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大学・研究所にある論文を検索できる 「隔離ほ場におけるRubisco増強イネ及び大粒準同質遺伝子系統イネの収量評価試験―超多収イネの作出を目指して―」の論文概要。リケラボ論文検索は、全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索できる論文検索サービスです。

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隔離ほ場におけるRubisco増強イネ及び大粒準同質遺伝子系統イネの収量評価試験―超多収イネの作出を目指して―

尹 棟敬 東北大学

2020.09.25

概要

現在、世界人口は、年に約1億人ずつ増加しており、今世紀半ばには、約100億人に達すると言われている(Fig. 1)(Evans 1998)。そのため、国際連合食糧農業機関(FAO; http://www.fao.org/home/en/)は、急激な世界人口の増加が、穀物の需給バランスを逼迫させ、世界的な食糧危機を到来させると、警鐘をならしている。また、日本の農林水産省の統計データによれば、世界の穀物生産量と消費量は常に拮抗した状況にあり(Fig. 2)、仮に、異常気象などのため、世界的に食糧生産が減少すれば、食糧危機は、いつ訪れてもおかしくないと考えられる。

 コメは、世界の半数以上が主食とする主要穀物の一つである。FAOの調査によれば、2018年には118の国で栽培されており、その生産高はコムギを凌ぐ約7億8000万トンに達している。アジアにおけるコメの生産が世界の90%以上を占める。一方で近年、アフリカでの生産が急激に増加しており、1990年にアフリカにおけるコメの生産高は約1270万トンだったが、2017年には約3660万トンと約2.9倍となっている。しかし、急増する世界人口を賄うためには、次の30年ほどの間に約2億トンのコメの増収を行わねばならないことが指摘されている。

 1960年代に始まった「緑の革命」は、短稈育種の開発により倒伏耐性を高め、窒素を中心とした化学肥料の大量投入を可能とすることにより、飛躍的な穀物の収量増加をもたらした(Pingali 2012)。この緑の革命の一つの成果として、当時、アジアの人口増加による食糧危機が予測されていたが、それを回避することができたと言われている。Fig. 3には、緑の革命により、国際稲研究所(IRRI, International Rice Research Institute)の品種改良により開発され「奇跡のイネ」と言われたインディカ品種IR8、および同様にIRRIで開発されたIR72の窒素施肥量に対する収量を示した。両品種とも、窒素施肥量が多くなるに従い、収量が増加することが分かる。一方で、緑の革命の1960年以降、農地への窒素の施肥量は急激に増え、1960年と現在を比較すると10倍になっており、現在の窒素施肥量は、1億トンを超えている(Fig. 4)。実際、多量の窒素施肥は、葉の窒素含量を増加させることにより光合成の向上をもたらし、穀物のソース機能の増強を図ることとなった。また、同時に、シンク側においては、穀物の穂数や一穂籾数を増加させる要因となった。

 しかし、近年では多肥による増収も限界に達し、むしろ農地への過剰施肥が環境汚染の原因であると指摘され始めている(Canfield et al. 2010; Good and Beatty 2011)。具体的には、農地に与えた余剰な硝酸態窒素やアンモニア態窒素は、脱窒により酸化窒素となり大気中に放出され、温室効果ガスや酸性雨の原因になると言われている(Fig.5)。また、河川や海洋に流出した余剰窒素は、河川や海洋の富栄養化を招き、例えば海洋の富栄養化は赤潮の原因となっている(Fig.5)。したがって、今後は窒素による環境負荷を最小限に抑え、かつ、穀物の収量増加を達成することが求められる。

 1990年代中頃より、植物の遺伝子改変技術が一般化するに従い、除草剤または病虫害耐性形質を有する形質転換作物が農業現場で実用化されている(Bengtsson-Palme et al. 2014; Würschum et al. 2017)。一方で、直接的な穀物の収量増加を目指し、遺伝子改変技術を用いた作物の代謝経路の改善や効率化、または穀物の収量を規定する遺伝子探索などの基礎研究が多数行われてきた。また、それらの研究により光合成能を高め、収量が増加したとの報告がなされるも、多くの場合は栽培条件が管理された人工気象室を用いての研究であり、自然条件下のほ場を利用して、基礎作物学的解析を行い、光合成を高めた穀物の収量増加が確認された実例はまったくない状況であった(Sinclair et al. 2019)。

 そこで、本博士論文においては、収量の向上と環境保全を目指したイネの作出を目的として、イネのソースおよびシンク機能を強化させ、食糧危機回避に資する超多収イネの作出を目指すこととした。イネの収量は、葉に代表される光合成同化産物を供給する器官(ソース)と、穎果のようにこれら同化産物を蓄積する器官(シンク)、そして同化産物の移動通路である転流部位の相互作用によって決定される。つまり、イネの増収を図るためには、1)ソースとして機能する葉の光合成能力を高めること、または2)可食部のシンクを拡大すること、さらには3)ソースとシンク能を同時増強させることで、超多収イネを開発できると考えている。

 本博士論文の第1章では、ソース機能を強化したイネとして、光合成の律速因子であるRubiscoを増強するイネを用いて、ほ場における収量評価試験を行った。その結果、ある一定以上の窒素施肥量において、窒素の利用効率の向上を伴い収量の増加が確認された。

 一方、シンク機能を強化したイネとして、大粒品種である「秋田63号」由来の大粒性要因遺伝子を、イネ品種能登ひかり(ノトヒカリ)に組み込んだ準同質遺伝子系統である大粒ノトヒカリが、小原(国際農研)らにより開発された(小原ら、未発表)。第2章においては、この大粒ノトヒカリの遺伝子発現特性を調べるとともに、人工気象室での生育特性と収量性の検証を行った。さらに、第3章では、第1章と同様にほ場を使用して、大粒ノトヒカリの収量評価試験を行った。その結果、大粒ノトヒカリの籾への光合成産物の分配が向上したことにより、収量の増加が確認された。

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参考文献

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