ゲノミクスでより良い糖を育てる

人のガスタンクに砂糖を入れると車が台無しになる、と通説は述べています。真実は、数ステップ余分にサトウキビを化石燃料のより環境に優しいエタノールに変えることができるという神話だけではありません。

サトウキビは、竹、小麦、トウモロコシ、米と同じ系統の熱帯の草です。食品に含まれるショ糖の4分の3はサトウキビ由来です（残りはサトウキビ由来です）。80カ国以上で栽培されており、重量的には他のどの作物よりも多くのサトウキビが収穫されています。太陽光エネルギーを比類なき効率で化学エネルギーに変換し、その生涯にわたり大気から大量の二酸化炭素を取り除き、低排出の慣行が収穫と精製に用いられていれば、実際にはカーボンニュートラルな燃料源として認められます。

そんなに甘くなっていなかった。インドとニューギニアでそれぞれ栽培されたSaccharum spontaneumとSaccharum officinarumという2種の原生の野生生物には限界がありました。前者は茎が非常に薄く、後者はスクロースをほとんど生産していませんでした。人間は、20世紀初頭までに栽培されたこの種が、この2つの種のハイブリダイゼーションから生まれた全く新しい作物とみなされた時点まで、何千年もの間、この植物を選択的に育ててきました。

この“貴”の杖の太い茎はショ糖で飽和していましたが、非常に多くの遺伝的多様性を失ったため、生息している樹木のほぼすべての枝から農薬を摂取されやすくなります。ネクローシスのサトウキビの黄色葉ウイルス、ハンチングバクテリアのLeifsonia xyli xyli、しつこい真菌の胞子、そして幼虫がこのような特別な味を持つ蛇を“サトウキビのボラー”と呼んでいます。

農家は農薬でこれらの害の一部をコントロールできますが、これは単にある問題を別の問題に置き換えるだけです。超甘い高貴な杖は、何年にもわたって研究を重ねてきた強烈な野生の祖先によって交配され、多少の回復力を持つ栽培品種を生み出してきましたが、両方の世界を最大限に生かすには、次世代の科学が必要です。

デカプロイドゲノムの分解
遺伝学者を入力します。何十年もの間、ウェスラコのテキサスA&M AgriLife Research and Extension Centerのサトウキビ育種プログラムは、リオグランデバレーの43,000エーカーのサトウキビ畑に特化して適応した品種を創り上げてきました。同大学の土&壌作物科学部の教授であるJorge Da Silvaは、コーネルで植物の遺伝子育種で博士号を取得し、14年間はブラジルのピラシカバにあるCentro de Tecnologia Copersucarの研究サイエンティストを務めていました。

&Mはより良い履歴書を頼むことはできませんでした。サトウキビ由来のバイオエタノールはブラジルの総エネルギー供給量の17%を占め、ブラジルは世界のどの国よりも多くの砂糖を輸出し、米国よりも多くのエタノールを輸出しています。また、CTCコペルスカルは、この2つを生産する国内最大の企業です。Da Silvaは、この重要な作物に最適な遺伝子を見つけるためにキャリアを捧げてきました。

“私は有機農業が大好き”と彼は言います。農学を勉強する子供の頃、あらゆる毒を使わずに食糧を生産できたかったのです。私は、害虫、微生物、病気に耐性のある植物に育てるだけで、遺伝学が化学物質の量を減らす最も強力なツールになることに気づきました。また、テキサスはすでに他のサトウキビ栽培地域よりも赤道から離れているため、コールドレジスタンスをもたらす遺伝子を探しています。サトウキビを、気温の低いアメリカの他の地域に広げることができるとしたら、どうでしょうか。これは業界にとって大きな問題となる可能性があります。

サトウキビのゲノムが非常に大きいため、これらの遺伝子を見つけるのは容易ではありません。ヒトには各染色体のコピーが2つあり、私たちのゲノムは倍数体です。植物は多くの場合、3つ以上のコピーを持っています。そのゲノムはポリポイドです。Da Silvaの説明：ジャガイモには各染色体の4つのコピーがあります。小麦には6種類あります。サトウキビには10個のがあります。種や品種に応じて、植物は合計で52～117の染色体を持つことができます。ヒトゲノムが新規のものである場合、デカプロイドサトウキビゲノムは、Oxford English Dictionary の真髄です。世界最大のゲノムの1つです。これらのすべての染色体のシーケンスは、サイエンティストにとって大きな課題となります。

また、食品以外の野生の杖の驚異的な成長と耐久性を再現しようとする試みには、複雑な問題が伴うこともわかりました。この国では、S. spontaneumは有害な雑草と考えられています。非常に攻撃的であるため、植えることは違法です。侵襲的であり、コントロールが非常に困難になります。研究を行うには、USDAから許可を得る必要があり、まだ多くの制限があります。杖を使って毎年、すべてを燃やして伝播しないようにします。

しかし、何年にもわたる努力が報われています。Da SilvaのWeslacoでの研究では、90日間の干ばつサイクルを受けたいくつかの異なるサトウキビジェノタイプにおける葉のクロロフィル含有量、葉の温度、および相対的な水含有量を比較することで、どの遺伝子が実際に発現され、これらの形質を制御しているかに関する豊富なデータが得られました。これらの作物の遺伝サンプル、すなわち生殖細胞質は、すでにInternational Society of Sugarcane Technologiesと共有されており、米国政府は先日、Da Silvaのプログラムに、特にバイオエタノールを生産するために栽培された“エネルギー杖”に目を向けるための助成金を与えました。

食品と燃料
食品または燃料に同じ作物を使用できる場合、どちらを優先するかをどのように決定しますか？ 化石燃料の代替品に対する需要と経済的な機会は高いですが、バイオ燃料を作ることは、誰かの皿から食品を流用し、食料価格を引き上げることを意味しますか？

この場合、サトウキビを適切に処理すれば、ケーキを焼いて食べることもできます。

収穫した植物から食用糖を得るには、まず高圧ローラーで茎を砕いて、スクロースが豊富なジュースを絞り出します。次に、ジュースを煮沸して水を除去し、遠心機で茶色の生砂糖を結晶化します。その褐色糖は、精製所で白糖に再結晶するか、発酵してバイオエタノールを生成することができます。この第1世代バイオ燃料は、その他の消耗品から直接調達したものです。

しかし、乾燥したつぶれた茎が残ったらどうでしょうか？ 従来は、熱と蒸気パワーによって製糖所に電力を供給するために燃焼していました。しかし、酸素がなくてもこの“リグノセルロースバガス”を加熱すると、興味深いことが起こります。燃焼の代わりに熱分解または熱分解が起こり、リグニンがセルロースから分離されます。その後、リグニンを燃焼させて製糖所に電力を供給し、セルロースを食品を犠牲にすることなくバイオエタノールに発酵させることができます。

このルートには独自の技術的ボトルネックがあり、経済的に実現可能になることはありませんが、より環境に優しいパズルの重要な部分を形成しています。同じリグノセルロース系材料をポリエチレンとポリプロピレンの複合形態に加工することもできます。実際、イルミナの最新かつ最先端のシーケンスシステムであるNovaSeq XとNovaSeq X Plusでは、サトウキビ由来のバイオポリマーを試薬キットカートリッジに使用し、使用後にリサイクルすることができます。

これほど多くの用途があり、多くの脅威がある植物は、一度にいくつかの方向にブリーダーを引き寄せることになります。\\"私たちはピラミッドと呼ぶように、疾患や害虫などの生物ストレスに対する耐性遺伝子を試みますが、干ばつや寒さなどの非生物ストレスに対する耐性に加えて、それを行うことは困難です\\"とDa Silva氏は述べています。“ハイイールドで、高糖分も欲しい”

結局のところ、1つの要因がDa Silvaのような育種プログラムの実現可能性と方向性の両方に影響を与えます。初めてテキサスに来た時、ここにいるサトウキビの栽培業者の1人に、新しい品種に求める最も重要な形質は何ですか？と尋ねました。彼が言ったことは知っていますか？ お金をポケットに入れます。どんなことでも、彼らのポケットにお金が貯まります。

十分な投資により、次世代シーケンスは、農薬に費やすはずのお金を節約し、より広い範囲で栽培でき、そして何よりも未来の世代にとって、食品と燃料の両方として実行可能な、完全に不浸透性のSwiss Armyサトウキビを見つけることができるでしょう。

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