研究中生物钟相位响应曲线（PRC）测量方法以及基于PRC的栽培环境设计的有效性。首先，我们验证了先前研究中显示的PRC估计方法的有效性。在实验中，我们使用转基因叶用生菜，通过测量发光来测量时钟基因CCA1的节律。在恒定光照条件下 11 天后，施加黑暗和温度刺激并测量反应。结果证实，在恒定光照条件下，节律的幅度随着时间的推移达到0，并且在此条件下的刺激将节律重置为特定的相位和幅度。此外，发现对每种刺激的反应与拟南芥相似。接下来，我们利用生物钟的时空模式验证了 PRC 测量方法的有效性。在植物生物钟中，由于自发或环境控制，根和叶中出现多个阶段的时空模式。通过在这种状态下施加刺激，可以立即测量对所有阶段的反应。使用这种方法，我们测量了叶用生菜的 PRC。结果，叶用生菜的根和叶中出现了时空模式，我们能够根据这种状态下对刺激的反应来测量 PRC。最后，我们利用生菜验证了基于PRC的栽培环境设计的有效性。通过改变各自的时间差来测量光/暗和凉爽温度循环的复杂环境中的昼夜节律和生长，我们发现，与拟南芥类似，生长量根据周期之间的时间差而变化，而这种变化与昼夜节律的幅度和正值之间存在相关性。我们还发现，可以通过 PRC 进行模拟来预测幅度的变化。结合这些结果，我们确认可以根据 PRC 来预测生长量的变化，以响应环境变化。基于上述结果，我们提出了一系列将生物钟的响应特性应用于植物工厂栽培的测量方法和使用方法。

项目成果

可視光による植物概日リズムの精密制御

利用可见光精确控制植物昼夜节律

• 发表时间: 2019
• 期刊: 日本赤外線学会誌
• 作者: Masuda Kosaku;Tokuda Isao T.;Nakamichi Norihito;Fukuda Hirokazu;福田弘和，増田亘作
• 通讯作者: 福田弘和，増田亘作

極低振幅状態における位相リセットを用いた植物概日時計の位相応答曲線のパラメータ推定

极低振幅状态下利用相位重置的植物生物钟相位响应曲线参数估计

• 发表时间: 2017
• 作者: Takanobu Higashi;Koh Aoki;Atsushi J Nagano;Mie N. Honjo;Hirokazu Fukuda;Akio Miyamoto;高松優行，竹岡真梨，福田弘和;増田亘作，福田弘和
• 通讯作者: 増田亘作，福田弘和

植物における概日時計の振幅を増大させる最適な明暗サイクル波形の検討

检查最佳的光暗周期波形以增加植物生物钟的幅度

• 发表时间: 2020
• 作者: Masuda Kosaku;Tokuda Isao T.;Nakamichi Norihito;Fukuda Hirokazu;福田弘和，増田亘作;山田竜也，増田亘作，福田弘和;香河悠也，増田亘作，福田弘和
• 通讯作者: 香河悠也，増田亘作，福田弘和

シロイヌナズナの葉面における概日リズムの不均一な位相応答の計測

拟南芥叶片昼夜节律异相响应的测量

• 发表时间: 2020
• 作者: Masuda Kosaku;Tokuda Isao T.;Nakamichi Norihito;Fukuda Hirokazu;福田弘和，増田亘作;山田竜也，増田亘作，福田弘和;香河悠也，増田亘作，福田弘和;田中綸，増田亘作，福田弘和
• 通讯作者: 田中綸，増田亘作，福田弘和

位相差のある2種類の周期的環境刺激の同時入力が植物の生育へ与える影響

同时输入两类具有相位差的周期性环境刺激对植物生长的影响

• 发表时间: 2020
• 作者: Masuda Kosaku;Tokuda Isao T.;Nakamichi Norihito;Fukuda Hirokazu;福田弘和，増田亘作;山田竜也，増田亘作，福田弘和
• 通讯作者: 山田竜也，増田亘作，福田弘和