植物育種の基礎：選択育種による新品種の育成

植物育種とは、望ましい特性を生み出すために植物の形質を変化させる技術と科学です。それは何千年もの間実践されており、初期の農民が次の世代を植えるために各収穫から最高の種子を選び出すことから始まりました。今日、植物育種は伝統的な技術と最新の技術を組み合わせて、より生産的で、病気に強く、さまざまな環境条件に適応できる改良品種を作り出しています。この記事では、最も古く、最も広く使用されている方法の1つである選択育種に焦点を当てて、植物育種の包括的な概要を提供します。

選択育種とは何ですか？

選択育種は、人工選択としても知られており、望ましい形質を持つ植物を選択し、それらを親として使用して次の世代を生産するプロセスです。このプロセスは何世代にもわたって繰り返され、集団内で望ましい形質を徐々に改善します。遺伝子工学とは異なり、選択育種は植物種内にすでに存在する自然な遺伝的変異内で機能します。他の種から外来遺伝子を導入することはありません。それは人類に利益をもたらす方向に進化のプロセスを導く方法です。

選択育種の原則

選択育種は、いくつかの重要な原則に依存しています。

• 変異：集団内の個体は、関心のある形質に変異を示す必要があります。変異がなければ、選択するものは何もありません。この変異は、個体間の遺伝的差異から生じます。
• 遺伝性：望ましい形質は遺伝可能でなければなりません。つまり、親から子孫に受け継がれる必要があります。環境に強く影響される形質は、選択育種を通じて改善することが難しい場合があります。
• 選択：育種家は、望ましい形質の最高の表現を持つ個体を特定して選択できる必要があります。これには、注意深い観察、測定、および評価が必要です。
• 繁殖：選択された個体は、自家受粉、他家受粉、または栄養繁殖によって繁殖できる必要があります。

選択育種のステップ

選択育種のプロセスには、通常、次のステップが含まれます。

1. 育種目標の定義

最初のステップは、育種目標を明確に定義することです。改善したい望ましい形質は何ですか？例としては、次のものがあります。

• 収量の増加（例：植物あたりの穀物が多い、果実が大きい）
• 耐病性の向上（例：真菌、細菌、またはウイルスの病気に対する耐性）
• 栄養価の向上（例：ビタミン、ミネラル、またはタンパク質のレベルが高い）
• 特定の環境へのより良い適応（例：干ばつ耐性、耐寒性）
• 品質特性の向上（例：より良い味、食感、または外観）

育種目標は、具体的、測定可能、達成可能、関連性があり、時間制限がある（SMART）必要があります。たとえば、育種目標は、5年以内に干ばつが発生しやすい地域で20％高い穀物収量を持つ小麦品種を開発することかもしれません。

2. 親植物の選択

育種目標が定義されると、次のステップは、望ましい形質を持つ親植物を選択することです。これには、多数の植物を評価し、育種目標に最も適合する個体を選択することが含まれます。育種家は、ある形質を改善すると、別の形質に悪影響を与える可能性があるため、複数の形質を同時に考慮することがよくあります。親植物の供給源としては、次のものがあります。

• 地方品種：農民が何世代にもわたって開発してきた、地域に適応した品種。地方品種は、多くの場合、幅広い遺伝的多様性を持っており、耐病性、耐ストレス性、および独自の品質特性の貴重な遺伝子源となる可能性があります。
• 在来品種：長年にわたって家族またはコミュニティに受け継がれてきた、開放受粉品種。地方品種と同様に、在来品種は独自の形質と遺伝的多様性の源となる可能性があります。
• 育種系統：育種プログラムを通じて以前に選択および改良された植物。育種系統は、多くの場合、望ましい形質の組み合わせを持っており、さらに優れた品種を作成するための親として使用できます。
• 野生近縁種：栽培作物と密接に関連する野生種。野生近縁種は、栽培品種に存在しない可能性のある、耐病性、耐ストレス性、およびその他の形質の貴重な遺伝子源となる可能性があります。ただし、栽培作物と野生近縁種を交配することは困難な場合があり、特別な技術が必要になる場合があります。
• 遺伝子バンク：保全および育種目的で維持されている種子またはその他の植物材料のコレクション。遺伝子バンクは、幅広い遺伝的多様性にアクセスしようとする育種家にとって重要なリソースです。例としては、ノルウェーのスバールバル世界種子貯蔵庫や世界中の国立遺伝子バンクがあります。

選択プロセスは、視覚的観察、形質の測定（例：植物の高さ、果実のサイズ、収量）、または実験室分析（例：耐病性または栄養価のテスト）に基づいて行うことができます。場合によっては、育種家は、DNAマーカーを使用して、望ましい形質の特定の遺伝子を持つ植物を特定する技術である、マーカー支援選抜（MAS）を使用します。MASは、育種プロセスをスピードアップし、より効率的にすることができます。

3. 交配

親植物を選択した後、次のステップは、それらの間で交配を行うことです。これには、雄親からの花粉を雌親に移動することが含まれます。交配に使用される特定の方法は、植物種とその繁殖生物学によって異なります。一部の植物は自家受粉であり、自分自身を受精させることができます。他の植物は他家受粉であり、受精するには別の植物からの花粉が必要です。

他家受粉植物では、育種家は多くの場合、手作業による受粉を使用して交配を制御し、望ましい親が使用されるようにします。これには、自家受粉を防ぐために雌親から葯（花粉を生成する器官）を注意深く取り除き、雄親からの花粉を柱頭（雌花の受容面）に移動することが含まれます。次に、他の植物または昆虫による不要な受粉を防ぐために花を覆います。

交配から生成された種子は、F1（最初の実生世代）と呼ばれます。F1植物は雑種であり、両親からの遺伝子の組み合わせを持っていることを意味します。F1世代はしばしば均一であり、雑種強勢（異系交配）を示す場合があります。つまり、両親よりも活発で生産性が高いです。

4. 子孫の評価と選択

次のステップは、F1植物を育てて、そのパフォーマンスを評価することです。これには、種子を畑または温室に植え、その成長、発達、および収量を観察することが含まれます。育種家は、植物の高さ、開花時期、耐病性、収量など、関心のある形質に関するデータを注意深く測定して記録します。場合によっては、作物の栄養価または品質を評価するために実験室試験も実施する場合があります。

収集されたデータに基づいて、育種家は、次の世代の親として使用するために最高のパフォーマンスを発揮する植物を選択します。このプロセスは数世代にわたって繰り返され、集団内で望ましい形質を徐々に改善します。各世代で、育種家は育種目標に最も適合する植物を選択し、残りを破棄します。

F1世代はさまざまな形質で分離することが多いため、選択プロセスは困難な場合があります。これは、F1植物の子孫が幅広い変異を示すことを意味し、最適な個体を特定することが困難になります。育種家は、望ましい形質の組み合わせを見つける可能性を高めるために、多数の植物集団を栽培することがよくあります。

5. 品種の安定化

数世代の選択の後、結果として得られる植物は、望ましい形質に対してより均一になり、安定します。これは、子孫が親に非常によく似ていることを意味します。品種を安定させるために、育種家は、自分自身または密接に関連する個体との交配を含む、近親交配を使用することがよくあります。近親交配は植物のホモ接合性を高めます。つまり、各遺伝子の同一コピーが多くなります。これにより、集団内の遺伝的変異が減少し、品種がより予測可能になります。

近親交配は、活力や受精能の低下など、悪影響を及ぼす可能性もあります。これは近交弱勢として知られています。近交弱勢を避けるために、育種家は、各世代で各植物から1つの種子を選択することを含む、単一種子系統（SSD）など、他の技術を使用することがよくあります。SSDを使用すると、育種家は、望ましい形質を徐々に改善しながら、大量の遺伝的多様性を維持できます。

6. テストとリリース

品種が安定したら、さまざまな環境やさまざまな管理方法でうまく機能することを確認するために、テストする必要があります。これには、複数の場所でフィールドトライアルを実施し、新しい品種のパフォーマンスを既存の品種と比較することが含まれます。トライアルは、新しい品種の収量、耐病性、品質、および適応性を評価するように設計されています。

新しい品種がトライアルでうまく機能する場合は、農家にリリースできます。リリースプロセスには、通常、政府機関からの公式登録または認証を取得することが含まれます。これにより、品種が品質とパフォーマンスの特定の基準を満たしていることが保証されます。育種家はまた、農家が新しい品種にアクセスできるようにするために、種子生産と流通の戦略を開発する必要があります。

選択育種の成功事例の例

選択育種は、世界中の作物や家畜の改善に役立ってきました。いくつかの例を次に示します。

• 小麦：選択育種は、過去1世紀にわたって小麦の収量を劇的に増加させました。現代の小麦品種は、以前の品種よりも生産性が高く、耐病性があり、より広い範囲の環境に適応しています。ノーマン・ボーローグが率いる緑の革命は、発展途上国での飢餓と闘うために、高収量小麦品種の選択育種に大きく依存していました。
• 米：小麦と同様に、選択育種は、特にアジアで米の収量を大幅に増加させました。IR8などの半矮性イネ品種の開発は、食料不安との闘いにおける大きなブレークスルーでした。
• トウモロコシ（コーン）：選択育種は、トウモロコシを比較的不生産な作物から、世界で最も重要な作物の1つに変えました。現代のトウモロコシ品種は、祖先よりもはるかに生産性が高く、耐病性があり、ストレスに耐性があります。2つの異なる近交系を交配することによって生産される雑種トウモロコシは、高レベルの雑種強勢を示します。
• トマト：選択育種により、多様な形状、サイズ、色、およびフレーバーを持つ幅広いトマト品種が得られました。育種家はまた、一般的な病気や害虫に耐性のあるトマト品種を開発しました。
• 家畜：選択育種は、何世紀にもわたって家畜の生産性と品質を向上させるために使用されてきました。たとえば、育種家は、より多くの牛乳を生産する牛、より多くの卵を産む鶏、より速く、より無駄なく成長する豚を選択してきました。

これらは、選択育種の多くの成功事例のほんの一例です。選択育種は、世界中の食料安全保障、栄養、および生活を改善する上で重要な役割を果たしてきました。

選択育種の長所と短所

選択育種には、いくつかの利点があります。

• 比較的シンプルで安価：選択育種は、資源が限られている育種家が使用できる比較的シンプルで安価な技術です。
• 自然な変異内で機能する：選択育種は、種内にすでに存在する自然な遺伝的変異内で機能します。これにより、他の種から外来遺伝子を導入する必要がなくなります。
• 複数の形質を同時に改善できる：選択育種は、複数の形質を同時に改善するために使用できます。
• 安定した品種につながる：選択育種は、何世代にもわたって望ましい形質を維持する安定した品種の開発につながる可能性があります。

ただし、選択育種にはいくつかの欠点もあります。

• 遅いプロセス：選択育種は遅いプロセスであり、大幅な改善を達成するには多くの世代が必要です。
• 利用可能な変異によって制限される：選択育種は、種内で利用可能な遺伝的変異の量によって制限されます。望ましい形質が集団に存在しない場合、選択育種だけで導入することはできません。
• 近交弱勢につながる可能性がある：品種を安定させるためによく使用される近親交配は、活気と受精能を低下させる可能性がある近交弱勢につながる可能性があります。
• 望ましくない形質を意図せずに選択する可能性がある：選択育種は、望ましい形質に関連付けられている望ましくない形質を意図せずに選択する可能性があります。

選択育種を補完する最新技術

従来の選択育種は依然として基本ですが、最新のテクノロジーはその効率と精度を高めます。

マーカー支援選抜（MAS）

MASは、望ましい遺伝子にリンクされたDNAマーカーを使用して、発達の初期段階でそれらの遺伝子を持つ植物を特定します。これにより、特に直接測定することが困難または高価な形質（例：耐病性）の場合、選択プロセスがスピードアップします。

ゲノミクスとバイオインフォマティクス

ゲノミクスの進歩により、育種家は植物のゲノム全体を分析し、重要な形質を制御する遺伝子を特定できます。バイオインフォマティクスツールは、ゲノム研究によって生成された膨大な量のデータを管理および分析するために使用されます。

ハイスループット表現型解析

ハイスループット表現型解析は、自動化されたシステムとセンサーを使用して、大規模な植物の形質を迅速に測定します。これにより、育種家はより多くの植物をより正確に評価し、選択効率を向上させることができます。

二倍体半数体

二倍体半数体技術は、単一世代で完全にホモ接合性の植物を作成することにより、育種プロセスをスピードアップします。これにより、安定性を実現するために複数の世代の自家受粉を行う必要がなくなります。

ゲノム編集

CRISPR-Cas9のような技術により、育種家は植物の遺伝子を正確に編集し、望ましい形質を導入したり、望ましくない形質を取り除いたりすることができます。ゲノム編集自体は選択育種ではありませんが、新しい変異を作成したり、欠陥を修正したりすることで、選択育種を補完することができます。

植物育種の未来

植物育種は、21世紀に多くの課題に直面しています。

• 気候変動：干ばつ、暑さ、洪水などの増加を含む、変化する気候に適応した品種の開発。
• 新たな病気や害虫：新しく進化する病気や害虫に耐性のある品種の開発。
• 食料需要の増加：増加する世界の人口からの食料需要の高まりに対応するために、作物の収量を増やす。
• 持続可能な農業：より持続可能で、水、肥料、農薬の使用量を減らす品種の開発。
• 栄養安全保障：栄養不良と微量栄養素欠乏に対処するために、作物の栄養価を改善する。バイオフォーティフィケーション（育種または遺伝子工学を通じて作物の栄養価を高めるプロセス）は、栄養安全保障を改善するための重要な戦略です。

これらの課題に対処するために、植物育種は革新を続け、新しい技術を採用する必要があります。これには、ゲノミクス、ゲノム編集、ハイスループット表現型解析などの高度な技術の使用が含まれます。また、新しい品種が地域の条件によく適応し、農家のニーズを満たすように、育種家、研究者、および農家の間の連携を促進する必要があります。

倫理的考慮事項

植物育種は、いくつかの倫理的考慮事項も提起します。

• 種子へのアクセス：農家が手頃な価格で高品質の種子にアクセスできるようにする。種子会社は、新しい品種の特許を取得することが多く、アクセスを制限したり、種子のコストを増やしたりする可能性があります。
• 遺伝的多様性：作物における遺伝的多様性の保全。いくつかの高収量品種の広範な採用は、遺伝的多様性の喪失につながり、作物が病気や害虫に対してより脆弱になる可能性があります。
• 小規模農家への影響：新しい品種が発展途上国の小規模農家に利益をもたらすようにする。一部の新しい品種では、小規模農家がアクセスできない高価な投入物または管理方法が必要になる場合があります。
• 透明性と国民の関与：植物育種に関する議論に国民を関与させ、プロセスが透明で説明責任があるようにする。

これらの倫理的考慮事項に対処することは、植物育種がより持続可能で公平な食料システムに貢献することを保証するために不可欠です。

結論

選択育種は、植物を改善するための強力なツールであり、食料生産の増加と人間の幸福の向上において重要な役割を果たしてきました。選択育種の原則と技術を理解することで、育種家は、より生産的で、耐病性があり、変化する環境に適応できる改良品種を開発できます。気候変動や世界的な人口増加などの新たな課題に直面する中で、植物育種は、食料安全保障と持続可能な未来を確保するために不可欠であり続けます。最新の技術の統合と、倫理的で持続可能な慣行へのコミットメントは、すべての人にとって植物育種のメリットを最大化するために不可欠です。