カリフォルニア大学デービス校のエドゥアルド・ブルムワルド博士（右）とアキレシュ・ヤダブ博士、および彼らの研究チームは、土壌細菌が植物が利用できる窒素をより多く生成するように、イネの品種改良を行った。[トリナ・クライスト/UCデービス]
研究者たちはCRISPRを用いてイネを遺伝子操作し、土壌細菌がイネの生育に必要な窒素を固定するように促した。この研究成果は、作物の栽培に必要な窒素肥料の量を削減し、アメリカの農家にとって毎年数十億ドルの節約につながるだけでなく、窒素汚染の減少によって環境にも恩恵をもたらす可能性がある。
「植物は驚くべき化学工場です」と、この研究を主導したカリフォルニア大学デービス校の植物科学分野の著名な教授、エドゥアルド・ブルムワルド博士は述べています。彼のチームはCRISPRを用いてイネのアピゲニンの分解を促進しました。その結果、アピゲニンやその他の化合物が細菌による窒素固定を引き起こすことを発見しました。
彼らの研究成果は、学術誌「Plant Biotechnology」に掲載された（「イネのフラボノイド生合成の遺伝子改変により、土壌窒素固定細菌によるバイオフィルム形成と生物学的窒素固定が促進される」）。
窒素は植物の成長に不可欠ですが、植物は空気中の窒素を直接利用できる形に変換することはできません。そのため、植物は土壌中の細菌によって生成されるアンモニアなどの無機窒素を吸収する必要があります。農業生産は、植物の生産性を高めるために窒素を含む肥料を使用することに基づいています。
「植物が土壌細菌による大気中の窒素固定を可能にする化学物質を生成できるのであれば、遺伝子操作によってこれらの化学物質をより多く生成するように植物を改良できる」と彼は述べた。「これらの化学物質は土壌細菌による窒素固定を促進し、植物は生成されたアンモニウムを利用することで、化学肥料の必要性を減らすことができる。」
ブルームワルドの研究チームは、化学分析とゲノム解析を用いて、イネに含まれるアピゲニンやその他のフラボノイドといった化合物が、細菌の窒素固定活性を高めることを明らかにした。
研究チームは、これらの化学物質を生成する経路を特定し、CRISPR遺伝子編集技術を用いて、バイオフィルム形成を促進する化合物の生産量を増加させた。これらのバイオフィルムには、窒素変換を促進する細菌が含まれている。その結果、細菌の窒素固定活性が高まり、植物が利用できるアンモニウムの量が増加する。
「改良されたイネは、土壌中の窒素が制限された条件下で栽培すると、収量が増加することが示された」と研究者らは論文に記している。「我々の研究結果は、フラボノイド生合成経路を操作することで、穀物中の生物学的窒素固定を誘導し、無機窒素含有量を削減できることを裏付けている。肥料の使用。現実的な戦略。」
他の植物もこの経路を利用できる。カリフォルニア大学はこの技術の特許を申請しており、現在承認待ちである。この研究はウィル・W・レスター財団の資金援助を受けて行われた。さらに、バイエル・クロップサイエンス社もこのテーマに関するさらなる研究を支援している。
「窒素肥料は非常に高価です」とブルムワルド氏は述べた。「そうしたコストを削減できるものは何でも重要です。一方では金銭的な問題ですが、窒素は環境にも有害な影響を及ぼします。」
施肥された肥料のほとんどは土壌や地下水に浸透して失われてしまう。ブルムワルド氏の発見は、窒素汚染を減らすことで環境保護に役立つ可能性がある。「これは、過剰な窒素肥料の使用を減らす持続可能な代替農業手法となる可能性がある」と彼は述べた。