科学者たちは、より多く、より甘いサトウキビを食べてもらうためにどのような努力をしてきたのでしょうか? （下）

制作：中国科学普及協会

著者: Yin Xin (中国科学院微生物研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：生命科学の最新の謎を解くために、中国科学普及の最先端技術プロジェクトは「生命の新知識」と題する一連の記事を立ち上げ、独自の視点から生命現象を解釈し、生物学の謎を明らかにしました。人生の世界を探求し、無限の可能性を探求しましょう。

暑い夏には、冷たいサトウキビジュースを一杯飲むと、涼しさと甘さが味わえます。

冷たい風が吹く中、一杯の黒砂糖水は温かさと栄養を与えてくれます。

日常生活におけるこれらの単純な「小さな喜び」はすべて、サトウキビの収穫に関連しています。でも、ご存知ですか？サトウキビの甘さは生まれつきのものではありません。それは科学者がサトウキビの遺伝資源を繰り返し改良した結果です。

今日は、科学者とサトウキビの話をしましょう。

サトウキビの遺伝資源とは何ですか？品種によって異なります。

サトウキビの遺伝資源とは何ですか？多くの人はサトウキビの一種だと思っているが、実は両者には違いがある。

品種認可に合格したサトウキビだけがサトウキビ品種と呼ばれることができ、私たちが目にするサトウキビの種類はまさにこのサトウキビです。品種認可前は、あらゆる種類の潜在的な中間材料を遺伝資源と呼ぶことができ、遺伝子組み換えサトウキビも遺伝資源と呼ぶことができます。

したがって、遺伝資源はサトウキビの遺伝的基礎であり、サトウキビの品質を決定する根源であると信じることができます。

科学者たちは、高品質のサトウキビを選別するために、糖度、収穫量、耐病性、耐虫性、耐寒性、耐干ばつ性、多年生の根張り、成長率など、さまざまな指標でテストし、一連の基準を確立します。たとえば、国家規格「サトウキビ」（GB/T 10498-2010）では、最低スクロース含有量が 12% と記載されています。こうしたテストを通じて、科学者は最も大きな可能性を秘めた「優れた遺伝資源」を選択し、将来の植栽においてより大きな役割を果たすことができるようになる。

サトウキビはゲノムが非常に大きく、交配には時間と労力がかかることが多い。

科学者たちはサトウキビをより甘く、より生産性の高いものにするために多くの努力をしてきました。

最も一般的な方法は雑種交配であり、これはサトウキビにとっての「パートナー探し」に少し似ています。サトウキビは、異なる品種のサトウキビを交配するだけでなく、「近縁種」（一般にはサトウキビ亜族（Saccharinae）のサトウキビ属の他の種）や「遠縁種」（一般にはサトウキビと交配できるサトウキビ亜族（Saccharinae）のサトウキビ属以外の他の種、例えばサトウキビ、リゾーマ、ソラレア、ススキなど）とも交配し、その利点を継承することができます[6]。

サトウキビの「近縁種」と「遠縁種」の中には、野生の遺伝資源が数多く存在します。野生では自然淘汰の圧力により、耐病性や耐ストレス性などの優れた特性の遺伝子をより多く保持する傾向があります。親の優れた遺伝子が子供に受け継がれるのと同じように、科学者たちはこの方法を使って糖度が高く、収穫量が多く、安定したサトウキビを栽培したいと願っています。

たとえば、サトウキビの品種の中には、病気に強いものの糖分が少ないものもあれば、糖分は多いものの病気にかかりやすいものもあります。科学者たちは交配を通じて、これら2つの利点を組み合わせることを望んでいます。

しかし、サトウキビのゲノムは大きくて複雑なため、そのゲノムサイズは約10Gb [6]であるのに対し、ヒトのゲノムサイズは約3Gb [7]です。人間は受精卵から発生し、46本の染色体を持つ二倍体生物です。人間の生殖細胞である精子と卵子は、体細胞の半分の染色体数、それぞれ 23 本を持ち、これを半数体と呼びます。精子と卵子が結合して受精卵が形成されると、細胞は再び二倍体になります。したがって、二倍体とは、細胞に 1 セットが「父親」から、もう 1 セットが「母親」から受け継いだ 2 セットの染色体が含まれる生物を指します。

サトウキビはもっと複雑です。進化の過程で、ゲノム全体は複数の「倍数化イベント」（すなわち、染色体数の倍増）を経験してきました[8]。「近縁種」との無秩序な交雑と相まって、サトウキビのゲノムは数百の染色体を持つ倍数体であり、各品種の「親」は異なり、異なるゲノムをもたらします。「親」が同じであっても、結果として生じる遺伝子の組み合わせは非常に異なる可能性があります。これはまさに、「ドラゴンは 9 人の息子を産み、それぞれが異なる」というケースです。そのため、交配育種プロセスは必ずしもスムーズではなく、栽培された新しいサトウキビの遺伝資源が期待どおりに良くない場合もあります。この「当てずっぽう」のプロセスは時間がかかり、手間がかかるため、科学者は何年も、あるいは何十年も観察とスクリーニングに費やす必要があります。

サトウキビの改良に向けた新たなアイデア: 倍数体遺伝子編集技術の探究

これらの問題を解決するために、科学者たちは近年、遺伝子編集技術の研究を始めています。ハイブリッド育種の「当てずっぽう」アプローチとは異なり、遺伝子編集は「精密な剪定」のようなものです。

遺伝子編集

（写真提供：veerフォトギャラリー）

科学者は、さまざまなサトウキビ品種のゲノム、トランスクリプトーム（遺伝子発現レベルの変化）、プロテオーム（タンパク質の存在と量）を比較・分析するとともに、より集中的に研究されているソルガム、トウモロコシ、イネなどサトウキビの「遠い親戚」の相同性分析を実施することで、サトウキビの甘さ、耐病性などの特性に影響を与える遺伝子を見つけることができます。

例えば、感受性品種では、遺伝子 A は病原体によって病気を引き起こすために利用される可能性がありますが、病気に耐性のある品種では、遺伝子 A は機能を失っており、病原体によって利用されないため、病気は発生しません。遺伝子編集技術を使用すれば、病気にかかりやすい品種の遺伝子 A を「切り取る」ことができ、病気にかかりにくい品種の場合と同様に、病原菌が遺伝子 A を利用できなくなります。このようなターゲットを絞った形質転換により、高糖度や高耐性などの優れた形質を迅速に集約することができます。

しかし、遺伝子編集には困難もあり、特にサトウキビのような高倍数性作物の場合、その技術は複雑です。前述のように、サトウキビは複数の「倍数化イベント」を経て、多数の相同遺伝子、つまりゲノム内に同じ遺伝子の複数のコピーが存在する可能性があります。遺伝子編集が必要な場合は、これらの相同遺伝子をすべて同時に変更する必要があります。したがって、効率的な遺伝子編集方法が必要です。例えば、遺伝子編集の効率が 50% で、2 つの相同遺伝子を同時に編集する成功率が 25% の場合、10 個の相同遺伝子を同時に編集する成功率はわずか 0.098% になります。遺伝子編集の効率が80％に向上すれば、相同遺伝子2つを同時に編集する成功率は理論上64％に達し、相同遺伝子10個を同時に編集する成功率は理論上10.7％に達する可能性がある。したがって、遺伝子編集の効率を向上させることは科学者が目指している目標です[4]。

ハイブリッド育種であれ、遺伝子編集育種であれ、科学者たちはより甘く、より収穫量の多いサトウキビを私たちが食べられるようにするために絶えず努力しています。例えば、サトウキビの分野では、科学者たちは、人々がサトウキビを噛むときにより良い体験が得られるように、より味が良く、より甘く、よりジューシーな新しい品種を絶えず育てています。サトウキビ分野では、科学者たちは砂糖生産の効率を高め、収穫量と品質を確保するために、糖度、収穫量、耐病性などの改善に重点を置いています。

結論

科学は私たちの生活から決して遠い存在ではありません。一見普通に見えるサトウキビは、実は多くの科学者の努力と知恵の結晶です。甘い一口の裏には、数え切れないほどの探求と実験、失敗と成功、そして農業の未来への素晴らしい期待が隠れています。

次回、黒砂糖水を一口飲むとき、黙々と働く科学者たちのことを思い出すかもしれません。彼らの努力により、私たちの日常生活におけるあらゆる甘いものがさらに美味しくなります。

（注：本文中のラテン語部分は斜体で表記してください）

参考文献:

1.ミンツ、SW（1985）。甘さと力：近代史における砂糖の位置づけ。ペンギンブックス。

2.Eggleston, G.、Legendre, BL（2003）。サトウキビジュースから粗糖までの品質管理：ルイジアナ州の工場運営。国際砂糖ジャーナル、105(1256)、8-18。

3.レイン、P.（2007）。サトウキビ工学。バーテンズ。

4. デ・スーザ、AP、グランディス、A.、ワシントン DC レイテ、ミシシッピ州バッカリッジ (2014)。バイオエネルギー源としてのサトウキビ：歴史、パフォーマンス、そして第二世代バイオエタノールの展望。バイオエネルギー研究、7(1)、24-35。

5. 唐良東。（2024年）。広西チワン族自治区のサトウキビ砂糖産業のグリーンかつ低炭素な発展：現状、課題、戦略。サトウキビ砂糖産業、53(3):74-79。

6. Dong Guangrui、Shi Jiaxian、Hou Ailing、Zhang Jisen。（2018年）。サトウキビゲノムの研究の進歩。バイオテクノロジー、28(3):296.

7.国際ヒトゲノム配列コンソーシアム。（2004年）。ヒトゲノムのユークロマチン配列の完成。ネイチャー、第431巻、931-945。