【導讀】接連不斷的氣象災害和世界局勢的變化正威脅着糧食安全。此外，隨着世界人口的增長、農業人口的老齡化和勞動力短缺以及供需的不平衡，圍繞「糧食」問題存在的社會課題頗多。築波大學築波功能植物創新研究中心的江面浩教授領導的OPERA「食品與先進技術共創聯盟」正在透過強有力的產學合作挑戰以解決這些課題。從有用作物的育種開始，到栽培技術的開發再到新一代產業的開拓，OPERA「食品與先進技術共創聯盟」正透過多種方式快速實施社會應用。
基因體編輯技術
讓維持熟悉食物的生產成爲可能
基因體編輯技術有望成爲爲保障糧食安全這一世界性課題做出貢獻的技術之一。利用該技術培育的基因體編輯作物已經開始銷售，人們在市場已經可以實際買到。例如築波大學築波功能植物創新研究中心江面浩教授開發的番茄新品種「Sicilian Rouge HIGH GABA」就已經於2020年12月透過了日本厚生勞動省的審批，成爲了全球第一種獲得國家銷售許可的基因體編輯農作物。
Sicilian Rouge HIGH GABA的健康功能成分GABA含量爲普通番茄的4～5倍，因其具有預防高血壓和緩解壓力的效果而備受關注。實施種苗開發和銷售的是築波大學的校辦初創企業Sanatec Seed（總部：東京都港區）。據說在正式銷售之前的免費試栽徵集活動中，就獲得了5000多份申請。2021年9月開始面向家庭菜園預售種苗，公司還開始銷售由簽約農戶生產的Sicilian Rouge HIGH GABA果實及相關加工產品，商品化進程順利。
還值得關注的意見事情是市場推廣相當順利。其祕訣是，研發人員親自參與商品化，全程參與促進消費者瞭解產品的各種普及推廣活動。開展這些活動的主角是OPERA「食品與先進技術共創聯盟」。該聯盟以創造和擴大新的食品價值觀，以推進產業創新爲目標，截至2022年6月，已有16所大學和16家企業加入了該聯盟（圖1）。另外，共創聯盟不僅推進研發基因體編輯技術，還開展促進消費者理解基因體編輯食品的活動（圖2）。
圖1：OPERA「食品與先進技術共創聯盟」概要。
聯盟的宗旨包括：以確立新的農作物改良技術爲首，實施作爲改良基礎的基因分析和建庫，開發新的功能性食品，推進普及利用尖端技術培育的農作物和系統。聯盟的目標是同時推進研發和出口戰略的市場推廣。品種開發，栽培技術，再加上如何讓社會接受這些使用尖端技術創造的作物作爲三要素，如何讓三者相互齧合至關重要。
圖2：基因體編輯技術應用食品的宣傳和普及措施
OPERA 「食品與先進技術共創聯盟」除了利用基因體編輯技術開發作物外，還致力於促進消費者理解經過基因體編輯的食品。另外，聯盟還製作了動畫影片，以通俗易懂的方式爲普通消費者介紹基因體編輯食品的安全和食用方法。
OPERA 「食品與先進技術共創聯盟」以「食」爲共同的關鍵字，共同推進產學研發並透過商品化將成果推向社會。該聯盟的領域總括、Sanatec Seed公司董事兼首席技術官江面教授表示：「聯盟將成爲日本國内外的基因體編輯食品和基因體編輯作物的核心基地之一。」
江面教授開始在農作物的品種改良中採用基因體編輯技術的契機起於2012年發表的CRISPR-Cas9（圖3）。與以往的基因體編輯技術相比，CRISPR-Cas9可以透過簡單的操作而有效地改寫目標基因，開發該技術的沙爾龐捷教授和道德納教授因此獲得了2020年的諾貝爾化學獎。江面教授利用CRISPR-Cas9技術，對已經完成基因體破譯的番茄實施了激活GABA生物合成酶的基因體編輯，結果高達80％以上的番茄都實施了高GABA表達，而且該手法可以應用於其他作物品種。
圖3：基於CRISPR-Cas9的基因體編輯技術概要
基因體編輯是使目標基因發生突變，以獲得所需性質的技術。CRISPR-Cas9組合了與DNA的目標位置相結合的指導RNA 「CRISPR」和切斷該DNA的酶Cas9。（出處：Curr.IssuesMol.Biol.2022,44(6),2664-2682）
基因體編輯的優勢在於，無需從外部導入其他基因就可以對基因上的某個位點進行改良。傳統的品種改良要花10～20年的時間來等候作物產生人們希望得到的基因突變，而基因體編輯只需約2年的時間即可完成。江面教授說：「人類已經喫習慣了的作物，今後未必能一直喫到。因爲可能會因爲作物變得不抗病等而無法繼續操作栽種。這個時候就能用基因體編輯技術來準確修正問題點，爲持續生產做貢獻。基因體編輯技術今後會變得更加有用。」江面教授表示目前正在大力開發耐儲存的品種以及無需授粉即可結果的單性結果作物等。
透過影像分析掌握植物狀態
實施機器人自動作業的溫室大棚
除了作物的品種改良，OPERA 「食品與先進技術共創聯盟」還在進行涉及不同領域的多個研究。其中之一是研發利用溫室大棚環境信息和影像分析技術的省力型生產管理方法。在今後要到來的超老齡化社會，確保參與糧食生產的勞動力將成爲課題，所以必須建立融合了先進技術的新生產系統。管理農作物的成長，需要徹底瞭解植物當前的狀態，但透過目視能夠準確進行評估的只有那些經驗豐富的農民。目前的課題是，要建立一個系統，能讓大量的務農人員像經驗豐富的農民那樣進行管理，以提高農作物的品質和產量。
築波大學築波功能植物創新研究中心的福田直也主任表示：「我們正在研究透過數位而不是人的感覺來分析植物的成長，並以此爲基礎進行管理的技術。」目前正在對需要嚴格管理、在溫室大棚中栽培的園藝作物進行驗證（圖4）。
圖4：開發高品質和高產量的生產支援技術
基礎技術正從以下三個方面推進開發：①根據葉面積指數（LAI）掌握成長能力的技術；②在識別果實和花朵位置的同時，正確掌握作物成長階段的技術；③能夠儘可能提前覺察植物出現異常的技術。目標是將這些技術與利用人造人造衛星資訊的溫室大棚環境變化預測和天氣變化預測相結合，建立起一個協作系統。
福田主任介紹說：「透過將溫室大棚中的條件和植物的狀態數化並納入數學模式來預測接下來的成長情況，便於能提高生產效率和品質管理。」築波大學築波功能植物創新研究中心的農場裏有五個再現了日本各地面溫度度和溼度的溫室大棚。在溫室大棚裏利用影像和感測器獲取植物的成長速度和養分利用率等資料。目的是以這些資料作爲基礎資料，確立實施自動分析和評估的AI。
作爲實施溫室大棚無人化管理的基礎技術之一，該研究中心在2021年開發出了根據植物的靜止影像推導葉面積指數（Leaf Area Index：LAI）並將其用於生產管理的方法（圖5）。LAI是植物的管理指標之一，表示植物的葉子會進行多少光合作用，生成多少澱粉等同化產物。LAI太高或者太低，生產力都不會提高。研究中心開發出了根據植物的靜態影像準確掌握LAI的影像分析方法，還申請了專利。
圖5：LAI預測技術的開發
拍攝栽培植物群落後，獲得從前到後的梯形影像。目標是確立梯形校準技術，提高LAI圖形識別精度，最大限度地減小與實測資料之間的誤差。
福田主任預測：「實施完全無人化的溫室大棚可能還需要10多年的時間。」OPERA 「食品與先進技術共創聯盟」正在開發基礎技術，並依次實用化。爲此，2022年4月成立了旨在推進社會應用的築波大學校辦初創企業Aicss（茨城縣築波市）。該公司負責將已經確立的基礎技術投入實際應用種，把開發完成的技術依次投放到社會上。首先將開展可以使用智慧型手機獲取有助於栽培管理資訊的服務。這種服務無需投入大規模資金新建溫室大棚等，有望透過減輕導入時的技術和經濟負擔，來促進技術的順利普及。
福田主任自信地表示：「已經證明了在技術上可以透過人工智慧和影像分析來掌握作物成長狀態，而以前這是隻有那些經驗豐富的生產者才能憑感覺掌握的。」將來整合這些應用，與機器人聯動，目標是實施由機器人自動作業，發現異常後可以自動噴藥，並以類似於人手的感覺採摘果實的溫室大棚。（未完待續）（TEXT：西岡真由美，PHOTO：石原秀樹）
原文：JSTnews7月號
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
