もし作物が羨ましいと感じるとしたら、それはマメ科植物でしょう。マメ科植物にはスーパーパワーがあります。というか、より正確に言えば、同じスーパーパワーを共有していると言えるでしょう。マメ科植物は、大気中の窒素を植物が利用できる形に変換するバクテリアと共生関係を築いています。窒素は、植物の組織構築、光合成、そして健康維持に不可欠な要素です。これは窒素固定として知られています。マメ科植物の根を見ると、窒素固定微生物に住処と栄養を提供する根粒が見られます。
小麦、米、トウモロコシなどの穀物などの他の作物は、それほど深い共生関係を持っていないため、農家は植物に必要な窒素を供給するために大量の肥料を使わなければなりません。これは非常にコストがかかります。また、肥料の生産は環境にも優しくありません。大気中の窒素を植物が自ら吸収できる窒素に変換するのは容易ではありません。「大量のエネルギーと非常に高い圧力と高温が必要です」と、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の植物生物学者アンジェラ・ケントは言います。「バクテリアは常温常圧でこれを行います。そのため、非常に特別なのです。エネルギーが安価である間、私たちは窒素肥料を過剰に使用しがちでした。」
さらに悪いことに、肥料は畑に撒かれると亜酸化窒素を排出します。これは二酸化炭素の300倍もの強力な温室効果ガスです。畑からの流出水は水域を汚染し、有毒な藻類の大量発生を引き起こします。これは中西部で特に深刻な問題です。中西部では、肥料がミシシッピ川に流れ込み、メキシコ湾に流れ込むことで毎年夏に大規模な藻類の大量発生を引き起こします。藻類が死ぬと、水中の酸素を奪い、その地域に生息していた不運な海洋生物を死滅させ、ニュージャージー州ほどの広さにまで及ぶ悪名高い水中のデッドゾーンを作り出します。そもそも温暖化した水は酸素をあまり含まないため、気候変動はこの問題をさらに悪化させています。
こうした厄介な問題を踏まえ、科学者たちは長年、穀物に窒素固定能を持たせることで農業の肥料依存度を下げようと模索してきた。そして、ここ数十年にわたる遺伝子編集技術の発展により、その探求は進展を遂げている。先月、Plant Biotechnology Journal誌に、研究者たちはイネにおける画期的な進歩について報告した。イネはバイオフィルムの成長を促進する化合物をより多く生産するように遺伝子操作されている。バイオフィルムは、マメ科植物がパートナー微生物に根粒を提供するのと同様に、窒素固定細菌にとって快適な住処となる。
「ここ30～40年、人々は穀物をマメ科植物のような性質にしようと試みてきました」と、カリフォルニア大学デービス校の植物生物学者で、今回の論文の共著者であるエドゥアルド・ブルムワルド氏は語る。「そういう意味での進化は非常に残酷です。何百万年もかけて成し遂げたことを、実験室で実現することはできないのです。」
では、進化の残酷さとは一体何なのでしょうか？ なぜ、例えば水生シダのような一部の植物は窒素を固定できるのに、他の植物はできないのでしょうか？
他の種が窒素を全く摂取しないわけではありません。イネ科植物は土壌にすでに含まれている窒素を利用します。窒素は動物の糞尿や、土壌をかき回すあらゆる生物から供給されます。（マメ科植物の共生菌だけでなく、様々な細菌群が大気中の窒素を処理しています。）
しかし、マメ科植物のバクテリアは豊富な窒素を空気中から直接吸収します。「根粒菌と共生関係にあると、大気中の窒素を吸収するはるかに効果的な方法になります」と、フロリダ大学の生態学者ジョシュア・ドビー氏は言います。「そうでなければ、バクテリアや土壌中の他のプロセスによって窒素がアンモニウムに変換されるのを待たなければなりませんから。」
一説によると、窒素共生関係ははるか昔に細菌感染から始まり、祖先植物が得た恩恵が未来の世代にも受け継がれてきたという。今年初め、ドビー氏は米国全土の植物に関する研究を発表し、乾燥地域では窒素固定種の多様性が他の種よりも高いことを明らかにした。これは土壌が窒素に乏しくない場合でも当てはまる。ドビー氏の理論によれば、数百万年前、これらの地域がより湿潤だった時代に、植物は窒素固定能力を進化させ、それによりクチクラが厚くなった。この特性は、地域が最終的に乾燥化したときに、植物を乾燥から守った。つまり、植物はあらかじめ適応していたのだ。対照的に、非固定種は乾燥化の進行によって淘汰された。
別の説では、マメ科植物はゲノム内の何らかの要素によって根粒形成の素因があるため、優れた窒素固定植物である可能性があるとされている。
しかし、非固定植物に同情し始める前に、根粒を作り、バクテリアを宿すには大きなコストがかかることを知っておいてください。「実際にこれを行うには、非常にエネルギー的に高価であることがわかりました」と、ドビー氏と新しい論文を共著者とするミシシッピ州立大学の生物多様性科学者、ライアン・フォーク氏は述べています。まず、マメ科植物は根に根粒を作り、次にバクテリアを元気に保つために糖分を供給しなければなりません。「マメ科植物の光合成による出力の20～30％が実際にバクテリアに渡されるため、非常に大きな代償です」とフォーク氏は言います。つまり、植物にとって土壌にすでに存在するバクテリアから有機窒素を得るのは効率が悪いとはいえ、共生バクテリアは非常に栄養を必要とするため、コストも低くなります。
ブルームワルド氏と彼の同僚がイネを用いて行ったことは、マメ科植物と非固定植物の戦略の中間と言えるでしょう。彼らはイネが産生する化合物を精査し、どれがバイオフィルムの形成を誘発するかを検証しました。「バクテリアがバイオフィルムを形成すると、まるでヒッピー・コミューンのような状態になります。彼らは居心地が良く、皆で集まり、物を共有します」とブルームワルド氏は言います。バイオフィルムは多糖類、タンパク質、脂質からなる複雑な層で覆われており、酸素を透過しません。これは重要な点です。なぜなら、酸素はバクテリアが空気中の窒素を固定するのを妨げるからです。マメ科植物では、根粒が酸素を遮断します。
研究チームは、バイオフィルムを強化する化合物「アピゲニン」に着目しました。次に、Crisprによる遺伝子編集を用いて、このアピゲニンを分解する酵素の発現を抑制しました。これにより、より多くの化合物が植物体内に蓄積し、土壌に浸透してバイオフィルムを形成できるようになりました。「すると、バクテリアは空気中の窒素を固定し始め、植物が吸収できるアンモニウムを生成しました」とブルムワルド氏は言います。「根付近のバクテリアのうち、窒素固定を行うバクテリアの割合が増加しました。」つまり、イネは独自の肥料工場を持つようになり、進化によって奪われた窒素固定能力を獲得したのです。
イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の植物生物学者ケント氏は、この研究には関与していないが、これは穀物作物に窒素を固定させようとするこれまでの試みの問題点を回避するもののように思われる、と述べている。植物と微生物が協力関係を築くことを期待して、窒素固定細菌を土壌に接種する試みはこれまで行われてきた。しかし、土壌微生物叢は競合する細菌が入り組んだ非常に複雑な生態系であるため、これは困難を極めてきた。「この論文で特に気に入ったのは、植物を改変することで土壌微生物叢とのより良い協力関係を築こうとしている点です」とケント氏は言う。「これは、望ましい種類の微生物を取り込み、競争上の優位性を与えるのに役立ちます。」
興味深いことに、科学者たちは以前、メキシコで同様の方法で窒素を固定する独特なトウモロコシの品種を発見しています。このトウモロコシの管状の根は地上に伸び、奇妙な粘液（大量の液体）で覆われています。イネの根の周りのバイオフィルムと同様に、この粘液には窒素固定細菌が生息しています。このトウモロコシの研究著者たちは、この特性を商業用のトウモロコシ品種に組み込むことが可能だと考えています。
ブルームワルド氏（右）とポスドク研究員のアキレス・ヤダフ氏と、彼らが育てた新しい米。
カリフォルニア大学デービス校提供ケント氏によると、これまでの接種法のもう一つの問題は、導入したバクテリアが植物に必要な窒素を全て供給できないことだ。農家は依然として肥料を施さなければならないが、過剰な施肥は土壌中の天然窒素固定菌に過負荷をかけ、休眠状態に陥らせる可能性がある。有益な微生物叢がショートすることで、畑は実質的に麻痺状態に陥ってしまうのだ。
ピボット・バイオという企業は、窒素が添加されても活動を停止しない窒素固定細菌の遺伝子工学に取り組んでいる。「畑に肥料を与えた際に細菌が冬眠状態に陥る原因となる遺伝的フィードバックループを断ち切ります」と、同社のCEO兼共同創業者であるカーステン・テメ氏は語る。
同社は本日、これらの微生物をトウモロコシ、小麦、その他の穀物の種子に直接散布する新製品を発売する。（以前の製品では、種まきの際に液体状のバクテリアを散布していた。）現状では、これらの微生物は穀物に必要な窒素の全てを供給できないため、農家は依然として肥料を与える必要があるかもしれない。しかし、テム氏によると、同社は微生物の効率性を向上させているという。「現在、供給している窒素はごく一部ですが、時間をかけて大部分、そして最終的には作物に必要な窒素の全てを供給できるようになると見ています」と彼は語る。
インドエネルギー資源研究所で穀物の窒素固定を研究するパラヴォル・マヘスワラ・レディ氏は、イネの効果的な生物学的窒素固定システムは「世界の農業に革命をもたらす」可能性があると述べている。人口が急速に増加し、それを養うための食料と肥料の需要が高まっているからだ。「1960年代半ばの緑の革命以来、化学窒素肥料の導入により、世界人口の需要を満たすために米の収穫量は100～200%増加しました」とレディ氏は語る。「今後30年間で、増加する人口の食糧需要を満たすには、現在の生産量の約50%増の米を生産する必要があります。」
しかし、たとえ科学者が農業に必要な肥料の量を減らすことができたとしても、農業産業は肥料の製造に必要なエネルギーの一部を節約できるだけでなく、農家のコストと水路に流入する流出水の両方を削減できるでしょう。これは、気候変動によって豪雨が激化し（一般的に大気の温暖化はより多くの水を保持する）、畑からより多くの肥料が流失する地域において特に重要になります。
窒素固定植物が新たなスーパーパワーによって制御不能に増殖してしまうのではないかと心配されている方もいるかもしれませんが、ケント氏は何も恐れる必要はないと言います。「マメ科植物が世界を制覇するとは考えていません」とケント氏は言います。「窒素固定能力は、植物がスーパープラントになるために必要な特性ではないでしょう」
