研究者らが葉の裏面の光合成ポテンシャルを明らかにしました：正味光合成量は32％増、収量は2.8倍、さらに電力消費も30％削減

中国農業科学院都市農業研究所のスマート園芸機器チームは、Environmental and Experimental Botany誌に「Abaxial leaf illumination: A strategy to enhance photosynthesis and yield in strawberry (Fragaria × ananassa)」という題名の研究論文をオンラインで発表しました。本研究では、葉の裏面にも光合成能力が活性化しうることを明らかにし、施設栽培環境下で作物の光エネルギー利用効率と生産性を向上させるためのLEDによる高効率な照明供給戦略を提案しました。これにより、施設内の補光やLED植物工場における光環境の精密な制御に関する新たな理論的根拠と技術的アプローチが示されました。

研究背景

施設農業分野において、人工光型植物工場では主にLED人工光源によって作物の生育が行われています。現在一般的に用いられている照明戦略は、葉の表側のみを対象としており、葉の裏側に潜む光合成の可能性が見落とされ、長期間にわたり有効に活用されていません。高密度栽培や冠層による遮陰の影響を受け、下位の葉や葉の裏側は広く弱光状態に置かれており、この問題は作物群全体の光エネルギー利用効率を大きく制限しています。さらに、収量のさらなる向上を阻む重要なボトルネックともなっています。

したがって、葉の裏側に隠れた光合成ポテンシャルを掘り起こし、同時に革新的なLED照明方式を最適化することは、施設栽培における光エネルギー利用効率の向上と総合的な生産性の強化を図る上で極めて重要な研究課題となっています。

この課題に対し、研究チームは施設栽培における省エネルギーかつ高効率なLED照明のニーズに応じて、異なる光度条件下での葉の表側と裏側への照射が葉の光合成生理、気孔の発達、および株の収量に与える影響を系統的に比較しました。特に、葉の裏側にある海綿組織の光合成能力と、それが群集全体の光合成生産力に及ぼす寄与を重点的に評価しました。

図：異なる照明方向および光度が葉の光合成特性と株の収量に与える影響

研究内容

研究チームは代表的なベリー類作物であるイチゴを試験材料として選び、亜適正な光環境下で葉の表側と裏側に対する異なる強度の補光実験を行いました。光合成ガス交換、クロロフィル蛍光、葉肉導度測定などの分析手法を総合的に用いて、葉裏補光がイチゴの光合成能力に及ぼす調節効果を包括的に探求しました。

気孔構造の形態、光合成色素の含量、バイオマスの分配パターンなどを観察することで、各種補光パターンがイチゴの成長・発育に与える内在的な生理学的メカニズムを解明しました。併せて、果実の収量と品質に関する総合評価を踏まえ、イチゴの収量と品質を効果的に向上させる最適な葉裏補光の強度を特定しました。

さらに、ピアソン相関分析を用いて、イチゴの収量と光合成および表現型指標との間の関連モデルを構築し、葉裏補光による光合成効率の向上が収量増加にどのように寄与するかを定量的に明らかにしました。

研究の結論と意義

研究の結果、株の葉の裏側に中程度の強度のLED補光を施すことで、葉の光化学効率やガス交換機能が有意に向上し、気孔構造も最適化されることが確認されました。その結果、植物体の炭素同化作用が強化され、バイオマスの蓄積が促進されます。データによれば、未補光の対照群と比較して、葉の純光合成速度は32％向上し、イチゴの収量は約2.8倍に増加しました。また、果実中の可溶性糖や可溶性タンパク質の含有量も顕著に増加し、成熟期も5～7日早まりました。

一方、同等の収量増加を実現するには、葉の表側への高強度補光ではより多くのエネルギーを消費するのに対し、葉裏補光は必要な光強度が低く、光子フラックスの消費量を30％削減でき、光エネルギー利用効率も優れ、省エネルギーのメリットが際立っています。

本研究は、葉の両面に存在する光合成特性に着目し、施設栽培におけるLED補光の新たなアプローチを創出しました。従来の葉の表側のみへの照明供給という慣例を打破し、施設農業の補光や植物工場におけるLED照明の応用に新たな道を開くとともに、人工光による植物生産システムの光エネルギー利用効率の向上、生産エネルギーの削減、単位面積当たりの生産量の増加といった点で重要な実践的価値を示しています。

本研究は、中国農業科学院の科学技術イノベーションプロジェクトおよび四川省自然科学基金プロジェクトの支援を受けて実施されました。

原文リンク：

https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2026.106345

出典：中国農業科学院都市農業研究所、スマート園芸機器イノベーションチーム