河田昌東さん「放射線照射による品種改良 何が問題か」 学習会報告

放射線育種とは？

　放射線育種とは、電離放射線の照射によって人為的に突然変異を誘発させることを使って新品種を作る方法ですが、すでに1960年代から稲を中心にさまざまな品種が作られてきました。最初に実用化された放射線育種米は、背丈を短くして倒伏しにくく変異させた稲、レイメイ（黎明）でした（1966年品種登録）。その後、このレイメイを親にして112品種の稲が作られます。酒米では美山錦や出羽燦々などが作られています。

高エネルギーを限られた場所に集中させるイオンビーム照射

　放射線には紫外線、ベータ線、X線、ガンマ線（いずれも電磁波）がありますが、今回の「コシヒカリ環1号」はイオンビーム照射が使われています。このイオンビームとは他の放射線（電磁波）と異なり、炭素（C）や鉄（Fe）などの元素から電子を奪ったり、 追加したりしてイオン化し、イオン加速器で高速なビーム（放射線）を作って、標的細胞（遺伝子）に当てて遺伝子を壊すというものです。この違いを比喩的に言えば、ガンマ線などが小銃としたら、イオンビームは大砲と考えてください。

　X線やガンマ線照射の場合は、標的に散発的に当たるため、標的元素をランダム（不規則）に破壊するのに対して、イオンビームは直線的に狭い範囲を高速に通過するため、破壊範囲を狭くできるため、遺伝子を破壊する効率がよくなります。

　ガンマ線などの放射線を照射した場合、直接遺伝子を切断、損傷させる以上に細胞内の水、H₂0から活性酸素、活性水素が生まれ、それらが細胞にダメージを与えてしまいます。この間接的影響がガンマ線では70%を占めるということで、その点でも効率が悪いのですが、イオンビームはこの間接的影響は生まれるものの、ガンマ線などに比べ、小さくなっています。

　もっともイオンビームはガンマ線に比べ、高いエネルギーを持っているため、その影響はガンマ線照射に比べて大きく、ガンマ線が8割近くは1塩基の変異（置換、欠失）に留まるのに対して、イオンビームは2塩基以上の変異が半分近くを占め、遺伝子の入れ物である染色体の逆位、転座という大きな変異を起こすことすら起きます。影響はガンマ線よりもイオンビームの方が大きいということになります。小銃と大砲の違いがあります。

　茨城県常陸大宮市には農業生物資源研究所の半径100メートルの大きな放射線照射施設（放射線育種場／ガンマーフィールド）があります。中央に据えられたコバルト60（放射線源）からガンマ線が放射され、もし人がこの中に入って照射を浴びたら即死するレベルの放射線が作物に照射されます。これに対してイオンビームの照射場は、加速器という大型の機械が必要であるものの、ガンマフィールドに比べると小さな施設となります。国内各地、量子科学技術研究開発機構（千葉市稲毛区穴川、群馬県高崎市） 、理化学研究所(埼玉県和光市) 、東京大学新領域創生科学研究科、広島大学、若狭湾エネルギー研究センター（滋賀県敦賀市）など、全国各地に照射施設があります。

放射線照射で起こる遺伝子の変化と修復

　自然界において、通常、DNAの損傷は1つの細胞あたり、一日に20万から30万生じますが、DNA二本鎖の二本とも損傷されることはごくまれで、またDNA修復酵素を生物は持っているので、壊されてもすぐに修復されます。もっともこのDNA修復酵素の遺伝子自身も歳と共に劣化していくため、生物は老化し、寿命を迎えるとされています。

　日常的に繰り返される破壊と修復の中で、ごくまれに起こる修復ミスによって進化が起きると考えられてきました。しかし、最近になってわかったことは、遺伝子の変異はランダムには起きていないということです。遺伝子の中にはタンパク質のアミノ酸配列生成に関わるエキソンと言われる部分と関わらないイントロンと言われる2つの種類が交互に並んで出来ています。このエキソンと言われる部分が破壊されてしまうと、生物はその破壊からなんとか修復を試みます（しかし稀に修復ミスが起こると突然変異になります）。ですので、自然の進化の中でエキソンの部分が変異したケースは少ないのです。一方、アミノ酸の生成に関わらないイントロンの部分は変異しても修復されない場合が多いのです。このイントロンの部分が変異していくことが生物の進化に関わってきているようです。

　もっとも、放射線照射はこのエキソンの部分を強引に変えてしまいます。ということは放射線照射による変異は、自然で起きる変異と同じことを意図的にやるものであるという言い方は正しくなく、自然の中ではまず起きない変異を作り出していることになります。それは、むしろ自然の進化に干渉することと言わざるをえません。

　自然の変異では多くが塩基の破壊かDNAの一本鎖の切断に留まっています。一本鎖の修復はほとんど治すことができます。しかし、放射線照射の場合はDNAの二重鎖を二本とも切断してしまうことが頻繁に起きます。この二本鎖の切断は修復ミスが頻繁に起き、変異が大きくなってしまいます。ゲノム編集で行われるのも二本鎖切断です。

　この二本鎖切断のプロセスは複雑であり、稀にDNAの大量欠損や遺伝子の移転が起きることがあります。

「コシヒカリ環1号」が出てきた背景

　「コシヒカリ環1号」はこのイオンビーム照射によって二本鎖切断を行い、OsNramp5遺伝子の1塩基を破壊します。このOsNramp5遺伝子はカドミウムの吸収に関わる遺伝子で、この1塩基を破壊された「コシヒカリ環1号」はほとんどカドミウムを吸収しなくなります。

　カドミウムは自然界に存在する鉱物ですが、人体には毒性があり、鉱山から出たカドミウムがイタイイタイ病の原因となったことは有名ですが、鉱山やセメント工場などが原因で高濃度のカドミウム汚染地域が全国各地にあります。カドミウムは放射能汚染と違って、半減期がありません。だから汚染はずっと残ります。そのため、農地では土を入れ替える客土をしたりするなど大変な作業がなされてきました。そのカドミウム対策として、この「コシヒカリ環1号」が作られました。

下水汚泥肥料の活用で高まるカドミウム汚染の危惧

　今、日本でのカドミウム汚染が高まる可能性があります。特にウクライナにおける戦争以降、化学肥料が高騰しています。その事態を受けて、農水省は下水汚泥を肥料の原料として使うことを全国的に奨励しています。しかし下水にはさまざまな排水が混ざるためカドミウムなどの重金属汚染が含まれる恐れがあります。
　低濃度であっても、これらの肥料が農地に施用されれば、土壌に蓄積していくことになり、農産物のカドニウム汚染のリスクが高まります。

「コシヒカリ環1号」とはどんなお米？

　コシヒカリの籾（もみ、種子）にイオンビームを照射して第1世代を作ります（M1）。これを栽培して、第2世代（M2）を作り、さらにM2をカドミウム汚染土壌で2592株も栽培し、その中からカドミウム濃度のきわめて低い3つの株を選定しました。
　この3つのうち、1つ（識別名lcd-kmt3）はマンガン濃度が極端に低く、成長が悪く、またlcd-kmt1は新たな塩基433個が挿入されていたため排除し、塩基が1個壊れているだけのlcd-kmt2が選ばれ、これが「コシヒカリ環1号」と命名されることになりました。

　この「コシヒカリ環1号」はカドミウムはほとんど吸収しません。含まれる銅、鉄、亜鉛の量は従来のコシヒカリとほとんど同じですが、稲が生育する上で、また人にとっても重要なミネラルであるマンガンはわずかしか含まれません（下図 農業環境技術研究所資料から）。

「コシヒカリ環1号」の問題点

　実は「コシヒカリ環1号」の変異させたOsNramp5という遺伝子はマンガンの吸収に関わっていて、それが壊されたため、「コシヒカリ環1号」はカドミウムを吸収しないと同時にマンガンの吸収にも問題が生しているのです。そのため、ごま葉枯病というマンガン不足によって引き起こされる病気が起こりやすくなり、また環境によっては収量が大幅に減る場合があります。

品種	カドミウム	マンガン	銅	鉄	亜鉛
コシヒカリ	0.76	30.9	4.72	14.2	34.4
コシヒカリ環1号	ND	9.06	4.22	15.8	31.4

　遺伝子の一塩基が欠損すると、フレームシフトが起きます。フレームシフトとは、それ以降のアミノ酸配列がすべて変わってしまうことです。そのため、これまで存在しなかったタンパク質が作られる可能性があります。それがアレルギーの原因となったり、毒性を持つ可能性があります。



　たとえばモンサント社が作り出した遺伝子組み換え大豆では挿入した遺伝子とは関係のないところで、深刻な変化が起こりました。
　大豆にはトリプシン・インヒビターという動物の消化酵素を妨害するタンパク質があります。生で食べると下痢を起こしてしまうので必ず加熱してトリプシン・インヒビターを破壊してから食べることになっているのですが、遺伝子組み換え大豆のトリプシン・インヒビターは熱耐性に変わっていて、110度で加熱しても壊れませんでした。モンサント社は220度で加熱すれば大丈夫だから、ということで安全審査をかいくぐっていました。
　遺伝子組み換え大豆を餌にすると家畜が下痢になるということが映画にもなっていますし、私の知り合いの畜産農家も同じことを言います。その畜産農家は遺伝子組み換え大豆を遺伝子組み換えでないものにしたら下痢は治ってしまったと言っています。
　こうした想定していない変異がフレームシフトで起こりえます。モンサント社自身もこのことを認める論文を書いています。

　「コシヒカリ環1号」でそのようなタンパク質ができていないかを調べることはかなり技術的に難しいのですが、メッセンジャーRNAを使った分析であれば、そのような問題があるタンパク質が作られていることを調べることができる可能性があります。メッセンジャーRNAは変化したDNAの塩基配列を反映して作られるからです。

ゲノム編集でも同じことが可能

　遺伝子の特定の箇所を破壊することはゲノム編集技術を使えば、放射線育種よりもはるかに簡単にできるようになりました。放射線照射のような施設も不要になります。実際にゲノム編集を使ってOsNramp5を変異させた低カドミウム米はすでに作られています(1)（破壊する箇所が「コシヒカリ環1号」とは異なっています）。

遺伝子操作技術が持つ問題

　「コシヒカリ環1号」のように放射線照射やゲノム編集によって遺伝子に損傷を与えることで、新しい品種が作られるようになってきました。イオンビーム照射もゲノム編集もどちらも以下の問題を共通に持っています。

1. 二本鎖切断修復の際に起こる遺伝子の変異が複雑であること
2. そのため未知のタンパク質ができる可能性
3. この変異が他の遺伝子に影響を与える可能性

遺伝子操作なくてもカドミウム低集積稲は作れる

　昨年、2022年8月、岡山大学は「低カドミウム集積イネの育成に成功した」というプレスリリースを発表しています。馬建鋒（ま・けんぼう）教授グループが研究開発したもので、その論文が科学学術誌『Nature Food』に掲載されました。インドで3000年前から栽培されてきたPokkaliという在来種の稲は種籾にはカドミウム集積が少ないことを突き止め、その遺伝子を解明し、コシヒカリとの交配によって、収量と食味はコシヒカリと変わらないカドミウム低集積性品種を作ることができました(2)。

　このPokkaliという品種は、カドミウムとマンガンの吸収に関わるOsNramp5遺伝子を重複してもっています。このような品種は世界の120品種のお米を分析した中には他にありませんでした。インド南部ケララ州の高塩濃度地帯6000haで栽培されているこの稲は塩分濃度の高い環境への対応のために自然な進化の中でOsNramp5遺伝子を重複させるようになったと考えられます。

　遺伝子の重複は自然界の中でよく起きる現象で、環境への適応や進化の手段となっているのではないかと指摘されています(3)。
　Pokkaliはカドミウムやマンガンを吸収する遺伝子を重複して持っているため、通常の品種よりもカドミウムやマンガンを余計に吸収するのですが、カドミウムは根に留まり、地上部分には移送されません。お米の部分には低カドミウムで安全に食べることができて、根を収穫後に適切に分離処理できればカドミウム分を土から取り去る（植物浄化）という2つのことを同時に実現できる可能性があります。

　つまり、放射線もゲノム編集も使わずにカドミウム汚染対策ができる可能性があります。

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(1) Knockout of OsNramp5 using the CRISPR/Cas9 system produces low Cd-accumulating indica rice without compromising yield
https://www.nature.com/articles/s41598-017-14832-9
(2) イネの低カドミウム集積機構の解明
https://www.rib.okayama-u.ac.jp/researchactivity/20220929-04/
(3) Gene duplication as a mechanism of genomic adaptation to a changing environment
Fyodor A. Kondrashov Proc. R. Soc. B (2012) 279, 5048–5057
https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspb.2012.1108

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　河田昌東さんの講演の報告は以上です。もっと専門的な説明が入っていましたが、それらはスペースの関係上、省略させていただきました。以下、現在の農水省などの動向を印鑰がまとめました。

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