太陽光をもっと活用しましょう

ドロベンダールセステーグのヤン・インゲンハウス研究所は、自社開発したセンサーを用いて、光合成研究の世界に新時代を迎えようとしています。

洗濯バサミのようなものです。白いクリップがジャガイモの葉の上に滑り落ちた。キャンパス内のユニファームの裏にあるジャガイモ畑には数百ものジャガイモが植えられている。時折、クリップがホタルのように一瞬赤く光ります。ポテトディスコ？いいえ、新しいスタイルの光合成測定です。

野外での光合成は温室よりもはるかにダイナミックです

去年の夏にここでテストされたものは、現在は解体されているが、大規模な光合成を測定するための最新のセンサーである。
この機器は、Jan IngenHousz Institute とミシガン州立大学の研究者と技術者によって開発されました。これらの装置は、2年前に設立された同研究所が講じた最初の、そしておそらく最も重要な具体的な一歩である。

この装置は血と汗と涙で作られました

このセンサーは、同研究所が重要な食用作物の光合成を改善したいと考えている方法に不可欠です。
植物を改良し、光合成から始めます。一言で言えば、それがヤン・インゲンハウス研究所の使命です。光の影響下で水と二酸化炭素が糖と酸素に変換される植物のプロセスは、すべての成長と発達の基礎です。植物は入射光のほんの一部 (約 1%) のみを使用します。したがって、少なくとも理論的には、そこで得られる利益があります。食用作物の育種家にとって、より効率的な光合成は聖杯です。

光合成は、光からエネルギーを放出して糖を形成する多数のステップを含む、非常に複雑なプロセスです。数十の酵素と数百の遺伝子が関与しています。科学者たちはこれを詳細に解明しました。それは素晴らしいことですが、植物が野外でどのように光合成を処理し、それが収量をどのように決定するかを理解するには十分ではないと遺伝学者のトム・シューウェンは説明します。「野外での光合成は非常にダイナミックなプロセスです。何百、あるいはおそらく何千ものプロセスが実行されており、それぞれが独自の時間スケールで存在します。それは難しいだけでなく、楽しくて挑戦的なものでもあります。」
「雲のある平均的な夏の日を考えてみましょう」とシューウェンは続けます。「植物は太陽光の一部のみを使用し、残りは遮断します。その後、雲が通り過ぎ、突然太陽光の10分の1しか利用できなくなります。ここで、植物はわずかな太陽光を最適に利用するように切り替える必要があります。雲が去ったら、プラントはすぐに振り出しに戻らなければなりません。このような経過はおそらく 1 分間続きます。風が吹くと葉が滑り落ちます。反応しなければならない影の時間はほんの一瞬しか続きません。さらに、温度、湿度、干ばつなどの他の変数も、あらゆる種類の時間スケールに影響を与えます。光合成はこれに対して非常にダイナミックに反応します。
キャンパス内の NPEC などの気候セルでは、制御された条件であらゆる種類のものを測定できます。バッテリー駆動のカメラとセンサーが、プラントの状況を完全に自動かつ継続的にマッピングします。「しかし、現場ではそれは不可能です」とシューウェン氏は言います。「だから、そこにあるダイナミックさを見逃してしまうんです。私たちはこれらの新しいセンサーを使用して、この問題に対する解決策を見つけました。」
デビッド・クレイマー監督はそこで栄誉ある職を辞任した 著名な教授 ミシガン州立大学でop。クレイマーは光合成と生体エネルギー学の有名な教授です。「私の専門は光合成の物理的側面、つまり電子と陽子がシステム内を移動する方法です。」興味深いテーマではありましたが、ある時点で彼は、これで本当に変化をもたらすことができるのかと疑問に思いました。「その瞬間から、私は違うことをし始めました。私の研究は、もはや研究室での光合成の測定に関するものではなく、野外で何が起こっているかに関するものでした。それは本当に大きな違いです。」クレイマー氏は、野外で光合成を測定するためのモバイル装置を開発しました。

Jan IngenHousz は実際にオランダの聖典に含まれるはずです

この装置 (トランシーバーほどの大きさ) を使えば、葉の光合成を数分ごとに手動で測定できます。

それは正しい方向への一歩ではありましたが、十分ではありませんでした。「それ以上は進めませんでした」とクレイマー氏は振り返る。「大きな前進が必要だった。「よし、それが次世代がやるべきことだ」とさえ思うようになりました。もう一度芸術に専念するべきかもしれません。学士として、私は科学を選択する前に芸術を学びました。そして、ヤン・インゲンハウス研究所に電話がかかってきました。ピッチは有望だった。しかし、私の意見では、重要な部分が欠けていました。野外での光合成がいつ成長の制限要因になるかはわかりません。欠けているのは、大規模な測定と、いつ、どの作物と遺伝子型で、どの遺伝子が役割を果たしているかを理解することです。研究所と一緒にそのことに集中しましょう。」
大規模な測定に向けた重要な一歩が踏み出されたようです。 Ambits と呼ばれる白い洗濯バサミ (ボックスを参照) はプロトタイプです。「学生たちは 1 年間 3D プリントに取り組んできました」と運営ディレクターのアレクサンダー・ラーマン氏は言います。「これは血と汗と涙で作られたものです。今では約500人います。」現在、デバイスは広範囲にテストされています。私たちの国だけでなく、オーストラリア、アフリカ、アマゾンなどの地域でも、同研究所は地元のパートナーとプロジェクトを運営しています。このメーターのコストは、クレイマーがミシガン州で開発した 2,500 ユーロの装置のほんの一部に過ぎません。ちなみに非売品です。「ここ数日間、私はこれを制作することについて企業と話し合ってきました。「私たちはそんなつもりはありません。」とクレイマー氏は言います。「私たちは光合成を遺伝学に結び付けることができる装置を設計しています。遺伝的に成功するには、装置を簡単に利用できるようにする必要があります。それが私たちが気を配っていることです。データとテクノロジーが利用可能になる装置とプラットフォームのために。」
Laarman 氏によると、このプラットフォームは研究に加えて研究所のもう 1 つの重要な柱です。「1月にはこれをより広範囲に公開する予定です。私たちは光合成分野におけるデータ開発のためのオープンサイエンスプラットフォームを構築しました。この種のデータを作成する世界中の誰でも、アプリを介してプラットフォームにアップロードできます。誰でも見ることができます。このようにして、私たちは勢いを生み出し、学者やブリーダーのためのコミュニティを構築したいと考えています。私たちは研究を行うだけでなく、ネットワーク組織や光合成ハブとしても機能します。 WUR は私たちのパートナーですが、私たちは WUR とは独立しており、独自のお金を持っており、独自の道を進むことができます。これは、学術界で可能なよりも迅速に活動できることを意味します。」

より効率的な光合成が可能かどうかという疑問が残っています。「それは確かですか？」いいえ、」とクレイマーは正直に言います。「しかし、私は、これに関与している遺伝的要素を特定できることに大きな自信を持っています。光合成のすべてのプロセスはリンクされています。これにはトレードオフが関係します。植物は常に遺伝学に基づいて経済的な選択を行っています。野生植物にとって、光合成はそれほど決定的なプロセスではないかもしれません。野生の植物は光合成など気にせず、ただ生き残ることだけを望んでいます。しかし、農業では違います。」
Theeuwen氏もその違いを指摘している。「自然界の平均的な植物では、作物とは異なり、光合成が制限要因になることはありません。光合成は植物にとってエネルギー的に高価な行為です。しかし、彼らはそれなしではやっていけないので、状況を考慮して最適なものを見つけようとします。多すぎず、少なすぎず。その最適な条件は、間違いなく進化を通じて自然界で発見されました。しかし、せいぜい、おそらくそれ以上のことが可能です。」

洗濯はさみ
Jan IngenHousz Institute の光合成メーター Ambit は、入射光の強度と組成を測定するセンサーを上部に備えています。次に、裏面の LED が同じ光で葉を照らし、光合成を測定します。この設計により、メーター自体の破壊的な影の影響が排除されます。「この装置は湿度と温度も測定します」と研究者のトム・シューウェン氏は言う。「したがって、測定された光合成を状況の文脈に置くことができます。」アンビットは、リンクされたソーラーパネルからエネルギーを取得します。光合成は毎秒測定されます。「また、システムのさまざまな部分を測定するために追加の光パルスを追加することもあります。それらのパルスは、点灯しているのが見える赤いライトです。このようにして、多くの異なる光合成プロセスを一度にマッピングすることができます。」

新しい建物
Jan IngenHousz Institute は現在、Radix の 2 階にあります。それはおそらく変わるでしょう。オランダの遺伝資源センターと共同で独自の建物の計画が進んでいます。ボルンゼシュテークには、Radix の駐車場ビルの隣に 3 階建ての建物が計画されています。遺伝資源センターは 1 階にあり、ヤンインゲンハウス研究所はその上の 2 階と屋上テラスを占めています。取締役会は近く予備設計を決定する予定だ。その後、2027 年にはこの建物に入居できるようになる。

ヤン・インゲンハウス
2030 年、ブレダはヤン・インゲン・ハウスのことばかりになるでしょう。オランダの光合成の「父」は、300 年前にこの場所で生まれました。彼が植物の成長に光が不可欠であることを最終的に証明した実験は 250 年前に行われました。同研究所の運営責任者、アレクサンダー・ラールマン氏は、「彼は実際にオランダの聖典に加えられるべきだ」と語る。「少なくとも教科書には載ってるよ。」 Jan IngenHousz Institute は、3 人の寛大な寄付者からの 5,000 万ユーロの寄付を受けて 2 年前に設立されました。 WURは1200万ユーロを追加した。