聯合國世界糧食計畫署署（WFP）等2019年4月發佈的報告顯示，全球有1.1億以上的人處於飢餓狀態。除了全球人口的增長因素，地球變暖導致的全球規模的沙質沙漠化和乾旱也加劇了糧食短缺。有預測顯示，到2100年，全球乾燥地帶將佔到全球陸地總面積的56％，在此情況下，作爲因應乾燥和糧食短缺對策而備受期待的，是能有效利用水資源的「節水耐旱小麥」。本文就爲大家介紹正努力開發節水耐旱小麥的、宇都宮大學生物科學教育研究中心助教岡本昌憲先生的研究。

全球小麥消費量在不斷增加

小麥、水稻和玉米被稱爲世界三大谷物，是人類賴以生存的重要糧食。隨着農業技術的進步和作物品種改良，糧食作物的產量雖然增加了，但無法充分確保農業用水的乾燥地帶也持續擴大。隨着全球人口的增加和乾燥地帶的擴大，糧食短缺問題日益嚴重。

岡本介紹了研究節水耐旱小麥的意義，他說：「目前大約有40％的陸地屬於乾燥地區，這些地區居住着全球約35％的人口，而乾燥地帶目前仍在持續擴大之中。如果能開發出在缺水地區也可以良好成長的小麥，就能增加糧食產量」。

岡本選中小麥的理由之一是因爲小麥的需求量在不斷增加。終極因數除了地球人口的持續增長外，還包括以前不喫小麥的人也開始食用小麥。日本就是大米消費量逐漸減量，小麥消費量不斷增加的典型，岡本指出：「即使在非洲的蘇丹，主食高粱的消費量也出現減量，而小麥的進口量出現增加。小麥的消費增加已經成爲全球的趨勢」。小麥與水稻和玉米相比，雖然種植面積比較大，但產量一直較低。所以岡本就想到，要想穩定供應小麥，行之有效的方法就是實施在乾燥地帶實施小麥種植，從而增加產量。

着眼於關密封裝置封閉孔的植激素

植物怎樣改良才能耐旱呢？其關鍵在於植激素。正如性激素和生長激素在動物的成長程序中發揮着重要作用一樣，植物也依靠激素成長。陸地植物擁有相同的激素，一種激素髮揮着不同的作用。與植物的耐旱性有關的，是擁有複雜功能的植激素之一脫落酸。

植物的葉片上有進行光合作用時用來與外界交清洗體的氣孔，水分透過氣孔蒸發。雖然以前就知道脫落酸擔負着關密封裝置封閉孔的職能，但「透過詳細查明這一機制，才使得研究向前進了一大步」（岡本）。

在通常的環境下，負責傳遞關密封裝置封閉孔訊號的SnRK2酶受PP2C酶抑制，氣孔處於開啟狀態。但當遇到乾旱等環境脅迫後，植物會產生脫落酸，與脫落酸結合的接受者會抑制PP2C酶的功能（圖1），由此，SnRK2酶開始工作，氣孔關閉。

STEP1 遇到環境脅迫產生脫落酸，與接受者結合。

STEP2與脫落酸結合的接受者抑制PP2C酶的功能。之前被PP2C抑制的SnRK2則恢復工作。

STEP3 SnRK2酶被激活，靶蛋白活性化。

STEP4氣孔關閉。

■圖1：氣孔關閉的機制。脫落酸並不會直接關密封裝置封閉孔，而是形成了一套有很多分子參與的複雜機制。少量的植激素被認爲是控制整個植物的必要機制。

單純考慮的話，只要增加脫落酸似乎就能關密封裝置封閉孔，但實際上並沒有那麼簡單。由於植激素工作的路徑很複雜，需要考慮在哪部分進行加工。岡本選擇的方法是增加多種脫落酸受體中的一種。

岡本首先利用的模式植物是「擬南芥」 （阿拉伯芥，學名：Arabidopsis thaliana），這是因爲早在2000年的時候，擬南芥的基因解析就已經完成，擬南芥的植物特徵與基因的對應關係也相對地要更加了解的緣故。岡本先生把脫落酸受體基因導入到了擬南芥的基因中，製作出了具有多個脫落酸受體的植物，並透過實驗應答該植物具有較強的耐旱性。岡本先生推測，如果同樣的操作也能對小麥實施的話，就應該能培育出耐旱的品種來。然而，把在擬南芥上取得的成果應用於小麥卻並非易事。

導入基因還能提高光合作用的效率

岡本解釋了其中終極因數：「小麥的基因體數量非常大，是水稻的40倍，人類的5倍，而且是由3種植物雜交產生的，因此基因體的構成比較複雜。解讀小麥基因體花了13年時間，直到2018年才終於完成。本研究起動時只有零碎的基因體資訊，是從一點一滴探索脫落酸受體基因開始研究的」。

岡本分離了9種脫落酸受體基因，並對其特徵分別進行調查，預測了哪種接受者最有助於提高耐旱性。然後嘗試利用轉基因技術大量製作這種接受者，但衆所周知，向小麥導入基因非常困難。日本國内只有數人能完成這項高難度工作，不過，在他們的幫助下，岡本最終成功開發出了擁有大量接受者的小麥。對這種小麥進行培育發現，與擬南芥一樣，獲得了預期的耐旱性（圖2）。

■圖2 普通小麥與耐旱性小麥的比較。只澆灌少量的水，普通小麥（左）枯萎，而耐旱性小麥（右）依然茂盛成長，完全沒有枯萎。

在耐旱小麥的開發中，除提高耐旱性外還存在其他課題。在以擬南芥爲中心的很多先行研究中，提高耐旱性帶來的問題是，植物的成長發育受阻、產量降低。因爲關密封裝置封閉孔雖然能抑制水分蒸騰，但與此同時，進行光合作用所需的二氧化碳的獲取量也減量了。不過，岡本開發的耐旱小麥未出現成長發育受阻的現象，而且在乾旱條件下成長，種的大小也沒有變化（圖3）。

■圖3 收割的小麥的比較。從圖中可以看出，在水分充足的環境下成長時（上圖），普通小麥和耐旱小麥的種沒有太大區別。但在乾旱條件下，普通小麥（左下）的種萎縮，而耐旱小麥（右下）幾乎未受影響。

岡本表示：「估計是因爲有效進行了光合作用，所以即使只用很少的水和二氧化碳也能像普通小麥一樣成長並收穫種。至於爲何有效進行了光合作用是今後的研究課題」。

岡本開發的小麥使用更少的水就能獲得與普通小麥相同的產量，可以說是一種節水型耐旱小麥。種植所需的每升水的產量比普通小麥增加了35％。

能否掀起「第二次綠色革命」？

此次開發的節水耐旱小麥使用了轉基因技術，因此即使安全可能也無法被社會接受。對此，岡本正在探索不使用轉基因技術的方法。

岡本堅定地表示：「目前已經發現一種野生小麥，可能擁有能增加脫落酸受體的基因。利用這種野生品種，透過雜交等傳統的品種改良技術或許能培育出節水耐旱小麥。透過轉列基因體圖譜可以有效進行品種改良，因此有望在不久的將來實施」。爲了開發實用品種，目前在塑膠大棚内形成了類比乾燥區，正對雜交品種的成長情況等進行評估。

1960年代至70年代誕生了使糧食產量大幅提高的「綠色革命」，終極因數之一就是開發出了不容易受風的影響、即使結很多種也不容易被壓倒的低植株小麥和水稻。只用少量水就能種植的耐旱小麥的開發和普及，可能會引發將乾旱地帶變成世界糧倉的「第二次綠色革命」。今後會繼續操作關注節水耐旱小麥的研究成果。

(日文全文)

出處：JSTnews　2019年6月號
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部