コラム

Column

2026/08/20

PhenoVation社クロロフィル蛍光イメージングを用いたトマトの熱ストレスの早期検出

投稿者: アリエン・テーゲルス（Arjen Tegels）、プリシラ_マルコム（Priscilla Malcolm）、ディーデ・デ・ヤーガー（Diede de Jager）

クロロフィル蛍光イメージングを用いたトマトの熱ストレスの早期検出：OJIPパラメータとマルチスペクトル指標の比較評価

気候変動に伴う異常気象の増加により、農作物が非生物的ストレスにさらされる危険性が高まっています。収量を維持・向上させるためには、ストレスを早期に精度よく検出する技術が不可欠です。従来、ハイスループットな植物表現型解析（フェノタイピング）では、カラー画像（RGB）やマルチスペクトル測定が広く利用されてきましたが、熱ストレスなどの影響が外観に現れるまでには2〜3週間を要するという課題がありました。

本研究では、高感度かつ非破壊的なクロロフィル蛍光測定法、特に飽和光パルス照射時の過渡現象を捉えるOJIPプロトコルに着目し、熱ストレスの早期検出における有効性を検証しました。解像度0.4 MP・撮影速度333 fpsの超高速カメラ（PhenoVation社製「Plant Explorer Pro Field」）を投入することで、完全なOJIP過渡現象の高品質イメージングを実現し、そこから得られる各種指標の挙動を評価しました。

1. 暗順応下におけるパラメータの早期応答

トマト（品種：マネーメーカー）を対照条件（昼25℃/夜20℃）から熱ストレス条件（昼35℃/夜24℃）へ移行させ、暗順応時間（30分、5時間、7時間）を変えてOJIPパラメータの動向を調査しました。28種類の算出パラメータのうち、従来の指標と新規指標で著しい感度の差が認められました。

1.1. 代表的パラメータの挙動

総合パフォーマンスインデックス（PI_TOTAL）： 暗順応時間に関わらず、熱処理開始からわずか1日後に約12%の有意な低下を示しました。光合成電子伝達鎖全体の健全性を反映するこの指標は、熱ストレスの最も繊細かつ信頼性の高い早期指標として機能します。
光化学系I最終電子受容体への伝達効率（δ_R0）： 処理1日後に約20%有意に低下し、3日後には基準値の約70%に達しました。熱ストレスが光化学系I（PSI）側の最終段階に特異的な障害を与えていることが示唆されます。
最大量子効率（F_v/F_m）および吸収ベース性能指数（PI_ABS）： 文献で広く用いられる F_v/F_m や PI_ABS は、処理開始直後に低下するどころか逆に僅かな増加傾向を示すなど、早期ストレス指標としては明確な応答を示しませんでした。

また、暗順応をとる時間帯（夜明け前、日中回復後など）は検出速度や感度に大きな影響を与えず、どの暗順応タイミングでも1〜2日以内での確実な検出が可能であることが実証されました。

2. 明期における光適応測定と空間的不均一性の解析

光順応状態におけるPSII作動効率（F_q‘/F_m‘）の「平均値」のみを算出しても、熱処理による明確な変化は見出せませんでした。しかし、画像イメージング解析の強みを活かし、葉群落（キャノピー）全体のピクセル値の分布（ヒストグラム）を解析することで重要な知見が得られました。

熱ストレスに直面した植物では、一部の葉組織で効率が著しく低下する一方で他の領域が安定を保つため、値の不均一性が増大し、分布が左裾を引く形（Left-skewed）に変化します。中央値と12.5パーセンタイル値（Q_12.5）の相対距離を算出・評価したところ、日没時（一日の終わり）の測定において処理1日後から著しいばらつきの拡大が検出されました。単一ポイントでのスポット測定ではなく、面として捉えるイメージング解析の絶対的な優位性がここに示されています。

3. カラー・マルチスペクトル指標（HUE・NDVI）との比較

従来型の指標であるHUE（色相）およびNDVI（正規化差植生指数）の経過を追跡した結果、熱処理開始から10日間の観察期間中において、ストレスを示唆する低下は認められませんでした。

HUE： 熱処理後も緑色度が増加傾向（平均値106→111）を示しました。
NDVI： 処理2日後に基準値（0.427）から0.474へ増加し、表面上は植物の活力・健全性が向上しているかのような挙動を示しました。

これは、熱ストレスによって若い葉が巻き上がる（カールする）現象が生じ、葉の裏面がカメラに映り込むことで反射率特性が撹乱されたことが原因と考えられます。カラーやマルチスペクトル画像による可視的な判定には数週間の時間を要するのに対し、クロロフィル蛍光（特に PI_TOTAL）を利用することで、非破壊かつ極めて迅速に内部の生理障害を捉えられることが裏付けられました。

4. 結論と推奨事項

超高速カメラを搭載したクロロフィル蛍光イメージングシステムによるOJIPプロトコル解析は、トマトの熱ストレスを処理後2日以内に高精度に検出できる強力な手法です。特に複数の光合成プロセスを統合した PI_TOTAL の活用、および画像データのピクセル分布解析（空間的不均一性の評価）が早期診断のキーとなります。