東京大学は、一般的なミニトマト品種を用い、人工光型植物工場(LED植物工場)における高品質栽培手法として、従来型の「I字栽培」と新開発の「S字多段式栽培」を比較検証。その結果、両栽培が温室(ビニールハウス)栽培を超える品質水準だったことを、7月30日に発表した。

  • 植物工場における甘くて栄養価の高いミニトマトの安定生産のイメージ
    (出所:東大Webサイト)

同成果は、東大大学院農学生命科学研究科の古田花果大学院生(研究当時)、同・キュウ・ユウチェン博士研究員、同・石塚暖 一般技術職員、同・河鰭実之教授、同・矢守航准教授らの研究チームによるもの。詳細は、園芸作物・農作物を扱う学術誌「Frontiers in HorticultureS」に掲載された。

地球温暖化や農家の高齢化、後継者不足といった食料生産における日本の課題は深刻だ。こうした状況で注目を集めるのが、都市空間の空きビルなどを転用することも可能な、太陽光に依存しない植物工場である。

植物工場では太陽光の代わりにLEDを使用し、これまでは主にレタスのような低光量で育つ作物が栽培されてきた。甘味やうま味、リコピンを豊富に含むトマトは強い光を必要とするため、「LED栽培には不向き」との認識が一般的だ。そこで研究チームは今回、この常識を覆すため、LEDのみで高品質トマトを育てる技術開発に挑むことにした。

  • 植物工場におけるS字多段式ミニトマト栽培の実際の様子
    (出所:東大Webサイト)

従来型の植物工場では、茎を垂直に伸ばして1本のワイヤに誘引するシンプルなI字栽培が一般的だ。しかし今回は、茎を水平に曲げながらS字状に多段の棚に誘引して各層の側面にLEDを設置する新しいS字栽培が開発された。今回の研究では、両栽培法の比較に加え、従来の温室と植物工場(I字/S字)の栽培比較も実施された。

トマトの栽培には、安定した光と温度が不可欠である。温室は環境が日々変動する一方、植物工場は年間を通してほぼ一定に環境を保てる点が優位性だ。特にS字栽培は、光が株全体に均等に届くため、効率的な光合成を促す構造が実現されている。

葉の光合成は、成長や果実の甘味・栄養の源となる。光合成活性の測定では、温室やI字栽培では上葉のみが活発なのに対し、S字栽培では上下の葉が共に活発に機能することが判明した。これは、光が均等に当たるためである。さらにS字栽培は、節間が短く茎が太い「ずんぐり型」の株型となり、クロロフィル量も高い。これは、省スペースでもしっかり実をつけるLED植物工場にとって理想的な形といえる。

栽培法による収量に大差はなかった。しかし、S字栽培では株を水平展開することで、播種から初収穫までの期間が約2週間も短縮し、最も効率的な収穫が可能となった。今回の研究では、1株から最大23段果房の収穫を達成し、長期間の安定生産も実証された。

  • 温室および植物工場での栽培における環境要因。(A)栽培期間全体および月ごとの温室内の平均気温および光量(光密度)。(B)同じく植物工場内の平均気温。また、栽培期間中のI字/S字栽培における上・中・下層の温度、湿度、光量
    (出所:東大Webサイト)

  • 異なる栽培条件におけるトマトの光合成および生育パラメータ。(A)温室土耕、温室養液、植物工場I字栽培、S字栽培におけるETR(電子伝達速度)、1-qP(光化学消失)、NPQ(非光化学消失)の比較。(B)同様の各栽培方法における茎の伸長速度、新葉数、SPAD値(葉緑素濃度の指標)、茎径の比較
    (出所:東大Webサイト)

収穫された果実は小粒ながら色が濃く、締まりも良好だったとした。味の面では、S字栽培のトマトが最も糖度が高く(Brix値8.5%)、その一方で酸味が低いことから糖酸比が最大となり、コクのある味わいが実現された。さらに、リコピンは約5%、ビタミンCは約7%温室よりも多く、栄養価の高さも示された。アミノ酸では、温室トマトにGABAやグルタミン酸などのうま味成分がやや多く含まれる傾向が見られた。

温室と植物工場の比較から、環境差が直接品質差に結びついたことが明らかにされた。温室は天候に左右され、光や温度が不安定だ。対照的に、植物工場は空調とLEDにより環境が安定しているため、栽培期間の短縮や、糖度、ビタミンC、リコピンの増加など、品質向上が見られた。

  • 異なる条件で栽培されたトマトの収量および果実品質。(A)単位面積あたりの収量、1か月あたりの収穫果房数、1果房あたりの収量、第1〜第23果房までの収穫日数、1株あたりの月間収量。(B)各栽培法で収穫されたトマト。(C)各栽培法における果実品質データ(果重、酸度、糖度、リコピン含量、ビタミンC含量)
    (出所:東大Webサイト)

  • トマトにおけるアミノ酸および糖の代謝マップ。赤い四角で示されたアミノ酸と、青い四角で示された糖の含有量は、異なる栽培条件下で測定され、対応する棒グラフに示されている
    (出所:東大Webサイト)

同じ植物工場での栽培でも、I字とS字の栽培方法では光の利用効率に違いが生じ、それが品質差につながった。I字栽培でも温室を超える品質は達成可能だが、光ムラにより果実サイズや糖酸比に限界がある。一方のS字栽培は、株全体で均等に光合成できるため、コクのある味、収穫スピード、省スペース生において、今回比較された中で最も優れていることが明らかにされた。

  • 異なる栽培条件下で育てられたトマトの植物体および果実に関する主要因子の比較。レーダーチャートでは、温室土耕栽培を基準とし、成長パラメータ(ミントグリーンの領域)、収量パラメータ(淡黄色の領域)、果実品質パラメータ(紫色の領域)の相対値を示す。外周のヒートマップには、上記各項目の実測値が表示されており、色付きのリングがそれぞれの栽培条件を表す
    (出所:東大Webサイト)

  • 温室と植物工場(I字/S字栽培)の比較
    (出所:東大Webサイト)

今回の研究で、LED植物工場でのトマト栽培に、ふたつの実用的な選択肢が確立された。I字栽培は設備改造が少なく導入が容易であり、高糖度・高リコピントマトの栽培に適した方法と判明した。一方、S字栽培も同様に導入しやすく、高糖度・高リコピンに加え、糖酸バランスが向上し、早期収穫も可能な高付加価値型の栽培法であることが実証された。

今回のS字栽培のような多段式ラックと精密な環境制御による省スペース・高効率な栽培技術が広がれば、都市部の空きビルや地下空間を「ビル内トマトファーム」へと転換し、輸送距離ゼロの地産地消も実現する。さらに、余剰再生エネルギーや二酸化炭素リサイクルとの組み合わせで、脱炭素型の食料生産拠点としての機能も考えられる。加えて、地上の都市部以上にスペースの有効活用が求められる宇宙農業への応用も期待されるとしている。