ミネソタ大学セントポール・キャンパスのはずれにある農地で、6人の学生と実験助手たちは、曇りゆく午後の空を見上げた。迫りくる雷雨は、気温が30℃を超える8月の暑さを和らげてくれそうだが、小麦の収穫はしにくくなる。

彼らは畝の間を歩きながら、とげとげした穂先を100ほど刈り、プラスティック容器に入れて、区画の隅に置かれた脱穀機まで持っていく。その後、穀粒を袋に詰めてラベルをつけ、トラックに積み込む。ジェームズ・アンダーソンの研究室に運んで分析するのだ。

アンダーソン研究室では以前から小麦を栽培しており、こうした収穫物のなかから赤かび病にかからない小麦を見つけ出したいと考えている。赤かび病とは、毒素を生み出すカビによる世界最悪の作物病害のひとつである。この病害に対して抵抗力をもつ小麦をつくろうとして、新たな遺伝子を探しているのだ。

米国内では品種改良プログラムがいくつも行われているが、従来型の栽培に加え、近年は遺伝子操作技術の導入がますます進んでいる。アンダーソンが統括するミネソタ大学の小麦栽培プログラムは、こうしたプログラムのひとつだ。そしてこのたび、彼らが利用できるツールが大幅に増えた。

2018年8月16日付で『Science』誌に掲載された論文で、200人以上のメンバーからなる国際研究チームが世界で初めて、パンコムギの完全かつ高精度なゲノム配列決定の結果を報告したのだ。

ヒトの5倍のDNAを含む小麦の巨大なゲノム配列すべてに、アノテーション（位置や機能に関する注釈づけ）が行われた。ちょうど物理的な地図のように、21本の染色体上に10万7,000個以上の遺伝子の位置と、400万以上の遺伝的マーカーの位置が示されたのだ。世界人口の3分の1を養う主食作物にとって、これは9,000年前の栽培化の始まりに匹敵する記念すべき出来事といえるかもしれない。

どんな小麦が「優れている」のか？

国際コムギゲノム解読コンソーシアム（IWGSC）の事務局長を務めるケリー・エヴァーソールは、「わたしたちが得た情報をもとに、小麦栽培農家が、それぞれの地域により適した品種を作出できるようになれば、それが将来世代の食糧問題の解決の基礎になると考えています」と語る。

エヴァーソールが率いるこの官民合同研究チームは、2005年の設立から10年以上にわたって、全ゲノムシークエンシングに取り組んできた。IWGSCの目標は、激変する世界に対応できるよう、新品種の形質改良を推進することだ。アンダーソンが行なっているような栽培プログラムは、深刻な経済危機や環境危機に直面する農家の需要を満たす小麦株を常に探し求めている。

11年に『Science』誌に掲載された論文で、温暖化がすでに小麦生産量の減少を引き起こしていることが明らかになった。また16年に『Nature』誌に掲載された別の研究では、この傾向は今後さらに加速し、気温1℃の上昇につき小麦生産量が5パーセント減少するという予測が示された。

では、どのような特徴をもつ小麦なら、より優れた品種といえるのだろうか。暑い気候帯で生育可能であることはプラスになる。病害耐性も望ましい。しかし、それが農家にとっての優先課題であるかは別の話だ。

「農家は品種を選択する際に、まずは収量、次いで耐倒伏性、たんぱく質含有量を見ます」とアンダーソンは言う。倒伏とは、小麦の茎が自重によって曲がったり折れたりすることだ。茎が丈夫であれば、耐倒伏性は高くなる。

栽培農家はこれらの特徴と、栄養組成などその他の特徴のバランスを見極めなくてはならない。「わたしたちは、病害耐性を形質の総合パッケージのなかに組み込んで、農家にとって魅力のある品種をつくろうとしています」とアンダーソンは言う。

そうした総合パッケージをつくるのは、依然として地道で手間のかかるプロセスだ。小麦の「小穂」ひとつひとつから、花粉をつくる部分を丹念に摘み取り、望ましい形質を備えた株の花粉を使って小麦を受粉させる。このプロセスを、年に何千回も繰り返すのだ。

それからスクリーニングを行い、目的の形質をもつものを選び出す。だがそのためには、植物個体が生育期の間にどのように育ったかを、数千株について調べあげなくてはならない。

アンダーソンの研究室は赤かび病耐性に焦点を絞っているので、調査区画全体にかびの胞子を噴霧し、死ななかった株を選び出す。遺伝子シークエンシング技術を導入し、生存株をより効率的につくれるようになったのは、つい3年前のことだ。

いかに改良するのかという課題

この日、研究室メンバーが収穫していた区画は、「トレーニング集団」と呼ばれる場所だ。ゲノム解読が行われた2,500株を代表するよう選抜された500株から構成されている。遺伝子データと農場での栽培結果を組み合わせることで、アンダーソン研究室は、どの株が最も病害に強いのか、どの遺伝的素因がその形質を授けるのかを、より正確に予測できるようになる。

アンダーソン研究室の大学院生たちは遺伝子解析の準備のため、IWGSCが以前に行なった基準ゲノム解析の予備的な結果を利用した。こちらの研究は14年に論文として発表されている。「この先行研究のおかげで、わたしたちの興味の対象である遺伝子のタグになりうるDNAマーカーを特定するのがずいぶん楽になりました」と、アンダーソンは言う。

先行研究で解読されたのは、ゲノムの61パーセントだった。今回の研究は94パーセントをカヴァーしている。形質と遺伝子をひも付けし、改良を加えるのに大いに役立つことだろう。

次なる問題は、どうやって改良するかだ。とうもろこしや大豆、菜種とは異なり、これまで遺伝子組み換え小麦が商品化されたことはない。アンダーソンは以前、モンサントと共同で除草剤ラウンドアップに耐性をもつ小麦の開発に取り組んでいた。だが同社は、04年に協力関係を解消した。

「（開発の断念は）主に文化的・商業的理由です」と、アンダーソンは言う。「当時、世界はまだ（遺伝子組み換え小麦に対して）準備ができていませんでした。それはおそらく、いまも同じです」。これまでの米国産小麦の主要な輸出先である欧州と日本は、遺伝子組み換え作物への警戒感が最も強い市場でもある。

ミネソタ大学の植物学者で、遺伝子編集農業企業Calyxtの共同創業者も務めるダン・ヴォイタスは、「パンは食事の中心です。一般大衆の認識では、ある意味で神聖なものなのです」と語る。

Calyxtは、最初の遺伝子編集製品を市場に流通させようと競い合うたくさんのスタートアップのひとつだ。アンダーソンの実験区画からほんの数マイルのところにある外界から隔離された温室で、繊維含有率の高い新品種の小麦を栽培している。

ディープラーニングで加速する解析作業

ゲノム編集技術の「CRISPR」やZFN (Zinc-Finger Nuclease)、TALENsといった最新テクノロジーは、いまのところ第1世代の遺伝子組み換え作物ほどには、文化的な抵抗や複雑な規制を受けていない。米農務省は18年3月、ゲノム編集植物について本来とかけ離れた遺伝的要素を導入していない限り、規制対象としない方針を発表した［日本語版記事］。

新たな基準ゲノム配列により、従来型の栽培プログラムから誕生する品種に加えて、遺伝子操作した新品種の開発も加速するだろう。とはいえ、ほとんどのゲノム解読研究がそうであるように、この小麦の遺伝子マップも、細部にはまだ加筆の余地がある。

現在のところ、アノテーションはほとんどが手作業で行われている。つまり、研究者たちが配列のすみずみまで目を通し、遺伝子の位置とその機能について情報を付加しているということだ。しかしこのプロセスも、テクノロジーによって迅速化できる。

IWGSCは現在、ディープラーニングを利用したアノテーションのパイロットプロジェクトへの資金提供を募っている。「時代はすっかり変わりました。いまでは情報の80～90パーセントを、リスクはありますが利点の多いこうした手法で解読してから、人の手で空白を埋めていくというアプローチをとることができます」と、IWGSCのエヴァーソールは言う。

145億塩基対にのぼる巨大な小麦ゲノムを解読し、そのポテンシャルを最大限に引き出すには、ヒト以外の知能も必要ということかもしれない。