小麥與玉米和稻穀並稱爲世界三大谷物，日本的小麥消費量僅次於大米。橫濱市立大學木原生物學研究所的客座教授清水健太郎的目標是確保小麥的穩定供應，以滿足隨着全球人口的增加而不斷增長的需求。清水教授着眼於很多作物都是融合了多個基因體DNA的「多倍體」這一現象，一直在探索耐環境脅迫的因子。
清水 健太郎
橫濱市立大學 木原生物學研究所 客座教授
蘇黎世大學 演化生物學與環境學研究所 教授
2016年成爲JST CREST研究代表
透過國際研究破譯基因體
促進小麥改良
小麥是世界上種植面積最大的穀物，年產量約爲7億噸。小麥中含有大量蛋白質，被製作成麪包和麪條等麪食來食用，約佔世界人口消耗熱量的20％，是一種重要的農作物。預計未來全球人口將達到100億，因此支撐糧食供應基礎的小麥也需要實施進一步增產和穩定供應。另一方面，近年來隨着全球暖化，有些年份的小麥產量大幅減量，因此需要開發可以穩定收穫的品種。
全球10個國家參加的國際聯合研究聯盟「國際小麥10+基因體計劃」2020年11月成功破譯了世界各地種植的15種小麥的基因體。其中負責破譯日本品種「農林61號」的，就是橫濱市立大學木原生物學研究所的清水健太郎客座教授。基因體是指從親本繼承的遺傳資訊的總和，人類的基因體是擁有兩組成對染色體的「二倍體」，而植物有很多是「多倍體」，擁有兩組以上的染色體組。小麥就是「多倍體」的典型代表，它是由三種品種交雜形成的「六倍體」（圖1）。清水教授介紹了破譯小麥基因體的難度：「小麥基因體的資訊量非常多，序列也相似，因此極難破譯。近年來憑藉電腦的處理速度和解析演算法的顯著進步，才終於成功破譯」。
圖1：普通小麥是二倍體的節節小麥與四倍體的二粒小麥（硬粒小麥等）融合形成的六倍體。二粒小麥也是兩種二倍體融合形成的。明確普通小麥祖先種的是橫濱市立大學木原生物學研究所的奠基人木原均博士。
許多有用的植物很多都是繼承了不同親本基因體的「異源多倍體」。比如阿拉伯咖啡、棉花和大豆。清水教授表示：「現在我們已經破譯了小麥祖先種的基因體資訊，因此如果能利用這些資訊明確異源多倍體是如何組合親本的環境響應特性的，這將有助於開發耐環境變化的新品種」（圖2）。
圖2：環境適應力模式圖。品種A耐多雨但不耐高溫，品種B不耐多雨但耐高溫。而像品種C那樣既耐多雨又耐高溫的品種可以在更廣闊的地區種植，環境適應力更高。研究指出，異源多倍體種有很多是環境適應力強的品種。
「邂逅」深山南芥
走上研究異源多倍體之路
清水教授與異源多倍體的相遇可以追溯到研究生時代。當時，被稱爲模式植物擬南芥的基因體破譯工作進展迅速。清水教授回憶說：「我想了解擬南芥的分子機制及其作爲植物種的多樣性的分子背景，因此探索了在分類學上接近的野生種。於是遇到了深山南芥」。清水教授解析深山南芥的序列時發現其是異源多倍體。鑑定深山南芥的親本種後發現其分佈地區在緯度和海拔兩方面都比親本種更廣（圖3）。
圖3：琴葉擬南芥成長在高原等低溫區域，葉芽南芥成長在低地等高溫區域。繼承了二者基因體的深山南芥廣泛分佈在從海拔0米的沿海地區到海拔3000米的高原，環境適應力很強。
接下來，清水教授確立了以明顯高於以往的精度解析多倍體DNA序列的方法，開始調查深山南芥的環境響應基因。由於親本中的一方高度表達響應重金屬的基因簇，對重金屬具有耐性，因此對深山南芥也實施了重金屬處理，發現其繼承了親本的表達量和耐性。另外發現，深山南芥還繼承了親本中的另一方具備的低溫耐性。清水教授表示：「相當於全部基因體1％的約200個基因繼承了親本中一方的特性，表現出不同的特點。這應該與多倍體的耐性也有關係」。清水教授在乾旱響應和水淹響應方面也獲得了同樣的結果。他認爲，透過結合相對較少的基因，異源多倍體可以因應更廣泛的環境脅迫。就這樣，清水教授用20年的時間確立了相關的知識和技術，並開始將深山南芥作爲模式多倍體使用。
收集資訊取得新發現
掀起「第二次綠色革命」
清水教授想把自己此前積累的異源多倍體研究成果用於小麥的品種改良時，被JST戰略性創造研究推進事業（CREST）納入以可適應氣候變遷的植物爲物件的研究專案。幾乎同一時間，他得知國際上正在籌劃旨在解析小麥基因體突變的「國際小麥10+基因體計劃」，但日本最初並沒有參加。好在清水教授同時還兼任瑞士蘇黎世大學的教授，而且日本品種在1970年諾貝爾和平獎「綠色革命」中爲全球普通小麥的大幅增產做出了貢獻，因此後來有很多日本研究人員參加了該計劃，並破譯了日本品種的基因體。
清水教授等人在該國際計劃中對日本的代表性品種「農林61號」的基因體進行了破譯和解析。由此發現，與參與誘導出穗的植激素開花激素有關的FT1基因數量增加。已知基因拷貝數的增加對個別差異也很重要，但如果沒有高精度的基因體資訊就很難發現。出穗時間容易受氣候變遷的影響。而且已經引起產量減量，還可能會進一步減量。小麥不耐溼，因此日本必須在疾病多發的梅雨季節到來前收割小麥，控制生長期是最重要的課題。新發現的基因體資訊有望加速培育出耐氣候變遷的品種。
透過破譯全球的小麥實用品種，還逐漸明確了抗病基因等對農業至關重要的基因。清水教授介紹了國際計劃的意義：「很多情況下，僅解析一個品種無法瞭解基因體。但如果能解析1000個品種，就可以透過分離有用的突變等促進育種。現在正是掀起‘第二次綠色革命’的時候」。
在實際環境中進行多方面的評估
希望爲健康的飲食生活提供支援
植物即使在實驗室中成長良好，在戶外也經常遭遇意想不到的變化。清水教授還預測今後會出現更嚴重的氣候變遷，爲此把在國内外的試驗場進行試驗栽培所獲得的資料用於機器學習。目前正在開發預測各品種在不同條件下如何成長的系統。
清水教授對改良小麥品種的挑戰才剛剛開始，他沒有一天忘記世界上有人正在遭受飢餓。他強調說：「人們往往認爲科學研究是爲了讓社會更加富足和便利。但是我們的研究廣受關注的時候應該是發生了糧食危機的時刻。我們的研究目標就是爲了避免那個時刻的到來，在人們無意識之處，爲創造出一個人人都可以理所當然地喫上飯的環境提供支援」。
文：JSTnews 2021年5月號
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
