科学者たちは、植物が受けている可能性のあるストレスを監視できるデバイスを開発した。
この技術は、光学センサーで葉の化学成分を調べ、ストレス状態を判定する。
このデバイスが農家による作物収量の最大化を支援し、深刻化する食料不安への懸念に対処する助けになると期待されている。
研究者らは、シンガポール・MIT研究技術連携機構（SMART）とテマセク生命科学研究所（TLL）は、植物がストレスを受けているかどうかを監視できる携帯型光学センサーを開発した。このデバイスは、圃場環境で植物の健康状態を早期診断し、リアルタイムで監視するための新たなツールを農家や植物科学者に提供する。
持続可能な農法を通じて深刻化する食料不安に対処するうえで、精密農業は重要な戦略だ。しかし、目に見える症状が現れ、その後に収量が減少する前に、植物のストレスを迅速に診断する新技術が必要となる。SMARTが開発した新しい携帯型ラマン葉クリップセンサーは、精密農業に役立つツールであり、植物の窒素不足を早期診断できる。窒素不足は葉の早期劣化や収量減少につながる可能性がある。
「植物ストレスを迅速に検出する携帯型ラマン葉クリップセンサー」と題した論文で、学術誌Scientific Reportsに掲載されたこの論文で、科学者たちは、光学センサーで葉の化学成分を調べ、ストレス状態を判定できる葉クリップの設計、製作、試験について説明している。この研究は、シンガポールにおけるMITの研究組織SMART内の学際研究グループ（IRG）、農業精密化のための破壊的かつ持続可能な技術（DiSTAP）で実施された。
「十分な光の下で生育する植物に携帯型ラマン葉クリップセンサーを使って生体内測定を行ったところ、実験室環境で葉の切片を卓上型ラマン分光計で測定した結果と一致しました」と、論文の共同筆頭著者であり、DiSTAPの主任研究者でもあるMIT電気工学・コンピューターサイエンス教授のラジーブ・ラム氏は述べる。「重要な栄養素であり、肥料の最も重要な成分である窒素の不足を、生きた植物で早期診断できることを携帯型センサーで実証しました。」
この研究では主に植物の窒素濃度の測定に着目したが、このデバイスは干ばつ、暑熱・寒冷、塩分、光によるストレスなど、ほかの植物ストレス表現型のレベル検出にも使える。葉クリップ式ラマンプローブで検出できる植物ストレス要因の幅広さに加え、操作が簡単で測定が速いため、農家が圃場で作物の健康状態を確認するのに適している。
「葉クリップセンサーを使った窒素不足の早期かつ特異的な診断に重点を置きましたが、カイラン、レタス、菜心、チンゲンサイ、ホウレンソウなど、広く食べられている野菜でも明確に確認できる、ほかの代謝物のピークも測定できました」と、論文の共同筆頭著者でTLLの博士研究員であるチュン・ハオ・ファン氏は述べる。
研究チームは、この成果が農家の作物収量の最大化に役立つと考えている。同時に、窒素の流出や地下水面への浸透を減らして水生生態系の汚染を抑えるなど、環境への悪影響を最小限に抑えることにもつながる。
「このセンサーは複数の野菜品種で実証されており、シンガポールの『30 by 30』構想の一環として、栄養価が高く安価な野菜の生産を目指す取り組みを支えます」と、DiSTAPの共同主任研究者、TLL副所長、研究の共同筆頭著者であるチュア・ナムハイ教授は述べる。「この研究をより多様な作物に広げれば、世界の作物収量の向上、気候変動への耐性強化、肥料使用量の削減による環境汚染の緩和に貢献する可能性があります。」
携帯型ラマンシステムは、地元企業のTechnoSpexとの協力で設計された。葉クリップ式ラマンセンサーは、光ファイバー式ラマンプローブのアセンブリーを組み込んだ3Dプリント製クリップで構成されている。
DiSTAPの博士研究員シルピ・グプタ氏が論文の共同筆頭著者を務め、同グループの科学ディレクターであるガジェンドラ・プラタップ・シン氏も共著者に名を連ねた。この研究はSMARTが実施し、シンガポール国立研究財団（NRF）の研究卓越性・技術事業キャンパス（CREATE）プログラムの支援を受けた。
DiSTAPプログラムは、影響力のある新しい分析・遺伝・生合成技術群を開発し、シンガポールと世界の食料生産における根本的な課題に取り組んでいる。その目標は、植物の生合成経路の発見、監視、改変、そして最終的な応用の方法を根本から変え、食料と栄養素に対する世界の需要に応えることだ。
MIT、TLL、南洋理工大学、シンガポール国立大学の科学者たちは、特に葉物野菜を対象に、これまで不可能だった方法で植物の生合成経路を新たに発見し、より深く理解して制御するため、重要な植物代謝物やホルモンを継続的に測定する新しいツールを共同開発している。また、こうした新技術を活用して、収量密度の高い生産、干ばつや病原体への耐性、高付加価値の商業製品の生合成など、世界の食料安全保障にとって望ましい特性を備えた植物を開発するほか、産業利用に適した微生物を用いて疎水性の食品成分を生産するツール、葉物野菜を保護したり成長を促進したりできる揮発性有機化合物を生産する新たな微生物・酵素技術の開発にも取り組み、これらの技術を都市型農業の改善に応用している。
DiSTAPは、MIT側の共同主任研究者であるマイケル・ストラーノ教授と、シンガポール側の共同主任研究者であるチュア・ナムハイ教授が率いている。
SMARTは2007年、MITとNRFによって設立された。NRFがCREATE内に設立した最初の組織である。SMARTは、MITとシンガポールの研究交流を促進する知的・イノベーション拠点として、双方が関心を持つ分野で最先端の研究プロジェクトに取り組んでいる。現在、イノベーションセンターと5つの学際研究グループ（IRG）で構成される。5つのIRGは、抗菌薬耐性、個別化医療製造のための重要分析、DiSTAP、未来の都市モビリティ、低エネルギー電子システムである。
