科学研究 - 收集世界各地的大麦品种保持多样性，通过数字育种实现低碳社会

面对气候变化和人口增加等社会问题，人们对粮食危机的担忧与日俱增。在此情况下，大麦和小麦等主要谷物基因组信息的破译取得了进展，基于基因组信息的育种技术，扩大了谷物生产的可能性，为缓解粮食危机提供了技术支持。

佐藤和广
冈山大学资源植物科学研究所教授
2018年起担任未来社会创造事业研究代表

基因序列和基因组序列等数字信息已被视为与生物本身同样重要的资源。冈山大学资源植物科学研究所的佐藤和广教授正在通过充分利用全球50多万大麦品系的生物多样性，确立“数字育种”技术，以便高效培育有用的大麦品种。佐藤教授正在对数字化信息和种子进行一体化保管，以便未来发现有用基因的那一天使用。

国际团队历时10多年
完成基因序列的“拼图”

1万多年前，大麦开始在中东地区种植，现已经传遍世界各地，并衍生出了许多不同的品种（图1）。大麦的用途广泛，可用于酿造啤酒和威士忌，以及人类食用和作为家畜的饲料等。利用大麦抗寒、抗旱和抗盐等在其他作物难以生长的环境下也可生长的环境适应性强的特点，人们期待能够在不断沙漠化的地区种植大麦，还希望能够作为可防止全球变暖的生物质资源加以利用，所以希望开发出能够适合新用途的品种。

图1：冈山大学保存的大麦品种。大麦在世界各地种植的过程中衍生出了很多品种，不同品种间麦穗的大小、颜色和形状等各不相同。

过去的育种工作主要是将味道好但不抗病与味道不好但抗病这样的优缺点明显的品种杂交，来培育出兼具二者优点的作物。近年来，还在不断推进利用植物基因信息的育种。冈山大学资源植物科学研究所的佐藤和广教授从大学时代起就开始从事大麦育种工作。佐藤教授说：“2003年虽然破译人类基因组成了一大新闻，但大麦的基因组更长，是人类的1.7倍、水稻的13倍，所以要高精度破译大麦的基因组并非易事”。

佐藤教授决定参与为了对将来的育种做贡献而开展的国际大麦基因组破译计划后，于2012年首先破译了一个大麦品种的轮廓序列，之后他又对2万多个品系的大麦基因组进行了部分破译，并从中选出了具备多样性的20个品种进行了基因组破译。佐藤教授回忆当时的辛苦状况时说道：“大麦有7对染色体，但当时只能一点一点破译碱基序列，就像拼图一样反复排列不同序列，逐一重构了染色体”。后来参与项目的其他国家的成员成功地大幅增加了一次可破译的序列数量，使得破译速度获得了飞跃式提高。最终花了10多年的时间，于2020年终于完成了20种大麦的全部基因组解析。

通过解析发现，这20种大麦的基因区域只有63％为共同序列，最多有37％的基因序列是不同的。这些不同的区域包含着形成不同品种特性的遗传信息。如果能知道哪种特性来自哪个序列，就可以成为培育新品种的重要线索。冈山大学收集了世界各地的大麦品种。佐藤教授展望说：“现在还在继续进行基因组破译。得益于破译技术最近取得的重大进步，追加的2个品种已经破译完成，还有3个品种正在破译之中。植物的数字序列信息是一种重要的资源，希望能借此实现利用基因组信息的‘数字育种’技术”。

生物和基因都是资源
追踪品种改良的过程

大麦本身是一种天然作物，但自从中东地区开始种植后，逐渐在世界各地种植，并在种植过程中根据各地的气候条件进行了改良，结果诞生出了各地区培育的固有品种。佐藤教授介绍现状时说：“如果能利用从某个特定地区生长的植物中提取化合物开发药物，也许会产生出巨大的利润。因此，各国都将生物视为基因资源，通过《生物多样性公约》对其进行保护。这种对基因资源的保护也扩展到了农作物领域”。

冈山大学从1940年代开始作为推进大麦研究的一环，从世界各地收集了大量的大麦野生品种和栽培品种及品系，数量达到了2万个（图2）。虽然该校保存的品种大多都是在《生物多样性公约》生效的1993年以前收集的，不过公约生效之后也一直在与各国的研究机构合作，连续不断地收集大麦的宝贵种子。今后注册新品种需要基因组信息的时代也许会到来。只有正确地认识到有用的基因资源的价值，才能不断扩大数字育种的可能性。

图2：冈山大学资源植物科学研究所的种子库中保存着从世界各地收集到的约2万个品系的大麦品种。该校不仅优化了储存库内的环境，还会定期种植，通过更新新种子来保持品种的发芽能力。种子库中的主要品系是在确认过基因组部分序列之后加以保存的，品系的纯度高，附加信息丰富，也深获用户信赖。

世界最大的种子储藏库
现代版的“诺亚方舟”

与基因组破译同样重要的课题是大麦种子的保存。气候变化让生物物种面临灭绝的危险，如果没有人根据气候和时代需求进行培育，农作物也可能不知道哪一天就消失了。以前日本曾大力种植的大麦现在只剩下约10个品种。冈山大学参加了文部科学省推进的针对生命科学研究收集、保存和提供样品的“国家生物资源项目”，还面向国内外的大麦研究人员提供种子样品。

为应对灾害，这些种子样品还在农业食品产业技术综合研究机构的长期种子储藏设施中重复保存。此外，还在位于北极圈的全球最大种子储藏设施“斯瓦尔巴全球种子库”中寄存了约5000份（图3）。佐藤教授信心十足地表示：“（斯瓦尔巴全球种子库）共保存了来自全球各地的10万份大麦种子，被称为现代版‘诺亚方舟’。其中来自冈山大学的种子，由于实施了严格的品系管理，产地也非常准确，得到了全球的高度评价”。

图3：建在北纬78度的斯匹次卑尔根岛上的 “斯瓦尔巴全球种子库”，是为了防止农作物种子因各种危机丧失而建立的。2014年到访该种子库的佐藤教授在这里寄存了冈山大学资源植物科学研究所的575个品系大麦种子（各300粒），之后合计共寄存了5000多个品系。目前该种子库储存了100多万个品系的农作物种子，万一世界各地的种子因事故或战争等而丢失，该种子库将支援恢复种植。

事实上，冈山大学保存的种子已经派上过用场。非洲的埃塞俄比亚曾因过度使用化肥导致土壤酸化，造成主食大麦的产量大幅减少。为此，佐藤教授与埃塞俄比亚阿瓦萨大学开展联合研究发现，日本自古以来就有的大麦品种“紫糯麦”耐酸性土壤，目前正与当地大麦品种进行杂交培育新品种。“紫糯麦”被认为在日本富含火山灰的土壤里生长时获得了耐酸性，不过日本现在已经很少种植了。佐藤教授强调说：“这是长期保存种子才获得的成果。今后也会继续提供种子及筛选耐性基因的技术，为世界做贡献”。

培育用于酿造啤酒的新品种
还考虑取代塑料

冈山大学收藏的大麦在产业用途的研发中也发挥了作用。与札幌啤酒公司（东京都涩谷区）联合研究诞生的大麦新品种“北方之星”就是其中之一。人们常说啤酒越新鲜越好喝，这是因为时间一长，大麦中的酶会氧化啤酒中的脂质，破坏啤酒的口味。佐藤教授等人从收藏的种子中发现了不含这种酶的品种，由此开发出了适合酿造啤酒的“北方之星”新品种。

此外，新品种大麦还有望成为各种工业资源的高生物质资源。虽然大麦也可以用自身的花粉进行“自花授粉”，但与其他品系杂交而产生的杂交种其生物质更高，因此冈山大学还特意培育了杂交种。不过，大麦开花很小，能获得其他品系雄蕊授粉的大麦花朵数量较少，因此种子的价格比较高。

为解决这些问题，佐藤教授还在研究与大麦开花相关的基因。如果能培育出容易开花的超开花性大麦，就可以提供便宜的种子。价格下降的话，大麦种植也会变得繁盛，有望取代源自石油的塑料。另外，不仅是种子，还有望以大麦茎秆为原料制造纸张和建筑材料（图4）。佐藤教授充满期待地表示：“冈山大学已经在此前的研究中发现麦穗和茎秆等生物质产量较高的杂交种大麦。如果还能培育出具备超开花性的高生物质品种，就可以为实现低碳社会做出大贡献”。为了给未来留下更多的资源和信息，佐藤教授将继续探索包括大麦在内的新农业形态。