开发了将地下生物实时可视化的装置“Fiber-RADGET” ―通过光纤实现根的可视化，应用于现场监测―
1 .发表要点 ◆◆ 开发了用于非破坏、简便地检测·可视化地下生物引起的微小运动的装置。 ◆◆ 实现了实时观测在地下等不可视领域困难的植物根等生物的活动。 ◆◆ 通过高灵敏度的分布型光纤传感(※1 )装置，可以将地下的状态再现为数字信息，有望应用于智慧农业。
2 .概要 国立研究开发法人海洋研究开发机构(理事长松永是，以下称为“JAMSTEC”。 )超尖锐研究开发部门的郑美嘉特任研究员等担任国立研究开发法人农业·食品产业技术综合研究机构(理事长久间和生，以下称为“农研机构”。 )共同开发了一种实时可视化地下生物运动的装置“光纤光栅(光纤光栅传感器)”(图1 )。 在地球规模环境变动不断加剧的现代，为了持续地进行食物生产，有必要迅速开发在干旱和养分缺乏等环境压力下也能够栽培的作物。 根是吸收营养水分所必须的器官，其形状的差异在植物对环境胁迫的耐受性中起着很大的作用。 因此，近年来根系的改良备受关注。 改良需要调查根的生长，但是不挖掘地下存在的根，实时观测一直以来都被认为是困难的。 在确立根的生长实时可视化的方法时，有时我们着眼于连混凝土也会冲破的根的强度，研究了根据根压土的应力能否确定根的尺寸和位置等。 根一按土，地下就会相应地变形。 我认为，通过使用可以测量变形的分布型光纤传感(※1 )，可以从该数值中逆算出根的状态。 在这样的理论基础上，实际验证了根的“可视化”。 为了能够检测细根引起的微弱应力，开发了高灵敏度的光纤传感装置，在地下等光不通过的不可见光区域观测了植物根的生长。 结果表明，通过将装置加工成柔软结实的圆筒状(图1 :装置制作的过程)，事先设置在不可视区域，可以检测微小的运动(图2 :金属丝的检测例，图3 :根的观测例)。 根据本发明，可以在迄今为止不可视领域的地下，实时观测植物根的生长、小动物的活动、微生物的复合结构(※2 )形成等广泛的生物活动。 本发明， 国立研究开发法人科学技术振兴机构战略性创造研究推进事业研究领域“面向环境变动的植物稳健性的阐明和应用的基础技术的创造”中的研究课题“利用ROOTomics创造环境遗传作物”以及月亮型农林水产研究开发事业(管理法人:农研机构生物特定产业技术支援中心)“ 这与通过利用物理系统的作物强韧化实现零食物风险”中的研究开发成果有关。 另外，本成果正在申请专利中。
発明者：
鄭美嘉1、川人洋介1、宇賀優作2
特許出願人：
1.JAMSTEC、2.農研機構
3 .背景 对于海洋空间这一具有超越可远程观测宇宙的不可视领域的极限环境，JAMSTEC超尖锐研究开发部门致力于挑战性、独创性的技术开发研究，而不依赖于现有技术的发展延长。 特别是，在以往的调查·观测中几乎没有得到活用，但通过与已被公认为萌芽性的激光加工和电化学处理的测量、极微小领域和超高精度的分析等新技术相结合的独自技术开发，与社会进行了积极的协作，致力于独自的技术开发，通过积极的不同领域的合作，为了通过与社会的协作创造地球规模的未来，推进了研究开发。从2020年度开始，与农研机构合作，明确作物生长-基因组-环境的相互作用，开发有针对性的迅速自由改良作物的研究平台。 在地球规模环境变动不断加剧的现代，要开发抵抗土壤压力(干旱、养分缺乏、盐害等)的坚韧的作物，对暴露在这种压力下的根的观测和改良是不可缺少的。 根是环境胁迫下严重影响作物生长的重要器官。 例如，深根在土壤深层吸收水和氮，提高干旱时的生产率。 另一方面，浅根容易获得地表的氧气，在盐害和湿害导致氧气不足的土壤中提高生产力。 但是，迄今为止，实时观测地下这个不可视区域的根一直被认为是困难的。 不挖掘而无损测量的方法有x射线CT(※3 )，但每次拍摄时都需要将植物个体移动到CT装置内部，实际上很难应用于实时测量和现场研究。 在自由自在的作物开发中，作物生长-环境-基因组信息的实时测量变得重要起来。 其理由之一是，植物中有很多基因，筛选应该改良的候补需要时间。 如果能从早期开始评价对作物生长的效果的话，筛选的时间就会变短，从而加快开发。 二是环境瞬息万变，调查作物的环境响应需要捕捉其瞬间的根变化。 通过基于高精度时间分辨率的表现型分析，有望对作物生长-环境-基因组的相互作用机理的阐明有所帮助。 现场栽培比盆栽栽培的土壤环境复杂，作物的状态也不同。 此次发明的分布型光纤传感装置可以长期安装在地下，可以从露出地表的光纤的终端进行连续测量。 因此，也有望应用于现场研究。
4 .成果 在确立根的生长实时可视化的方法时，构建了用于检测细根引起的微弱应力的理论。 结果，可以预测，如果在地下设置柔软结实的圆筒状光纤传感器装置，根在该圆筒内部生长时，可以检测出变形。 另外还暗示了根据其变形的数值和发生位置可以确定生长的根的粗细和位置。 基于这一理论，开发了高灵敏度的光纤传感装置“Fiber-RADGET”，实验了在土和琼脂等可见光不通过的物质内“能看到”根的运动。 将施工在柔软的氟树脂薄膜上的光纤传感器组装成圆筒状或漩涡状的装置(图1 )设置在地下和琼脂中时，如预测那样成功地观测到了根部的运动。 首先，在使用被当作直径1 mm的植物根的金属丝的预备实验中，光纤变形的产生位置和刺入金属丝的位置一致(图2左)。 改变金属丝的粗细和刺入介质的硬度进行验证后，发现光纤产生的变形数值与金属丝的粗细有关(图2右)。 另外，发现介质坚硬的一方应变也同样上升(图2右中的5%琼脂和10%琼脂的图表)。 这被认为是因为，如果介质坚硬，则刺穿介质需要更大的应力，应变与应力成正比。 接着，在使用萝卜的实验中，可以观测到光纤上产生的形变随着根的生长而变化的情况(图3 )。 观测3周后，由于动作停止了，用x光CT确认，变形较大的位置和肥大的根部的位置一致。 由此可知，在理论和实验两方面，通过将加工成柔软结实的圆筒状的光纤传感装置设置在不可视区域，可以检测和可视化微小生物的运动。
4 .成果 在确立根的生长实时可视化的方法时，构建了用于检测细根引起的微弱应力的理论。 结果，可以预测，如果在地下设置柔软结实的圆筒状光纤传感器装置，根在该圆筒内部生长时，可以检测出变形。 另外还暗示了根据其变形的数值和发生位置可以确定生长的根的粗细和位置。 基于这一理论，开发了高灵敏度的光纤传感装置“Fiber-RADGET”，实验了在土和琼脂等可见光不通过的物质内“能看到”根的运动。 将施工在柔软的氟树脂薄膜上的光纤传感器组装成圆筒状或漩涡状的装置(图1 )设置在地下和琼脂中时，如预测那样成功地观测到了根部的运动。 五.今后的展望 根据本发明，可以在迄今为止为不可视区域的地下，实时观测植物根的生长、小动物的活动、微生物的复合结构形成等广泛的生物活动。 例如，作为在农业上的应用，根据菜根类和松露等地下作物的生长诊断，有助于决定收割时期。 并且，根据由本装置得到的数据，构筑用数字信息再现地下状态的网络物理系统(※4 ) (图4 :网络物理系统的构筑)，通过前面所述的作物生长诊断等的网络化和自动化，为未来的食品生产的稳定化做出贡献。另外，作为在海洋研究中的利用，可以考虑开展海底环境下的生态调查等。 例如，有迹象表明，底栖生物挖掘的巢穴对生态系统有很大的作用。 巢穴结构的形成过程和范围等，由于是至今为止不可见的区域，所以难以进行的海底调查有望得到促进。
【补充说明】 ※1 分布型光纤传感:沿光纤测量应变，明确应变的空间分布情况。 ※2 复合结构:由多种微生物集合而成的结构。 子实体。 蘑菇、淤泥等。 ※3 x射线CT(X射线断层摄影) :使用电磁波的一种x射线的三维摄影技术。 与可见光不同，x射线透过物体，可以观察内部结构。 从摄影对象的各个角度照射x射线，根据透过的x射线的强度计算摄影对象的三维结构。 ※4 网络物理系统:对现实世界(物理空间)中传感器网络产生的庞大的观测数据等信息，结合网络空间的强大计算能力进行数值化和定量分析，为了提高迄今为止依赖“经验和直觉”的现象的效率，实现更高级的社会，以“所有社会系统的效率化”“新产业的创造”“知识生产力的提高”等为目标的服务和系统。
图1是将地下生物实时可视化的装置“Fiber-RADGET”制作的过程。 将施工在软氟树脂薄膜上的光纤传感器(展开的光纤传感器部)组装成螺旋状的装置(组装后只有单体)设置在地下(组装后设置在地下时)，通过x射线CT的剖视图确认了实际在地下是怎样的配置(组装后x射线)。
图2使用「Fiber-RADGET”的金属丝检测示例。 将装置设置在地下后，将直径1 mm的铁丝从中央向左从约50 mm的地方刺入地下(地下铁丝)。 光纤变形的产生位置和刺入金属丝的位置一致(图2左:地下的金属丝验证)。 改变金属丝的粗细和刺入介质的硬度进行验证，金属丝粗的一方光纤产生的变形数值高(图2右:琼脂中的金属丝验证)。 另外，介质坚硬的变形数值较高。 可以认为，这是因为介质坚硬时刺穿需要更大的应力，应变与应力成正比。
图3使用 「Fiber-RADGET”对根的生长进行观测。 在地下设置螺旋状的光纤装置，在其中央附近播下白萝卜的种子。 用x光CT确认的植物根的位置用红色表示。 根生长肥大到地下50 mm附近，光纤相应地产生了应变。