13日本農学会シンポジウム「激動する社会と農学」

加工型畜産から環境と調和したタンパク質生産へ向けた畜産のパラダイムシフト
後藤貴文*〔キーワード〕：ウシ，放牧，代謝プログラミング，1 頭当たりの肥育に約 2t の穀物飼料が必要とされる．

IoT，宇宙技術

特に日本では，骨格筋内の脂肪含有量が多い，所謂，1．はじめに霜降り肉や，乳脂率を高く，および乳量を多くする
ために大量の穀物飼料が給与される．和牛 1 頭を生ウシは極めて巧妙なバイオリアクターである．本産するためには，現在 5t 以上の穀物飼料を必要と来，草食動物（反芻獣）であるウシは植物で育ち，している．わが国の約 390 万頭の肉牛および乳牛を穀物飼料はほとんど必要ない．ニワトリやブタの飼飼養するために給与される穀物飼料の約 90％が輸養には一定量の穀物飼料が必要である．しかし，ウ入に依存している（1,000 万 t 以上）．反芻獣（草食シは反芻獣として放牧地の牧草と水を摂取するこ動物）に，これほどの穀物飼料を給与するのは，産とで 500-600kg の体を維持することができる．植物業構造における深刻なフードロスと言えるかもしの成分は 80％以上が水分で，栄養成分はわずかでる．

れない．

つまり，ウシはほとんど水分しか摂取していないこ

世界では 8 億人の飢餓者が存在し，1 年に約 500とになる．妊娠した母牛は，山に放牧しておくと牧万人の子供たちが餓死している．一方，わが国の食草と水だけを摂取して，受胎から 10 カ月後には料自給率は 40％を下回り，牛肉の自給率も 35％程

30～40kg 程度の自走する子牛を生産して，共に山か度である．現在，わが国では，ロシアのウクライナらおりてくる．ほとんど水分だけで，どのようなメ侵攻等による穀物相場の攪乱により，世界的な穀物カニズムで自走できる 30kg の生物体をつくること価格高騰により，畜産農家経営は困難を極める．まができるのか？

た，感染症のパンデミック等によるサプライチェー

一見，マジックのように思われる．

著者は，いつも学生の実習の最初の時間に，学生のンの寸断リスク等からも，わが国の食料安全保障の目の前にペットボトルの水と生草を示して，これでもろさと食料自給の重要性を痛感させられた．さら子牛をつくる方法を説明しなさい，と質問する．こに，多くの食料や資材を輸入に依存するわが国では，の巧妙なバイオリアクターであるウシは，ヒトが利世界世情の影響による物価高騰で満足に食事を取用できない植物（特に繊維成分であるセルロースやる事が出来ない国民が増加し，今後の社会保障費のヘミセルロース）を材料にして，ヒトに必要な牛肉増加が懸念される．その中で畜産システムの構造的とミルクを生産することができる．

なフードロス回避は重要と考える．

2．加工型牛肉生産システムの問題点

わが国が行っている草食家畜への大量の穀物給与を中心としたフードロス的肉牛および牛乳生産

ところが，現在世界では，このウシの飼養に大量システムから脱却するために，新しい畜産システムの穀物を使用し，肥育するようになってきた．アメをどう構築すべきか，どうあるべきか，を考える時

リカを中心に“フィードロット”という肥育システ期に来ている．今，推進されている現状の畜産のしムが採用されている．これは，肥育期である後半のくみへのスマート技術の導入や効率化だけでは解6 カ月程度，穀物飼料により集約的に肥育するシス

決はできない．今こそ，先端科学を基盤としてパッテムである．家畜への穀物給与は広がり，世界で生ケージングしたパラダイムシフトが必要である．

産されるトウモロコシの約 7 割は家畜の飼料として使用されている．アメリカのフィードロットでは，*北海道大学北方生物圏フィールド科学センター（Takafumi Goto）

0369-5247/24/¥500/1 論文/JCOPY

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農業および園芸

第 99 巻

3．バイオリアクターとしてのウシ第1号（2024 年）

る．生産の持続性，環境への負荷，アニマルウェルフェア，バイオダイバーシティ等を含む高度な生産

ウシは極めて巧妙なバイオリアクターアニマル性である．この生産性を考える時，物理的スケールである．植物を摂取して牛肉やミルクを生産する．

だけでなく，時間的なスケールも異なることになる．

すなわち，植物を原料としてタンパク質を生産する

日本は，水資源が枯渇傾向にある海外に比較して，巨大なバイオリアクターである．ウシは生後から 6

亜熱帯気候の上に雨量も多く，植物資源が豊富にあカ月程度の時間をかけて，環境中の微生物を摂取しる．そこにある植物資源をウシにより，タンパク質て，第一胃内（ルーメン）内に住まわせて，その後に変換してもらうことは，わが国の食料安全保障，の成長と成熟に必要な微生物をコレクションする．

特に低コストでのタンパク質供給に貢献し，環境とそれら微生物は，植物繊維を分解し，また発酵によ共生できる重要な施策となると考えている．

りエネルギーを産生する．環境中の微生物は，見え

ここで，ウシを，植物資源を材料としてタンパクにくいので，ウシは一見牧草と水だけしか摂取して質を生産するバイオリアクターととらえ，それを基いないように見える．牧草の成分はほとんど水なの盤としたビジネスを考えた場合，ネックとなるのが，で，水しか摂取していないように見える．しかし，植物資源（粗飼料）での飼養では，肉量と肉質が成

ウシは生後直後から，少しずつ，この微生物を特殊熟するために相当の時間を要することである．カロな胃に必要な微生物を“コレクション”して，さりリーの高い穀物飼料（濃厚飼料）を給与した場合のげなく牛肉とミルクを生産する．これがウシのトように比較的短期に成熟や肥満させることが難しリックである．

い．粗飼料による肥育，特に放牧飼養は，ウシが勝現在，培養肉など研究に投資が集まっており，科手に草を摂取してくれるので農家にとっては，こん

学技術としては重要であるが，著者から見ると，ウ

なに楽なことはないが，生産に時間がかかり，またシは極めて巧妙に肉を体内で培養している動物で肉量がとれたとしても肉質を制御することが難しある．ウシは植物を材料とした，巧妙なバイオリア

い．これではビジネスとしては，粗放的すぎる．まクタープラントとして，美味なタンパク質を生産した，放牧という形態をとった場合には，日本の場合，ている．電力も施設も必要なく，培養のための化学山間部も活用した比較的広大な土地での飼養とな添加物もいらない．草原があれば，他の材料を供給り，そこでの放牧牛の管理をどのようにするかといする必要もなく，自分で草を食み，自動的にタンパう問題がある．高度なビジネスとするためには，放ク質を作り出すのである．これこそ自然に肉を培養

牧地でウシが何をどれくらい採食したのか，体重のする，究極のバイオリアクターと言える．培養肉の増加を把握すること，放牧地の草量変化を把握する研究も技術として必要であるが，我々がまずやらなこと等，放牧地での飼養を緻密に管理する必要があければならないのは，地球上の植物と単胃動物をつる．すなわち草資源での飼養に関して，放牧を主要なぐ反芻獣の環境内でのバランスを最適化する未な形態とした場合に，1）放牧で肥育する場合の肉来型の畜産システムを構築することにある．

質や肉量の制御，及び 2）放牧牛の省力的・効率的

4．長期的な視点での高度な生産性と戦略
日本には多くの植物資源がある．一方，人口は都市部に集中し，地方には，限界集落，中山間地域のな管理のための技術が必要ということになる．
5．放牧肥育における肉量と肉質制御：
DOHaD 学説の応用

耕作放棄地など，その活用が模索されている．また，

近年，動物は，胎児期や新生児期の栄養的刺激等

わが国の 6,900 島以上にも及ぶ離島も食料安全保障

により，DNA 塩基配列の変化を伴わない細胞分裂だけでなく国土安全保障を見据えて，今後積極的に後も継承される遺伝子発現の変化及び最終的な表活用していく必要もある．これまでも我々は生産性現型の変化を伴うことが明らかとなってきた．いわを追求し，牛肉生産に穀物飼料を牛舎の中で大量にゆるエピジェティクスという学問分野として注目使用することで生産性を上げてきた．しかし，現在される．生物は発生・分化の各ステージにおいて，では，この生産性を考える上での条件が異なってい必要な遺伝子のみを発現させ，不要な遺伝子の発現後藤：加工型畜産から環境と調和したタンパク質生産へ向けた畜産のパラダイムシフト

15を止める．生物は，遺伝情報の時系列的かつ選択的体質制御に関して動物生産，牛肉生産，特に穀物でな厳密な調節を行う．肥満やそれに関連した疾病とはなく草資源を中心とした牛肉生産に応用できなの関連で研究されてきたエピジェネティクスには，いか，挑戦を続けてきた（図 1；Gotoh，2015）．そ“可塑性”があり，遺伝子発現の状態が，環境や生して，新生児期の栄養制御による代謝刷り込み（プ活習慣等の外部からの刺激，特に栄養や老化などのログラミング）により，牧草で肥育した場合に，肉影響を受けて変化する．

質や産肉量などが向上することを報告してきた（図近年，疫学調査や動物モデルを用いた研究におい

2；Khounsaknalath et al.，2021）．このモデルでは体て，胎児期や新生児期の環境がその後の体質や肥満重だけでなく，個々の骨格筋重量の増加，脂肪の部症，生活習慣病などの疾病に影響を及ぼすことが示

位ごと重量変化，筋内脂肪の増加，骨格筋の脂肪酸唆されている．これはエピジェネティクスが関与し構成の不飽和化，筋線維型構成の速筋化，筋線維のた仕組みと想定され，医学分野において，DOHaDサイズの増大，及び骨格筋内脂肪形成関連遺伝子発（Developmental Origins of Health and Disease）とい現の増大等も観察された．

う 学 説 と し て 提 唱 さ れ て い る （ Barker ， 1990 ；著者らは，この新生児期の初期栄養のみの差異に

Gluckman・Hanson，2004）．これは，エピジェネティより，その後同様の粗飼料（植物資源）による肥育クス研究と関連して代謝インプリンティングあるをしたにもかかわらず，“表現型が異なるモデル”

いは代謝プログラミングとも呼ばれている．エピについて，その経時的あるいは屠畜時サンプルを用ジェネティクスとは，DNA の配列変化を伴わないいて“その原因となるエピジェネティクス修飾”を後天的修飾により遺伝子発現を調節し，最終的に表探索することで，初期栄養とエピジェネティクス及現型に変化を及ぼす制御システムである．これまで

び表現型の関係性を明らかとするフォワード“エ

著者は和牛を用いて，この DOHaD 学説を応用したピ”ジェネティクス解析を実施した．表現型の異な

図1

ウシにおける環境因子による代謝刷り込み（代謝インプリンティングあるいは代謝プログラミング）と牛肉生産

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図2

農業および園芸

第 99 巻第1号（2024 年）

和牛における初期成長期の代謝プログラミング（代謝刷り込み）の産肉性と肉質向上効果
Group HE：代謝プログラミング区．Group R：対照区（粗飼料のみで肥育区）．
Gotoh（2015）．

る動物において，遺伝子の違いを探索する研究体系

骨格筋や他の臓器の表現型を変えるだけでなく，はフォワードジェネティクス（順遺伝学）と呼ばれDNA メチル化動態も変化させることを示唆した．

るが，我々は初期栄養の違いによってのみ表現型の以上，現在，上記の WGBS の結果から，フォワー異なる動物モデルを用いて，初期栄養のみの影響にドエピジェティクス解析を行い，影響をうける遺伝よるエピジェネティクス修飾という観点で解析す子を探索中であり，そこから効果的に体質制御するるということである．このモデルでは，ロース芯をためのファクターを探索中である．これらの解析になす胸最長筋の Whole Genome Bisulfite Sequenceより見出されたエピジェネティクス修飾を制御す（WGBS：網羅的 DNA メチル化解析）解析をした

るリガンドを誘導する飼料を開発し，初期栄養のみ結果，表現型が異なることを裏付けるように DNAの制御により放牧肥育する場合の効率性を高め，生メチル化の明確な差異が観察された（Nishino et al.，産性向上に貢献する飼養システムを開発すること2022）．

を考えている．

一方，胎児期の解析において，和牛における妊娠期の栄養を栄養要求率の 120％と 60％に変化させた
場合，胎仔の体重，各器官，骨格筋重量等だけでな

6．放牧牛の効率的な管理のための技術：
宇宙牛プロジェクトとスマート放牧技術

く，胎仔骨格筋（胸最長筋）の網羅的な DNA メチ

体質制御，チューニングされたウシを中山間地域ル化状態も変化していた（西野ら，2023：未発表デーや離島などの過疎地を活用して放牧する．山や限界タ）．この胎児モデルの肝臓における調査でも，妊集落等に含まれる広大な中山間地域を用いて放牧

娠期栄養の異なる 2 群の胎児間で，同様に DNA メするとなると，ウシにとっても，それらを飼養するチル化動態の有意な差異が認められた（Muroya et

農家にとっても労力とストレスはなくなるが，産業al.，2023）．これらのことは，胎児期の栄養の差異がとして粗放であり，ウシの生育や健康チェック，そ後藤：加工型畜産から環境と調和したタンパク質生産へ向けた畜産のパラダイムシフト

17の後の肥育を制御できず，ビジネスとしての経営が行っている．また，それらの情報を放牧牛飼養に反難しくなる．それなりの管理が必要となる．ポイン

映させるためのクラウドシステムとそこからの制トとして，まずウシを商品と考えると，最も重要な御による個体識別できる遠隔自動給餌機を開発しデータは放牧牛の体重の変動の把握である．その他，ている（図 3）．

ウシの位置を把握すること，いわゆる測位，さらに放牧牛の測位において具体的には，GPS や準天頂ウシの消費エネルギーを知るための運動量の把握

衛星みちびきなどのマルチ GNSS からの信号によ等が必要となる．一方，放牧地では，放牧により草る高精度測位により，放牧牛の行動履歴や運動量な量が変化するので，牧区をローテーションする必要どを把握し，その生産性やアニマルウェルフェアながあり，広大な牧区の草量変化を網羅的に把握するどの評価も行っている．放牧地の草量の把握につい必要もある．これらのことは現在，農家が人力でて，客観的かつ時系列的に把握するために，地球観行っている．

測衛星データから放牧地のバイオマスをモニタリ

そこで，まず，放牧牛の体重把握のため，画像でングする手法を開発している．放牧地において計測体重を高度に推定するシステムを開発している．ウ

した草地のバイオマス（乾物量や，草高データ）と，シの体重測定は現場では，かなりの労力がかかるが，同期観測した衛星データから，放牧地におけるバイこれを効率化する．次に，放牧牛の測位においては，オマスを推定するモデルを構築している．測位衛星

高精度測位機能や体調モニタ機能を具備したセンと地球観測衛星のデータを統合して，放牧牛の個体サーを牛に装着し，測位衛星データを利用した放牧飼養管理に反映させる機器として AI を用いたタグ

牛の行動履歴や運動量，体調の変化の把握と評価をの画像解析で個体識別できる遠隔自動給餌機も開しており（慶應義塾大学，神武直彦教授および小高発している．これらの技術をパッケージング化する

暁特任准教授との共同研究），放牧地については，ことで，粗放的な放牧から，アニマルウェルフェア

地球観測衛星データを利用した放牧地の放牧牛採に即したウシにもヒトにもストレスのない緻密で食による草量変化，土壌微生物や土壌栄養バランス生産性の高い自動飼養を実現する．

等の動態及び放牧地と放牧牛採食の関係性評価を

図3

著者の目指す代謝プログラミング，IoT 及び宇宙技術による新しい牛肉生産のしくみ概要

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7．おわりに第1号（2024 年）度 （ SCOPE ） ， 学 術 振 興 会 頭 脳 循 環 プ ロ ジ ェ ク ト（S2305），科学研究補助金（25292162，26310312 及

わが国の未利用な植物資源，すなわち限界集落のび 19KT0013），農研機構生研支援センター「革新的山地，森林や中山間地域の耕作放棄地の草資源シー技術開発・緊急展開事業（うち人工知能未来農業創ズを放牧活用して，次世代の価値観に基づき生産性造プロジェクト）」における「AI や ICT を活用したの高い新しい牛肉生産システムを構築する必要が周年親子放牧による収益性の高い子牛生産技術のある．しかしながら，これまでウシの放牧管理は，開発」，株式会社リバネス，キヤノン財団（R15-0089），

依然，旧型でアナログ的なものであった．まず著者

日本中央競馬会，文部科学省令和 4 年度宇宙利用技

は，放牧による肥育でも牛の産肉性を飛躍的に向上

術創出プログラム「過疎地活性化のための地球観測させる代謝プログラミング技術を活用した．放牧肥と高精度測位による放牧地と放牧牛をモニタ可能

育時の精密な管理のために IoT や宇宙技術や AI をな自動飼養システムの構築」および生研支援センどのように活用できるかを模索した．放牧による牛ター「オープンイノベーション研究・実用化推進事

肉（タンパク質）生産のわが国における基盤的活性業」における「放牧基盤型飼養のための IoT と宇宙化を念頭に，国土をフルに活用した，人工衛星によ技術による戦略的スマート畜産技術の開発」によりる地球観測や高精度測位から得られたデータに実施された研究です．ここに深謝します．

よって，放牧地や放牧牛の行動履歴や運動量をモニタ可能とした自動飼養システムを，個体識別機能を有する遠隔自動給餌機で統合することで構築することが目的である．将来はスマートフォンで“牛飼い”ができる世界を想定している．これらをすべて，パッケージングすることで，よりパワーアップしたシステムとなる（図 3）．今後の日本を支えるのは，デジタル世代と言われる Z 世代である．これまでの概念を見直し，彼らが受け入れることのできる農業システム，また農家の QOL を向上させる，そしてわが国の食料を支え，国土を保全する農業技術の開発を目指す必要がある．
牛肉生産における現在のわが国のフードロス的加工型畜産システムとの隔絶は，畜産業と社会システムに著しいインパクトを与えて，畜産業のパラダイムシフトを起こすものと確信する．さらに，生産のみならず個人の特性に応じた適切な質・量の牛肉の消費システムの構築も今後行う必要があるだろう．
本稿は，富士通株式会社，NTT 西日本株式会社との共同研究，総務省戦略的情報通信研究開発推進制

引用文献
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imprinting events on comprehensive DNA methylation oflongissimus muscle in grass-fed Wagyu. 68th international
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Gluckman, P.D., Hanson M.A. 2004. Living with the past:evolution, development, and patterns of disease. Science.
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Gotoh, T. 2015. Potential of the application of epigenetics inanimal production. Animal Production Science. 55:145-158.
Khounsaknalath., S., Etoh, K., Sakuma, K., Saito, K., Saito, A.,
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2021. Effects of early high nutrition related to metabolic
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Muroya, S., & T. Gotoh et al.（他 4 名）. 2023. DNA Methylationof Genes Participating in Hepatic Metabolisms andFunction in Fetal Calf Liver Is Altered by Maternal
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