小麦与玉米和稻谷并称为世界三大谷物，日本的小麦消费量仅次于大米。横滨市立大学木原生物学研究所的客座教授清水健太郎的目标是确保小麦的稳定供应，以满足随着全球人口的增加而不断增长的需求。清水教授着眼于很多作物都是融合了多个基因组DNA的“多倍体”这一现象，一直在探索耐环境胁迫的因子。
清水 健太郎
横滨市立大学 木原生物学研究所 客座教授
苏黎世大学 进化生物学与环境学研究所 教授
2016年成为JST CREST研究代表
通过国际研究破译基因组
促进小麦改良
小麦是世界上种植面积最大的谷物，年产量约为7亿吨。小麦中含有大量蛋白质，被制作成面包和面条等面食来食用，约占世界人口消耗热量的20％，是一种重要的农作物。预计未来全球人口将达到100亿，因此支撑粮食供应基础的小麦也需要实现进一步增产和稳定供应。另一方面，近年来随着全球变暖，有些年份的小麦产量大幅减少，因此需要开发可以稳定收获的品种。
全球10个国家参加的国际联合研究联盟“国际小麦10+基因组计划”2020年11月成功破译了世界各地种植的15种小麦的基因组。其中负责破译日本品种“农林61号”的，就是横滨市立大学木原生物学研究所的清水健太郎客座教授。基因组是指从亲本继承的遗传信息的总和，人类的基因组是拥有两组成对染色体的“二倍体”，而植物有很多是“多倍体”，拥有两组以上的染色体组。小麦就是“多倍体”的典型代表，它是由三种品种交杂形成的“六倍体”（图1）。清水教授介绍了破译小麦基因组的难度：“小麦基因组的信息量非常多，序列也相似，因此极难破译。近年来凭借计算机的处理速度和解析算法的显著进步，才终于成功破译”。
图1：普通小麦是二倍体的节节麦与四倍体的二粒小麦（硬粒小麦等）融合形成的六倍体。二粒小麦也是两种二倍体融合形成的。明确普通小麦祖先种的是横滨市立大学木原生物学研究所的奠基人木原均博士。
许多有用的植物很多都是继承了不同亲本基因组的“异源多倍体”。比如阿拉伯咖啡、棉花和大豆。清水教授表示：“现在我们已经破译了小麦祖先种的基因组信息，因此如果能利用这些信息明确异源多倍体是如何组合亲本的环境响应特性的，这将有助于开发耐环境变化的新品种”（图2）。
图2：环境适应性模式图。品种A耐多雨但不耐高温，品种B不耐多雨但耐高温。而像品种C那样既耐多雨又耐高温的品种可以在更广阔的地区种植，环境适应性更高。研究指出，异源多倍体种有很多是环境适应性强的品种。
“邂逅”深山南芥
走上研究异源多倍体之路
清水教授与异源多倍体的相遇可以追溯到研究生时代。当时，被称为模式植物拟南芥的基因组破译工作进展迅速。清水教授回忆说：“我想了解拟南芥的分子机制及其作为植物种的多样性的分子背景，因此探索了在分类学上接近的野生种。于是遇到了深山南芥”。清水教授解析深山南芥的序列时发现其是异源多倍体。鉴定深山南芥的亲本种后发现其分布地区在纬度和海拔两方面都比亲本种更广（图3）。
图3：琴叶拟南芥生长在高原等低温区域，叶芽南芥生长在低地等高温区域。继承了二者基因组的深山南芥广泛分布在从海拔0米的沿海地区到海拔3000米的高原，环境适应性很强。
接下来，清水教授确立了以明显高于以往的精度解析多倍体DNA序列的方法，开始调查深山南芥的环境响应基因。由于亲本中的一方高度表达响应重金属的基因簇，对重金属具有耐受性，因此对深山南芥也实施了重金属处理，发现其继承了亲本的表达量和耐受性。另外发现，深山南芥还继承了亲本中的另一方具备的低温耐受性。清水教授表示：“相当于全部基因组1％的约200个基因继承了亲本中一方的特性，表现出不同的特点。这应该与多倍体的耐受性也有关系”。清水教授在干旱响应和水淹响应方面也获得了同样的结果。他认为，通过结合相对较少的基因，异源多倍体可以应对更广泛的环境胁迫。就这样，清水教授用20年的时间确立了相关的知识和技术，并开始将深山南芥作为模式多倍体使用。
收集信息取得新发现
掀起“第二次绿色革命”
清水教授想把自己此前积累的异源多倍体研究成果用于小麦的品种改良时，被JST战略性创造研究推进事业（CREST）纳入以可适应气候变化的植物为对象的研究项目。几乎同一时间，他得知国际上正在筹划旨在解析小麦基因组突变的“国际小麦10+基因组计划”，但日本最初并没有参加。好在清水教授同时还兼任瑞士苏黎世大学的教授，而且日本品种在1970年诺贝尔和平奖“绿色革命”中为全球普通小麦的大幅增产做出了贡献，因此后来有很多日本研究人员参加了该计划，并破译了日本品种的基因组。
清水教授等人在该国际计划中对日本的代表性品种“农林61号”的基因组进行了破译和解析。由此发现，与参与诱导出穗的植物激素成花素有关的FT1基因数量增加。已知基因拷贝数的增加对个体差异也很重要，但如果没有高精度的基因组信息就很难发现。出穗时间容易受气候变化的影响。而且已经引起产量减少，还可能会进一步减少。小麦不耐湿，因此日本必须在疾病多发的梅雨季节到来前收割小麦，控制生长期是最重要的课题。新发现的基因组信息有望加速培育出耐气候变化的品种。
通过破译全球的小麦实用品种，还逐渐明确了抗病基因等对农业至关重要的基因。清水教授介绍了国际计划的意义：“很多情况下，仅解析一个品种无法了解基因组。但如果能解析1000个品种，就可以通过分离有用的突变等促进育种。现在正是掀起‘第二次绿色革命’的时候”。
在实际环境中进行多方面的评估
希望为健康的饮食生活提供支持
植物即使在实验室中生长良好，在户外也经常遭遇意想不到的变化。清水教授还预测今后会出现更严重的气候变化，为此把在国内外的试验场进行试验栽培所获得的数据用于机器学习。目前正在开发预测各品种在不同条件下如何生长的系统。
清水教授对改良小麦品种的挑战才刚刚开始，他没有一天忘记世界上有人正在遭受饥饿。他强调说：“人们往往认为科学研究是为了让社会更加富足和便利。但是我们的研究广受关注的时候应该是发生了粮食危机的时刻。我们的研究目标就是为了避免那个时刻的到来，在人们无意识之处，为创造出一个人人都可以理所当然地吃上饭的环境提供支持”。
文：JSTnews 2021年5月号
翻译编辑：JST客观日本编辑部
