西部の歴史的な干ばつから南東部の記録的な寒波、全米各地の激しい嵐に至るまで、米国の農家はますます予測困難な生育条件に直面している。気象関連の事象は、米国農業に年間約200億ドル（約3兆2700億円）の損失をもたらしている。こうした損失を軽減するため、科学者たちは遺伝学、育種、作物生理学の進歩を組み合わせ、農業を気候リスクに対してより強靱にする幅広いツールの開発を進めている。
気候の不確実性は、今日の農業における最大の課題の1つである。1960年代の緑の革命は、通常の条件下で収量を向上させることに重点を置いていた。現在、焦点はリスク管理へと移りつつある。不安定な天候にもかかわらず、安定した収穫を維持することだ。農家にとって、不作の年に壊滅的な損失を避けられるかどうかは、事業を継続できるか失うかの分かれ目になり得る。
農家の難題
各作付けシーズンの初めに、農家はその年に干ばつ、洪水、熱波、あるいは強風が訪れるかどうかもわからない数カ月前に、どの品種をいつ植えるかを決めなければならない。
「年ごとにどの品種が最適か予測するのは難しい」と、コロラド大学ボルダー校の生態・進化生物学部で博士研究員を務めるピーター・イネスは語る。「前年に最も成果を上げた品種を基準にすべきなのか、それとも農家を支援するもっと複雑なアルゴリズムを開発できるのか」
この問いに答えるため、イネスの同僚であるコロラド大学の研究者たちは、北米のグレートプレーンズ全域で1978年以降に収集された、さまざまなヒマワリ品種の成績に関する数十年分の圃場データを分析した。データは、収量を予測する指標として開花時期が重要であることを示している。ヒマワリの開花が早すぎると、種子生産を支える十分な資源が植物にない可能性がある。一方、開花が遅い品種は、暑さや干ばつによるストレスに直面するリスクがある。
開花時期は、温度や日長といった環境の手がかりを発生シグナルへと変換する遺伝的メカニズムによって制御されている。柔軟性の低い品種は、厳密に制御された遺伝子ネットワークによって、毎年限られた期間内に開花する。しかし暖かい年には、早めに開花することで、植物は種子生産の重要な段階における高温や水分ストレスを回避しやすくなる。暖かい気候がいつ訪れるかを人間が左右することはできないが、開花の幅がより柔軟な作物品種を開発することで、植物の適応力を高めることはできる。
この変化は、気候適応に関するより広範な提言にも反映されている。国連食糧農業機関（FAO）が今年発表した「Extreme Heat and Agriculture」報告書は、高温による損失を減らすため、植え付け時期の調整に加え、より強靱な作物品種の選択が重要だと強調した。FAOの最近の緑の気候基金プロジェクトでは、気候スマート農業ソリューションへの投資が、1ドル（約1万未満円）の支出につき最大8ドル（約1万未満円）のリターンを生むことが示された。
熱を帯びる研究テーマ
開花時期の幅をより柔軟にするような遺伝的介入は、熱ストレスによる数十億ドル規模の損失を回避する助けになる可能性がある。とりわけ小麦は熱波に非常に敏感だ。開花前の段階で華氏82度を超える気温が数時間続くだけでも、1株当たりの穀粒数が減少し得る。また開花後に華氏90度を超えると、華氏2度上昇するごとに穀粒重量が約2%減少する可能性がある。
科学者たちは、小麦を熱ストレスに対して鈍感にするための複数の戦略を探っている。例えば、CRISPRなどのゲノム編集ツールを用いて、短時間の熱波の後に植物の回復を助ける熱ショックタンパク質を刺激する方法である。しかし、1つ、あるいは複数の遺伝子を編集するだけで、この問題を完全に解決できる可能性は低い。
「耐熱性や、開花時期のような気候レジリエンスに関わる他の側面といった形質は、より複雑な遺伝的基盤を持つ」とイネスは説明する。「1つの遺伝子だけがその形質を制御しているわけではない。そのため、ゲノム編集によるアプローチはいっそう難しくなる」
そのため、多くの作物育種家は、より頑健な小麦品種を選抜するために、管理された熱ストレス試験を行っている。このアプローチは、農業で数千年にわたって用いられてきた伝統的な選抜・育種法に基づくものだ。ただし欠点は、新しい商用品種の開発に10〜15年かかり得ることである。
「伝統的な育種であれゲノム編集であれ、利用可能なあらゆるツールを使い、両側面から取り組まなければならないと思う」とイネスは言う。
嵐をしのぐ
異常気象の発生頻度の高まりに伴う多様な課題には、それと同じくらい多様な解決策のレパートリーが必要だ。2020年、デレチョと呼ばれる大規模な嵐がアイオワ州を襲い、ハリケーン級の風を発生させ、1000万エーカーを超えるトウモロコシ畑と大豆畑をなぎ倒した。この問題は倒伏として知られ、植物が茎や根の部分で曲がったり折れたりする現象を指す。しかし、通常であれば大きな収量を生んだはずの作物に影響するため、この問題はしばしば軽視される。
ミズーリ大学のBond Life Sciences Investigator、およびドナルド・ダンフォース植物科学センターの主任研究員を務めるエリン・スパークスは、倒伏による作物損失をどう防ぐかを研究している。
「倒伏は、作物育種において後回しにされがちだ」とスパークスは言う。「（圃場で試験された新品種が）まだ立っていれば、次の段階に進める。しかし過去にはこういうことがあった。その年に嵐がなければ、実は倒伏する品種を先に進めてしまっていたということが」
スパークスは生物医学工学のバックグラウンドを持って農業分野に入り、作物の倒伏研究へのアプローチにもその発想が反映されている。
「エンジニアとして、私は破壊点がどこなのかを知りたい」とスパークスは言う。「農学的には、すべてをひとまとめにしてしまう。植物が茎で破損したのか、根で破損したのか、そしてどのように破損したのかがわからない。しかし作物を合理的に設計しようとするなら、破壊点を特定することが重要だ」
スパークスの研究チームは、倒伏に強い短稈トウモロコシに取り組んできた。このハイブリッド品種は高さ約7フィート（一般的な高さは9〜12フィート）で、バイエル クロップサイエンスがPreceon™ Smart Corn Systemの一環として開発したものだ。この品種や、コルテバの短稈トウモロコシのような他の低く改良された栽培品種は、風害に対して最大64%高い耐性を示すことが明らかになっており、スパークスはその理由を理解したいと考えた。
彼女が突き止めたのは、トウモロコシの茎の高さは物語の一部にすぎないということだった。耐風性のある植物は、より強い茎と、より柔軟な根系も備えており、それによって強い突風の衝撃を吸収できる。現在、チームはこの価値ある形質を他の植物品種で発達させる方法を調べている。
「私たちはこれを、ある種、耐震工学になぞらえている。硬い基礎を持っていれば壊れやすいが、より柔軟な基礎があれば、実際には風によりよく耐えられる」とスパークスは説明する。「短稈トウモロコシでも、根系がより柔軟にならなかった場合には、依然として倒伏が見られた」
不確実性への備え
異常気象がより頻繁に起きるようになる中で、作物の適応力は農業レジリエンスを規定する特徴となる。しかし、このような複雑な問題に単一の解決策が存在する可能性は低い。むしろ、予測不能な天候に対応する作物を開発するには、異なる技術と巧みな工学的アプローチを統合する必要がある。
「21世紀の農業への取り組み方を、私たちは適応させなければならない」とスパークスは言う。
農家は今後も、春に作物を植える時点ではそのシーズンに何が起きるかわからないという不確実性に直面し続ける。それでも科学は、そのリスクを減らす助けになり得る。
