現在日本で最も高い収量性を示すとされる水稲品種タカナリを供試し、生育期間を通して水耕液中の窒素濃度を10および80ppmの2段階で育てた結果、高濃度区での窒素吸収量は44.7g/m²となり、一般的な多収栽培条件下でみられる最大窒素吸収量の約2倍に達した。窒素吸収量が高まることにより全乾物重は増加したが、出穂後葉面積は急激に低下し、収量は著しく低くなった。

　さらに、生育期間を異にする4品種・系統についてN濃度20、60、120ppmの水耕下で育てた結果、出穂時の全乾物重は全品種ともに窒素吸収量と正の相関を示したが、収量は生育期間の長いタカナリとIR66740-AC1-3では約20g/m²以上の窒素吸収量で著しく低下、生育期間の短いフジヒカリとIR69688Hでは窒素吸収量の増大につれて増加した。特に、F1ハイブリッドIR69688Hの場合、約35g/m²の窒素吸収量まで収量は増加した。各品種の窒素利用効率は窒素吸収量の増加とともに低下したが、生育期間の長い品種での低下が顕著であった。

　以上のように、イネの窒素利用効率は育種により改善された例も新たに見い出されたが、最近育成された品種でもこれが低い品種が存在し、この形質が窒素吸収量が高い条件下での収量性を制限していることが明らかとなった。

　そこで、窒素吸収量と登熟期間中のイネ個体群のエネルギー収支について解析した。全品種において葉面積指数(LAI)の増加とともに呼吸速度(R)は増加したが、CGRはフジヒカリとIR69688Hでは増加、タカナリとIR66740-AC1-3では7以上の高いLAI下で低下した。すなわち、フジヒカリとIR69688HではCGRに対して最適LAIは見られなかったがタカナリとIR66740-AC1-3では最適LAIが見られた。高いLAIでのCGRの低下はタカナリの場合は群落構造の悪化、IR66740-AC1-3の場合は個体群を構成する個葉の光合成速度が他の品種より低いことによると思われた。その結果、窒素吸収量の増加にともなうGEの低下は生育期間の短いフジヒカリとIR69688Hでは小さかったのに対し、生育期間の長いタカナリとIR66740-AC1-3では著しく大きかった。

　GEの変化に深く関わる全エネルギー固定量当たりの呼吸消費量(R/P_g)はこれまで生育期間を通してほぼ一定の比例関係にあるとされてきたが、本研究の結果からその比例係数は生育時期および品種により大きく変動することが明らかとなった。

　生育期間の短い品種では窒素吸収量が比較的少ないため登熟期のGEは高く維持されたとも考えられるが、F1ハイブリッドIR69688Hでは最大窒素吸収量が35g/m²と高いにもかかわらずGEの低下が認められず、このような高窒素吸収量下でGEを高く維持できる生理生態的機構についてさらなる研究が必要であると考えられた。

　成長効率と暗呼吸の関係を解析するために、呼吸を2つの構成要素である維持呼吸と成長呼吸にわけて検討した。その結果、これまでの知見とは対照的に、出穂後維持呼吸係数(m)は低下、成長呼吸係数(g)は著しく増加し、最適栽培窒素濃度下でのgの値は品種によって大きく変動することが明らかとなった。また、m及びgの値は生育期間を通して窒素濃度の増加により高くなったが、mは窒素濃度の増加により、gは成長呼吸基質量の不足する条件下で増加すると思われた。

　これまで、生育後半の成長効率が低下する原因は維持呼吸量(R_m)の増加によるとされてきたが、R_mの増加はあるものの、主として成長呼吸量(R_g)の低下とgの増加がGE及びY_gの低下を来すと解釈するのが妥当と考えられた。

　以上のように、成長呼吸係数gが小さいことは呼吸効率が高いことを示しており、作物の生産性を向上するためにはmが小さい品種ではなく、gが小さい系統を選抜することが必要と考えられた。

　イネの暗呼吸にみられるモーニングライズ(morning rise)現象は約24時間サイクルで変動し、その連続はサーカディアンリズム(circadian rhythm)と考えられた。なお、このサーカディアンリズムは日射量及び測定温度が低い場合には不明確となった。本実験では、夜半の呼吸極小値で翌朝の呼吸極大値を除した値をモーニングライズ率(MRR)とし、モーニングライズの変動に関わる要因について検討した。MRRは強い光強度下および低温下で増加し、高窒素濃度下で低下、さらに、生育が進むにつれて低下したが、呼吸測定当日の日射量および単位乾物重当たり呼吸速度(r)とは相関がなく、一定期間平均の相対成長速度(RGR)及びGEと高い相関を示した。これらの結果は、rが同じであってもMRRが高い場合成長速度が大きいことを示しており、モーニングライズは植物の呼吸効率を評価する指標として利用できると推測した。

　一般に呼吸の温度係数(Q₁₀)は2とされてきたが、呼吸パターンが温度により大きく変動するとの上記結果は暗呼吸のQ₁₀が変動する可能性を示唆している。まず、イネ個体全体のQ₁₀について検討した結果、暗黒にしてからの時間に伴い低下した。また、15と25℃、20と30℃、25と35℃の測定温度範囲でのQ₁₀の平均値は各々2.14、1.76及び1.56と低温下ほど高かった。さらに、長期間にわたり日中の光強度が高い場合にQ₁₀は高くなった。これらの結果は、暗呼吸の温度係数は明らかに環境条件に応じて変動することを示している。特に、温度範囲によるQ₁₀の変動はこれまでその根拠が明らかにされていなかった温度の日較差の大きい地帯でイネの収量が高くなる現象に対し、エネルギー収支面から一つの根拠を与えるものと考えられた。

　阻害剤滴定法によりタカナリの葉のシアン耐性呼吸の活性度を測定したところ、登熟が進むにつれて全呼吸量に対するシアン耐性呼吸量の比は低下した。そして、止葉と第4葉のシアン耐性呼吸比を比較した結果、シアン耐性呼吸比は葉の老化にともなって低下すると考えられた。また、シアン耐性呼吸比は高窒素濃度下、強光下で育てたイネの葉で高く、連続暗条件下に置かれたイネの葉のシアン耐性呼吸比は時間とともに低下した。さらに、品種によりシアン耐性呼吸比はかなり変動した。これらの結果は、窒素濃度及び呼吸基質量等の環境条件によってシアン耐性呼吸比は変動することを示し、登熟期のシアン耐性呼吸の変動と呼吸効率の低下と一定関係がないことから、登熟期イネの呼吸効率の低下にシアン耐性呼吸が直接関与している可能性は小さいと推測された。

　イネのAOX遺伝子の一つであるAOX1aとチトクローム経路の末端酸化酵素のサブユニット遺伝子の一つであるCOX5bを用いてノーザン解析を行った。葉では根、穂及び稈よりAOX1aの発現が高く、昼間の発現量が夜間より高く、また、生育時期、品種により大きく変動した。登熟期の葉のAOX1aの発現パターンはシアン耐性呼吸の変動と一致しなかった。シアン耐性呼吸には遺伝子の発現量と同時に酵素の活性程度がより深く関わると報告されていることから、今後、蛋白レベルでの活性の変動についての検討が必要と考えられた。