TPPリボスイッチ活性の調節により作物の収量、栄養価、耐ストレス性が同時に向上する

より良い食料を育てる新たな手法

増え続ける人口に食糧を供給しながら地球を疲弊させないためには、高収量であるだけでなく、栄養価が高く、病害や悪天候に耐えられる強い作物を育てる必要があります。しかし育種では通常トレードオフが生じます。より多くの穀粒を穫れるようにした稲は低温に弱くなるかもしれませんし、ビタミンを多く含むトマトは栽培が難しくなるかもしれません。本研究は稀な例外を示しています。微妙な遺伝的調整によって、イネとトマトが同時により多くの実をつけ、ビタミンを多く含み、ストレスに強くなることが可能になったのです。

植物細胞内の隠れたスイッチ

本研究の中心にあるのはビタミンB1、すなわちチアミンです。人間ではこのビタミンが不足すると深刻な神経や心臓の障害を引き起こすことがあります。植物ではその活性型チアミンピロリン酸（TPP）が、細胞が糖をエネルギーや構成要素に変換する重要な段階を駆動します。植物は自然にTPP濃度を調節しており、その仕組みとしてリボスイッチと呼ばれる小さなRNA構造がセンサーの役割を果たします。TPPが十分にあるとこのセンサーは生産を抑え、欠乏すると生産を増やします。研究者たちは単純だが大きな意味を持つ問いを投げかけました。もしこの内部スイッチをゆるめて植物がより高いビタミンB1レベルを維持できるようにしたらどうなるか、ということです。

スイッチを編集してイネを強化する

研究チームは精密な遺伝子編集ツールを用いて、イネの主要なビタミンB1遺伝子にあるTPPリボスイッチを改変しました。これは外来DNAを追加するものではなく、植物自身の調節配列を変えただけです。複数の独立した編集系統が作られ、そのうち2系統は特に強い効果を示しました。これらの系統では、精白米中のビタミンB1の量が標準的なイネと比べて約5倍に増加しました。しかし驚きはそれだけにとどまりません。複数のBビタミン、ビタミンE、特定の健康に良い脂質、必須アミノ酸など他の重要な微量栄養素も増加し、でんぷんやタンパク質といった基本成分は安定していました。つまり、穀粒のエネルギー価は変わらずに、健康に寄与する栄養素が増えたのです。

同じ圃場からより多くの穀粒

高い栄養価は、収量が犠牲になっていては役に立ちません。ところが、異なる2つの稲作地域で行われた圃場試験では、編集した植物は元の品種より約20%多くの穀粒を生産しました。増収は主に花序の枝が長くなり、房あたりの穀粒数が増えたことによるもので、植密度を高めて小型化したわけではありません。詳細な計測では、編集作物が光をより効率的に捕らえ、光合成電子の流れが速く、窒素肥料を特に低窒素条件下でより有効に利用していることが明らかになりました。本質的には、光と栄養をより効率的にバイオマスに変換しているわけです。

病害と低温に対する内在的な防御

同じ遺伝的変化はイネの耐性も大幅に高めました。病害が多発する地域では、菌類病原により通常壊滅的な被害を受けるところで、編集株は病斑が少なく小さく、組織内の菌類増殖も低いことが示されました。通常はイネを傷める低温にさらした場合でも、編集系統は生存率が大幅に高く、損傷した細胞からの電解質漏出が少なく、有害な酸素代謝副産物の蓄積も抑えられていました。追加の試験ではビタミンB1を外から補給しても同様の利益が得られ、TPP濃度の上昇が代謝や防御応答を協調的に再配線するのに役立っていることが支持されました。

トマトにも通用する戦略

この手法がイネ以外にも応用できるかを調べるため、研究者らは対応するトマトのリボスイッチを編集しました。その結果はイネと類似していました。トマトはビタミンB1や他の微量栄養素を多く含み、光合成が強化され、一般的な灰色かび病菌に対してもより良い抵抗性を示しました。また低温ストレスにも強く、組織損傷や酸化ストレスが少なく済みました。同様のRNAスイッチとビタミン経路が多くの植物で保存されていることから、TPPレベルを微調整することはさまざまな作物をより栄養豊富で生産性が高く、回復力のあるものにする一般的な手法になり得ることが示唆されます。

将来の収穫にとっての意義

ビタミンB1生産の自然なブレーキを穏やかに緩めることで、研究者たちは収量、栄養、耐ストレス性を同時に改善する形で植物代謝を書き換えることに成功しました。これは従来の育種ではめったに達成できない組み合わせです。手法が新しい遺伝子を挿入するのではなく既存の遺伝要素を編集するものであるため、従来型の遺伝子組換え作物に比べて規制や社会的受容の面で障壁が小さい可能性があります。主要な食用作物にこの戦略を展開できれば、複数の微量栄養素欠乏から来る隠れた飢餓を減らし、気候変動下でも収穫を安定させる手助けとなり、持続可能な食料保障に一歩近づけるでしょう。

引用: Li, Y., Li, K., Lu, J. et al. Modulating TPP riboswitch activity simultaneously enhances crop yield, nutritional quality and stress tolerance. Nat Commun 17, 3328 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69730-4

キーワード: ビタミンB1, 作物のバイオフォーティフィケーション, 遺伝子編集, イネとトマト, 耐ストレス作物