カリフォルニア大学デービス校の科学者らは、土壌中の窒素固定細菌を活性化する化学物質を放出することで部分的に肥料を与えることができる小麦を開発した。
改変された植物は、この微生物の助けを借りて大気中の窒素を活用し、合成肥料の必要性を減らします。この画期的な進歩により、汚染が削減され、農業コストが削減され、栄養の乏しい地域での作物の成長が改善される可能性があります。また、他の主要穀物でも同様の進歩への道が開かれる可能性がある。
小麦自体が肥料を生成できるように設計された小麦
カリフォルニア大学デービス校の科学者は、独自の天然肥料の形成を促進できる小麦植物を開発しました。この進歩により、農家が従来の肥料に費やす必要のある金額を削減しながら、世界中の大気と水の汚染を軽減できる可能性があります。
このプロジェクトは、植物科学科の著名な教授であるエドゥアルド・ブルムワルド氏によって主導されました。彼のチームは、遺伝子編集ツール CRISPR を使用して、小麦植物による天然化合物の 1 つの生産量を増加させました。植物が過剰な量のこの化合物を周囲の土壌に放出すると、空気中の窒素を植物が容易に吸収できる形に変換する土壌バクテリアがサポートされます。このプロセスは窒素固定として知られています。
調査結果はオンラインで公開されました植物バイオテクノロジージャーナル。
世界の食料安全保障に対する潜在的な影響
多くの発展途上地域では、この発見は作物の信頼性と食料供給に大きな後押しをもたらす可能性があります。
「アフリカでは、人々はお金がないため肥料を使用しません。また、農場は小さく、6～8エーカー以下です」とブルムワルド氏は言う。 「想像してみてください。土壌中のバクテリアを刺激して、作物に必要な肥料を自然に生成する作物を植えているとします。すごいですね。それは大きな違いです!」
この新しい小麦品種は、早い段階での進歩研究チームはイネでこの成果を達成しており、追加の研究ではこのアプローチを他の穀物にどのように適用できるかを調査中です。
肥料への挑戦
小麦は収量で世界第 2 位の穀物であり、世界の窒素肥料使用量の約 18% を占めています。国連食糧農業機関によると、2020年には世界中で8億トン以上の肥料が生産された。
しかし、植物は通常、肥料に含まれる窒素の 30 ～ 50% しか吸収しません。残りは水路に流れ込むことが多く、酸素レベルが低下しすぎて水生生物が生息できない「デッドゾーン」が形成されます。土壌に残った過剰な窒素も発生する可能性があります亜酸化窒素、強力な温室効果ガス。
生物学的バリアを理解する
窒素固定細菌は、窒素固定の中心となる「固定剤」であるニトロゲナーゼと呼ばれる酵素に依存しています。この酵素はこれらの細菌の内部にのみ存在し、非常に低酸素状態でのみ機能します。
エンドウ豆や豆などのマメ科植物は、窒素固定細菌を保護する低酸素環境を作り出す根粒を形成することで、この問題を自然に解決します。
小麦や他のほとんどの作物はそのような根粒を形成しないため、農家は窒素ベースの肥料に依存しています。
「何十年もの間、科学者たちは活性な根粒を生成する穀物の開発や、窒素固定細菌を穀物に定着させようとしてきましたが、あまり成功しませんでした。私たちは別のアプローチを使用しました」とブルムワルド氏は述べた。 「固定窒素が植物に到達し、植物がそれを利用できる限り、窒素固定細菌の位置は重要ではない、と私たちは言いました。」
窒素固定細菌をサポートする新しい方法を見つける
潜在的な解決策を特定するために、研究チームは植物によって自然に生成される 2,800 種類の化学物質を評価しました。彼らは、植物に利益をもたらすだけでなく、細菌がバイオフィルムを形成するのを助ける20の物質を特定しました。これらの粘着性の保護層は、ニトロゲナーゼが機能できるようにする低酸素環境を作り出します。次に研究者らは、植物がこれらの化合物をどのようにして生成するのか、またどの遺伝子がその生成を調節しているのかを解明した。
研究チームは、CRISPR を使用して、アピゲニンと呼ばれるフラボンをより高レベルで生成するように小麦を操作しました。改変された植物は必要以上に多くのアピゲニンを生成するため、余剰分は根から土壌中に放出されます。実験では、余分なアピゲニンが土壌細菌のニトロゲナーゼを保護するバイオフィルムの構築を促し、細菌が小麦が利用できる形で窒素を固定できるようになった。
非常に低い窒素肥料条件下で栽培すると、遺伝子組換え小麦は対照植物よりも高い収量をもたらしました。
農家にとっての大きな経済的メリット
米国農務省の推計によると、米国の農家は2023年に肥料に約360億ドルを費やした。ブルームワルド氏は、国内の5億エーカー近くに穀物が植えられていると指摘する。
「想像してみてください。その土地で使用されている肥料の量の 10% を節約できたら」と彼は考えました。 「控えめに計算してみると、毎年 10 億ドル以上の節約になるはずです。」
参考文献：「DNA編集六倍体小麦におけるアピゲニンの増加は、窒素肥料を制限することで土壌細菌の窒素固定を促進し、穀物収量を向上させた」田島裕美、アキレシュ・ヤダブ、ハビエル・イダルゴ・カステヤノス、ダウェイ・ヤン、ベンジャミン・P・ブルックバンク、南原英二、エドゥアルド・ブルムワルド著、8月6日2025年、植物バイオテクノロジージャーナル。
DOI: 10.1111/pbi.70289
他の著者には、田島裕美、アキレシュ・ヤダフ、ハビエル・ヒダルゴ・カステロス、ダウェイ・ヤン、ベンジャミン・P・ブルックバンク、南原英二が含まれます。
特許出願はカリフォルニア大学によって提出されており、係属中である。 Bayer Crop Science と UC Davis Will Lester Endowment がこの研究を支援しました。
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