のトウモロコシは数百年前のものであり、独自の粘液を作ります| 科学| スミソニアン - 記事、科学

1980年代に、現在Mars、Incorporatedの最高農業責任者であるHoward-Yana Shapiroは、新しい種類のトウモロコシを探していました。彼はメキシコ南部のオアハカのミックス地区にいた。トウモロコシの前駆体（別名トウモロコシ）が最初に進化した地域で、彼が見た中で最も奇妙なトウモロコシを見つけた。身長が16〜20フィートで、アメリカの畑で12フィートのものをd化させただけでなく、通常のトウモロコシに必要な3か月よりもはるかに長い6〜8か月かかった。しかし、肥料を使わずに慈善的に貧しい土壌と呼ぶことができるもので、それらの印象的な高さまで成長しました。しかし、トウモロコシの最も奇妙な部分は、気根です。とうもろこしの茎、透明でシロップ状のゲルで滴り落ちる。

シャピロは、これらの粘液質の指が農業の聖杯かもしれないと疑った。彼は、根がシエラミックスと呼ばれるこのユニークな種類のトウモロコシを許可し、数百年から数千年にわたって地元で育てられ、独自の窒素を生産すると信じていました。窒素は通常、壮大な量の肥料として適用される作物に不可欠な栄養素です。

アイデアは有望であるように見えたが、トウモロコシがどのように窒素を生成しているかの詳細を調べるためのDNAツールがなかったため、発見は棚上げされた。ほぼ20年後の2005年、カリフォルニア大学デービス校のアランB.ベネットは、シャピロや他の研究者とともに、最先端技術を使用してトウモロコシの窒素固定特性を調べ始めました。粘液に生息する細菌は空気から窒素を引き抜き、トウモロコシが吸収できる形に窒素を変換していました。

現在、10年以上にわたる野外調査と遺伝分析の後、チームはジャーナルPLOS Biologyに研究成果を発表しています。窒素固定特性を従来のトウモロコシに育てて、それ自身の窒素の一部さえ生産できるようにすれば、農業のコストを削減し、温室効果ガスの排出を削減し、湖、川、海洋。言い換えれば、それは第二の窒素革命につながる可能性があります。

窒素の合成生産は、20世紀の最大の成果かもしれません。触媒の存在下で高熱と圧力の下で窒素が空気から除去されるハーバーボッシュプロセスとその改良の発見は、3つの別々のノーベル賞につながりました。そして、彼らは当然です。 1908年から2008年の間に作物の収穫量は2倍以上になり、合成窒素肥料がその成長の最大半分を担っていると推定されています。一部の研究者は、過去70年間の人口の大幅な増加を窒素肥料の使用増加に結び付けました。それがなければ、世界のほぼ4倍の土地を耕作するか、何十億人もの人々を減らす必要がありました。

しかし、すべての窒素を生産すると、結果が生じます。ハーバーボッシュプロセスで肥料を製造するには、世界のエネルギーの1〜2％を消費し、温室効果ガスを大量に排出すると推定されています。また、合成窒素は定期的に畑を水路に洗い流し、藻を大量に咲かせて酸素をすべて吸い上げ、魚や他の生物を殺します。大量の窒素が河川や河川に流れ込み、昨年のニュージャージー州の大きさであったメキシコ湾の河川を含む世界の河川の河口に大きな死角地帯が発達しました。英国エコロジー・水文学センターのマーク・サットンは、窒素を「汚染のゴッドファーザー」と呼んでいます。その影響はどこにでもありますが、犯人は実際にはわかりません。

研究者たちはトウモロコシをウィスコンシン州マディソンに移植することさえし、その自然環境から独自の窒素を作ることができることを発見しました。（写真：Jean-MichelAné）

しかし、農業の大幅な削減を見ることなく、窒素をやめることはできません。より良い管理と農業慣行は水路からそれを守るのを助けることができますが、それらの戦略は窒素の生態学的問題を解決するのに十分ではありません。だから、研究者たちは、トウモロコシや小麦などの穀物が独自の窒素を生産するのを助ける方法があるかどうか、何十年も疑問に思ってきました。

このアイデアは、思ったほど大げさではありません。多くの植物、特に大豆、落花生、クローバーなどのマメ科植物は、窒素を生産するリゾビウム菌と共生関係にあります。植物は根粒を成長させ、そこで細菌が居住し、植物の糖をすすりながら、空気中の窒素を植物が使用できる形に変換します。トウモロコシや小麦などの穀物で機能する同様の共生関係が見つかれば、研究者は汚染物質の使用を減らすことができると考えています。

それが粘液トウモロコシが非常に重要である理由であり、ベネットと彼のチームは、トウモロコシが実際に窒素を生成できることを確信させるために細菌とゲルの研究と再研究に8年間を費やした理由です。 DNAシーケンシングを使用して、彼らは窒素を固定するためにスライムに運ばれた遺伝子の微生物を示すことができ、高糖と低酸素であるトウモロコシ排泄物のゲルが窒素固定を促進するように完全に設計されていることを示しました。 5つの異なるテストを使用して、微生物によって生成された窒素がトウモロコシに侵入し、植物のニーズの30〜80％を提供することを示しました。その後、合成バージョンのスライムを生成し、微生物を播種し、その環境でも窒素を生成したことを発見しました。彼らはカリフォルニア州デイビスとウィスコンシン州マディソンでシエラミックスを育て、メキシコの本拠地の外でその特別なトリックを実行できることを示しました。

「このメカニズムはマメ科植物が使用するものとはまったく異なります」とベネットは言い、他の作物にも同様に存在する可能性があると付け加えました。「同様のタイプのシステムが多くの穀物に存在することは確かに考えられます。たとえば、ソルガムには気根と粘液があります。たぶん他の人は、より広く存在する可能性がある地下で発生するより微妙なメカニズムを持っています。わかったので、それらを探すことができます。」

マディソンのウィスコンシン大学の共著者であるジャン・ミシェル・アネは、この発見があらゆる種類の新しい可能性を開くことに同意します。「窒素を固定し、マメ科植物のような根粒を形成するためにトウモロコシを設計することは、何十年もの間科学者の夢と闘争でした。この窒素固定の問題を解決するために、このトウモロコシがまったく異なる方法を開発したことがわかりました。科学界はおそらく根粒への執着のために他の作物の窒素固定を過小評価していただろう」と彼は声明で述べている。「このとうもろこしは、自然が科学者の想像をはるかに超える問題を解決できることを示しました。」

自然界にはさらに多くの窒素を生成するトリックがあり、研究者たちはそれを手に入れようとしているだけです。穀物や野菜を収穫して、私たちのためにハーバーボッシングを行うことを目的とした、進行中のプロジェクトがいくつかあります。最も有望なものの1つは、植物の細胞間空間に生息する内生菌、または細菌や真菌などの微生物の使用です。ワシントン大学の研究者シャロン・ドーティは、数十年前に生物に興味を持ちました。彼女は、火山の噴火、洪水、落石などの出来事の後、乱れた土地で成長する最初の木である柳とポプラの木を研究していました。これらの木は川の砂利から成長しており、土壌中の窒素にはほとんどアクセスできませんでした。しかし、Dotyは茎の内部で、樹木の窒素を固定する内生菌を見つけました。根粒は必要ありません。それ以来、彼女は数十種類の内生菌をいじめ、その多くが植物を驚くほど助けています。別の重要な栄養素である窒素またはリンを生成するものもあれば、根の成長を改善するものや、干ばつまたは高塩分条件で植物が生き残ることを可能にするものもあります。

「窒素を固定することができる多種多様な微生物と、それらに影響を受ける広範な植物種があります」と彼女は言います。彼女のテストは、微生物がコショウとトマト植物の生産性を2倍にし、イネの成長を改善し、ダグラスファーのような木に干ばつ耐性を与えることができることを示しました。いくつかは、木や植物が産業汚染物質を吸い上げて分解することさえ可能にし、現在、スーパーファンドのサイトをきれいにするために使用されています。「内生菌を使用する利点は、それが本当に大きなグループであることです。米、トウモロコシ、トマト、唐辛子、その他の農業上重要な作物に作用する菌株を見つけました。」

実際、内生菌はそれを農民の手に、より早くではなく手に入れるかもしれません。カリフォルニア州ロスアルトスに本拠を置くIntrinsyxBioは、Dotyのエンドファイトの一部を商品化しています。最高科学責任者のジョン・L・フリーマンはインタビューで、同社は2019年に市場に出せる製品を準備していると述べている。目標は、おそらく種子をコーティングすることにより、植物に内生菌のいくつかの株を届けることである。それらのバクテリアが植物の内部に住み着いた後、彼らはそれが必要とする窒素の約25パーセントをポンプで排出するべきです。

Pivot Bioと呼ばれる別のバイオテクノロジー企業は最近、トウモロコシの根系で成長する窒素固定微生物を使用して、同様のソリューションをベータテストすることを発表しました。

合成生物学の新たに出現した分野も、窒素の問題に亀裂を取っています。ボストンに本拠を置くJoyn Bioは、昨年9月に結成されたバイエルと、他の「デザイナー微生物」プロジェクトの中でも特に食品および香料産業向けにカスタム酵母およびバクテリアを作成したバイオテクノロジー企業であるGinkgo Bioworksとの共同プロジェクトです。ジョイは現在、100, 000を超える微生物のバイエルのライブラリを調べて、Dotyの内生菌と同様に、植物をうまく定着させることができる宿主を見つけています。それから、彼らは窒素を固定することを可能にする遺伝子でその「ホストシャーシ」を微調整することを望みます。「自然に頼って存在しないと思われる魔法の微生物を見つけるのではなく、ホスト微生物を見つけて、トウモロコシや小麦のために必要なことを行うために微調整したいのです」とJoyn CEOのMichael Miilleは言います。。

ゲイツ財団もゲームに参加しており、マメ科植物の窒素固定能力を穀物に付与しようとするプロジェクトを支援しています。さらに他のチームは、スーパーチャージド量子コンピューティングの出現が化学の新しい領域を開き、ハーバーボッシュプロセスをより効率的にする新しい触媒を特定することを望んでいます。

1つのソリューションだけで、人間が使用する合成肥料の100％を置き換えることができるとは考えられませんが、これらのプロジェクトを一緒にすると、窒素汚染に深刻な影響を与える可能性があります。ベネットは、シエラミックスと彼のチームがそれから学んだことは窒素革命の一部になることを望んでいますが、彼のぬるぬるしたトウモロコシの指が通常の作物で窒素を生産し始める前に非常に長い跳躍を認めています。彼は現在、気根を生成する遺伝子を特定し、粘液で発見された数千の微生物のうち実際に窒素を固定しているものを特定したいと考えています。

「私たちがやっていることは、それらの［内生生物および合成生物学］アプローチを補完するものになると思います」と彼は言います。「多くの異なる戦略が見られると思います。5〜10年後には、トウモロコシの窒素の入手方法に影響を与える何かが現れるでしょう。」

編集者のメモ8/15/18：この記事の初期のドラフトでは、ジョンL.フリーマンの名前のスペルを間違え、現在の会社を誤認していました。