農業電化 72巻 2 号
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1.はじめに
気候変動に起因する自然災害は、2018 年だけ
で約 1000 億ドル(約 11 兆円)に上る経済的損失
を世界にもたらしたと示唆する報告書を、英ロン
ドンの国際援助団体「クリスチャン・エイド
(Christian Aid)」が 2018 年 12 月 27 日に発表した。
2018 年の気温は記録史上4番目の高さとなる見
通しで、世界の平均気温は産業革命前と比べて1
度近く上がっている。大気中の二酸化炭素
(CO2)
やメタンなどの温室効果ガスも増える一方で、今
後は異常気象がどんどん当たり前になっていくと
予想される。
同団体は、2018 年に甚大な被害をもたらした十
大気象災害を選出し、オープンデータや政府発表
の推計、保険会社の査定をもとに、個々の災害の
損害額を算出した。米カリフォルニア州で相次い
だ山火事、欧州の干ばつ、日本の豪雨災害の4つ
は、経済的損失額がいずれも 70 億ドル(約 7700
億円)を超えた。また、2018 年には人間が居住す
る地球上の大陸すべてで、少なくとも 1 回は気候
変動に起因する大規模災害が発生していた1)。このような気象災害が原因となり、日本列島の
広い範囲で農地が被害を受け、農業生産に悪影響
を及ぼす事態が生じている。災害や天候不順によ
り野菜が安定的に確保できないケースが増加する
とともに、高齢農家の大量リタイアによる生産基
盤弱体化も続いており、野菜を安定供給する体制
が弱くなっている。それらの対抗策として、コン
ビニエンスストア各社が野菜工場からの調達を本
格化させている。セブン-イレブン・ジャパンは
2019 年1月に専用野菜工場を稼働させるほか、
ファミリーマートも工場栽培したレタスなど仕入
れを始めた。工場産野菜は天候の影響を受けずに
安定調達できるほか、生産者もコンビニ大手が大
量に買い取ってくれることで投資リスクを減らす
ことができる。これらの動きは、近年伸び悩んで
いた工場野菜が広まる契機になりそうだ2)。今回は今後さらに普及が進むと考えられる植物
工場産野菜と慣行農法産野菜の生産方法の違いに
由来する品質の違いについて論じていきたい。
2. 植物生産に環境が及ぼす影響
植物工場は、一見構造が単純で、スチール棚に
照明と水耕栽培用の部材を取り付ければ出来上が
りと思われがちである。しかし、現実は厳しく、
そのような簡便な方法により作られた栽培プラン
トでは採算性が低いのが実情である3)
。従って、
植物工場の普及・発展のためには、生産性および
品質の向上が、
重要かつ緊急の課題となっている。
それらの課題に対する具体的な解決策は、植物
生産に影響を及ぼす環境要因を理解するところか
らはじめるべきである。植物生産に影響を及ぼす
環境要因には、下記のようなものが挙げられる。
◇無機的(非生物的)環境要因
1温度要因(気温・水温・土壌温度)
2光要因(光の強さ・波長・日長など)
3大気要因(酸素濃度・二酸化炭素濃度・湿度・
栽培方法の違いがレタスの品質に及ぼす影響
―栽培方法によってレタスが作り出す成分は味の違いにも現れる―
岡﨑聖一
株式会社キーストーンテクノロジー代表取締役社長・CEO
横浜国立大学大学院環境情報学府環境生命学専攻博士後期課程
平成31年 3 月号 ─ 9 ─
気圧・風・浮遊粒子など)
4水要因(降水量・土壌含水量・波や潮の干満・
乾燥・酸性度(pH)
・塩分濃度など)
5土壌要因(粒度・通気性・保水性・pH・塩
類濃度など)
6その他(重力・磁力・放射線量など)、◇生物学的(有機的)環境要因
1種内関係(同種の個体間)にある要因(異性
間の関係・親子間の関係・種内競争など)
2種間関係(異種の生物間)にある要因(捕食・寄生・共生など)
植物工場では、高度に調節された環境下で植物
を生産できる。その一方、高額な設備投資ととも
にその運営にはランニングコストを要するため、
生産の効率化と生産物の高付加価値化が不可欠で
ある4), 5)
。このため、栽培密度、温度、光、培
養液成分・濃度、二酸化炭素濃度、湿度など主要
な環境条件を変動させて、生産性や付加価値機能
を向上させる試みが、
すでに多くなされている6)。筆者らは、環境要因を人工的に制御することに
より植物の潜在能力を最大限に引き出す栽培技術
の確立を目指し、一連の研究を行っている。次節
から、栽培方法の違いがレタスの品質に及ぼす影
響について、2018 年6月に公表された論文を用
いて解説する。
3.植物工場栽培のサニーレタスは旨み成
分を多く含み , 苦み成分が少ない〜栽
培環境による味の特徴を明らかに〜
国立大学法人筑波大学生命環境系の草野都教
授、国立研究開発法人理化学研究所および筆者ら
の研究グループは、RGB(赤色、緑色、青色)
LED 独立制御型植物工場で栽培したサニーレタ
スが、まったく同じ組成の液体肥料を用いて土壌
栽培したものと比較したときに、見た目の違いだ
けでなく味や機能性などに関連する代謝物群の生
産に影響することを、
「統合メタボローム解析」
により世界で初めて明らかにした7)。◇掲載論文
Metabolomic Evaluation of the Quality of Leaf
Lettuce Grown in Practical Plant Factory to
Capture Metabolite Signature
(実用植物工場で栽培したリーフレタス品質の評価)
◇著者名
Yoshio Tamura, Tetsuya Mori, Ryo Nakaba-
yashi, Makoto Kobayashi, Kazuki Saito, Seiichi
Okazaki, Ning Wang, and Miyako Kusano
https://doi.org/10.3389/fpls.2018.00665(Fron-
tiers in plant science)
◇研究の背景
植物工場は、植物の生長に重要な要素である温
湿度、光質、培養液等を制御し、閉鎖的環境下で
生育することにより、天候に左右されない野菜の安
定かつ安全な供給を可能にする。一方で、慣行農
法産野菜に比べて生産コストが高いため、味や機
能性成分等で付加価値を付与できるような、先進
的な野菜栽培条件の検討が不可欠となっている。
本研究グループではこれまでに、商用植物工場
で主に栽培されている葉物野菜のひとつである
リーフレタスについて、栽培時に用いる LED の
光質や光強度と有用代謝物の生産との関係を明ら
かにしてきた8)
。本研究ではさらに、リーフレタ
スの品質について、土壌栽培のものと比較した際
に代謝レベルでどのような差異があるのか、ガス
クロマトグラフィー質量分析法(GC-MS)およ
び液体クロマトグラフィー質量分析法(LC-MS)
図1 ‌
代謝産物の適用範囲と代謝物分析のデータ品質に関
する説明図 9)
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を用いた「統合メタボローム解析」を用いて明ら
かにするとともに、指標代謝物群の探索を行うこ
とを目的とした7)。本研究で用いた統合メタボローム解析とは、動
植物の生体内代謝物を質量分析計や核磁気共鳴
(NMR)など複数の分析装置を用いて網羅的に測
定し、生理学的に解釈する手法のことである9)。近年 GC-MS などを利用した植物代謝成分の同
定及び定量を同時に行える一斉分析及び解析手法
が確立されつつあり、モデル植物を中心に研究が
進展している9)
。メタボロームという語は、ある
生物の持つ全ての代謝産物(メタボライト)を表
す。メタボロミクスは、異なる栽培環境が植物に
及ぼす影響の特定や農産物の品質評価に使用され
てきた。
これまで作物品質の向上に資する研究は、
数種類の重要な成分に標的を絞ってなされてき
た。植物は未同定のものを含めると 100 万種以上
の代謝産物を生合成すると推測されている 10)。2007 年に行われた食品および植物中の機能性成
分を含む二次代謝産物の検出を目的とした
LC-MS ベースの代謝産物プロファイリングは、
環境要因が茶中のフラボノイドの蓄積に影響する
ことを明らかにした 11)
。代謝産物プロファイリ
ングは、予め標的とする成分を決めた後に行う
ターゲット分析とは異なり、多くのサンプルにつ
いてさまざまな成分プロファイルを返すため、味
の特性の解明および農産物の機能評価のための有
望な分析方法である9)
。栽培条件の違いによって
引き起こされる味覚関連代謝産物の変動を検出す
るだけでなく、野菜の特殊代謝産物の量的変化の
特定にも貢献する。
本研究における異なる栽培システムか
らの葉のレタスの代謝産物変化データの
収集は、それらの品質を明らかにするた
めに非常に重要といえる。
◇研究内容と成果
本研究では、商業生産植物工場に準じ
た栽培条件を用いており、土壌栽培にお
いても液体肥料の組成、光源の光強度を
なるべく植物工場と同一となるように設
定した(表1)
。このような条件のもと、リーフ
レタス 2 品種は、液体肥料の組成や光源の光強
度の条件を揃えた土壌および植物工場で定植後
33 日間栽培した。使用した LED 光源の波長は、
土壌栽培は白色(400 〜 800 nm)
、植物工場栽培
は青色
(460 nm)
, 緑色
(525 nm)
および赤色(660nm)を使用した。栽培した植物体の外葉および
中葉よりそれぞれサンプリングし、メタボロ―ム
解析
(代謝物プロファイリング)
を行った。また、
収穫したリーフレタスに対して見た目(表現型)
を観察した(図1)。次に、それぞれの植物体の外葉および中葉をサ
ンプルとして、GC-MS および LC-MS を用いた統
合メタボローム解析を実施した。その結果、見た
目について、植物工場栽培のリーフレタスは、土
壌栽培のものと比較し、品種特有の褐色は観察で
きず、葉の形状も異なることがわかった(図2)。また、メタボローム解析の結果、味に関連する
アミノ酸や糖などの一次代謝物や機能性を有する
ような二次代謝物を含む約 300 個の代謝物が検
出された。各サンプルの代謝物プロファイルの比
較から、リーフレタスの葉の部位(中央、外側お
よび、その中間の葉)による違いや品種の違いよ
りも、栽培環境の違いが代謝物組成に大きな影響
を与えることが判明した。また、植物工場で栽培
したサニーレタスは土壌栽培で栽培したものと比
較し、旨味成分であるアミノ酸の含量が高く、レ
タス特有の苦味成分であるセキステルペン類の含
量が低いことが明らかとなった(図3)。表1 土壌および水耕栽培条件 7)
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◇今後の展開
これまで植物工場で栽培された野菜と屋外で土
を使って栽培された野菜では、味や見た目が異な
ることは知られていた。本研究のように、野菜の
成分そのものを直接比較することで、代謝物の種
類や配合量と、ヒトの味覚との相関を知る手がか
りを得ることができる。今後さらに、光質や液体
肥料の組成等の違いと代謝物成分の関係について
詳細に解析していくことで、野菜の味や機能性を
カスタマイズする栽培条件を導き出すという、従
来とは逆のアプローチによる新たな高付加価値農
産物生産につながることが期待される 12)。4. おわりに
筆者は、LED 植物工場用栽培装置メーカーを
経営する立場から、味や機能性成分等で付加価値
を付与できるような、先進的な野菜栽培条件の研
究活動を行っている。研究の基本コンセプトは、
「遺伝子に手を加えず、化学物質処理も行わず、
如何にして植物の潜在能力を引き出すか」
である。
植物は、地上に根を張り、
「移動できない」生存
戦略を発達させながら繁栄してきた。すなわち、
動けないからこそ、周囲の環境変化にしなやかに
応答し、
昆虫や菌類などと共生関係を営んでいる。
それらをヒントに植物の潜在能力を引き出す具体
的なアプローチとして、植物の生長に重要な要素
である温湿度、光質、培養液等を制御し、閉鎖的
環境下で生育することにより、慣行農法では真似
のできない高付加価値、高い歩留まり率をデザイ
ンすることが可能であると筆者は確信している。
一方、上述したように植物は未同定のものを含
めると 100 万種以上の代謝産物を生合成すると推
測されているため、二次代謝産物の生合成に関す
る研究を従来型の予め標的とする成分を決めた後
に行うターゲット分析では、予想した代謝メカニ
ズムと異なる結果が得られた場合、実験計画から
やり直すという時間と予算の無駄が生じて、研究
者は頭を抱えることになる。筆者の経験の一つと
して、スイートバジル(Ocimum basilicum)に
含まれる香気成分を栽培光源の光質によって制御
することを試みたことがある。筆者の開発した植
物栽培用 LED 光源で生育したスイートバジルは、
非常に香り高く、高級レストランのシェフから好
評だったため、その香りの元を明らかにしたいと
考えた。スイートバジルに多く含まれる香気成分
図2 ‌
2 つの栽培条件下で栽培されたブラックロー
ズ(BR)とレッドファイア(RF)のレタスの
外観上の特徴 7)
。白いバーは,
3 センチを表す
図3 栽培環境の違いがサニーレタスの見た目や味に及ぼす影響 7)
ブラックローズ(BR)とレッドファイヤー(RF)について、メタボローム解析の結果から、栽培条件の違い
で異なる蓄積パターンを示した味に関連した代謝物の一例を示す。棒グラフは、土壌栽培(濃灰)と、植物
工場(白)で栽培された解析結果。縦軸は各代謝物の蓄積量を表す3cm3cm3cm3cm
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を調べたところ、リナロール、α - ピネン、β - ピ
ネンおよび 1,8- シネオールの4種が絞り込めた。そ
こで、赤色光(R)と青色光(B)の光量比を3種
類設定し生育、収穫したサンプルをガスクロマト
グラフィー質量分析法(GC-MS)で分析し、対照
区の市販スイートバジルに含まれる香気成分と比
較した。結果は、4種香気成分において、RB 比の
異なる試験区間では、光質の違いが成分量に影響
を及ぼす傾向が示された。しかしながら、いずれ
の試験区も市販のスイートバジルに対する有意差
は観察できなかった。後日わかったことだが、ス
イートバジルに含まれる特徴的な香気成分は、上
述した4成分の含有量は高いが、ヒトの嗜好とし
て官能検査結果を左右するのは、他の成分である
ということだった。従来型の予め標的とする成分
を決めた後に行うターゲット分析はこの事例のよ
うに時として、期待外れになることがある。実際、
科学の世界では、仮説の検証を目的として実験を
行うので、仮説が誤っていれば、それが支持され
ない結果が出てくるのは自明である。質量分析計
などの分析装置から得られる膨大な情報量のデー
タが多数のサンプル分積み上がった際に、その中
からどのようにして目的とする成分をより分け見つ
け出すことができるかが重要なポイントになる 13)。統合メタボローム解析手法により、動植物およ
びそこから派生する食品に係わる研究は大きく変
化しようとしている。植物が生産する代謝物を網
羅的に測定し、生理学的に解釈することにより、
高機能性野菜研究テーマの選定から仮説立案ま
で、コペルニクス的大変革をもたらすことが期待
される新技術である。さらに、植物が生産する代
謝物を統合メタボローム解析手法により得られた
データをデータベースとして充実させると同時
に、AI を組み合わせれば、従来 30 年かかってい
た知見の獲得が 10 年に短縮できるかもしれない。
最後に、本研究プロジェクトに参加の機会を与
えて頂いた国立大学法人筑波大学の草野都教授な
らびに、研究成果をこのような形で発表すること
に同意頂いた論文共著者の皆様に感謝申し上げま
す。
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向けに、大量購入を確約投資リスク低減(ビジネス
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物工場の事業モデル確立に向けた7つのポイント〜 ,
野村アグリプランニング&アドバイザリー株式会社 .4) 次世代施設園芸地域展開促進事業(全国推進事業)事業
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データ解析 . Separation Sciences 2010 安全安心と快適
を支える分離と検出の科学座談会要旨.