葉面カロテノイド対クロロフィル比の遠隔非侵襲的推定のための一般的なアプローチに向けて

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J. Plant Physiol..2020 Jul;252:153227. S0176-1617(20)30117-6. doi: 10.1016/j.jplph.2020.153227.Epub 2020-07-04.

葉面カロテノイド対クロロフィル比の遠隔非侵襲的推定のための一般的なアプローチに向けて

Towards a generic approach to remote non-invasive estimation of foliar carotenoid-to-chlorophyll ratio.

Anatoly Gitelson

PMID: 32683162 DOI: 10.1016/j.jplph.2020.153227.

抄録

クロロフィル（Chl）とカロテノイド（Car）の含有量とその比率（Car/Chl）の変化は、植生の光合成活動、生長変化、ストレス応答の敏感な指標となる。本研究の目的は、植物の種、季節変化、発生段階を横断してCar/Chlを推定する方法を設計することであり、種固有のパラメータ化を必要としない。本研究では、葉の構造や光合成経路が対照的な4種の樹種（カエデ、クリ、ブナ、ニレ）、野生のつる性低木、2種の作物（トウモロコシ、ダイズ）を対象に、色素含量と組成の多様性を調査した。反射スペクトルから得られた葉の色素吸収係数に基づく2つのモデルを提案し、試験を行った。第一のモデルは500nmと700nmの吸収係数の比を用い、第二のモデルは500nmと660nmの吸収係数の差を用いた。どちらのモデルも0.15から0.6の範囲でCar/Chlの変化を正確に記述し、決定係数Rは第一のモデルでは0.87、第二のモデルでは0.82であった；Car/Chl推定のためのアルゴリズムは、各種のパラメータ化を必要としなかった。反射率から求めた葉の吸収係数と Car/Chl の間に密接な関係があることがわかったことは、色素組成の正確な一般的な定量化に向けた第一歩であり、その結果、発育段階の進行、ストレスの影響、および潜在的な光合成活性を正確に評価することができた。

Changes of chlorophyll (Chl) and carotenoid (Car) contents and their ratio (Car/Chl) represent a sensitive indicator of vegetation photosynthetic activity, developmental changes, and stress responses. The goal of this study was to design methods for estimating Car/Chl in plants across species, seasonal changes and ontogenetic phases requiring no species-specific parameterization. Four tree species (maple, chestnut, beech, and elm), wild vine shrub, and two crops species (maize and soybean) featuring contrasting leaf structure and photosynthetic pathways, a wide variation of pigment content and composition were studied. Two models based on leaf pigment absorption coefficients retrieved from reflectance spectra were proposed and tested. The first model uses the ratio of absorption coefficients at 500 and 700 nm and the second one-the difference between absorption coefficients at 500 and 660 nm. Both models accurately described Car/Chl changes in the range from 0.15 to 0.6 with determination coefficients R of 0.87 for the first model and 0.82 for the second; algorithms for Car/Chl estimation did not require parameterization for each species accurately assessing Car/Chl with normalized root mean square error below 11 % and 14 %, respectively. The findings of a close relationship between leaf absorption coefficients, retrieved from reflectance, and Car/Chl present the first step towards accurate generic quantification of pigment composition and hence the progression of developmental stages, impact of stresses, and potential photosynthetic activity.