Effect of Light Irradiation on Plant Production in Large-Scale Plant Tissue Culture

Takayama, Shinsaku

doi:10.2525/shita.22.88

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“…Cultivation under the condition of combination with red and blue lights was studied in various vegetables including spinach, radish, lettuce, komatsuna (Yorio et al, 2001;Hanyu and Shoji, 2002;Ohashi-Kaneko et al, 2007;Oshima et al, 2015). It has been reported that light is highly involved in the production of various high-value secondary metabolites (Dougall, 1979;Constable and Vasil, 1988;Rao and Ravishankar, 2002;Takayama, 2010). As far as we searched, there are no studies evaluating effects of light quality and intensity on growth and folate biosynthesis in leaf lettuce.…”

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confidence: 99%

A Manipulation of Air Temperature and Light Quality and Intensity can Maximize Growth and Folate Biosynthesis in Leaf Lettuce

Okazaki

Yamashita

2019

Environ. Control Biol.

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We evaluated effects of different air temperature and light quality/intensity on growth and folate biosynthesis in leaf lettuce using a plant growth cabinet with light-emitting diodes (LEDs) combining red, green and blue (RGB) lights. Leaf lettuce was cultivated under combination conditions with 3 different air temperatures (20 , 25 and 28) and 4 different light irradiations (photosynthetic photon flux density [PPFD] of 150 mmol m Ϫ2 s Ϫ1 [P150]/RB, P150/RGB, P200/RB and P200/RGB) for 21 days. At the end of the cultivation, growth endpoints including edible portion weight, and folate contents were examined. The results demonstrated significant effects of air temperature and light quality and intensity on lettuce growth and folate biosynthesis. Under the optimal combination condition that we identified, 25 and P200/RGB, the edible portion weight and folate contents in leaf lettuce were 15 62 and 83 137 greater, respectively, compared to any light conditions at 20 , an optimal temperature for conventionally growing leaf lettuce. Addition of green LED to red and blue LEDs maximized leaf lettuce growth and folate biosynthesis. Plant factory with optimal air temperature and light conditions utilizing RGB LED lights is a promising novel agriculture concept maximizing plant growth and critical nutrients such as folate.

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A Manipulation of Air Temperature and Light Quality and Intensity can Maximize Growth and Folate Biosynthesis in Leaf Lettuce

Okazaki

Yamashita

2019

Environ. Control Biol.

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Effect of Oxygen Concentration in Gas Phase on the Heterotrophic Cultivation Behavior of Mung Bean Sprouts

Nakai¹,

Tamate²,

Nakamori³

et al. 2016

Japan J. Food Eng.

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1. 緒言野菜の品質は，安全・安心で，適切な栄養素を含み，嗜好性(味，香り，色が良く，形の整っている)を備え，機能性成分に富むことが消費者から重要視されるといわれ [1]，様々な種類の発芽野菜についても，近年生体調節活性やその活性物質が明らかになっている [2-6]．発芽野菜のうち，緑化処理を施さず恒暗環境で栽培したものは従属栄養生物とみなすことができる．一般的な独立栄養生物と従属栄養生物の間には，物質代謝およびエネルギー代謝の面で相違点がみられる．一般的な独立栄養生物は外界から光，炭素源，窒素源および酸素などを取り込み，生物体の構成成分や代謝産物を合成し，老廃物が排出される．そして呼吸によりエネルギーを獲得することで生長し，生命を維持している．このとき代謝熱が発生し，水や二酸化炭素が生成される．一方，従属栄養生物とみなされる発芽野菜は外界から酸素を取り込み，種子中の貯蔵栄養を分解して生物体の構成成分や代謝産物を合成し，生命を維持している．つまり，発芽野菜は物質代謝とエネルギー代謝の面からみて，貯蔵物質と酸素から生物体構成成分と二次代謝産物が生成される生物反応を有していると仮定できる．故に，従属栄養生物とみなされる発芽野菜の生長反応および二次代謝反応は，有機物が光合成によって生成されないため，一般的な独立栄養生物よりも酸素に依存していると考えられる．「日本食品工学会誌」 , Vol. 17, No. 2, pp. 41 -49, June. 2016 中居藍，玉手晴香，中森康幸，江刺雅大，岩元靖，塚田義弘，石川大太郎，藤井智幸 42 一般に，植物の生産は生長反応および二次代謝反応を利用したものである．とくに，植物の生物反応を人工的に制御し，大量に工業生産するシステムがバイオリアクタであり，実際にこのようなシステムで植物体や二次代謝産物が生産されている [7-10]．バイオリアクタを用いて植物細胞を培養する場合は，連続相が培地などの液体である．一方，発芽野菜を栽培する系は，高密度となり気相を連続相とする充填型バイオリアクタとみなすことができる．一般的に，植物細胞は世代時間が微生物と比較して長いため，細胞破壊を引き起こさないよう液体培地を充分に混合しながら，適度な酸素供給と攪拌を行うことが植物バイオリアクタの課題となっている [11]．発芽野菜の充填層での高密度栽培の場合も，酸素供給の最適化が課題になると考えられる．酸素と植物の発芽および生長挙動については，一般的な野菜種子における酸素濃度と発芽率の関係 [12,13] や，オオムギにおける酸素濃度の低下と発芽率および生長の低下の関係 [14] が報告されている．発芽野菜の高密度栽培においては，酸素は外界から発芽野菜個体が充填された充填層の内部空間へ移動し，表面近傍の気相境膜を通過して発芽野菜個体に到達し吸収され消費されると考えられる．流下型散水方式を用いることによって，充填層に流下した一定量の水が充填物の間隙を流れることで，水分供給および酸素供給，伝熱を促し，充填層内の不均一さを抑制させることができた [15]．このように充填層内の酸素制御が可能となった一方で，高密度栽培における充填層内での発芽野菜の酸素と生長の関係はいまだ明らかになっていない．高密度栽培において，発芽野菜の生産効率が栽培環境によってどのように制御されるのか把握することは，充填層における栽培上の問題点の把握に必要である．充填層内において，酸素濃度変化が発芽野菜の生長反応に影響を与える場合，同時に二次代謝反応も影響を受けると考えられる．主な二次代謝産物の 1 つである環状の芳香族化合物は，主としてシキミ酸経路を経て生合成される．生合成された芳香族化合物からはフェノール性化合物が生合成され，さらにポリフェノールオキシダーゼによって酸化され，黄色のキノン体が生合成されることが知られている [16]．フェノール類だけでなく，発芽・生育過程においてタンパク質やアミノ酸が増加するという報告があり [17]，酸素制御により，これらの二次代謝反応が制御できる可能性が考えられる．植物の二次代謝産物の中には，医薬品や染料，香料などの原料となる有用な物質があることが知られている [18-20]．緑豆発芽野菜においては，酵素的酸化反応にともない生成する二次代謝産物として，根の表面に褐色物質が現れる．根の褐色物質は，緑豆発芽野菜の白さを損なう要因の 1 つである．一般にとくに緑豆発芽野菜の場合は色の良さとして白さが求められている．そこで本研究では，緑豆発芽野菜の生長反応や二次代謝反応の最適制御を目的とし，高密度栽培系において気相制御可能な密閉型台車を用いた栽培試験を実施した．酸素濃度条件の異なる栽培環境での一個体の生長曲線を測定し，生産効率および生長の酸素濃度依存性を評価した．また，高密度栽培系および一個体栽培系の栽培試験法を用いて，褐色物質の生成反応にともなう発芽野菜の色の変化を測定し，酸素制御による二次代謝反応への影響について実験的に検討した． 2. 実験方法 2.1 材料材料は，緑豆(2011 年中国産)を使用した．また，一個体従属栄養栽培に用いた緑豆は，篩を用いて粒径選別を行い，重量比率 [％] の最も高かった粒径 4.0 mm 以上 4.2 mm 未満のものを使用した．また，異常粒は目視で除き，正常粒のみを試料に供した． 2.2 酸素，二酸化炭素の測定酸素および二酸化炭素の濃度は，ヘッドスペース O 2 / CO 2 濃度計(PBI Dansensor 社，CheckMate 9900)で測定した． 2.3 単一ベッド式高密度従属栄養栽培従属栄養栽培には，単一ベッド式の試験用栽培台車を用いた．栽培台車の形状は直方体で，内容積が 4.8 m 3 のものである(Fig. 1) ．上蓋はチェーンブロックを使用して開閉可能な形式とした．蓋付きのサンプリング口を台車側面に設けた．栽培中はいずれの蓋も常に閉じて台車を密閉系とした．散水用配管を台車内部の上蓋に 13 本取り付け，外部から給水した．散水配管 1 本ずつからの給水量は一定に制御した．また，台車側面のもやし層が到達しない高さに気体サンプリングおよび導入用の接続部を設けた．これに酸素濃度測定機器( 飯島電子工業 (株) ，O 2 コントローラー MC-8G-Z)と接続されたチューブを取り付けることで，台車内部の気体の自動サンプリングおよび酸素濃度の自動モニタリングを行った．台車内部の酸素濃度は，接続部に取り付けたチューブを用いて窒素ガスもしくは空気を導入することで調整した．台車内下部にはスリットを入れた底板を取り付け，もやし層の下に空間を設けた．循環ファンを内蔵した配管を，台車背面外部に台車内部のもやし層下と上の空間が繋がるよう設置した．そして常時ファンを動かすことで，台車内部全体の気相が混合されるようにした．緑豆 120 kg を，タ...

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Effect of Light Irradiation on Plant Production in Large-Scale Plant Tissue Culture

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A Manipulation of Air Temperature and Light Quality and Intensity can Maximize Growth and Folate Biosynthesis in Leaf Lettuce

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