世界の飢餓を緩和するためのコメへの「バイパス」

スペインなど一部の国では近年出生率が大幅に低下していますが、実際には世界人口は増加し続けている一方で、耕作可能な土地は減少しています。その結果、何も回避策を講じなければ、地球全体に供給するのに十分な食料を入手することが深刻な問題になる可能性があります。

今日、最も恵まれない地域の住民に食糧を提供するために最もよく使われている作物の 1 つは米です。安価で栄養価が高く、育てやすい製品であり、輸送のために特別な処理を必要としません。したがって、今後起こる飢餓の発生を軽減するために食糧生産を改善する方法を探している科学者にとって、それは完璧な候補です。

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そして、彼らはそれを非常に異なる方法で行います。たとえば、2017 年に中国の研究者グループは、塩水で栽培できるイネを開発しました。これにより生産量の増加が促進されるでしょう。淡水が不足すると、いつでも海水に頼ることができるからです。現在、同じ国の科学者、特に華南農業大学の科学者チームは研究を別の方向に進め、光合成を最適化し、目的の穀物の生産量を増やす方法を模索している。彼らは光呼吸バイパスとして知られる技術のおかげでこれを実現しました。この技術は過去に他の植物ではすでに行われていましたが、イネでは決して行われていませんでした。彼らの結果は本日、 「Molecular Plant」に掲載されました。

鍵は光合成にある

この技術を実行するには、植物代謝における 2 つの重要なプロセス、光合成と光呼吸を知る必要があります。 1 つ目は、二酸化炭素と水が、太陽光も介在する特定の経路を通じて、エネルギー豊富な酸素と糖に変換され、植物の成長を促進するメカニズムです。一方、光呼吸時には逆の効果が生じます。酸素が使用され、生成物として二酸化炭素が得られるため、この現象が発生します。この場合、エネルギーは生成されず、むしろ消費されるため、植物にとってはマイナスのプロセスとなります。実際、何らかの外部要因により光呼吸速度が光合成速度と同じかそれを超える場合、植物の成長は遅くなります。

バイパスの目的は、詰まった動脈に「新しい道」が開かれるときのように、光呼吸の経路を変更し、光合成の速度を高めることです。これは実験室モデル植物、特にシロイヌナズナ属の植物ではすでに行われているプロセスですが、イネでは行われたことはありません。

これは生物工学プロセスであり、植物が遺伝子組み換えされ、その葉緑体（光合成が起こり光呼吸が始まる細胞小器官）で、グリコール酸オキシダーゼ、シュウ酸オキシダーゼ、カタラーゼという3 つの非常に重要な酵素をコードする遺伝子が発現されるようにします。このようにして、光呼吸から光合成への迂回路が実現されますが、どのようにして行われるのでしょうか?

酵素は、特定の反応に介入して反応速度を高めるタンパク質です。これを行うために、変換された 1 つまたは複数の基質が使用され、生成物になり、その生成物が別の反応の基質となる可能性があります。この場合、最初の酵素は光呼吸で通常起こる反応経路の一部です。しかし、他のものは新しい道を切り開き、最終的に酸素につながる生成物を生成するため、光呼吸が「遮断」され、光合成速度と植物の成長が向上します。

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このプロセスが完了すると、光呼吸速度は通常に比べて18% ～ 31%抑制され、正味の光合成速度は15% ～ 22%増加しました。さらに、酵素にちなんでGOC植物と呼ばれる改変植物は、より緑色で大きく、乾燥重量が14%から35%高かった。最後に、穀物の収量にも改善が見られ、作付期には7% から 27% に改善されました。

研究者らの将来の次のステップは、これまでに行ったことを他の品種のイネ、さらにはジャガイモなど食料供給に必要な他の植物でも再現することになるだろう。