Genome-wide and haplotype mapping reveals genetic drivers of biomass productivity per unit water and nitrogen in sorghum

農業の分野において、国家を養う収穫となるか、あるいは辛うじて生存を維持する程度に留まるかの違いを決定づけるのは、水と窒素という二つの資源である。水は植物の生命線であり、多くの場合肥料として施される窒素は、成長のための燃料として機能する。何十年もの間、農家はこの不足という問題に対し、その両方をより多く添加することで解決しようとしてきたが、地球はもはやそのようなアプローチを支えることができない。淡水は希少になりつつあり、肥料による過剰な窒素は水路を汚染し、大気を温暖化させている。したがって、解決策は作物そのものから来なければならない。科学者たちは現在、より少ない貴重な投入物を用いて、より多くの食料とバイオマスを生産できる植物を育種する方法を模索している。これは単に植物を少し強くすることではなく、植物が摂取する水と食べる窒素を、収穫される茎や穀物へと変換する方法を根本的に変えることである。

アフリカやアジアの何億人もの人々によって栽培されている強靭な穀物であるソルガム（モロコシ）は、この探求における完璧な対象である。それは本質的に効率的であり、他の作物が枯れてしまうような高温乾燥の条件下でも繁茂することができる。しかし、これをさらに改良するためには、研究者たちはその効率性を制御する隠れた遺伝的指示を理解する必要があった。インド、ベルギー、および半乾燥熱帯作物研究所（ICRISAT）の科学者チームは、これらの指示をマッピングするために立ち上がった。彼らは、標準的な栽培品種と、栽培されたソルガムとその野生の多年生近縁種であるジョンソングラス（外来のイネ科植物）を交配して作られた特別な系統を含む、172の多様なソルガム系統を集めた。この野生の近縁種は、深い根と再生能力で有名であり、それらの形質が資源利用の鍵を握っている可能性がある。研究者たちは、イタリアの温帯地域とインドの二つの半乾燥地域の計三つの環境でこれらの植物を栽培し、水と窒素のレベルを変えることで、それらがどのようにパフォーマンスを発揮するかを検証した。

第一の大きな発見は、植物の成長を制御する遺伝学的な仕組みにおける明確な分離であった。チームは、乾燥バイオマス（植物の茎や葉の総重量）を生み出す能力は、植物の遺伝子によって強く制御されていることを見出した。科学的な用語で言えば、この形質は高い遺伝率を持っており、つまり親となる植物が水と窒素をバイオマスへと変えることに効率的であれば、その子孫も同様である可能性が高いということである。これはテストされたすべての環境において成立した。対照的に、単位水または単位窒素あたりの穀物収量を生み出す能力は、はるかに混沌としていた。穀物に関する遺伝的信号は弱く、その年の特定の天候や土壌条件に大きく左右されていた。このことは、育種家がより少ない資源でより多くの栄養成長（植生）を行う植物を選択することは信頼できる一方で、穀物の効率を向上させることは、単純な単一遺伝子の選択ではなく、おそらく複雑な予測を必要とする、より困難なパズルであることを示唆している。

最も効率的な植物のDNAを深く掘り下げると、研究者たちは染色体上で資源生産性のスイッチとして機能する特定の領域を特定した。彼らは、バイオマス効率に関連する22の明確なゲノム領域を見出した。第9染色体上のある位置は、異なる統計モデルや形質測定にわたって一貫して現れる、繰り返される信号として際立っていた。この地点は、植物が硝酸態窒素（窒素の一形態）に対してどのように反応するかを制御するマスターレギュレーターとして機能する遺伝子のすぐ隣に位置している。この遺伝子が活性化すると、植物の成長を利用可能な窒素量と調整するのを助ける。同じ染色体の近くでは、別の遺伝子が炭素の状態を知らせる分子を生成しており、これは本質的に、植物に対して成長にどれだけのエネルギーを費やすべきかを伝えている。これら二つの遺伝子の近接性は、植物が成長を最大化するために、窒素の摂取量とエネルギー貯蔵量を常にバランスさせているという強力なメカニズムを示唆している。

研究はまた、水と窒素がいかにして同じ分子機構によって管理され得るかについても明らかにした。研究者たちは、植物の根に位置するアクアポリンとして知られるチャネルタンパク質をコードする候補遺伝子を見出した。これらのチャネルは水を通すことで有名だが、いくつかのバージョンはアンモニアのような窒素化合物も輸送することができる。もしこの特定のソルガムのチャネルがその両方を行えるのであれば、それは直接的な生物学的ショートカットとなり、植物が同じゲートウェイを通じて水と肥料を同時に取り込むことを可能にする。さらに、チームはホルモンシグナル伝達に関与する遺伝子、具体的には、栄養の可用性に基づいて根の成長と葉の発達を調節するサイトカイニンに反応する遺伝子を特定した。これらの知見は、植物が土壌で見つけたものに基づいて、どの程度成長するかを決定するために、ホルモンやシグナル分子を使用するという洗練されたネットワークを指し示している。

この物語における驚くべき展開は、野生の近縁種に関するものであった。研究者たちは、栽培されたソルガムと野生のジョンソングラスを交配することで、何千年もにわたる農業の中で栽培植物が失ってきた、全く新しい強力な形質を導入できると期待していた。野生の系統は独自の遺伝的変異をもたらしたが、資源効率にとって最も効果的な遺伝的組み合わせは、野生導入系統の中には見られなかった。むしろ、最も好ましい遺伝的パターンは、栽培されたソルガムの集団の中に、隠された稀なものとして既に存在していたのである。野生の系統は主に、現在の研究においては有用ではないほど珍しい遺伝的組み合わせを運んでいた。これは、ソルガムの効率を向上させるための遺伝的可能性は、野生から輸入する必要があるのではなく、既存の作物品種の中に、特定され、組み合わされるのを待っている形で主に存在していることを示唆している。

研究者たちはまた、単一のDNA文字ではなく、遺伝子のグループ、すなわちハプロタイプを見ることで、より強い信号が得られるかどうかをテストした。ある特定のケースでは、遺伝子ブロックをまとめて見ることで、パフォーマンスに劇的な差があることが明らかになった。ごく少数の植物にのみ見られる稀な遺伝的組み合わせは、一般的なバージョンと比較して、単位水あたりのバイオマス生産量を2.7倍増加させた。これは、単一の遺伝子マーカーも有用ではあるが、時には特定の遺伝子の組み合わせこそが真の力となることを強調している。しかし、第9染色体における最も顕著な信号については、周囲の遺伝子ブロックよりも単一のDNAマーカーの方が優れた予測因子であった。これは、ゲノムの異なる部分に対しては、異なる遺伝的戦略が必要であることを示している。

結局のところ、この研究は、変化する気候の中で繁栄できるソルガムを育種するためのロードマップを提供するものである。この研究は、水と窒素をバイオマスに変換する植物の能力を向上させることが、育種家が焦点を当てるべき明確なターゲットを持つ、遺伝的に制御可能な目標であることを裏付けている。最も有望なターゲットは、植物が窒素を感知し反応する方法を制御する遺伝子、水と栄養の輸送を管理する遺伝子、そして植物のエネルギー予算のバランスをとる遺伝子に関連している。穀物の効率を向上させる道筋は依然として複雑で環境に敏感ではあるが、植物全体の成長効率を向上させる道は今、照らされた。これらの好ましい遺伝的形質を積み重ねることで、育種家は、より少ない水と肥料でより多くの食料と飼料を生産できるソルガムの品種を開発することができ、資源が制約された惑星において増え続ける人口を養うという課題に対する具体的な解決策を提供することができる。