【导读】接连不断的气象灾害和世界局势的变化正威胁着粮食安全。此外，随着世界人口的增长、农业人口的老龄化和劳动力短缺以及供需的不平衡，围绕“粮食”问题存在的社会课题颇多。筑波大学筑波功能植物创新研究中心的江面浩教授领导的OPERA“食品与先进技术共创联盟”正在通过强有力的产学合作挑战以解决这些课题。从有用作物的育种开始，到栽培技术的开发再到新一代产业的开拓，OPERA“食品与先进技术共创联盟”正通过多种方式快速实现社会应用。
基因组编辑技术
让维持熟悉食物的生产成为可能
基因组编辑技术有望成为为保障粮食安全这一世界性课题做出贡献的技术之一。利用该技术培育的基因组编辑作物已经开始销售，人们在市场已经可以实际买到。例如筑波大学筑波功能植物创新研究中心江面浩教授开发的番茄新品种“Sicilian Rouge HIGH GABA”就已经于2020年12月通过了日本厚生劳动省的审批，成为了全球第一种获得国家销售许可的基因组编辑农作物。
Sicilian Rouge HIGH GABA的健康功能成分GABA含量为普通番茄的4～5倍，因其具有预防高血压和缓解压力的效果而备受关注。实现种苗开发和销售的是筑波大学的校办初创企业Sanatec Seed（总部：东京都港区）。据说在正式销售之前的免费试栽征集活动中，就获得了5000多份申请。2021年9月开始面向家庭菜园预售种苗，公司还开始销售由签约农户生产的Sicilian Rouge HIGH GABA果实及相关加工产品，商品化进程顺利。
还值得关注的意见事情是市场推广相当顺利。其秘诀是，研发人员亲自参与商品化，全程参与促进消费者了解产品的各种普及推广活动。开展这些活动的主角是OPERA“食品与先进技术共创联盟”。该联盟以创造和扩大新的食品价值观，以推进产业创新为目标，截至2022年6月，已有16所大学和16家企业加入了该联盟（图1）。另外，共创联盟不仅推进研发基因组编辑技术，还开展促进消费者理解基因组编辑食品的活动（图2）。
图1：OPERA“食品与先进技术共创联盟”概要。
联盟的宗旨包括：以确立新的农作物改良技术为首，实施作为改良基础的基因分析和建库，开发新的功能性食品，推进普及利用尖端技术培育的农作物和系统。联盟的目标是同时推进研发和出口战略的市场推广。品种开发，栽培技术，再加上如何让社会接受这些使用尖端技术创造的作物作为三要素，如何让三者相互啮合至关重要。
图2：基因组编辑技术应用食品的宣传和普及措施
OPERA “食品与先进技术共创联盟”除了利用基因组编辑技术开发作物外，还致力于促进消费者理解经过基因组编辑的食品。另外，联盟还制作了动画视频，以通俗易懂的方式为普通消费者介绍基因组编辑食品的安全性和食用方法。
OPERA “食品与先进技术共创联盟”以“食”为共同的关键字，共同推进产学研发并通过商品化将成果推向社会。该联盟的领域总括、Sanatec Seed公司董事兼首席技术官江面教授表示：“联盟将成为日本国内外的基因组编辑食品和基因组编辑作物的核心基地之一。”
江面教授开始在农作物的品种改良中采用基因组编辑技术的契机起于2012年发表的CRISPR-Cas9（图3）。与以往的基因组编辑技术相比，CRISPR-Cas9可以通过简单的操作而有效地改写目标基因，开发该技术的沙尔庞捷教授和道德纳教授因此获得了2020年的诺贝尔化学奖。江面教授利用CRISPR-Cas9技术，对已经完成基因组破译的番茄实施了激活GABA生物合成酶的基因组编辑，结果高达80％以上的番茄都实现了高GABA表达，而且该手法可以应用于其他作物品种。
图3：基于CRISPR-Cas9的基因组编辑技术概要
基因组编辑是使目标基因发生突变，以获得所需性质的技术。CRISPR-Cas9组合了与DNA的目标位置相结合的指导RNA “CRISPR”和切断该DNA的酶Cas9。（出处：Curr.IssuesMol.Biol.2022,44(6),2664-2682）
基因组编辑的优势在于，无需从外部导入其他基因就可以对基因上的某个位点进行改良。传统的品种改良要花10～20年的时间来等待作物产生人们希望得到的基因突变，而基因组编辑只需约2年的时间即可完成。江面教授说：“人类已经吃习惯了的作物，今后未必能一直吃到。因为可能会因为作物变得不抗病等而无法继续栽种。这个时候就能用基因组编辑技术来准确修正问题点，为持续生产做贡献。基因组编辑技术今后会变得更加有用。”江面教授表示目前正在大力开发耐储存的品种以及无需授粉即可结果的单性结实作物等。
通过图像分析掌握植物状态
实现机器人自动作业的温室大棚
除了作物的品种改良，OPERA “食品与先进技术共创联盟”还在进行涉及不同领域的多个研究。其中之一是研发利用温室大棚环境信息和图像分析技术的省力型生产管理方法。在今后要到来的超老龄化社会，确保参与粮食生产的劳动力将成为课题，所以必须建立融合了先进技术的新生产系统。管理农作物的生长，需要彻底了解植物当前的状态，但通过目视能够准确进行评估的只有那些经验丰富的农民。目前的课题是，要创建一个系统，能让大量的务农人员像经验丰富的农民那样进行管理，以提高农作物的品质和产量。
筑波大学筑波功能植物创新研究中心的福田直也主任表示：“我们正在研究通过数字而不是人的感觉来分析植物的生长，并以此为基础进行管理的技术。”目前正在对需要严格管理、在温室大棚中栽培的园艺作物进行验证（图4）。
图4：开发高品质和高产量的生产支援技术
基础技术正从以下三个方面推进开发：①根据叶面积指数（LAI）掌握生长能力的技术；②在识别果实和花朵位置的同时，正确掌握作物生长阶段的技术；③能够尽可能提前觉察植物出现异常的技术。目标是将这些技术与利用人造卫星信息的温室大棚环境变化预测和天气变化预测相结合，建立起一个协作系统。
福田主任介绍说：“通过将温室大棚中的条件和植物的状态数字化并纳入数学模型来预测接下来的生长情况，便于能提高生产效率和品质管理。”筑波大学筑波功能植物创新研究中心的农场里有五个再现了日本各地温度和湿度的温室大棚。在温室大棚里利用图像和传感器获取植物的生长速度和养分利用率等数据。目的是以这些数据作为基础数据，确立实现自动分析和评估的AI。
作为实现温室大棚无人化管理的基础技术之一，该研究中心在2021年开发出了根据植物的静止图像推导叶面积指数（Leaf Area Index：LAI）并将其用于生产管理的方法（图5）。LAI是植物的管理指标之一，表示植物的叶子会进行多少光合作用，生成多少淀粉等同化产物。LAI太高或者太低，生产力都不会提高。研究中心开发出了根据植物的静态图像准确掌握LAI的图像分析方法，还申请了专利。
图5：LAI预测技术的开发
拍摄栽培植物群落后，获得从前到后的梯形图像。目标是确立梯形校正技术，提高LAI图像识别精度，最大限度地减小与实测数据之间的误差。
福田主任预测：“实现完全无人化的温室大棚可能还需要10多年的时间。”OPERA “食品与先进技术共创联盟”正在开发基础技术，并依次实用化。为此，2022年4月成立了旨在推进社会应用的筑波大学校办初创企业Aicss（茨城县筑波市）。该公司负责将已经确立的基础技术投入实际应用种，把开发完成的技术依次投放到社会上。首先将开展可以使用智能手机获取有助于栽培管理信息的服务。这种服务无需投入大规模资金新建温室大棚等，有望通过减轻导入时的技术和经济负担，来促进技术的顺利普及。
福田主任自信地表示：“已经证明了在技术上可以通过人工智能和图像分析来掌握作物生长状态，而以前这是只有那些经验丰富的生产者才能凭感觉掌握的。”将来整合这些应用，与机器人联动，目标是实现由机器人自动作业，发现异常后可以自动喷药，并以类似于人手的感觉采摘果实的温室大棚。（未完待续）（TEXT：西冈真由美，PHOTO：石原秀树）
原文：JSTnews7月号
翻译编辑：JST客观日本编辑部
