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久米 篤(くめ あつし) データ更新日:2019.09.18

教授 /  農学研究院 環境農学部門 サスティナブル資源科学講座


主な研究テーマ
新しい光学センサーの開発
キーワード:リモートセンシング, 葉面積指数(LAI), 光量子(PAR),日射
2008.04.
過重力環境が植物の成長に及ぼす影響の評価
キーワード:過重力, 栽培装置, 国際宇宙ステーション, Space Moss
2009.04~2015.03.
バイオマスの有効活用
キーワード:木質ペレット, カラマツ, 流通
2009.04.
大気汚染が森林に及ぼしている影響の評価
キーワード:アカマツ, ヤクタネゴヨウ, ブナ, モミ, 広域大気汚染, オゾン, OHラジカル, 生理生態
1998.10.
森林の水循環
キーワード:地球環境変動, 樹幹内水通導, 浸透, 樹幹流
2001.04.
里山の生態学(林床管理・光環境推定)
キーワード:アカマツ, 全天空写真, ミヤコザサ, スギ, GIS
2001.04.
北極域と高山の生態系
キーワード:スバールバル, Saxifraga oppositifolia, 炭素同位体, 地球温暖化
1994.04.
本州日本海側の多雪気候への常緑広葉低木の生理生態学的適応
キーワード:アオキ, ユキツバキ, 光合成, 呼吸, アロメトリー
1989.04~2001.12.
従事しているプロジェクト研究
平成27 年度「『きぼう』利用フィジビリティスタディテーマ(一般募集区分)」
2016.01~2019.03, 代表者:藤田 知道, 北海道大学, JAXA
国際宇宙ステーション(ISS)「きぼう」日本実験棟の船内環境の特徴を最大限に活用して,優れた知を世界に先駆けて生み出し,将来的な科学技術イノベーション創出の源泉となる成果を創出することを目的とする。実験計画の詳細化や技術的な実現性等を JAXA とともに検討するフィジビリティスタディを行う。
コケ植物は,極地や都市など様々な極限環境に適応している地球の重要なパイオニア植物で,そのモデルであるヒメツリガネゴケは,全ゲノムが解読されており,ゲノムワイドな研究が可能である。そのため,複数の変異株を,野生株とともに宇宙での微小重力実験に供し,重力や放射線等が異なる環境下で栽培し,その成長や形態,光合成機能をはじめとした生理応答などを,同時にかつ多角的に解析することが可能である。本計画では,「きぼう」で様々な実験処理を行った試料を地上に持ち帰り,成長や生理応答の変化を明らかにする。それとともに,細胞や構造,遺伝子発現やタンパク質の変動も調査し,地上と宇宙でどのように環境応答が変化するかを調べる。さらに,得られた結果を元に,過酷な宇宙環境でも生育可能なスーパーコケ植物「スペース・モス」の開発に挑戦し,安全で健康な人類の長期宇宙滞在の実現に向けた,宇宙生態系の早期構築を目指す。.
宇宙環境利用科学委員会 WG Space Seed
2005.01, 代表者:唐原 一郎, 富山大学
シロイヌナズナの重力応答と感受機構を明らかにする.
陸域生態系のバイオマスと植生分布に関する、地上・衛星複 合観測(ALOS-2)
2014.04~2017.03, 代表者:奈佐原顕郎, 筑波大学大学院, 独立行政法人 宇宙航空研究開発機構
ALOS, ALOS-2のデータを利用して,陸上生態系バイオマスの推定を行う..
宇宙環境利用科学委員会 WG Space Moss
2012.06, 代表者:藤田 知道, 北海道大学
ヒメツリガネゴケの重力応答の進化と感受機構を明らかにする.
立山における総合的な大気-生態系動態評価
2006.04~2013.03, 代表者:渡辺幸一, 富山県立大学
本研究は, 富山県立山全体を大気観測タワーに見立てて,広域大気汚染が高山・森林生態系に及ぼす影響評価を総合的に行うものである..
総合的な陸域生態系情報の開発(GCOM-C)
2009.08~2016.03, 代表者:奈佐原顕郎, 筑波大学大学院, 独立行政法人 宇宙航空研究開発機構
GCOM-Cのプロダクトに想定されている陸域生態系情報に関して総合的にアルゴリズム開発と地上観測を行う.CIとして,特にPARの地上観測方法について,センサの評価・開発を行う..
研究業績
主要著書
1. Atsushi Kume, Color of Photosynthetic Systems: Importance of Atmospheric Spectral Segregation Between Direct and Diffuse Radiation. In: Yamagishi A., Kakegawa T., Usui T. (eds) Astrobiology. Springer, Singapore, Springer, Singapore, 10.1007/978-981-13-3639-3_9, 2019.02, The color of photosynthetic apparatus can be used for inferring the process of evolutionary selection of photosynthetic pigments and as possible signs of life on distant habitable exoplanets. The absorption spectra of photosynthetic apparatus have close relationships with the spectra and intensity of incident radiation. Most terrestrial plants use specific light-harvesting chlorophylls and carotenoids for photosynthesis and have pale green chloroplasts. However in aquatic ecosystems, there are phototrophs with various colors having different photosynthetic pigments. Oxygenic photosynthesis uses visible light, and far-red photons are not used for this process. While some phototrophic bacteria are able to use far-red photons for their life, they do not generate O2.

Other aspect of light is the harmful effect of light. Although efficient light absorption is important for photosynthesis, UV and excess light absorption damages photosynthetic apparatus. In terrestrial environments, portion of incident solar radiation reaches to the surface, which are called direct radiation (PARdir), while the other are optically altered by the Earth’s atmosphere, scattered by the sky and clouds, which are called diffuse radiation (PARdiff). The photosynthetic systems of terrestrial plants are fine-tuned to reduce the energy absorption of PARdir. The safe use of PARdir and the efficient use of PARdiff are achieved in light-harvesting complexes of terrestrial plants. In addition to the type of central star, the optical properties of the atmosphere of the planet may have significant effects on the evolution of photosynthetic systems and photoreceptors..
2. 久米 篤, 大政謙次, 植物と微気象(第3版) 植物生理生態学への定量的なアプローチ, 森北出版, 2017.02, [URL].
3. 久米 篤, 大政 謙次, 植生のリモートセンシング, 森北出版, 2013.09, [URL].
4. 久米 篤, 大槻 恭一, 熊谷 朝臣, 小松 光, 森林水文学-森林の水のゆくえを科学する-, 森北出版, 2007.03, [URL].
5. 種生物学会, 久米 篤, 光と水と植物のかたち 植物生理生態学入門, 文一総合出版, 2003.05, [URL].
6. 久米 篤, 大槻 恭一, 熊谷 朝臣, 小川 滋, 生物環境物理学の基礎 第二版, 森北出版, 2003.04, [URL].
主要原著論文
1. Atsushi Kume, Tomoko Akitsu, Kenlo Nishida Nasahara, Why is chlorophyll b only used in light-harvesting systems?, Journal of Plant Research, 10.1007/s10265-018-1052-7, 131, 6, 973-985, 2018.11, [URL], Chlorophylls (Chl) are important pigments in plants that are used to absorb photons and release electrons. There are several types of Chls but terrestrial plants only possess two of these: Chls a and b. The two pigments form light-harvesting Chl a/b-binding protein complexes (LHC), which absorb most of the light. The peak wavelengths of the absorption spectra of Chls a and b differ by c. 20 nm, and the ratio between them (the a/b ratio) is an important determinant of the light absorption efficiency of photosynthesis (i.e., the antenna size). Here, we investigated why Chl b is used in LHCs rather than other light-absorbing pigments that can be used for photosynthesis by considering the solar radiation spectrum under field conditions. We found that direct and diffuse solar radiation (PARdir and PARdiff, respectively) have different spectral distributions, showing maximum spectral photon flux densities (SPFD) at c. 680 and 460 nm, respectively, during the daytime. The spectral absorbance spectra of Chls a and b functioned complementary to each other, and the absorbance peaks of Chl b were nested within those of Chl a. The absorption peak in the short wavelength region of Chl b in the proteinaceous environment occurred at c. 460 nm, making it suitable for absorbing the PARdiff, but not suitable for avoiding the high spectral irradiance (SIR) waveband of PARdir. In contrast, Chl a effectively avoided the high SPFD and/or high SIR waveband. The absorption spectra of photosynthetic complexes were negatively correlated with SPFD spectra, but LHCs with low a/b ratios were more positively correlated with SIR spectra. These findings indicate that the spectra of the photosynthetic pigments and constructed photosystems and antenna proteins significantly align with the terrestrial solar spectra to allow the safe and efficient use of solar radiation..
2. Atsushi Kume, Importance of the green color, absorption gradient, and spectral absorption of chloroplasts for the radiative energy balance of leaves, Journal of Plant Research, 10.1007/s10265-017-0910-z, 130, 3, 501-514, 2017.03, [URL], Terrestrial green plants absorb photosynthetically active radiation (PAR; 400–700 nm) but do not absorb photons evenly across the PAR waveband. The spectral absorbance of photosystems and chloroplasts is lowest for green light, which occurs within the highest irradiance waveband of direct solar radiation. We demonstrate a close relationship between this phenomenon and the safe and efficient utilization of direct solar radiation in simple biophysiological models. The effects of spectral absorptance on the photon and irradiance absorption processes are evaluated using the spectra of direct and diffuse solar radiation. The radiation absorption of a leaf arises as a consequence of the absorption of chloroplasts. The photon absorption of chloroplasts is strongly dependent on the distribution of pigment concentrations and their absorbance spectra. While chloroplast movements in response to light are important mechanisms controlling PAR absorption, they are not effective for green light because chloroplasts have the lowest spectral absorptance in the waveband. With the development of palisade tissue, the incident photons per total palisade cell surface area and the absorbed photons per chloroplast decrease. The spectral absorbance of carotenoids is effective in eliminating shortwave PAR (<520nm), which contains much of the surplus energy that is not used for photosynthesis and is dissipated as heat. The PAR absorptance of a whole leaf shows no substantial difference based on the spectra of direct or diffuse solar radiation. However, most of the near infrared radiation is unabsorbed and heat stress is greatly reduced. The incident solar radiation is too strong to be utilized for photosynthesis under the current CO2 concentration in the terrestrial environment. Therefore, the photon absorption of a whole leaf is efficiently regulated by photosynthetic pigments with low spectral absorptance in the highest irradiance waveband and through a combination of pigment density distribution and leaf anatomical structures..
3. Kaori Takemura, Hiroyuki Kamachi, Atsushi Kume, Tomomichi Fujita, Ichirou Karahara, Yuko T. Hanba, A hypergravity environment increases chloroplast size, photosynthesis, and plant growth in the moss Physcomitrella patens, Journal of Plant Research, 10.1007/s10265-016-0879-z, 130, 1, 181-192, 2016.11, [URL], The physiological and anatomical responses of bryophytes to altered gravity conditions will provide crucial information for estimating how plant physiological traits have evolved to adapt to significant increases in the effects of gravity in land plant history. We quantified changes in plant growth and photosynthesis in the model plant of mosses, Physcomitrella patens, grown under a hypergravity environment for 25 days or 8 weeks using a custom-built centrifuge equipped with a lighting system. This is the first study to examine the response of bryophytes to hypergravity conditions. Canopy-based plant growth was significantly increased at 10×g, and was strongly affected by increases in plant numbers. Rhizoid lengths for individual gametophores were significantly increased at 10×g. Chloroplast diameters (major axis) and thicknesses (minor axis) in the leaves of P. patens were also increased at 10×g. The area-based photosynthesis rate of P. patens was also enhanced at 10×g. Increases in shoot numbers and chloroplast sizes may elevate the area-based photosynthesis rate under hypergravity conditions. We observed a decrease in leaf cell wall thickness under hypergravity conditions, which is in contrast to previous findings obtained using angiosperms. Since mosses including P. patens live in dense populations, an increase in canopy-based plant numbers may be effective to enhance the toughness of the population, and, thus, represents an effective adaptation strategy to a hypergravity environment for P. patens..
4. Atsushi Kume, Tomoko Akitsu, Kenlo Nishida Nasahara, Leaf color is fine-tuned on the solar spectra to avoid strand direct solar radiation, Journal of Plant Research, 10.1007/s10265-016-0809-0, 129, 4, 615-624, 2016.03, [URL], The spectral distributions of light absorption rates by intact leaves are notably different from the incident solar radiation spectra, for reasons that remain elusive. Incident global radiation comprises two main components; direct radiation from the direction of the sun, and diffuse radiation, which is sunlight scattered by molecules, aerosols and clouds. Both irradiance and photon flux density spectra differ between direct and diffuse radiation in their magnitude and profile. However, most research has assumed that the spectra of photosynthetically active radiation (PAR) can be averaged, without considering the radiation classes. We used paired spectroradiometers to sample direct and diffuse solar radiation, and obtained relationships between the PAR spectra and the absorption spectra of photosynthetic pigments and organs. As monomers in solvent, the spectral absorbance of Chl a decreased with the increased spectral irradiance (W m-2 nm-1) of global PAR at noon (R2 = 0.76), and was suitable to avoid strong spectral irradiance (λmax = 480 nm) rather than absorb photon flux density (μmol m-2 s-1 nm-1) efficiently. The spectral absorption of photosystems and the intact thallus and leaves decreased linearly with the increased spectral irradiance of direct PAR at noon (Idir-max), where the wavelength was within the 450–650 nm range (R2 = 0.81). The higher-order structure of photosystems systematically avoided the strong spectral irradiance of Idir-max. However, when whole leaves were considered, leaf anatomical structure and light scattering in leaf tissues made the leaves grey bodies for PAR and enabled high PAR use efficiency. Terrestrial green plants are fine-tuned to spectral dynamics of incident solar radiation and PAR absorption is increased in various structural hierarchies..
5. Atsushi Kume, Kenlo N Nasahara, Shin Nagai, Hiroyuki Muraoka, The ratio of transmitted near-infrared radiation to photosynthetically active radiation (PAR) increases in proportion to the adsorbed PAR in the canopy, Journal of Plant Research, 10.1007/s10265-010-0346-1, 124, 1, 99-106, 2011.01, [URL].
6. Atsushi Kume, Satoshi Numata, Koichi Watanabe, Hideharu Honoki, Haruki Nakajima, Megumi Ishida, Influence of air pollution on the mountain forests along the Tateyama-Kurobe Alpine Route, Ecological Research, 10.1007/s11284-008-0557-2, 27, 4, 821-830, 2009.07, [URL].
7. Shigeki Hirose, Atsushi Kume, Shinichi Takeuchi, Yasuhiro Utsumi, Kyoichi Otsuki, Shigeru Ogawa, Stem water transport of Lithocarpus edulis, an evergreen oak with radial-porous wood, Tree Physiology, 10.1093/treephys/25.2.221 , 25, 2, 221-228, 2005.02, [URL].
8. Atsushi Kume, Takami Satomura, Naoko Tsuboi, Masaaki Chiwa, Yuko T. Hanba, Kaneyuki Nakane, Takao Horikoshi, Hiroshi Sakugawa, Effects of understory vegetation on the ecophysiological characteristics of an overstory pine, Pinus densiflora, Forest Ecology and Management, 10.1016/S0378-1127(02)00282-7, 176, 1-3, 195-203, 176, 1-3, 195-203
doi:10.1016/S0378-1127(02)00282-7, 2003.03, [URL].
9. Atsushi Kume, Takemitsu Arakaki, Naoko Tsuboi, Masayo Suzuki, Daiki KUramoto, Kaneyuki Nakane, Hiroshi Sakugawa, Harmful effects of radicals generated in polluted dew on the needles of Japanese Red Pine (Pinus densiflora), New Phytologist, 10.1046/j.0028-646x.2001.00236.x, 152, 1, 53-58, 2001.10, [URL].
10. Atsushi Kume, Takayuki Nakatsubo, YUkiko Bekku, Takehiro Masuzawa, Ecological Significance of Different Growth Forms of Purple Saxifrage, Saxifraga oppositifolia L., in the High Arctic, Ny-Ålesund, Svalbard, Arctic, Antarctic, and Alpine Research, 31, 1, 27-33, 1999.02, [URL].
11. Atsushi Kume, Chikako Tanaka, Shunichi Matsumoto, Yoshio Ino, Physiological tolerance of Camellia rusticana leaves to heavy snowfall environments: The effects of prolonged snow cover on evergreen leaves, Ecological Research, 10.1046/j.1440-1703.1998.00251.x, 13, 2, 117-124, 1998.07, [URL].
12. Atsushi Kume, Yoshio Ino, Comparison of ecophysiological responses to heavy snow in two varieties ofAucuba japonica with different areas of distribution , Ecological Research, 10.1007/BF02348523, 8, 2, 111-121, 1993.08, [URL].
主要総説, 論評, 解説, 書評, 報告書等
主要学会発表等
特許出願・取得
特許出願件数  0件
特許登録件数  2件
学会活動
所属学会名
日本木材学会
American Geophysical Union
Botanical Society of America
北方森林学会
地衣類研究会
日本地球惑星科学連合
日本宇宙生物科学会
日本森林学会
日本植物学会
日本植生史学会
日本湿地学会
日本生態学会
日本緑化工学会
日本菌学会
日本蘚苔類学会
根研究学会
森林立地学会
水文・水資源学会
種生物学会
学協会役員等への就任
2019.07~2019.12, 日本植物学会, 日本植物学会契約委員会(JPR).
2018.03~2020.03, 日本生態学会, 理事.
2017.08~2018.07, 日本植物学会, JPR将来構想委員会.
2014.01~2018.03, 日本生態学会, 理事.
2013.03~2014.03, 日本生態学会, 大会企画委員長.
2013.01~2015.12, 種生物学会, 幹事.
2011.04~2015.03, 北方森林学会, 評議員.
2012.03~2015.03, 日本生態学会, 大会企画委員会.
2009.04~2011.03, 日本森林学会北海道支部, 評議員.
2009.05~2012.04, 日本生態学会, 学会賞選考委員.
2008.01~2009.12, 日本生態学会, 全国委員.
学会大会・会議・シンポジウム等における役割
2016.04~2017.03.01, 第67回日本木材学会大会(福岡大会), 実行委員会委員.
2014.03.14~2014.03.18, 第61回日本生態学会大会, 大会企画委員会委員長.
2013.03.05~2013.03.09, 第60回日本生態学会大会, 大会企画委員会副委員長.
2009.08.08~2009.08.09, 第38回地衣類研究会, 開催責任者.
2009.05.08~2009.05.10, 第30回根研究集会, 開催責任者.
2009.03~2009.03, 第56回日本生態学会大会, 大会企画委員.
2008.03.14~2008.03.17, 第55回日本生態学会大会, 大会企画委員.
2007.03.19~2007.03.23, 第54回日本生態学会大会, 大会企画委員.
2006.10.07~2006.10.07, 第25回根研究集会, 運営委員会.
2005.09.20~2005.09.23, 日本植物学会第69回大会, 大会準備委員.
2003.08.01~2003.08.01, 水文・水資源学会, 運営.
学会誌・雑誌・著書の編集への参加状況
2016.07, Scientific Data, 国際, 編集委員.
2014.01~2018.03, Ecological Research, 国際, 編集委員長.
2012.11~2013.03, 北方森林研究, 国内, 編集委員.
2010.05~2011.11, 北海道の森林, 国内, 編集委員.
2008.04~2009.03, 北方林業創立60周年誌 北の森づくりQ&A 社団法人北方林業会編, 国内, 編集委員.
2006.01~2013.12, Ecological Research, 国際, 編集委員.
2009.01~2012.12, Journal of Plant Research, 国際, 編集委員.
2006.09~2015.12, Plant Root, 国際, 編集委員.
2005.01~2008.12, Journal of Plant Research, 国際, 編集委員.
学術論文等の審査
年度 外国語雑誌査読論文数 日本語雑誌査読論文数 国際会議録査読論文数 国内会議録査読論文数 合計
2018年度 13  15 
2017年度 10  12 
2016年度 14 
2014年度
2013年度 39  44 
2012年度 110  115 
2011年度 105  107 
2010年度 129  133 
2009年度 155  157 
2008年度 78  86 
その他の研究活動
外国人研究者等の受入れ状況
2009.05~2009.08, 1ヶ月以上, Glenville State College, Philippines, 日本学術振興会.
2007.08~2007.08, 2週間以上1ヶ月未満, NCCPG, UnitedKingdom, 英国王立園芸協会.
2007.07~2007.08, 1ヶ月以上, National Agricultural University, Kiev, Ukraine, 日本学術振興会.
受賞
平成30年度特別研究員等審査会専門委員(書面担当)表彰者, 日本学術振興会, 2019.07.
2019年度JPR論文賞, 日本植物学会, 2019.05.
2018年度JPR論文賞, 日本植物学会, 2018.05.
HK創造性開発賞, 九州大学農学研究院, 2016.02.
研究資金
科学研究費補助金の採択状況(文部科学省、日本学術振興会)
2019年度~2023年度, 基盤研究(B), 分担, 都市樹木における環境適性診断法の確立:アクアポリンによる気孔応答評価の導入.
2018年度~2020年度, 基盤研究(B), 代表, 日射利用に対する陸上植物の機能的進化と環境適応の解明.
2015年度~2018年度, 基盤研究(C), 分担, 炭素安定同位体と遺伝的解析による気孔開度評価に基づいた街路樹の環境ストレス診断.
2014年度~2016年度, 基盤研究(C), 分担, ストイキオメトリーを用いた森林生態系の窒素飽和の評価.
2011年度~2013年度, 基盤研究(C), 代表, ハイマツ植生による大気からの水及び窒素吸収にかかわる生理生態学的機構の研究.
2010年度~2012年度, 基盤研究(B), 分担, バックグラウンド黄砂の動態と高所における大気液相化学および植生への影響評価.
2009年度~2010年度, 挑戦的萌芽研究, 代表, 過重力栽培装置の開発.
2007年度~2010年度, 基盤研究(A), 分担, 北極高緯度地域における植生変化と炭素循環の解明.
2006年度~2008年度, 基盤研究(C), 分担, 気候変動とハイマツの年枝伸長量との関係.
2006年度~2008年度, 基盤研究(B), 分担, 立山・亜高山帯における大気を中心とした物質動態・化学変化プロセスと生態系相互作用.
2004年度~2005年度, 若手研究(B), 代表, 樹冠における気孔開度の変動機構の解明.
競争的資金(受託研究を含む)の採択状況
2016年度~2018年度, JAXA 平成27年度「きぼう」利用フィジビリティスタディ(FS)テーマ, 分担, 宇宙におけるコケ植物の環境応答と宇宙利用(スペース・モス).
2016年度~2018年度, JAXA 地球環境変動観測ミッション(GCOM) (宇宙航空研究開発機構), 分担, GCOM-C 陸域生態系情報の検証.
2013年度~2015年度, 地球環境変動観測ミッション(GCOM) (宇宙航空研究開発機構), 分担, 総合的な陸域生態系情報の開発.
2013年度~2013年度, 新技術開発財団第22回植物研究助成, 代表, 日射スペクトル特性の変化を加味した,光合成有効放射吸収率(fAPAR)の推定技術の開発.
2012年度~2012年度, 新技術開発財団第21回植物研究助成, 代表, 林床設置型の群落葉量モニタリングセンサの開発.
2009年度~2012年度, JAXA 地球環境変動観測ミッション(GCOM) (宇宙航空研究開発機構), 分担, 総合的な陸域生態系情報の開発.

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