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(研究成果)利用高功能型人工气候室明确未来环境对水稻的部分影响 - -加快开发适应气候变化的新品种培育栽培技术- 信息公开日期: 2024年6月25日(星期二) 重点 农研机构将精密构筑作物生长中季节环境的人工气象室“栽培环境模拟器”1 )活用于各种研究。 使用本装置人工构筑了21世纪末( 2100年)的季节环境，调查了对水稻生长的影响。 结果表明，如果不采取超过目前的气候变化缓和措施，高温和高CO2浓度有可能会加快生长，引起产量和品质的下降。 作为应对未来气候变化的对策，本成果有望对培育抗变暖的稳健品种、开发用于管理生长的栽培技术等有所帮助。 概要 农研机构在能够精密再现或模拟作物生长中季节环境的人工气象室“栽培环境仿真器”中，设置了内置有能够连续取得大小和颜色等作物性状的“机器人测量装置”的“机器人人工气象室”( https://www.naro ) laboratory/rcait/154498.html )，用于草莓生长控制技术的开发等各种研究。 这次，利用“栽培环境模拟器”，人工构筑了预计全球变暖发展的未来( 21世纪末、2100年)的生长环境(温度、湿度、二氧化碳( CO2 )浓度等)，就全球变暖对水稻生长的影响进行了调查。 首先，用“栽培环境模拟器”再现了过去的栽培年及栽培地点的环境，明确了水稻开花为止的天数与实际在野外环境中观察到的天数有大致相似的倾向。 其次，基于2种气候预测方案2 )，用“栽培环境模拟器”构筑了21世纪末的季节环境，调查了对水稻的影响。 结果表明，在假设不采取超过现阶段的气候变化缓和措施的情况下，与基准环境( 1990年~1999年的平均环境)相比，生长明显提前，可以看到到开花为止的天数大幅缩短、白色未成熟粒3 )的发生增加等变化。 另外，调查基因表达后，发现与开花促进、高温反应、高CO2浓度反应相关的基因的表达发生了很大的变化，也表明与性状的变化相对应。 这些人工气象条件下的结果是新的知识，暗示如果不采取超过现阶段的气候变化缓和措施的话，21世纪末，高温和高CO2浓度会加快水稻的生长，引起白未成熟粒的增加。 今后，通过使用“栽培环境仿真器”明确各种作物中品种的环境响应的差异等，可以期待加速应对气候变化的品种培育和栽培技术的开发。 图1利用“栽培环境仿真器”预测21世纪末季节环境对水稻生长的影响 相关信息 预算:内阁府官民研究开发投资扩大计划( PRISM )、农林水产省委托项目研究“开发支持民间运营商等种苗开发的'智能育种系统’”( j 007142 )、运营费补助金 专利:专利第7182762号(日本特开2023-105946 ) "人工气象装置及人工气象系统" 咨询处等 研究推进负责人:农研机构理事兼基础技术研究总部本部长中川路哲男 该基础技术研究总部农业信息研究中心主任村上则幸 该作物研究部门所长石本政男 研究负责人:该基础技术研究总部农业信息研究中心 孵化实验室长米丸淳一 同基础技术研究总部农业信息研究中心 孵化实验室技术人员和田枫 该作物研究部门智能育种基础研究领域 育种大数据整治利用小组高级研究员伊藤博纪 宣传负责人:该基础技术研究总部研究推进室室长西川智太郎 采访申请新闻发布会咨询(邮件表格) 详细信息 开发的社会背景和研究经过 在应对气候变化的对策中，有减少温室效应气体的排放量、增加植物等的吸收量的缓和政策，以及针对气候变化产生的或在不久的将来可能产生的气候变化的影响，调整、减轻或相反利用社会各种系统的适应政策 在作物生产方面，主要是进行适应气候变化的技术开发。 考虑到气候预测方案的作物产量预测模型表明，随着温室效应气体的增大，全球变暖会使作物生产不稳定，成为食品供应的大问题。 在作为日本人主食的水稻中，关于全球变暖产生的高温及高CO2浓度对产量和白未成熟粒的产生的影响，通过使用玻璃温室等的试验研究也被指出。 另一方面，由于难以在现在的野外环境中连续构筑以将来令人担忧的高温和高CO2浓度为代表的变暖环境，因此无法调查那样的环境对生长和最终作物生产的影响。 因此，在本研究中，安装了可以栽培需要夏季强日照的谷类的高照度LED，使用了可以通过外部气象数据控制大范围温湿度控制和CO2施用的高性能人工气象室“栽培环境模拟器”，就全球变暖加剧的21世纪末的季节环境(高温、高CO2浓度)对水稻生长的影响进行了评估。研究的内容和意义 模拟构建的过去环境条件下作物性状 通过将气象厅提供的过去的气象数据(气温、湿度、日照量)和地理信息(纬度、经度)输入控制在“栽培环境模拟器”(图2 )中，人工构筑了同一年的多个地方和多年的同一地方的接近野外的环境(气象的季节变化)。 图2“栽培环境模拟器”的环境控制系统( 1台结构) 本研究首先确认了在再现环境和实际环境中得到的性状数据之间的关系。 首先，通过将农研机构谷和原穗场(茨城县筑波未来市)过去31年( 1990~2020 )夏季(6~9月)的平均气温变化分类为类似的组(集群分析)的方法(集群分析)，分成5个集群 然后，从各集群中选择1~2年，设定为试验年。 并且，再现了这些试验年国内不同的4个地方的环境(气温、湿度、日照量、CO2浓度)，栽培了感光性4 )不同的5个品种(秋田小町、一见钟情、越光、日本晴、日之光)，取得了特性数据 结果发现，关于到开花为止的天数(到达穗天数)，3个品种(一见钟情、越光、日本晴)在再现的人工环境下得到的值与在过去的实际环境下得到的值之间存在很高的相关关系(图3 )。 图3再现的人工环境下(再现环境)和实际环境下得到的抽穗天数的关系 大仙:秋田县大仙市，谷和原:茨城县筑波未来市，稻田:新潟县上越市，筑后:福冈县筑后市。 “日之光”因数据不足而没有记载。 也就是说，通过“栽培环境模拟器”再现的环境，明确了部分可以使水稻的性状产生与野外实际环境类似的倾向。 可以说，今后发现了再现各种季节环境，评价对作物的影响的可能性。 模拟未来环境条件下的作物性状 其次，“栽培环境模拟器”对基于两种气候预测方案( RCP2.6及RCP8.5 )的温度和CO2浓度的上升在整个生长期间内追加到1990~1999年的茨城县筑波市(馆野)的气象数据的平均值上而得到的模拟的21世纪末的变暖环境 结果表明，在RCP8.5情景下，所有品种均有相对于基准年生长提前、抽穗天数缩短的趋势(图4 )。 另外，白色未成熟粒的产生显著增加(图5 )。 与仅高温环境下的RCP8.5标准相比，这种现象在温度和CO2浓度都较高的环境下更为明显。 图4预计21世纪末温度CO2浓度条件*下的抽穗天数 *因气候情景而异。 条形图中垂直延伸的垂直线表示标准偏差 。 图5设想21世纪末的温度CO2浓度条件*下白色未成熟粒产生的预测 *因气候情景而异。 图表表示盒须图(最大值、四分位范围、最小值)。 疑似21世纪末环境条件下的生理状态 并且，在前项2使用的变暖环境中，着眼于温度和CO2浓度两方面，对与水稻生理状态相关的基因的表达进行了全面的分析。 结果表明，在RCP8.5的高温和高CO2浓度重叠的环境中，除了诱导开花的弗罗里根5 )受到控制的基因的早期表达外，响应高温和高CO2浓度的气孔6 )相关基因组的表达发生了很大的变化(图6 )。 也就是说，在全球变暖最严重的未来环境中，可以设想水稻的生理状态会发生很大的变化。 图6设想21世纪末温度CO2浓度条件*下基因表达量的预测 *因气候情景而异。 条形图中垂直延伸的垂直线表示标准偏差。 期待今后的计划 本研究的结果表明，通过“栽培环境模拟器”生长的水稻中出现的季节性生长变化，与在实际环境下生长的水稻显示出大致相似的倾向。 据此，虽然“栽培环境模拟器”内的环境与野外环境相比，光质、土壤、栽培密度等不同，但表示可以通过“栽培环境模拟器”评价在预测的未来环境条件下生长时看到的水稻的性状。 今后，有望用于开发应对全球变暖的栽培技术(插秧时期和施肥量时期的调整等)。 另外，根据本研究的结果，明确了未来所设想的全球变暖对作物生理的部分影响。 利用本成果，通过明确品种环境响应的差异，有望加速培育抗气候变化的品种。 例如，可以认为，通过利用在模拟环境下一边确认效果一边改变开花日期的基因和减轻白未成熟粒产生的基因，可以迅速培育应对全球变暖的品种。 今后还将对水稻以外的作物进行研究，多角度推进应对气候变化的品种培育以及栽培技术的开发。术语解说 栽培环境仿真器 为了再现各种栽培环境而构筑的高性能人工气象室。 仿真是指人工模拟。 可以从PC输入与过去和想构筑的气象环境相关的数据并远程运行，根据分钟的设定值变化，可以模拟野外变化进行栽培。 气候预测方案 这是设想伴随人类活动的温室效应气体在大气中的浓度将来会达到什么程度，设定了多个浓度变化模式，并以此模拟了对未来气候的影响。 本研究引用了国际上作为标准使用的RCP (代表性浓度路径)剧本，其中，与工业化以前相比，以将温度上升控制在2℃以下为目标的设想( RCP2.6 )和不采取超过当前时间的政策性气候变化的缓和策略的设想RCP2.6 白未成熟粒 由于米粉没有充分堵塞在米粒中，干燥的米粒的一部分或全部看起来很浑浊，如果频繁发生这种情况，就会成为碾米时成品率下降的原因。 明确了白色未成熟粒的产生会随着成熟前半期的高温而增加。 近年来，即使在高温下也难以产生白未成熟粒的耐高温品种备受关注。 感光性 植物具备识别季节性的日长(白天的长度)的变化和温度变化，为了繁衍后代而在最佳季节(时期)开花的结构。 其中，根据日长的变化开花提前的结构被称为感光性。 由于感光性程度因品种而异，所以各栽培地使用了具有不同感光性程度的品种。 佛罗里根 诱导植物花芽形成的生理物质。 人们认为，植物认识到季节性日长的变化和温度的变化，成为为了繁衍后代而在最佳季节(时期)开花的生存战略的关键。 根据栽培区域的扩大和复种等栽培体系，利用了开花时期不同的品种。 气孔 存在于用于光合作用、呼吸等气体交换的植物叶子等表皮上的小孔称为气孔。 通过相邻的2个孔边细胞的开闭来调节气体交换。 发表论文 H. Itoh、H. Yamashita、K. C. Wada、J. Yonemaru、 real-time emulation of future global warming reveals realistic impacts on the phenological response and quality deterioration in in in in rice.proc https:///10.1073/PNAS.2316497121 |
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