(研究成果)开发了再现自然环境干旱的自动灌溉控制系统 - -大力支持全球环境变化时代的迅速作物开发-
(研究成果)开发了再现自然环境干旱的自动灌溉控制系统 - -大力支持全球环境变化时代的迅速作物开发-
重点 农研机构和saguzu DNA研究所、(株) tex开发了世界上首个通过来自钵底面的供水每钵任意控制土壤水分的自动灌溉系统。 本系统可以在屋内环境中再现自然界发生的干旱状态，另外，还可以随时监视各盆的温湿度、照度、土壤水分和地温的状态。 如果使用本系统，可以实现今后预计的干旱等不良环境，可以开发预测未来地球环境的作物。 另外，还可以考虑为精密农业收集数据等多种多样的活用方法。
使用人工气象室内设置的iPOTs的水稻栽培风景
概要 这次，通过将IoT技术和传感器技术融合， 可在室内环境下自动控制土壤水环境的盆栽系统“ipots (基于internet of things-based pot system controlling optional treatment of soil water condition for plant phetion )” 由于变暖等引起的地球规模的环境变动，世界各地的农地上的干旱和土壤的荒废正在加剧。 即使在国内，以今年北海道发生的少雨为首，暴雨、高潮引起的作物浸水和盐害的灾害等，也正在变化为前所未有的严峻的栽培环境。 全世界都要求开发能够迅速应对这样剧烈变化的栽培环境的作物。 但是，在一般的作物开发现场，要在现在的气象栽培环境中评价作物，所以迅速开发适应将来预想的栽培环境的作物是一个困难的课题。 iPOTs的灌水装置是世界上第一个通过从罐底自动给水进行给排水来再现自然环境干旱的系统。 使用iPOTs，可以在屋内环境下的各个盆栽中再现今后预计灾害将会严重的干旱和浸水灾害，设计出适应未来不良环境的作物。 通过配置在各盆中的水位传感器，分别远程控制土壤水分。 由此，例如，如果想同时开发抗旱、耐涝的作物，可以用旁边的盆栽器分别再现干旱和浸水的状态，来栽培作物。 iPOTs的正式产品化目前还未确定，但为了今后能得到其他研究者和民间企业的广泛使用，我们希望经过反复改良后考虑将其产品化。
相关信息 预算: JST战略性创造研究推进事业“为植物对环境变动的稳健性的阐明和应用创造基础技术”
咨询方式
研究负责人:农研机构作物研究部门所长石本政男 笹DNA研究所所长田畑哲之 株式会社特克斯代表董事箕轮秀男 研究负责人:该作物研究部门作物设计研究领域小组长宇贺优作 笹DNA研究所尖端研究开发部研究员七夕高也 株式会社特克斯技术部长山崎宗一 宣传负责人:农研机构作物研究部门研究推进部研究推进室大槻宽 对采访申请新闻稿的咨询(邮件表格)
详细信息 开发的社会背景
由于变暖等引起的地球规模的环境变动，世界各地的农地上的干旱和土壤的荒废正在加剧。 即使在国内，集中暴雨和洪水造成的作物浸水灾害等，也正在向前所未有的严酷的栽培环境变化。 全世界都要求迅速开发适应这种环境变动的作物。 近年来，在农业领域，通过组合无人机、相机、传感器技术，测量作物的生长状况，并将其应用于数据驱动的作物开发的动向在国内外也很盛行。 但是，由于在这些研究开发现场，以现在的气象栽培环境对作物进行评价，所以很难进行适应10年、20年前预想的不良环境等的作物开发。 因此，有必要建立预想未来不良环境的作物开发机制。
研究的经过 在现在的室外环境中，很难预想、具体化将来会发生的缺水和高温障碍等，推进作物的开发。 除此之外，在田地和水田等室外环境中调查作物时还存在以下问题。 当然，由于我们无法控制自然环境，所以无法按照每个季节期待的气象条件对作物进行调查。 例如，在室外评价作物的抗旱性时，如果栽培期间下雨就不能进行试验。 另外，即使在同一农场，由于地力不均和排水差异等原因，即使是同一品种也无法均匀栽培。 此次，以农研机构为中心的小组为了利用IoT技术和传感器技术，在室内的控制环境下栽培调查作物，需要对每盆的温湿度、照度、土壤水分和地温进行精密监测，并能够自动控制为任意土壤水分的远程控制型灌水系统( iPOTs ) 以前，许多研究者在调查植物对干旱的生长时，关心茎叶等地上部分的变化，而没有考虑灌水方法对根的生长的影响。 在自然环境引起的干旱中，土壤从地表干燥，因此可以说一直以来作为主流的从地表灌水引起的土壤水分分布不自然。 因此，我们想到了从底面灌水，以便能够以更自然的形式控制土壤水位的想法。 本研究由迄今为止在现场进行抗旱性试验的农研机构、擅长测量植物的装置开发的sudu DNA研究所、在这样的装置开发方面拥有实绩的(株) tex三者共同进行。 以再现农研机构干旱所需的生物学观点、和草DNA研究所的吩咐系统开发、(株)科技的安装技术和工学观点为基础，从有效性和可行性两方面提出了有效的底面灌水的创意。 基于这一想法，由kazu DNA研究所和(株) tex构建了iPOTs的原型，农研机构使用iPOTs对干旱条件能否再现进行了评价。
研究的内容意义 通过自动底面灌水系统再现室外水环境 使用灌水管和点滴灌溉灌溉管等从地面灌水的以往方法，会引起灌水不均的问题等(图1左)。 另一方面，从底面灌水的方法由于水从下方均匀地扩散，因此灌水不均得到抑制(图1右)。 因此，我们为了实现通过底面灌水的土壤水位控制，设计了通过安装在盆底面的软管从受水箱供水的自动灌水系统(图2上)。 通过在与壶相连的受水箱内设置水位传感器，将壶的水位自动调整到任意高度。 使用iPOTs的控制系统，可以通过降低水位来再现自然环境的干旱状态。 相反，如果提高水位的话，也可以形成浸水状态。 这种底面自动灌溉控制系统在世界上史无前例。 对植物周围的周边环境进行实时测量管理 各盆内各安装一个温湿度传感器、照度传感器、土壤水分传感器片(上中下3处)、杆状地温传感器(共6处)，可以实时测量植物周围的微环境(图2下)。 另外，iPOTs可以从远处使用与无线LAN等相连的PC和平板电脑，分别自动控制茶壶的水位，同时还可以实时监视环境数据。 干旱条件下的植物状态可以随时调查 利用iPOTs再现干旱状态，调查了植物受到干燥胁迫时的影响。 在栽培期间维持一定水位的灌水区和播种后第2周强制排水停止灌水的干旱区，比较了两种水稻的生长。 首先，我们调查了干旱引起的根的变化。 用x光CT随时间观察的结果表明，在干旱区，抗旱水稻品种的根更浅，抗旱旱稻品种的根更深(图3 )。 关于地上部分的生长，水稻品种与灌水区相比在干旱区也受到了更强的抑制。 如上所述，可以再现在农场看到的水稻品种和旱稻品种的生长差异，可以确认，使用iPOTs可以在室内环境中再现任意的水胁迫，观察作物的生长。 顺便说一下，iPOTs专用罐附带的土壤水分传感器片和地温传感器针对x射线是坚固的设计。 这在利用x射线CT对地下根的生长进行三维无损测量时很有效。 今后的预定期待 iPOTs是专门用于人工气候室和植物工厂等的室内栽培的规格，可以使用水位传感器自动控制水环境，因此365日可以随时无人栽培管理植物。 通过组合iPOTs和这样的设施，可以在假设10、20年后日本气温和水环境的栽培环境下，尽早开始作物开发，为将来做准备。 另外，使用iPOTs，可以在COVID-19等大爆发时限制移动时，远程控制和管理作物的栽培条件。 另外，如果将iPOTs和人工气室组合起来再现海外的不良环境，则可以一边在日本，一边在与海外当地相同的条件下支持作物开发。 本研究小组以迅速开发作物为目标，开始将我们迄今为止开发的作物的地下部分三维无损测量系统a ) b )和iPOTs一体运用。 作为世界上独一无二的高通量室内型作物栽培测量平台，用于设计抗旱水稻的开发(图4 )。 iPOTs的正式产品化目前还未确定，但为了今后能得到其他研究者和民间企业的广泛使用，我们希望经过反复改良后考虑将其产品化。
用语的解说 灌水: 给作物浇水。 灌水方法有使用软管的点滴灌溉和通过洒水器洒水等
発表論文・引用文献
発表論文 :
Numajiri Y., Yoshino K., Teramoto S., Hayashi A., Nishijima R., Tanaka T., Hayashi T., Kawakatsu T., Tanabata T., Uga Y. (2021) iPOTs: Internet of Things-based pot system controlling optional treatment of soil water condition for plant phenotyping under drought stress. The Plant Journal https://doi.org/10.1111/tpj.15400引用文献 :
a) Teramoto S., Tanabata T., Uga Y. (2021) RSAtrace3D: robust vectorization software for measuring monocot root system architecture. BMC Plant Biology, 21: 398.
b) Teramoto S., Takayasu S., Kitomi Y., Arai‐Sanoh Y., Tanabata T., Uga Y. (2020) High‐throughput three‐dimensional visualization of root system architecture of rice using X‐ray computed tomography. Plant Methods, 16: 66.
- 参考图
图1 .传统灌水法与底面灌水的区别
2. iPOTs的特征 每个壶都配备有受水箱、照度传感器、温湿度传感器、土壤传感器类。 设定壶的水位后，接水箱的水位从供水箱供给水，直到达到设定的壶的水位。 水位可以根据受水箱内的水位传感器的数据，按壶进行控制。 如果想达到干旱条件，可以强制排水。 通过远程操作，可以调整水位和实时监控测量的数据。
图3 .使用3. iPOTs的干旱试验中水稻根系的经时变化 用iPOTs比较栽培了根浅抗旱的水稻品种( IR64 )和根深抗旱的旱稻品种( Kinandang Patong )。 图中的黑色背景图像是利用x光CT对盆中根系进行三维重建的结果。 根系的可视化使用了本研究小组开发的软件a ) b )。 右边的图像是使用多个数码相机对播种后第28天的地上部分进行三维重建的结果。 灌水区的水位控制在离盆底面8cm的地方，设定在植物不受干燥胁迫影响的条件下。 干旱区在播种后第2周停止浇水的同时，强制排水壶内的水，诱导土壤干燥。 在干旱区，随着土壤的干燥，旱稻品种在更下层伸长了根，但我们知道水稻品种不能在下层伸长根(水稻品种中只有一根向下伸长的根是发芽后马上伸长的种子根。 许多水稻品种的种子根最初向下伸长。 )。 可以看出，在干旱区，根浅的水稻品种的生长比灌水区还差。
图4 .室内型作物栽培测量平台(示意图)