研究によると、RNAを操作することで、植物はより多くの作物を生産できることが示されている。
FTOと呼ばれるタンパク質をコードする遺伝子をイネとジャガイモの両方に加えたところ、圃場試験で収量が50%増加した。
また、こうした変化によって干ばつへの耐性が高まる可能性があることも判明した、と研究者らは報告している。
RNAを操作することで、植物の作物収量を劇的に増やすとともに、干ばつへの耐性を高めることができる、と研究者らは報告している。
予備試験では、FTOと呼ばれるタンパク質をコードする遺伝子をイネとジャガイモの両方に加えたところ、圃場試験で収量が50%増加した。
植物は著しく大きく成長し、より長い根系を形成し、干ばつストレスにもより耐えられるようになった。また分析の結果、植物の光合成速度も上昇していたことがわかった。
「この変化は本当に劇的です」と、シカゴ大学で化学、生化学、分子生物学の教授を務めるチュアン・ホーは述べている。ホーは北京大学の教授であるジア・グアンフアンと共同でこの研究を主導した。「さらに、これまでに試したほぼすべての種類の植物で効果があり、しかも非常に簡単な改変で済むのです。」
研究者たちは、他の主要な専門家とともに、この画期的な成果の可能性に期待を寄せており、特に気候変動やその他の圧力に直面する世界の作物システムに対して、大きな可能性があると考えている。
「これにより、地球温暖化が進む中で、植物を設計して生態系を改善する可能性が実際に開かれます」とホーは述べる。「私たちは木材、食料、薬から花や油に至るまで、非常に多くのものを植物に頼っています。これは、ほとんどの植物から得られる原料を増やす方法になり得るのです。」
「これは非常に刺激的な技術であり、世界規模の貧困や食料不安の問題の解決に役立つ可能性があるとともに、気候変動への対応にも有用となり得ます」と、シカゴ大学ハリス公共政策大学院の経済学教授であり、世界の貧困の緩和に関する研究でノーベル賞を受賞したマイケル・クレマーは述べている。
圃場での収量の向上
数十年にわたり、科学者たちは、ますます不安定になる気候と増加する世界人口に直面しながら、作物の生産量を高めるための研究を続けてきた。しかし、こうしたプロセスは通常複雑で、多くの場合、わずかな改善にとどまっていた。
今回の発見に至った経緯は、まったく異なるものだった。
高校の生物学でRNAについて学んだことを覚えている人は多いだろう。そこでは、RNA分子がDNAを読み取り、その後タンパク質を生成して様々な役割を果たすと教えられた。しかし2011年、ホーの研究室は、哺乳類で遺伝子が発現する別の仕組みの鍵を発見し、研究分野全体を切り開いた。
RNAは単にDNAの設計図を読み取って盲目的に実行するのではなく、細胞自体が設計図のどの部分を発現させるかを制御できることがわかった。細胞は、RNAに化学的な目印を付けることで、どのタンパク質がどれだけ作られるかを調節している。
ホーと共同研究者らは、これが生物学に大きな影響を及ぼすことにすぐ気づいた。それ以来、彼のチームや世界中の他の研究者らは、この過程への理解を深め、それが動物、植物、さまざまなヒトの疾患にどのような影響を与えるかを明らかにしようとしてきた。例えば、ホーはバイオテクノロジー企業の共同創業者であり、同社はRNA修飾タンパク質を標的とした新たな抗がん剤を開発している。
より大きな植物、より多くの植物
ホーと、シカゴ大学の元ポスドク研究員で現在は北京大学准教授のジア・グアンフアンは、この仕組みが植物生物学にどのような影響を与えるのかを考え始めた。
彼らが注目したのは、FTOと呼ばれるタンパク質である。これはRNA上の化学的な目印を消去することが知られている最初のタンパク質であり、ジアがシカゴ大学でホーのグループのポスドク研究員として発見したものだ。
科学者たちは、このタンパク質がRNAに作用して、ヒトや他の動物の細胞成長に影響を与えることを知っていたため、その遺伝子をイネに導入してみた。すると植物が目覚ましく成長する様子を目の当たりにした。ホーは、「あのとき、私たち全員が特別なことをしているのだと実感した」と語る。
イネは実験室の条件下で、3倍の量の米を生産した。実際の圃場試験でも、植物は50%多くの生体量を成長させ、50%多くの米を収穫した。根は長くなり、光合成の効率も上がり、干ばつによるストレスにもより耐えられるようになった。
科学者たちは、まったく別の科に属するジャガイモ植物でも実験を繰り返した。結果は同じだった。
「これは非常に刺激的な、ある程度の普遍性を示唆している」とホーは述べる。
作物のための「まったく新しいアプローチ」
科学者たちがこの仕組みを理解するのには、さらに時間がかかった。さらなる実験により、FTOは植物の発生の初期段階から作用を始め、植物が生産する生体量の総量を増加させることが示された。
科学者たちは、FTOがm6Aと呼ばれる過程を制御していると考えている。m6AはRNAの重要な修飾である。この仮説では、FTOがm6A RNAを消去することで、植物に成長を遅らせて生育を抑制するよう指示する信号の一部を弱める、と考えられている。多くの信号機がある道路を想像してほしい。科学者が赤信号を覆い隠し、青信号だけを残せば、より多くの車が道路を進めるようになる。
全体として、改変された植物は対照植物よりも大幅に多くのRNAを生産した。
この論文で説明されている手法は、動物由来のFTO遺伝子を植物に導入するものである。しかし、科学者がこの成長の仕組みを十分に理解すれば、同じ効果を得る別の方法もあり得る、とホーは考えている。
「これは全く新しいタイプのアプローチであり、遺伝子組換え作物やCRISPRによる遺伝子編集とは異なるものになり得ます。この技術により、植物の発生の初期段階で『スイッチを入れる』ことができ、そのスイッチを取り除いた後も植物の食料生産に影響を与え続けるのです」と彼は述べている。
「植物にはすでにこうした調節の層が備わっており、私たちはそれを利用しただけのように思えます。そのため、次のステップは、植物が元々持っている遺伝的特性を利用してこれを実現する方法を見つけることです。」
ホーは、大学やポルスキー起業・イノベーションセンターと協力し、その可能性を探っている。
「初期の圃場研究により、この技術は規模を拡大できることが示されています。私たちは、学術界や産業界と協力して、この生物学をさらに理解し、この新技術を安全かつ広く応用することを望んでいます」と彼は述べている。
ホーは、今後さまざまな用途が生まれることを想定している。
「食料以外にも、気候変動による影響は他にもあります」とホーは述べる。「例えば、脅威にさらされている地域で、干ばつに耐えられる草を開発することもできるでしょう。また、中西部の木に、強い嵐の際に倒れにくいよう、より長い根を伸ばすよう教えることもできるかもしれません。応用の可能性は非常に多くあります。」
