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日本農学会シンポジウム

カーボンニュートラルの達成にむけた農学研究

ゲノム編集が引き出す植物の未知なる可能性―ゼロエミッション，マイナスエミッションに向けて―
遠藤真咲*〔キーワード〕：ゲノム編集，CRISPR/Cas9，育種，品種改良
1．はじめにつ野生種を探索し，エリート品種にかけ合わせたり，放射線照射によって突然変異を誘発するなどして（図 1B），積極的に作物を作り替えてきた．これらの方法は，遺伝子の多様性を拡大させる非常に有効

約 35 億年前，地球の大気の 96%は二酸化炭素で占な育種法であるが，掛け合わせた品種の遺伝子の混められていた．その後，植物が誕生し，光と二酸化ざり具合や，放射線照射により変異が生じる遺伝子

炭素から酸素を生み出し，徐々に大気中の酸素濃度を指定することはできないため，期待する性質をが高まることによってオゾン層が形成された結果，持った個体が確実に得られる保証はなく，多くの個動植物の陸上生活が可能になった．また，植物は酸体の中から有望な個体を選抜するには多くの時間と素の供給源であると同時に，食品や建材，紙製品，労力を必要とした．

繊維，燃料として利用され，今日の人間生活にとっ一方，ゲノム編集は，狙った遺伝子をピンポインて不可欠であることは言うまでもない．一方，豊かトで改変できる技術であり，代表的なゲノム編集技な暮らしの追求は，化石燃料の使用や森林伐採，農術 が CRISPR/Cas9 シ ス テ ム で あ る （ 図 1C ）．

耕地拡大による生態系の破壊を引き起こし，干魃やCRISPR/Cas9 システムは元々，微生物の免疫システ水害が世界的な問題となっている．

ムとして見出されたものであり（Jinek et al.，2012），植物は多様な環境に適応するために DNA を変化

Cas9 タンパク質と guide RNA という二つの物質の複させ，数十億年かけて多様な進化を遂げてきた．さ合体が外敵の DNA 配列を見つけて結合し，DNA をらに約 1 万年前，農耕の開始とともに，人類は積極切断するシステムを指す．CRISPR/Cas9 システムが的に植物を選抜，改良し，よりよい暮らしの実現を特定の DNA 配列を見つけて切断するメカニズムが目指してきた．そして今日，生物の遺伝情報を自由解明され，動物や植物の DNA 切断にも応用できるこ自在に書き換えることができる『ゲノム編集』の手とが証明されたことにより，ゲノム編集は一気に現法も手に入れた．本稿では，バイオテクノロジーの実的なものとなった．CRISPR/Cas9 システムによっビッグバンともいえる『ゲノム編集』を利用するこて動物の特定の DNA 配列を切断し，切断部位の修復とにより，植物が持つポテンシャルをどのように高エラーによって遺伝子が改変されたことを報告した

められるのか，そして，カーボンニュートラルの実論文発表（Cong et al.，2013；Jinek et al.，2013；Mali et

現にどう貢献できるのかを考えてみたい．

al.，2013）からわずか 7 年後の 2020 年，CRISPR/Cas9

2．人類による植物改良の歴史―従来育種とゲノム編集―の発見者である 2 名の研究者にノーベル化学賞が授与されたことは，この技術のインパクトの大きさを物語っている．CRISPR/Cas9 の登場をきっかけに，育種とは生物を遺伝的に改良して新しい品種を作その基本原理を応用したゲノム編集技術が次々と開成することである．育種という概念を持つ以前から，発され，塩基の挿入や欠失，入れ替えも可能になっ人類は，育てやすく，美味しい実をたくさんつけるてきた．これらの技術を使うことで，自由自在に遺個体を選んで種を増やし，その種を植えることを繰

伝子を編集できる日も近いと感じている．

り返してきた．現代農業においては，別の品種を掛け合わせたり（図 1A），耐病性など優れた性質を持*農研機構 生物機能利用研究部門（Masaki Endo）

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遠藤：ゲノム編集が引き出す植物の未知なる可能性

図1

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植物育種法の比較
A：交配育種 異なる品種を掛け合わせることで，それぞれの品種が持つ良い性質を併せ持つ個体を作出する．
B：突然変異育種 ランダムに変異を導入し，目的の性質が現れた個体を選ぶ．C：ゲノム編集 狙った遺伝子をピンポイントで改変する．

3．脱炭素につながる植物のポテンシャルとゲノム編集
ゲノム編集は育種を加速する有望な技術であるが，t もの二酸化炭素を大気中から除去しており，除去された炭素の半分は植物の根や土壌に貯留される．光合成は光エネルギーを利用して，二酸化炭素と水から有機化合物を作り出す非常に複雑な化学反応であこの技術を活かすには，“どの遺伝子をどのように変るが，長年の研究から，反応の鍵となる酵素も同定えれば，期待する性質が現れそうか”という予測をされつつある．ゲノム編集により，光合成の反応経立てる必要がある．近年，さまざまな植物の全ゲノ路を最適化することができれば，積極的な二酸化炭ム配列が解読され，ゲノム中にどんな遺伝子があり，素の吸収が可能となり，イネの場合，有益な遺伝子どんな機能を担っているか明らかになりつつある．

改変を何重にも重ねることで，植物体に取り込む炭機能が明らかになっている遺伝子の中には，ゲノム素の量を 30%以上増やせると見積もっている研究者

編集でほんの少し変えることによって，直接，あるもいる．

いは間接的に，炭素の吸収増加や排出抑制に貢献し窒素利用効率の向上 窒素はタンパク質の元となるうるものもあるので，その例を紹介したい．

アミノ酸の合成に必須であるため，作物の生育に欠前述した通り，植物は二酸化炭素を吸収し，そのかせない．窒素肥料の化学合成が可能になったこと

炭素固定産物は私たちの生活にさまざまな恩恵を与で作物の収量は飛躍的に向上したが，窒素肥料の化えてくれる．しかし，同時に植物の生産，加工，流学合成には大量のエネルギーを要するため，世界の通の過程では多くの二酸化炭素が排出されている．

二酸化炭素排出量の 1%はこの過程で生じるとも言

ゲノム編集による植物の改良は，植物が本来有するわれている．さらに，大量に投入された余剰窒素肥二酸化炭素吸収能力，貯蓄能力を最大限に活かすこ

料は農地からの窒素やメタンの排出につながり，温とはもちろんだが，植物由来製品の生産，流通，消暖化の原因となっている．そこで，低窒素施肥条件

費の過程において排出される二酸化炭素排出の削減下でも高い収量を維持できる作物の開発に向けて，にも貢献できるのではないだろうか．

根から窒素が取り込まれるメカニズムや，植物体で光合成能の向上 植物は光合成によって毎年数百億窒素がどのようにアミノ酸に変換されるのかを明ら20

農業および園芸

第 98 巻第1号（2023 年）

かにする研究が進んでいる．また，土壌中には大気中の窒素ガスをアンモニアに変換し，窒素源として植物に供給する微生物も存在するため，その微生物と植物の関係性を解明する研究も進んでいる．これ
らの知見を活かせいたゲノム編集を行い，少ない窒素肥料でも生育可能な作物ができれば，温暖化ガス排出の削減につながると考えられる．
フードロスの削減 FAO の報告書によると，フードロスにより発生する二酸化炭素の量は自動車からの排出量にも匹敵すると言われている（参考 1）．フードロスは，食品の生産，貯蔵，加工，食品製造，流通の過程で生じる廃棄全般を指すため，フードロス削減に効果的なアプローチも様々である．例えば，摩擦や切断による変色は消費者に好まれないため，加工野菜や果物の廃棄の一因となっているが，レタスやマッシュールーム等で，空気と接触した部分の

図2

ゲノム編集で作出した穂発芽耐性コムギ
左：元品種，右：ゲノム編集コムギ．
ゲノム編集コムギは，水分があっても穂についた状態では発芽しない．
写真は Abe et al.（2019）Graphical Abstract を改変．

褐変化を抑えるゲノム編集に成功している．また，ジャガイモは緑色になった皮や芽に，食中毒の原因しまう穂発芽や，受粉時に籾が開く際に，籾中にカとなる毒素が貯まるため，貯蔵中に日が当たることビが入って毒素を産生する赤カビ病が発生する．岡で芽が出たジャガイモは廃棄される．理化学研究所，山大と農研機構の共同研究によって，ゲノム編集に大阪大学，神戸大学の共同研究グループは，ゲノムよる穂発芽耐性小麦の作出に成功しており（Abe et編集によって，毒素を作らないジャガイモの作出にal.，2019，図 2），現在，圃場試験栽培が行われている．

成功しており（Yasumoto et al.，2020），農研機構にお赤カビ病耐性についても，籾の開閉に関わる遺伝子いて，野外圃場での栽培試験も行われている．さらを改変して，籾を開かなくすることでカビの侵入をに，植物や果実の老化に関わる遺伝子も明らかに防ぐ試みが行われている．

なっており（Ito et al.，2017 他），ゲノム編集によってその遺伝子を改変し，日持ちを向上させる試みも行われている．

4．ゲノム編集だからできること，その可能性を広げるために必要なこと

食料自給率の向上 食糧の多くを輸入に頼っている

ゲノム編集は，生物がもともと持っている遺伝子

我が国の食糧輸入に伴う二酸化炭素の排出量は，年を変化させる技術であるため，自然界でも同じ変化

間 1 億 6,900 万 t と世界でも群を抜いて高い（参考 2）．

は起こりうる．世界各地で野生種を収集したり，突そこで，輸入依存度の高い農作物の自給率を上げる

然変異を誘発することで，有用な個体を見つけ出すことも二酸化炭素排出の削減につながる．国内の小ことも理論上は不可能ではない．しかし，同じ遺伝

麦消費量のうち，国産小麦の占める割合は 20%を下子を 4 個ずつ持つジャガイモや，6 個ずつ持つコムギ回っており（参考 3），世界的な天候不順やウクライの場合，同一遺伝子全てに偶然変異が入る確率はかナ侵攻による国際的な価格高騰を受けて食料安全保なり低いため，全ての同一遺伝子を変えないと性質障の面からも自給率の向上が求められている．コムが変わらない場合，突然変異によって期待する植物ギの自給率を上げるためには，作付け面積を増やす体を獲得することは困難である．一方，ゲノム編集ことはもちろんだが，日本の気候に合った品種を開の場合は，複数の遺伝子を同時に改変することも可発することも重要である．コムギは西アジアの乾燥能であるため，前述した，毒を作らないジャガイモ地域が原産であるため，高温多湿の日本と相性がいや，穂発芽耐性コムギを数年のうちに作出することい作物とは言えない．特に，収穫時期となる 7-8 月ができた．イネやトマトが有する同一遺伝子は 2 個に長雨が続くと，穂についた状態の種子が発芽してであるが，ジャガイモ，コムギ以外にも，同じ遺伝21

遠藤：ゲノム編集が引き出す植物の未知なる可能性

子を多数持つ植物は多く，サツマイモは 6 個，イチことで劇的な効果を期待することは難しいが，遺伝

ゴは 8 個ずつ同じ遺伝子を持つ．同一遺伝子を多数子の書き換えを可能にする画期的な科学技術であるもつ種が多いことも，植物育種においてゲノム編集『ゲノム編集』が植物の迅速な改良を可能にし，ひへの期待が大きい理由の一つといえる．ただ，ゲノ

いては脱炭素社会の実現に活かされることに期待しム編集を行うには，そのツール（Cas9 タンパク質やたい．

guide RNA）を直接細胞に入れるか，Cas9 タンパク質と guide RNA を植物自身に作らせるために，それらのコードが書き込まれた DNA を細胞の中に入れる必要があり，物質導入の難しさは植物種によって大きく異なる．ゲノム編集を多様な植物種で実現するには，DNA や RNA，タンパク質の導入法の開発など，周辺技術の開発も重要であることを付け加えておきたい．
5．まとめ1980 年代半ばに地球温暖化の問題が大きく取り上げられるようになってから約 40 年，温暖化防止の重要性は認識しながらも，先進国に暮らす人々が危機感を持つことは少なかったと思う．しかし，ここ数

引用文献
1）Abe F. et al. (2019) Genome-edited triple-recessive mutationalters seed dormancy in wheat. Cell Reports 28, 1362-1369.
2）Cong L. et al. (2013) Multiplex genome engineering using
CRISPR/Cas9 systems. Science 339, 819-823.
3）Ito Y. et al. (2017) Re-evolution of the rin mutation and therole of RIN in the induction of tomato ripening. NaturePlants 3, 866-874.
4）Jinek M. et al. (2012) A programmable dual-RNA-guided
DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity. Science
337, 816-821.
5）Jinek M. et al. (2013) RNA-programmed genome editing inhuman cells. eLife 2, e00471.
6）Mali P. et al. (2013) RNA-guided human genome engineering
via Cas9. Science 339, 823-826.
7）Yasumoto S. et al. (2020) Targeted genome editing intetraploid potato through transient TALEN expression byAgrobacterium infection. Plant Biotechnology 37, 205-211.

年の世界各地の異常気象は，この問題が他人事ではないこと，問題の解決を先送りにする猶予は残されていないことを世界中の人々に実感させたのではな
いだろうか．本稿を執筆するにあたって，日々の生活の中で何ができるか，研究者としてこの問題解決にどう貢献できるかを考えた時，できることは後回しにしない，小さな貢献であってもそれを積み重ねていくことが重要であるとの思いに至った．工学的な手法と異なり，植物の遺伝子をほんの少し変える

参考1）World Resources Institute. https://www.wri.org/insights/champions-call-reduce-global-food-loss-and-waste?utm%20compa
ign-socialmedia&utm%20souce=pinterest.com&utm%20med
iumworldresources
2）農林水産省（2008）中田哲也 （北陸農政局 企画調整室長）「フード・マイレージについて」https://www.maff.go.
jp/j/council/seisaku/kikaku/goudou/06/pdf/data2.pdf
3）農林水産省 「知ってる？ 日本の食料事情 ～日本の食料安全保障と食料自給率・食料持久力～」https://www.
maff.go.jp/j/zyukyu/