中国の科学者がアルカリ耐性遺伝子を発見！食糧生産の増加はすぐそこにある

2023年3月24日早朝、中国科学院遺伝学・発生生物学研究所の研究チームは、中国科学院生物物理研究所、中国科学院東北地理・農業生態研究所、中国農業大学、華中農業大学、寧夏大学、揚州大学、シンジェンタグループチャイナなど8つの機関と共同で、トップ科学誌「サイエンス」に重要な研究成果を発表した。主要なアルカリ耐性遺伝子AT1の発見とその作用メカニズム、そしてこの遺伝子がモロコシ、イネ、キビ、トウモロコシなどの作物の収穫量を大幅に増加できることを圃場実験で検証したという。

これは実践可能であり、現場での証拠がある研究です。この記事は一体何について書かれているのでしょうか?説明させてください。

01. 塩性アルカリ土壌：我が国の農業発展に対する大きな脅威

広大な土地と豊富な資源。これは多くの人が知っている言葉だと思います。面積960万平方キロメートルの私たちの祖国は、何千年にもわたって中国人を育んできました。この土地は今日に至るまで、14億人の人々の生存の根源であり続けています。

しかし、あなたは別の言い伝えを聞いたことがあるはずです。 「中国は世界の耕作地の 7% を使用して、世界の人口の 22% を養っている。」これは我が国が生み出したもう一つの奇跡であるが、また一種の無力感でもある。我が国の耕作地面積は非常に小さいため、近年我が国の第1位の文書は農業に関するものとなっています。食糧は人々の第一のニーズです。農業は国家経済の基盤であり、繁栄の礎です。

しかし、私たちの農業に深刻な脅威をもたらす問題があります。それは耕作地の塩化です。

塩性アルカリ性の土地、良い土地だが広大な白い土地に覆われている土地を見たことがあるかどうかはわかりません。それは霜や雪ではなく、塩分とアルカリの濃縮です。このような塩性アルカリ性の土地では、作物は言うまでもなく、非常に頑固な雑草でさえ生育が難しく、不毛の地となってしまうことがよくあります。

塩アルカリ土壌（写真提供：FAO）

塩性アルカリ性土地とは、塩性土地とアルカリ性土地の総称です。中性のナトリウム塩（塩化ナトリウムや硫酸ナトリウムなど）の影響を受けた土壌は塩性土壌と呼ばれ、アルカリ性のナトリウム塩（炭酸ナトリウム、重炭酸ナトリウム、ケイ酸ナトリウムなど）の影響を受けた土壌はアルカリ性土壌と呼ばれます。

02. 塩性アルカリ性土壌はどのようにして形成されるのでしょうか?

では、塩性アルカリ性土壌はどのようにして形成されるのでしょうか?本質は土壌中の塩分イオンの不均衡です。この不均衡は複数の要因によって引き起こされます。土壌水分は塩イオンの重要な供給源です。川や湖、地下水灌漑、化学肥料の使用など、これらすべてが塩分イオンをもたらします。これらの塩イオンの量が植物の吸収能力を超え、他の要因によって除去できない場合、これらのイオンは水の蒸発とともに土壌に蓄積し続け、最終的に土壌の塩化につながります。

水と塩性アルカリ性土地形成の関係（画像提供：FAO）

土地の塩化は農業と密接に関係しており、したがって我が国の農業生産を直接脅かしています。例えば、数え切れないほどの中国人を育んできた北方の穀倉地帯でもある有名な黒土は、長年にわたる継続的な耕作により、1950年の24,000平方キロメートルから2016年には39,000平方キロメートルへと、徐々に塩性アルカリ性土地面積を拡大してきました。多くの土地も、軽度の塩性化から中度から重度の塩性化へと変化しています。

実際、東シナ海沿岸から北西部国境、暑い海南省から寒い松嫩平原に至るまで、塩性アルカリ性土壌が分布しているのは東北地方だけではありません。土地の酸性化と黒土の劣化も加えると、影響を受ける耕作地の面積は6億6000万ムーに達する。これはどのくらいの規模ですか？ 2022年の第3回全国土地調査によると、わが国の耕地面積は19億1800万ムーで、耕地面積の3分の1が「3つの問題」に直面しており、わが国の食糧安全保障と国民経済、人民生活を大いに脅かすことになる。

塩アルカリの土地

このため、2022年中央文書第1号で塩性アルカリ性土地の総合利用計画と実施計画が提案されたのに続き、2023年中央文書第1号でも引き続き塩性アルカリ性土地の問題に重点が置かれました。今年は特に、「塩性アルカリ性土地に適応した作物を主に管理することから、塩性アルカリ性土地に適応する塩性アルカリ性植物の育成への転換を継続的に推進し、塩性アルカリ性土地とその他の予備耕作地資源の総合的な開発と利用の試行プロジェクトを実施する」ことを提案した。

これは今日の記事、つまり塩分とアルカリに耐性のある植物の開発と密接に関係しています。

03. 植物の塩・アルカリ耐性遺伝子を見つけるにはどうすればいいですか?

生命は常に最も粘り強い忍耐力を備えており、予期せぬ場所でも生き残ることができます。

塩性アルカリ性土壌は多くの作物にとって行き止まりですが、例外もいくつかあります。それは植物の強いストレス耐性、つまり耐寒性、耐干ばつ性、耐病性、耐害虫性、そしてもちろん耐塩性や耐アルカリ性など、特定の悪環境に抵抗する植物の能力です。舞台裏では植物の遺伝子が働いています。

では、塩・アルカリ耐性遺伝子を見つけるにはどうすればよいでしょうか?今日のサイエンスの記事は古典的なデモンストレーションを紹介しています。総合的に見てみましょう。

ステップ 1: 適切な植物を選択します。

塩分やアルカリに耐性のある植物は数多く存在しますが、多くの植物は地理的分布特異性を持つ傾向があるため、塩分やアルカリに耐性を持つメカニズムは限られています。私の国は広大な領土を持ち、熱帯、亜熱帯、温帯、寒帯などさまざまな気候帯にまたがっています。そのため、研究対象として、広く流通し、変異の幅が大きい作物を見つけることが重要です。

従来の研究では、古典的なモデル植物であるシロイヌナズナがよく使用されますが、この植物は塩性アルカリ性の土地に由来していないため、塩性アルカリ性耐性を研究する際には自然な欠陥があります。

科学者たちは広範囲にわたる研究と実験を経て、塩分とアルカリに耐性のある作物であるソルガムを研究対象として選びました。ソルガムは中央アフリカの不毛地帯で生まれ、世界中に広まった作物です。複数の地域や異なる塩分濃度の土壌で生存できるこの能力は、この植物が強い塩・アルカリ耐性を持っていることを証明するのに十分です。

ソルガム（画像出典：Wikipedia）

ステップ2: 適切な研究システム。

適切な塩分およびアルカリ耐性植物が見つかったので、次のステップは適切な研究システムを構築することです。土壌の塩化は主に炭酸ナトリウムまたは重炭酸ナトリウムによって引き起こされます。土壌の塩化をシミュレートするために、従来の研究では主にこれら 2 つのアルカリを使用して実験システムのアルカリ度を調整します。ただし、この調整プロセスでは pH が不安定になりやすくなります。その結果、実験システムが不安定になり、繰り返しの難易度が増します。

研究チームは、安定的かつ信頼性の高い塩分アルカリ陸上実験システムを実現するために、何度も試行錯誤を重ね、最終的に実験を安定的に進めることができる混合アルカリ（炭酸ナトリウム：重炭酸ナトリウム＝1：5）システムを決定しました。

上記の研究を踏まえて、次のステップはソルガムの塩・アルカリ耐性遺伝子を調査することです。

ステップ3：全ゲノムビッグデータの関連付け、分析、塩アルカリ耐性遺伝子の検索

遺伝子が特性を決定します。植物の塩・アルカリ耐性の要因は遺伝子です。ソルガムの耐塩性遺伝子を見つけるために、研究者らはまず、耐塩性ソルガム資源を多数収集しました。これらのソルガムの塩分・アルカリ耐性には大きな違いがありました。

実験室で構築された安定した塩水アルカリシステムにおけるさまざまなソルガムの成長（画像提供：中国科学院遺伝学および発生生物学研究所）

次に、科学者たちは全ゲノム関連解析の手法を用いて、さまざまなソルガムの遺伝資源を入手し、耐塩性および耐アルカリ性の形質に基づいて、その形質と全ゲノムとの関連解析を実施しました。最終的に、研究者たちは重要な遺伝子である AT1 を見つけることに成功しました。

ゲノムワイド関連解析により重要なシグナル遺伝子 AT1 が発見される (画像提供: 中国科学院遺伝学・発生生物学研究所)

AT1 遺伝子の検証により、植物の塩・アルカリ耐性における AT1 の重要な役割も確認されました。例えば、ソルガムでは、AT1 遺伝子はソルガムの塩分とアルカリに対する耐性に明らかに関係しています。高塩分およびアルカリ培養条件（75mMアルカリ）では、AT1過剰発現（SbAT1-OE）の成長効果は対照群（SbWT）よりも著しく悪く、AT1ノックアウト群（SbAT1-KO）よりもさらに悪くなります。

AT1 遺伝子はソルガムの塩・アルカリ耐性に重要な役割を果たしている (画像提供: 中国科学院遺伝学・発生生物学研究所)

それだけでなく、AT1 遺伝子は多くのイネ科植物でも保存されており、効果的な役割を果たすことができるため、非常に意義深いものです。ご存知のとおり、草は私たちの間で主要な作物であり、トウモロコシ、米、キビはすべて草です。

AT1遺伝子はさまざまな作物に有効である（画像提供：中国科学院遺伝学・発生生物学研究所）

04. AT1 遺伝子は塩分とアルカリの脅威にどのように反応しますか?

では、この AT1 遺伝子は塩分とアルカリの脅威にどのように反応するのでしょうか?研究者らは、哺乳類と作物システムモデルの両方でこの遺伝子を研究した。結果は、AT1 遺伝子が主に水チャネルタンパク質（細胞膜固有タンパク質 2s (PIP2s)）のリン酸化を調節することによって高塩アルカリストレスに反応することを示しました。

AT1 遺伝子は PIP2 を介して塩ストレスに反応します (画像提供: 中国科学院遺伝学および発生生物学研究所)

さらに、高塩分ストレス下では、植物はROS（活性酸素種）も生成しますが、それ自体が植物にとって有害で​​す。 AT1 遺伝子は PIP を調節することで ROS 排出にも影響を与える可能性があります。高等生物における高塩分および高アルカリ耐性の分子メカニズムを科学者が明らかにしたのは今回が初めてである。

AT1 制御による塩アルカリストレス応答機構と AT1 の利用により、塩分とアルカリ性土壌におけるさまざまな作物の収量を向上させることができる

05. 現場実験でAT1の有効性を確認

実践こそが真実をテストする唯一の基準：フィールド実験でAT1の有効性が証明される

実際、科学者は長年にわたり塩アルカリ耐性のメカニズムを研究しており、多くの塩アルカリ耐性遺伝子を発見してきましたが、多くの研究は実践にあたり多くの問題に直面してきました。では、今回科学者らが発見した耐塩性遺伝子AT1は、実用化に役立つのだろうか？

研究者たちはこの遺伝子の効果を現場でテストすることにした。

研究チームはまずソルガムの塩・アルカリ耐性育種を行い、その後、圃場実験を行った。今回選定された寧夏平洛塩性アルカリ土壌は、pH値が8.5～9.1と高く、中程度の塩性アルカリ性土壌です。

結果は非常に有望です。

AT1 遺伝子を使用すると、ソルガムの穀物収量が 20.1% 増加し、植物全体のバイオマス (サイレージ用) が 30.5% 近く増加します。この結果は、AT1 がメカニズム的に実現可能であるだけでなく、実際にも大きな効果があることを示しています。

AT1 遺伝子ノックアウトにより、塩分とアルカリ性土壌でのソルガムの収穫量が増加 (画像提供: 中国科学院遺伝学および発生生物学研究所)

もちろん、AT1 遺伝子の重要性は、ソルガムの塩分およびアルカリ性耐性を制御することだけではありません。これは、米、トウモロコシ、キビといった重要な食用作物を含む多くの作物に保存されている遺伝子です。

その後、研究者らはこれらの作物についてさらに現地実験を行った。結果によると、AT1遺伝子を導入したキビは、寧夏回族自治区平洛の塩性アルカリ性土壌で収穫量を約19.5％増加させることができ、これは5分の1の増加に相当する。 AT1遺伝子を導入したトウモロコシは、塩性アルカリ土壌でも生存率が大幅に向上します。

2022年、寧夏省平洛県の塩性アルカリ土壌（塩分濃度0.7%、pH8.5）におけるSbWTとSbAT1koの成長表現型（画像提供：中国科学院遺伝学・発生生物学研究所）

さらに、この遺伝子は良好な領域横断的効果も示しました。

中国東北部、寧夏回族自治区平洛から1,600キロ以上離れた吉林省大安の塩性アルカリ地帯では、pHは9.17と高い。研究者らは、AT1遺伝子を組み込んだ米、キビ、トウモロコシを植えた。その結果、各種作物の年間収穫量は約24.1%から27.8%増加し、四半期増加しました。

（AT1/GS3ノックアウトにより塩分を含むアルカリ土壌でのイネの収穫量が向上（画像提供：中国科学院遺伝学・発生生物学研究所））

現場での実験研究により、AT1 遺伝子の力が十分に実証されました。この遺伝子は、塩分を多く含んだアルカリ性の土地で植物がよりよく生存し、収穫量を増やすことを直接的に可能にします。

06. 現在および将来の世代への利益

食糧は人々の第一のニーズであり、食糧問題は全人類の基本的な利益に関係しています。国連食糧農業機関の報告によると、現在、世界では食糧援助を必要としている国が45カ国あり、そのうち6カ国の人々は最も深刻な食糧不足に直面しており、壊滅的な飢餓に陥りそうだ。さらに、何百万人もの人々が深刻な飢餓に直面しています。

塩性アルカリ土壌は耕作地によく見られ、食糧安全保障に深刻な脅威をもたらします。国連食糧農業機関の統計によると、2015年時点で、世界の耕作地はわずか15億ヘクタールであるのに対し、世界では10億ヘクタール以上の土地が塩性化の問題を抱えている。塩性アルカリ性土壌の20%でも開発できれば、世界の食糧生産量は少なくとも2億5000万トン増加することになる。これにより食糧危機が大幅に緩和され、より多くの人々が飢餓から救われるでしょう。

したがって、塩分やアルカリに耐性のある作物をさらに開発することは、世界的な食糧危機を緩和し、より多くの命を救うために非常に重要です。

特に特筆すべきは、今回研究チームが発見したAT1遺伝子が、イネ、トウモロコシ、キビなどの重要なイネ科作物に非常に大きな影響を及ぼすということだ。トウモロコシと米は世界で第 1 位と第 2 位の農作物であり、世界中の人々の主な食糧源であることを知っておく必要があります。したがって、この遺伝子組み換え作物が広く普及すれば、世界に大きな変化をもたらすことになるでしょう。

今に受け継がれる恩恵は、未来の世代にも受け継がれると言えるでしょう！