日本循環農業!建構土壤微生物群落圖譜環控平台

　　由於全球人口增加、氣候變遷與災害頻頻發生，加上為減緩因飲食生活的變化造成農業生產與自然環境的破壞。為維持自然生態環境平衡以及滿足人們當下飲食生活，建構永續生產技術成為相當重要一環。而此計畫以研究未來型食材-大豆為主，除了發揮土壤微生物最大機能性，並以發展新型態的土壤健康性指標評價。為此，此計畫應用最先進的技術分析植物和微生物之間的相互關係，取得有益微生物。除此，網羅微生物的數據庫（土壤微生物群落圖譜）、土壤生物、化學和土壤物理等相關資料將以圖譜化，並取得多層次大數據進行模組化和模擬情境，以建構「環控循環農業整合平台」。

　　此外，這項研究依照土壤微生物群落圖譜、作物、環境控制與測定、社會科學、栽培管理等五個子組建構研究系統，準確掌握土壤、植物、環境三大要素，理解相互作用，加以控制。藉由「環控循環農業整合平台」之建構基礎下，推動土壤健康管理栽培管理模式系統，以產業發展為導向，實現農業創新。

土壤環境-微生物組深度相互關係解析

　　微生物存在於土壤、根圈和植物組織之中，對於植物的生長與健康具有重大影響。 日本早稻田研究小組利用單細胞基因組分析技術、共焦顯微拉曼光譜等尖端技術，收集並分析棲息在不同土壤中的微生物的基因組訊息，並建立「土壤微生物圖譜資料庫」。

　　此外，全球知名分析與檢測儀器製造商之一的日本堀場製作所(HORIBA,Ltd.)，利用獨家自創的感測器瞭解土壤與植物的狀態，增進過程中能更加詳盡理解植物與微生物之間相互關係，並進一步實驗闡明土壤健康度與堅韌度(強壯度)的因素。

　　另外，由靜岡縣政府出資設立的財團法人海洋開放式創新機構(maoi)，則是從研究海洋副產品(廢棄物) 利用微生物自然發酵轉化為肥料的過程，有效利用海洋資源殘留物，並連接海洋與陸地的循環型農業模式加以試驗。

圖.日本早稻田和堀場製作所研究小組的土壤環境-微生物組深度相互關係解析過程

土壤-礦物質循環系統之研發

　　研發團隊主要研究有助於大豆生產中最重要的磷和氮兩大元素的循環系統為主。從有效回收生活圈中所排放的污水、海洋垃圾、農業廢棄物之中產生的磷和氮，並作為農業微生物資材，重新再運用於大豆種植，實現資源循環型食品生產。藉由強化微生物資材的機能性，除了為農田和植物穩定提供磷、氮等礦物質外，還可以增強植物抗病能力。另外，關於微生物資材的研發，由東京農工大學微生物菌種培養中心(Microbiological culture)、朝日農業株式會社所持有的微生物資材技術、太平洋水泥株式會社專回收磷資材共同負責。另一方面開發微生物資材原型、改良微生物資材與建構大豆栽培示範驗證、並針對不同特性的農田利用微生物資材所種植的大豆進行對照驗證，以提升大豆生產力，減少大豆生產中的化肥用量。

圖. 資源循環型食品生產系統

作物研發

　　作物研發主要以適應不斷變化環境的植物生長，土壤微生物和磷等有用礦物質進行相關研究，並將其研究成果與子項目相互鏈結合作。例如:早稻田大學應用微生物解析技術，辨識出磷的肥料吸收、土壤病蟲害防治，強化環境適應姓等影響大豆生長的重要關鍵因素的根圈微生物，並依據其能力開發最佳優化的栽培方
法與資材。

　　另一方面，利用大豆變異鑑定出根圈微生物相互作用的植物基因，並善用所獲取的變異體，可避免連作種植所出現的問題，研發出更高附加價值的大豆育種資材。此外，與理化學研究所(RIKEN)的三好研究室(Miyoshi)與和田研究室(Wada)共同合作，利用可控的人工氣象器在可調節的環境下進行大豆栽培實驗，以因應未來環境變化的作物育種奠定基礎。

圖. 可控的人工氣象器的大豆栽培實驗與大豆變異系統選拔

環境控制與檢測

　　環境從肉眼可見到微觀細小之處無不與農業息息相關。特別是近年來特別深受微觀影響與備受關注，所謂微觀意旨基因表現型發生過程，基因可塑性與光感受體等。

　　而關於上述研發成果則實質成為農業生產效率、氣候變遷與變異等重要訊息來源。環境控制與檢測恰巧正是獲取基因組學、遺傳基因發現和基因可塑性等相關環境因素重要識別渠道，藉此將此基礎技術的環境參數精密化且可促進大範圍控制小型植物栽培系統開發。

　　此外，充分應用光學技術，開發可檢測光合作用度、植物生長狀態與植物內部成分與土壤環境調查等檢測系統。藉由環境控制與檢測，作為全球暖化與異常氣候變遷所造成作物產量減少與飢餓災害，以及巨型漂浮物和宇宙空間之應用，亦或是完全循環型農業基礎的建構，成為農業未來大願景方向。

圖. 雷射環境系統與環境分析系統

社會科學之應用

　　為促進健康土壤相關技術、大豆製品的開發、以及農業生產平台的普及化，此計畫強化生產者、消費者與社會整體潛在需求分析與開拓其模式，並在反覆驗證下，以循序漸進戰略模式將其落實於社會應用。利用虛擬離散選擇實驗、視線分析、面部表情分析等，分析目前不存在的技術和農產品的潛在需求。

栽培管理

　　為了實現作物生產與全球環境保護兩全的完全資源循環型食品生產體系，必須以創新技術發揮最大限度地減少活性氮對環境的影響，並100%實現國內自給率。因此，此計畫研發團隊將農業環境生態相關數據其數位化，利用伺服空間工程，開發農業環境工程系統。藉由本系同穩定每個土地間的作物產量與品質形成客戶下單生產模式，實現高產值的完全資源循環應用。

圖.農業環境工程系統示意圖

【延伸閱讀】- 日本農家的有機農法意願調查-土壤的重要性

資料來源

• Moonshot

文章摘譯

• 農業科技決策資訊平台管理團隊