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  • 客觀日本

    收集世界各地的大麥品種保持多樣性,通過數字育種實現低碳社會

    2021年06月11日 農林牧漁

    面對氣候變化和人口增加等社會問題,人們對糧食危機的擔憂與日俱增。在此情況下,大麥和小麥等主要谷物基因組信息的破譯取得了進展,基于基因組信息的育種技術,擴大了谷物生產的可能性,為緩解糧食危機提供了技術支持。

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    佐藤 和廣
    岡山大學 資源植物科學研究所 教授
    2018年起擔任未來社會創造事業研究代表

    基因序列和基因組序列等數字信息已被視為與生物本身同樣重要的資源。岡山大學資源植物科學研究所的佐藤和廣教授正在通過充分利用全球50多萬大麥品系的生物多樣性,確立“數字育種”技術,以便高效培育有用的大麥品種。佐藤教授正在對數字化信息和種子進行一體化保管,以便未來發現有用基因的那一天使用。

    國際團隊歷時10多年
    完成基因序列的“拼圖”

    1萬多年前,大麥開始在中東地區種植,現已經傳遍世界各地,并衍生出了許多不同的品種(圖1)。大麥的用途廣泛,可用于釀造啤酒和威士忌,以及人類食用和作為家畜的飼料等。利用大麥抗寒、抗旱和抗鹽等在其他作物難以生長的環境下也可生長的環境適應性強的特點,人們期待能夠在不斷沙漠化的地區種植大麥,還希望能夠作為可防止全球變暖的生物質資源加以利用,所以希望開發出能夠適合新用途的品種。

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    圖1:岡山大學保存的大麥品種。大麥在世界各地種植的過程中衍生出了很多品種,不同品種間麥穗的大小、顏色和形狀等各不相同。

    過去的育種工作主要是將味道好但不抗病與味道不好但抗病這樣的優缺點明顯的品種雜交,來培育出兼具二者優點的作物。近年來,還在不斷推進利用植物基因信息的育種。岡山大學資源植物科學研究所的佐藤和廣教授從大學時代起就開始從事大麥育種工作。佐藤教授說:“2003年雖然破譯人類基因組成了一大新聞,但大麥的基因組更長,是人類的1.7倍、水稻的13倍,所以要高精度破譯大麥的基因組并非易事”。

    佐藤教授決定參與為了對將來的育種做貢獻而開展的國際大麥基因組破譯計劃后,于2012年首先破譯了一個大麥品種的輪廓序列,之后他又對2萬多個品系的大麥基因組進行了部分破譯,并從中選出了具備多樣性的20個品種進行了基因組破譯。佐藤教授回憶當時的辛苦狀況時說道:“大麥有7對染色體,但當時只能一點一點破譯堿基序列,就像拼圖一樣反復排列不同序列,逐一重構了染色體”。后來參與項目的其他國家的成員成功地大幅增加了一次可破譯的序列數量,使得破譯速度獲得了飛躍式提高。最終花了10多年的時間,于2020年終于完成了20種大麥的全部基因組解析。

    通過解析發現,這20種大麥的基因區域只有63%為共同序列,最多有37%的基因序列是不同的。這些不同的區域包含著形成不同品種特性的遺傳信息。如果能知道哪種特性來自哪個序列,就可以成為培育新品種的重要線索。岡山大學收集了世界各地的大麥品種。佐藤教授展望說:“現在還在繼續進行基因組破譯。得益于破譯技術最近取得的重大進步,追加的2個品種已經破譯完成,還有3個品種正在破譯之中。植物的數字序列信息是一種重要的資源,希望能借此實現利用基因組信息的‘數字育種’技術”。

    生物和基因都是資源
    追蹤品種改良的過程

    大麥本身是一種天然作物,但自從中東地區開始種植后,逐漸在世界各地種植,并在種植過程中根據各地的氣候條件進行了改良,結果誕生出了各地區培育的固有品種。佐藤教授介紹現狀時說:“如果能利用從某個特定地區生長的植物中提取化合物開發藥物,也許會產生出巨大的利潤。因此,各國都將生物視為基因資源,通過《生物多樣性公約》對其進行保護。這種對基因資源的保護也擴展到了農作物領域”。

    岡山大學從1940年代開始作為推進大麥研究的一環,從世界各地收集了大量的大麥野生品種和栽培品種及品系,數量達到了2萬個(圖2)。雖然該校保存的品種大多都是在《生物多樣性公約》生效的1993年以前收集的,不過公約生效之后也一直在與各國的研究機構合作,連續不斷地收集大麥的寶貴種子。今后注冊新品種需要基因組信息的時代也許會到來。只有正確地認識到有用的基因資源的價值,才能不斷擴大數字育種的可能性。

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    圖2:岡山大學資源植物科學研究所的種子庫中保存著從世界各地收集到的約2萬個品系的大麥品種。該校不僅優化了儲存庫內的環境,還會定期種植,通過更新新種子來保持品種的發芽能力。種子庫中的主要品系是在確認過基因組部分序列之后加以保存的,品系的純度高,附加信息豐富,也深獲用戶信賴。

    世界最大的種子儲藏庫
    現代版的“諾亞方舟”

    與基因組破譯同樣重要的課題是大麥種子的保存。氣候變化讓生物物種面臨滅絕的危險,如果沒有人根據氣候和時代需求進行培育,農作物也可能不知道哪一天就消失了。以前日本曾大力種植的大麥現在只剩下約10個品種。岡山大學參加了文部科學省推進的針對生命科學研究收集、保存和提供樣品的“國家生物資源項目”,還面向國內外的大麥研究人員提供種子樣品。

    為應對災害,這些種子樣品還在農業食品產業技術綜合研究機構的長期種子儲藏設施中重復保存。此外,還在位于北極圈的全球最大種子儲藏設施“斯瓦爾巴全球種子庫”中寄存了約5000份(圖3)。佐藤教授信心十足地表示:“(斯瓦爾巴全球種子庫)共保存了來自全球各地的10萬份大麥種子,被稱為現代版‘諾亞方舟’。其中來自岡山大學的種子,由于實施了嚴格的品系管理,產地也非常準確,得到了全球的高度評價”。

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    圖3:建在北緯78度的斯匹次卑爾根島上的 “斯瓦爾巴全球種子庫”,是為了防止農作物種子因各種危機喪失而建立的。2014年到訪該種子庫的佐藤教授在這里寄存了岡山大學資源植物科學研究所的575個品系大麥種子(各300粒),之后合計共寄存了5000多個品系。目前該種子庫儲存了100多萬個品系的農作物種子,萬一世界各地的種子因事故或戰爭等而丟失,該種子庫將支援恢復種植。

    事實上,岡山大學保存的種子已經派上過用場。非洲的埃塞俄比亞曾因過度使用化肥導致土壤酸化,造成主食大麥的產量大幅減少。為此,佐藤教授與埃塞俄比亞阿瓦薩大學開展聯合研究發現,日本自古以來就有的大麥品種“紫糯麥”耐酸性土壤,目前正與當地大麥品種進行雜交培育新品種?!白吓贷湣北徽J為在日本富含火山灰的土壤里生長時獲得了耐酸性,不過日本現在已經很少種植了。佐藤教授強調說:“這是長期保存種子才獲得的成果。今后也會繼續提供種子及篩選耐性基因的技術,為世界做貢獻”。

    培育用于釀造啤酒的新品種
    還考慮取代塑料

    岡山大學收藏的大麥在產業用途的研發中也發揮了作用。與札幌啤酒公司(東京都澀谷區)聯合研究誕生的大麥新品種“北方之星”就是其中之一。人們常說啤酒越新鮮越好喝,這是因為時間一長,大麥中的酶會氧化啤酒中的脂質,破壞啤酒的口味。佐藤教授等人從收藏的種子中發現了不含這種酶的品種,由此開發出了適合釀造啤酒的“北方之星”新品種。

    此外,新品種大麥還有望成為各種工業資源的高生物質資源。雖然大麥也可以用自身的花粉進行“自花授粉”,但與其他品系雜交而產生的雜交種其生物質更高,因此岡山大學還特意培育了雜交種。不過,大麥開花很小,能獲得其他品系雄蕊授粉的大麥花朵數量較少,因此種子的價格比較高。

    為解決這些問題,佐藤教授還在研究與大麥開花相關的基因。如果能培育出容易開花的超開花性大麥,就可以提供便宜的種子。價格下降的話,大麥種植也會變得繁盛,有望取代源自石油的塑料。另外,不僅是種子,還有望以大麥莖稈為原料制造紙張和建筑材料(圖4)。佐藤教授充滿期待地表示:“岡山大學已經在此前的研究中發現麥穗和莖稈等生物質產量較高的雜交種大麥。如果還能培育出具備超開花性的高生物質品種,就可以為實現低碳社會做出大貢獻”。為了給未來留下更多的資源和信息,佐藤教授將繼續探索包括大麥在內的新農業形態。

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    圖4:除食用和飼料外,大麥還有許多其他用途。

    日語原文

    日文:JSTnews 2021年5月號
    翻譯編輯:JST客觀日本編輯部