植物生産の場合、環境調節を行わない圃場栽培が最もコストが低い。そのため、環境調節 技術を利用した栽培を行うには圃場栽培と比較したときの生産効率が重要である。そこで、
第3章で行ったvinblastine収量のデータ（Fig. 3-8）から１ｍ2あたりのvinblastine年間収量 のシミュレーションを行った（Table 5-1）。UVA照射期間はvinblastine濃度が最大になった 7日とした。比較対象にはGholamhoss et al.（2011）の行った圃場での栽培実験結果を用い
た。vinblastine濃度は、圃場で栽培したもので高かったものの、第3章の方法は栽植密度が
高く、栽培期間が短いため、1 ｍ2あたりのvinblastine年間収量は約1.9から4.7倍多くなる と推定された。また、UVA強度を高めるとvinblastine濃度が高まるため（Fig. 4-4 C）、UVA 強度の調節により1 ｍ2あたりのvinblastine年間収量をより増加させられることが期待でき る。
第4章の結果から、老化葉やUVAが照射されない下位葉の存在はvinblastine生産性を低 下させることが明らかになった。そのため、株中に存在するこれらの葉の量を減らすことが 重要である。そこで、老化葉やUVAが照射されない下位葉を減らす方法として二つの栽培 方法を考案した。この二つの栽培方法をcultivation method 1 および 2 とし1 ｍ2あたりの
vinblastine年間収量のシミュレーションを行った（Table 5-1）。
初めにcultivation method 1は、老化葉や下位葉が着生していない若い生育ステージの株に
対してUVA照射を行う方法である。例として、第1葉展開時の株にUVA照射することを 検討した。この方法では、暗処理ならび子葉展開までは第3章と同様の方法で行い、その後 赤単色光下で初生葉と第1葉を展開させる。その後、3日以上UVA照射を行い、vinblastine を蓄積させる方法である。第1葉展開時は、本論文での栽培方法における35日間の白色蛍 光灯での育苗期間にあたる。若い生育ステージの株は、植物体が小さいことから栽植密度を 高めることが可能であり、第1葉展開時の場合、育苗時の栽植密度である416株/m2程度に なると考えられる。そのため、第3章における栽培方法と第１葉展開時の栽植密度を比較す ると10倍程度高くなると推定された。第3章の栽培方法と比較してcultivation method 1で は株あたりの重量の減少により、面積あたりの乾物収量は68 %程度になる。一方で、UVA 照射までの栽培日数は、第3章の方法での63日と比較してcultivation method 1は35日と 28日間の短縮になり、年間の収穫回数は1.8倍になると考えられた。vinblastine濃度は、若 い葉に対するUVA照射になるため、第4葉におけるvinblastine濃度に近い値が観測される と推定し、vinblastine濃度を第4葉での最大値61.1 μg g-1DW（Fig. 3-1 C）と仮定した。その
結果、1 ｍ2あたりのvinblastine年間収量は第3章での方法の2.2倍程度になると推定され
た（Table 5-1）。また、圃場栽培と比較して4.2から10.4倍程度多く生産が可能になると予
想された。
cultivation method 2は、vinblastine濃度の高い葉のみを収穫する方法が考えられる。ニチ
ニチソウは多年草のため十分な気温が維持されれば、継続的に栽培が可能な植物である。そ
73
こで、第４葉展開時までは第3章の方法と同様の栽培を行い、UVA照射後vinblastine濃度 が高い上位最大展開葉のみを収穫する。その後、光質を赤単色に切り替え上位葉の展開を促 し、展開した上位葉に対してUVA照射を行い、これを収穫する。この赤色光下での葉の展 開、UVA照射によるvinblastine蓄積、そして収穫を繰り返す栽培手法である。vinblastine濃 度は、若い葉のみを収穫するため第4葉のvinblastine濃度と近い値を示すと推定した（Fig.
3-1 C）。株あたりの乾物重量を第4葉対の重量で仮定すると、第3章の方法と比較して13 %
程度になると考えられた。収穫サイクルは、上位葉が 7 日程度で展開するため、第4 葉で
vinblastine濃度が最大になる5日間のUVA照射を加えた合計12日での収穫が可能になると
考えられた。年間の収穫回数は第 3 章の方法の 5.2 倍になると推定された。以上のことか
ら、1 ｍ2あたりのvinblastine年間収量は、第3章の方法と比べて1.3倍程度になると推定
された。また、圃場栽培と比較して1 ｍ2あたりのvinblastine年間収量は約2.2から5.4倍 多く生産が可能になると予想された。
人工光型植物工場では、栽培面と光源を近づけることが好まれる。これは、エネルギーの 利用効率が高くなることと栽培装置の多段化が容易になるためである。cultivation method 1 は、若い生育ステージの株のため草丈が低く、光源と栽培面を近接させることが容易である ことから、人工光型植物工場での栽培に適した方法であると考えられた。
他方でcultivation method 2は、草丈の伸長が予想されるため、人工光型植物工場での利用
は難しいと予想される。そのため、太陽光型植物工場での利用に適している可能性がある。
太陽光型植物工場は、主な光源を太陽光とするため人工光型のように栽培面を多段化する ことが難しい。一方で、天井を高くできるため草丈による栽培の制限がない。近年、農業フ ィルムにより太陽光の光質を制御することが可能になりつつある。実際に浜本ら（2008； 2011）は、紫外光を可視光に変換するフィルムを用いることでホウレンソウやネギの可食部 生育を増加させたことを報告している。そのため、太陽光型植物工場に光質変換フィルムを 導入することでcultivation method 2を利用することが可能であると考えられた。
vinblastineを生産するにあたり選択肢として圃場、太陽光型植物工場、人工光型植物工場
の3点が考えられる。まず、圃場であるが第1章でも述べたが日本の気候条件では、年間通 してニチニチソウを栽培できる地域は限定される。また、栽培が可能であっても気温・日照 の変動が起こるため安定した vinblastine 生産は望めないと考えられる。太陽光型植物工場 は、多段化が難しいため、十分な栽培面積の確保と光環境の制御が課題である。そのため、
人工光型植物工場での生産が最も適していると考えられる。一方で、人工光型植物工場は初 期および運営コストともに他の 2 つの生産方法に比べて高いため、今後の課題としてはコ ストの観点から人工光型植物工場でのvinblastine生産が可能であるかを検証する必要ある。
本研究の結論として、赤単色光下でニチニチソウを栽培し、生育ステージが若い段階の株
に対して10 W m-2以上のUVA照射を3日以上行うことで最もvinblastineを多く生産できる
と考えられた。この新しい栽培技術は、外部環境の影響をほとんど受けない人工光型植物工 場での生産に適しており、効率的で安定したvinblastine生産に寄与すると期待される。
74
Table 5-1 Simulation results of vinblastine yield using four cultivation methods
Method of section 3
Cultivation
method Field
cultivatione
1 2
Number of plant per 1 m2 (/m2) 41 416 41 9
Cultivation days (day) 70 40a > 68 117-124f
Crop yield (g DW/plant) 1.5 0.1b 0.2 Unknowng
Crop yield per 1 m2 (g DW/m2) 61.5 41.6 8.2 10
Vinblastine concentration (μg/g DW) 33.3 61.1c 61.1c 110-180 Vinblastine yield
per plant (μg/plant) 50 6.1 12.2 Unknowng
Vinblastine yield per 1 m2 (μg/m2) 2050 2540 500 1100-1800 Number of harvests
per year (/year) 5 9 26d 2-3
Vinblastine yield per year (mg/m2/year) 10.3 22.8 13 2.2-5.4 a: Development of first leaves.
b: Estimate value.
c: Vinblastine concentration in 4th leaves of a plant grown under UVA+R for 5 days (Fig. 3-1 C).
d: It assumed that the upper leaves could be harvested every 12 days after the first harvest.
e: Gholamhoss et al.（2011）
f: The plants were cultivated from 22 of March to late of September.
g: Data not shown.
75
引用文献
Abdolzadeh, A., F. Hosseinian, M. Aghnaz, and H. Sadgipoor. 2006. Effects of Nitrogen Sources and Levels on Growth and Alkaloid Content of Periwinkle. Asian J. Plant Sci. 5: 271-276.
Aerts, R. J., and V. De Luca, 1992. Phytochrome is involved in the light-regulation of vindoline biosynthesis in Catharanthus. Plant Physiol. 100: 1029-1032.
Afreen, F., S. M. A. Zobayed, and T. Kozai, 2005. Spectral quality and UV-B stress stimulate glycyrrhizin concentration of Glycyrrhiza uralensis in hydroponic and pot system. Plant Physiol.
Biochem. 43: 1074-1081.
Asano M., K. Harada, T. Yoshikawa, T. Bamba, and K. Hirata. 2010. Synthesis of anti-tumor dimeric indole alkaloids in Catharanthus roseus was promoted by irradiation with near-ultraviolet light at low temperature. Biosci. Biotechnol. Biochem. 74: 386-389.
Baier, J., T. Maisch, M. Maier, E. Engel, M. Landthaler, and W. Bäumler. 2006. Singlet oxygen generation by UVA light exposure of endogenous photosensitizers. Biophys. J. 91: 1452–1459.
Cai, Z. Q., W. H. Wang, J. Yang, and C. T. Cai. 2009. Growth, photosynthesis and root reserpine concentrations of two Rauvolfia species in response to a light gradient. Ind. Crops Prod. 30: 220–226.
Carter, S. and R. Livingston. 1976. Plant products in cancer chemotherapy. Cancer Treat. Rep. 60:
1141-1156.
Chakraborty, N. and B. C. Tripathy. 1992. involvement of singlet oxygen in 5-aminolevulinic acid-induced photodynamic damage of cucumber (Cucumis sativus l.) Chloroplasts Plant Physiol., 98: 7–
11.
Chang, B., L. Yang, W. Cong, Y. Zu, and Z.-H. Tang. 2014. The improved resistance to high salinity induced by trehalose is associated with ionic regulation and osmotic adjustment in Catharanthus roseus. Plant Physiol. Biochem. 77: 140-148.
Chico, J. M., G. Fernández-Barbero, A. Chini, P. Fernández-Calvo, M. Díez-Díaz, and R. Solano. 2014.
Repression of jasmonate-dependent defenses by shade involves differential regulation of protein
76
stability of myc transcription factors and their jaz repressors in Arabidopsis. Plant Cell 26: 1967–1980.
Costa, M. M. R., F. Hilliou, P. Duarte, L. G. Pereira, I. Almeida, M. Leech, J. Memelink, A. R. Barceló, and M. Sottomayor. 2008. Molecular cloning and characterization of a vacuolar class III peroxidase involved in the metabolism of anticancer alkaloids in Catharanthus roseus. Plant Physiol. 146: 403-417.
Croteau, R., T. M. Kutchan, and N. G. Lewis, 2000. Natural Products (Secondary Metabolites). In
“Biochemistry & Molecular Biology of Plants” (eds. By B. B. Buchanan, W. Gruissem, and R. L.
Jones), Ed. 1, American Society of Plant Biologists, p 1250-1348.
Davletova, S., L. Rizhsky, H. Liang, Z. Shengqiang, D. J. Oliver, J. Coutu, V. Shulaev, K. Schlauch, and R. Mittler. 2005. Cytosolic ascorbate peroxidase 1 is a central component of the reactive oxygen gene network of Arabidopsis. Plant Cell 17: 268–281.
De. Carolis, E., F. Chan, J. Balsevich, and V. De Luca. 1990. Isolation and Characterization of a 2-Oxoglutarate Dependent Dioxygenase Involved in the Second-to-Last Step in Vindoline Biosynthesis.
Plant Physiol. 94: 1323-1329.
Duangteraprecha, S., K. Hirata, E. Morihara, M. Nakae, H. Katayama, M. Honda, and K. Miyamoto.
1997. Non-enzymic coupling of vindoline and catharanthine to synthesize 3′,4′-anhydrovinblastine under irradiation with near-ultraviolet light. J. Ferment. Bioeng. 83: 227–232.
Dutta, A., J. Batra, S. Pandey-Rai, D. Singh, S. Kumar, and J. Sen. 2005. Expression of terpenoid indole alkaloid biosynthetic pathway genes corresponds to accumulation of related alkaloids in Catharanthus roseus (L.) G. Don. Planta 220: 376–383.
海老澤聖宗，庄子和博，加藤美恵子，下村講一郎，後藤文之，吉原利一．2008．B, UV-Aおよび青色光の夜間補光がサニーレタスの成長と着色に及ぼす影響．植物環境工学 158:
158-164.
Endo, T., A. Goodbody, J. Vukovic, and M. Misawa. 1987. Biotransformation of anhydrovinblastine to vinblastine by a cell-free extract of Catharanthus roseus cell suspension cultures. Phytochemistry 26: 3233-3234.
77
Facchini, P. J. and V. De Luca. 2008. Opium poppy and Madagascar periwinkle: model non-model systems to investigate alkaloid biosynthesis in plants. Plant J. 54: 763–784.
Franklin, K. A. 2008. Shade avoidance. New Phytol. 179: 930–944.
Frischknecht, P. M., M. Bättig, and T. W. Baumann. 1987. Effect of drought and wounding stress on indole alkaloid formation in Catharanthus roseus. Phytochemistry 26: 707-710.
福山太郎，三ツ木智子，内田笙太郎，草野 都，七夕高也，渡邊博之．2016．異なる光質と 光強度下で栽培したリーフレタスのメタボローム解析（2H023）．農芸化学会2016年度大会．
3月．札幌．日本農芸化学会大会講演要旨集 p. 756．
Gholamhoss, Z., K. Hemati, H. Dorodian, and Z. Bashiri-Sadr. 2011. Effect of nitrogen fertilizer on yield and amount of alkaloids in periwinkle and determination of vinblastine and vincristine by HPLC and TLC. Plant Sci. Res. 3: 4-9.
Gonzalez, A., M. Zhao, J. M. Leavitt, and A. M. Lloyd. 2008. Regulation of the anthocyanin biosynthetic pathway by the TTG1/bHLH/Myb transcriptional complex in Arabidopsis seedlings.
Plant J. 53: 814–827.
Guo, X.-R., Y.-G. Zu, and Z.-H. Tang. 2012. Physiological responses of Catharanthus roseus to different nitrogen forms. Acta Physiol. Plant. 34; 589-598.
Guo, X.-R., B.-W. Chang, Y.-G. Zu, and Z.-H. Tang. 2014. The impacts of increased nitrate supply on Catharanthus roseus growth and alkaloid accumulations under ultraviolet-B stress. J. Plant Interact.
9: 640-646.
Gupta, V., A. Roy, and B. C. Tripathy. 2010. Signaling events leading to red-light-induced suppression of photomorphogenesis in wheat (Triticum aestivum). Plant Cell Physiol. 51: 1788–1799.
浜本浩，植野耕造，山崎敬亮．2008．紫外線を可視光に変える光質変換被覆資材が葉根菜類 の成育に及ぼす影響．農業気象 64: 81–86.