耳の問題

すべての穂、すべての穀物、すべての茎が重要です。何も混同することは許されるべきではなく、何も失われてはなりません」とニーダーザクセン州アインベックにある種子育種会社KWSのアンジャ・マツク氏は言います。数多くある温室のすべての植木鉢には、同じように数字や文字が書かれたラベルが貼られています。 「コードは、小麦の植物がどこにあったか、どの穀物から育ったのか、最初の交配から何世代目だったか、その他多くのことを細心の注意を払って明らかにしています」と同僚のディートマー・スタール氏は付け加えた。研究チームは小麦植物でCRISPR-Cas9遺伝子ハサミを実験している。現代のテクノロジーは、地球上で依然として急速に増え続ける人々にどうやって食料を供給するかという問題への答えとなる可能性があります。

2022 年 11 月以降、地球上には 80 億人が住んでいますが、国連によると、2050 年までに約 100 億人になると予想されています。国連食糧農業機関（FAO）によると、現在約10億人がすでに飢えに苦しんでいるという。すべての人に十分な食料を供給するには、計算根拠とモデルによっては、世界中の農業生産面積がほぼ 2 倍になる必要があります。ウクライナにおける大規模な不作は依然として考慮されていない。これに対する反論は、無数の自然地域と広大な地域が破壊され、何百万もの生き物や種が死に、人々は数え切れないほどの避難場所を失うだろうというものです。さらに、土壌の質も低下しています。とにかく密閉しないと、土壌は痩せ、汚染され、または侵食されてしまいます。気候変動に伴い、専門家らは気温の上昇だけでなく、地域によっては極度の干ばつ、乾燥の進行、激しい雷雨、大規模な洪水も予想している。その一方で、水は不足しており、汚染はますます進んでおり、その資源の分配についてはすでに熾烈な争いが起こっている。

現在の状況下で増加する人口の栄養をどのように確保するかという問いに対しては、小さくて新しい答えがすでにたくさんある。「垂直農法」、積み重ねられた菜園、南極の寒さの中での野菜栽培、そしておそらくこれらすべてが近いうちに宇宙でも行われる可能性がある。 ?せいぜいニッチな解決策、あるいはまだあまりにも夢のような未来、それが2022年の気候変動、種の保存、自然保護に関する主要な会議で言われたことだった。「しかし中心にある」という言葉を私たちは何度も聞いた。 、「小麦です。」

小麦は世界中で 2 億 2,000 万ヘクタールの面積で栽培されており、土地利用の点で最も広く普及している作物です。収量は7億6,000万トンで、直近（2021年）では米と同程度でトウモロコシ（11億6,200万トン）に次ぐものの、次の2つの作物であるジャガイモと大豆（それぞれ3億5,000万トン）を大きく上回っています。この国では、耕地として指定されている耕地面積1,160万ヘクタールのうち穀物が半分を占め、その半分（290万ヘクタール）が小麦栽培されている。植物育種家や農家も将来的にはこれらの地域を管理する必要があります。気候や環境の変化に耐える必要があるだけでなく、ますます少ない外来肥料、そして何よりも少ない農薬にも対応できなければなりません。

これはまさに、アンジャ・マツク氏と他の地元の植物育種家が活躍する場所です。ドイツは伝統的に植物育種国家ですが、業界の関係者、つまり実際には競争相手の間でこれほど団結したことはかつてありませんでした。中小企業から世界的な種子育種会社に至るまで、ドイツに登録されている育種業者 58 社のうち 54 社が、新しい種類の小麦を一緒に育種し、生産するための最新の技術。これは、通常の高い製品品質とともに、多様な遺伝的変異体を含む可能な限り多くの真菌種に対する長期にわたる耐性を特徴とし、同時に殺虫剤をほとんどまたはまったく必要としないことを特徴とします。この特別なテーマに関する基本的な専門知識は、この国で入手可能であり、育種業者のうち 12 社、つまり 5 分の 1 が製品ポートフォリオに小麦を扱っています。

菌類の脅威

最初の子は作物の病気を対象とします。農業で栽培された小麦は、小麦にダメージを与える多数の微生物の脅威にさらされており、特に真菌性疾患が小麦に問題を引き起こします。植物に向けられた有効成分は狭い範囲にしか到達しません。変異体は危険性が減りますが、突然変異によって生み出された新種は植物の抵抗力を脅かし、破壊します。菌類は植物の防御機構を回避できることが多いため、人間のインフルエンザに対する薬と同様に、植物を保護する有効成分を何度も合成する必要があります。合成的に製造された物質も高価です。そして、それらは捕食者や寄生虫だけでなく、私たちの作物の有益な微生物や花粉媒介者も殺します。

小麦だけで、その栽培に世界中で使用されている菌類防除剤（殺菌剤）の 80 パーセントを消費しています。彼らの努力がなければ、世界の小麦収穫量の4分の1が失われ、将来のシナリオによれば、世界は食糧暴動に直面することになるでしょう。例えば、レオポルディナ国立科学アカデミーが設立した専門家フォーラムは、植物保護製品が環境に与える影響は計り知れないため、植物保護製品の使用を大幅に減らすよう近年繰り返し警告しているが、脅威的な結果を考慮して、植物保護製品が環境に与える影響は次のとおりである。代わりに、植物の病気とうまく戦うことが保証される可能性があります。

この国の農家は、支出の少なくとも4分の1を真菌性疾患と戦うための作物保護に費やしており、そのうち4分の3は黄さび病、茶さび病、セプトリア、フザリウムの4種に当てられている。小麦はうどんこ病や黒脚病などの他の真菌性疾患や、コムギアブラムシや甲虫の一種であるコムギニワトリなどの数多くの種類の細菌、ウイルス、害虫の被害を受けますが、小麦はこれらが主な攻撃者です。

真菌性疾患は、根から葉系、種子に至るまで植物に影響を与えます。菌類は通常、暖かく湿った環境とそれに応じて穏やかな冬を好むため、寒さの欠如による気候変動の恩恵を受けます。これが頻繁に発生するほど、より早く再現されます。黄色と茶色のさび病または Septoria tritici は春に優勢な種です。 4 月が特に湿気が多く暖かい場合、彼らはその機会を利用して葉を攻撃します。さび菌は、いわゆる吸器を植物細胞に打ち込み、そこから栄養素を除去します。小麦植物の葉装置は、基質を変換するために太陽光を利用することが困難になります。その結果、植物が生産する穀物の量が減り、品質が低下します。セプトリアによって引き起こされる葉の乾燥にも同様の影響があります。この菌だけで小麦の収量が 40% 減少する年もあります。感染した小麦畑の葉面積の割合が非常に高い場合、極端な場合には全損失が発生します。

初夏の暖かく湿気の多い気候は、フザリウムなどの真菌病原体に有利です。特に開花の初めに、それらは穂に定着し、フザリウムの場合はデオキシニバレノールなどの強力な毒を生成し、影響を受けた穂の粒に沈着します。このような穀物は、食品および動物飼料の目的で限られた範囲でしか使用できません。これらは、吐き気を引き起こしたり、免疫システムを障害したり、妊娠に悪影響を及ぼしたりするなど、人間の健康に重大な脅威をもたらす可能性があります。

この国で小麦を栽培する畑には平均して最大4回殺菌剤が散布されている。その結果、土壌の劣化と昆虫の死は、公の場で大声で議論されています。欧州委員会は最近、その包括的な「グリーンディール」の一環として「ファーム・トゥ・フォーク」イニシアチブを取り上げました。その目標は、2030年までにEU全体で農薬の使用量を約50パーセント削減することです。欧州委員会も、今後数年間で多くの植物保護製品の承認が失われるという事実から恩恵を受けたことは確かです。 「さらに、『より健康的な』製品を生産したいと積極的に主張する農家が増えているが、同時に主食である小麦が社会に十分に供給されることを望んでいる」とニーダーザクセン会議所のアルブレヒト・ミュッセマイヤー氏は言う。農業。

ミュッセマイヤー氏は長年農家にアドバイスをしており、ハノーファー北方にある両親のパートタイム農場に住んでおり、「小麦の敏感な性質」のために収穫を心配する農家の懸念をよく知っている。実際、小麦が病原体に対して十分に防御できないのはなぜかという疑問が生じます。穀物植物には、病原体が植物に到達したときに活性化されるタンパク質のカスケードという、身体自身の防御反応があります。しかし、重要な制御遺伝子は短時間しか起動せず、起動後すぐに再びオフになることが以前から知られていました。いわゆるリプレッサータンパク質がこれを確実にします。リプレッサータンパク質は防御を組織する調節遺伝子に結合しますが、そのタンパク質はもはや読み取れず、あまりにも早い段階で再びスイッチがオフになります。プラント自体の防御システムが長期間稼働し続ける場合は、そのシステムがオフにならないようにする必要があります。これにより、短期間の真菌耐性が突然長期にわたる真菌耐性に変わる可能性があります。植物の育種において、人々は何世紀にもわたって、手作業による選抜と交配、そして同じことを数え切れないほど繰り返すことによって、欲望の対象が望ましい方向に進化を誘導しようとしてきました。望ましいランダムな突然変異が起こるまでには非常に長い時間がかかるため、育種は数十年にわたり、特に放射性物質、電離放射線、化学物質を使用して行われてきました。次に、目的の突然変異を持つ植物を探します。そして、同時に引き起こされた他の突然変異によって根本的な変化が生じていないことを願います。これが、古典的な育種が常に長く、多くの間違った方向転換や間違った方向転換、行き止まりを伴う主な理由であり、すべての成功にはしばしば取り消し線を引いて排除するのが難しい望ましくない副作用が伴うためです。

ゲノムへの標的を絞った介入

退屈で退屈 – もうその必要はありません。植物育種家は、他の職業と同様、目的の突然変異を的を絞った方法で、より迅速にもたらすことができます。CRISPR-Cas9 は魔法の言葉であり、単に遺伝的ハサミと呼ばれることもあります (17 ページの囲み記事を参照)。ディートマー・シュタールは、研究コンソーシアムがこの一連の機器を使用して植物の世代にわたってたどってきた実験の道筋を次のように説明しています。追加するものは何でも。その後、種子が発芽し、数週間後に小麦の植物が最初の温室に移動します。それぞれが数穂の種子を付けます – 品質管理上の理由から、それらは気密性のプラスチックで覆われています。検査結果が改ざんされないように、植物は互いに受粉してはならない。」

穂は4～6週間かけて成熟し、その後、分子生物学のプロセスを利用して、ゲノム編集が成功したかどうか、またスイッチをオフにする遺伝子に望ましい変異が生じたかどうかを判定することができる。プロセスは最初から始まります。「収穫後、遺伝子編集された親植物の世代からの種子を乾燥させ、そこから新しい小麦植物を育てます。その後、葉のサンプルを使用して、遺伝子編集が行われているかどうかを確認します。次世代は成功しました。編集された植物、つまり目的の遺伝子に突然変異が生じた植物には再度この手順が適用され、最終的に第 3 世代では、目的のゲノム編集がゲノムにしっかりと固定されているかどうかが再度チェックされます」とスタール氏は言います。

次のステップでは、編集された植物が自らを証明する必要があります。実際には、その植物は祖先よりも菌類の攻撃に耐える必要があります。クヴェトリンブルクのジュリアス・キューン研究所から新たに届けられた胞子が使用されます。アインベックの研究者らは、そこにある連邦栽培植物研究所の真菌スペクトルを信頼しています。この検査には、真菌種の常に新しい変異体を引き起こす、正確に定義および分析された突然変異も含まれます。

各小麦植物の 3 枚の葉に真菌の胞子を噴霧します。これには、穂の前に形成される最後の葉 (止葉) とその後の F1 葉も含まれます。数週間後、明らかに目に見える胞子堆積物がいたるところに現れ、カウントが実行されます。研究チームは、感染した葉への寄生状況と破壊された葉の総面積の範囲を詳細に記録した。スタール氏は、「温室テストで編集した後、いくつかの植物は一度に複数の有害な菌類を撃退することさえできた。」と要約しています。

複雑なゲノム

彼らはこれほどの大成功を期待していなかった、とスタール氏は言う。おそらくあらゆる作物の中で最も広範なゲノムを持つ小麦は、常に研究者に特別な課題を突きつけてきました。小麦ゲノムはトウモロコシゲノムの 5 倍、イネゲノムより 20 倍大きく、サイズは 170 億塩基対、100,000 個のコード遺伝子が 21 の巨大染色体に分散しています。小麦には 6 本の DNA 鎖もあり、それらが集まって 3 つのサブゲノム A、B、D を形成します。その結果、小麦に関しては、従来の育種研究で成功するためのハードルは常に高いのです。

従来の方法を使用して、リプレッサー遺伝子を正確に遮断する適切な場所を見つけることは、非常に困難で時間がかかります。しかし、リプレッサー遺伝子は現在では十分に説明されており、その機能、小麦の 3 つのサブゲノムすべてでリプレッサー遺伝子が存在する位置、そして最も重要なことに遺伝子配列が詳しく説明されています。 Matzk 氏と Stahl 氏を中心とするチームが 2 年前、ゲノム内にこのような複雑な構造を持つ作物そのものに対して CRISPR-Cas9 実験を開始したとき、彼らは春小麦から始めました。冬小麦よりも生産性がはるかに低く、この国の耕作面積は約5万ヘクタールにすぎません。春小麦は家畜の飼料として使用され、3月に種をまき、9月下旬から10月下旬に収穫されます。

春小麦は世代時間が短いため、冬小麦のすべての段階をテストするためのパイロットプロジェクト作物として機能します。後者は栽培がより複雑です。冬小麦は9月末から12月初めの間に播種され、7月末から9月初めに収穫されます。それは「パン小麦」よりもはるかに経済的に関連性の高い種であり、何十億人もの人々を養っています。冬小麦は世界人口に必要なカロリーの4分の1を供給します。

春小麦についてはすでに結果が準備されています。 「疑いもなく、実験は成功でした。実験室で編集され、種子生産のために温室に移された植物の子孫は、その後継世代と同様に、望ましい突然変異を示しました。それらはすべてゲノム編集されています」とマツク氏は言う。経済的により重要な冬小麦の実験はまだそれほど進んでいないが、新しい方法でも良好な進歩が見られ、ゲノム編集は明らかに機能し、種子の繁殖段階は正常に完了した。実験的に誘発されたさまざまな真菌性疾患に対する耐性を詳細にチェックする最後のサイクルが現在、温室で進行中です。テスト段階の結果は 2023 年 4 月に発表される予定です。

政治的なハードル

関係者らは小麦をすぐに畑に届けたいと考えている。これまでのところ、これはヨーロッパの法律では許可されていません。正確に言えば、非常に困難であるため実際には不可能です。 2018年、欧州司法裁判所（ECJ）は、CRISPR-Cas9が使用されている植物は一般的に遺伝子組み換え生物（GMO）として分類されるべきであるという高く評価される判決を下した。ヨーロッパの農家は現在、この技術を使って生産された種子を使用できません。

ECJの判決は当時すでに物議を醸しており、今日でも多くの研究者からは理解不能に直面している。なぜ？ CRISPR 手法がどのように機能するかは、古典的な植物育種と比較すると簡単に説明できます。突然変異誘発、つまり特別に開始された突然変異を使用してゲノムに小さな変化が作成されると、植物に新しい特性が定着することがあります。 「古典的な育種では、このプロセスが無秩序に実行され、干し草の山の中の針のような場所にある遺伝的変化を探します。たとえそれが可能だったとしても、それらを見つけるのは非常に複雑で時間がかかります」とスタール氏は説明します。一方、CRISPR-Cas 手法を使用すると、ゲノム内の望ましい位置にこの変化を正確にもたらすことが可能になり、時間とリソースが非常に節約され、成功する可能性が高くなります。

Matzk 氏は次のように付け加えています。「すべてが順調に進めば、最初の実験から望ましい特性を持つ新しい小麦の開発までにかかる時間はわずか 5 ～ 6 年です。しかし、従来の育種では、新しい品種が農家の畑に登場するまでに通常 10 ～ 15 年かかります。」これによると、統計的に言えば、植物の新しい穀粒が自然に再生産されるたびに、ゲノム内に約 100 個の変異箇所が見つかります。古典的な育種で使用される放射線や化学物質は、種子に最大 100,000 個の、場合によっては望ましくない突然変異を引き起こします。 CRISPR-Cas9 を使用すると、1 つ追加します。古典的な育種ではショットガンが使用され、CRISPR-Cas9 ではメスが使用されます。 「CRISPR-Cas9 を使用すれば、形質の複雑さに応じて数年節約できます」と Matzk 氏は付け加えます。

さらに、CRISPR-Cas9を使用して作成された新しい小麦の特異的に不活性化されたリプレッサー遺伝子は、外部の影響なしにランダムな突然変異として自然発生的に生じた、または従来の方法で放射線照射によって変化した同様に沈黙化された遺伝子と区別できないという結果も得られた。育種 – 同じ遺伝子のまったく同じ場所に同じ変化がある場合。外来の遺伝情報が移入された（遺伝子指紋を使用して証明できる）伝統的な遺伝子工学手法を使用して生産された植物とは対照的に、分子遺伝学的証拠の場合でも、古典的に育種された植物は、CRISPR と区別できません。成長、効果、またはその他のカテゴリの用語 – 植物を区別します。つまり、変化そのものはいつでも証明できますが、変化の起源は証明できません。しかし、この技術はまだ誕生したばかりであり、批評家らは長期的な影響はまだ予測できないと懸念している。

「農業における CRISPR ツールの使用や、この『分子メス』のその他の応用には研究が必要です」と、ゲータースレーベンにあるライプニッツ植物遺伝学・作物研究所のアンドレアス・ホーベン氏は言う。また、一般にドイツが世界の農業研究の最前線にあるとしても、農業への CRISPR-Cas9 の使用に関しては、中国と米国の科学者がすでにはるかに先を行っています。 「『事実上のEU禁止』が長引けば長引くほど、この点に関して欧州の研究はますます疎遠になるだろう。世界中でニュージーランドだけがECJによる厳格な分類に従っている。」一方で、米国、カナダ、南米の大部分、および日本の法的分類では、CRISPR 技術は古典的な育種に近いものとみなされ、明らかにグリーン遺伝子工学から遠ざかっています。

「したがって、ヨーロッパにおけるCRISPR-Cas9の使用が、予防に相当するほど法律によって引き続き困難になるのかどうかという問題は、ヨーロッパの議題に加えられるべきである」とMatzk氏は言う。ブリーダー、農家、研究者は確かに遺伝子組み換え生物の厳格な規制に意味があると考えています。唯一批判されているのは、何が関係しているのかについての未分化な見方だ。「点突然変異がCRISPR-Cas9によって引き起こされた植物と、自然には生じ得ないゲノムのより広範な変化との間には明らかな違いが見られる」と彼は言う。ボン大学開発研究センター所長で農業経済学者のマティン・カイム氏はこう語る。

欧州理事会は現在、特にCRISPR-Cas9などの新しい育種法に関して、現在の遺伝子工学法がどの程度最新のものであるかを判断するようEU委員会に依頼した。 2022年秋には、欧州委員会も数カ月にわたる「公開協議」段階を開始し、これに伴う世論の形成も行った。処理結果は現在処理中です。 EU委員会は、さまざまな調査、評価、結果に基づいて、法的分類を含むこの問題の再検討を開始するかどうかを2023年4月に決定すると発表されました。法的状況を変えるには欧州議会も必要となるだろう。