植物のミカタ

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RNAウイルスであるレトロウイルスが持つ逆転写酵素は、RNAからDNAを合成する酵素で、分子生物学研究に革命をもたらしました。遺伝子操作技術、特にmRNAワクチン開発には不可欠な存在です。遺伝子を増幅するPCR法にも、耐熱性を持つ逆転写酵素が利用されています。つまり、かつて人類に脅威だったウイルスが持つ酵素が、現在、医学や生物学の発展に大きく貢献しているのです。この事実は、ウイルスに対する見方を再考させ、自然界の相互作用の複雑さと生命の神秘を改めて認識させてくれます。

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アジサイの花の色はアントシアニジンという色素と補助色素、そしてアルミニウムイオンの有無によって決まる。アントシアニジン自体は赤色だが、補助色素が結合することで青色に変化する。さらに、土壌にアルミニウムイオンが豊富に存在すると、アジサイはアルミニウムイオンを吸収し、アントシアニジンと結合して青色の発色を強める。つまり、アジサイの青色は、アントシアニジン、補助色素、アルミニウムイオンの３つの要素が揃うことで現れる。逆に、アルミニウムイオンが少ない土壌では、アジサイはピンク色になる。

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アサガオの青色はアントシアニン色素によるが、幻の黄色いアサガオの謎をフラボノイドから探る。フラボノイドは黄色い化合物の語源を持ち、ミヤコグサの黄色はフラボノイドの一種ケルセチンによる。アサガオはケルセチン合成経路を持つものの、アントシアニン合成が優先される。淡黄色のアサガオはアントシアニン合成が欠損した変異体と考えられ、ケルセチン合成の増加で黄色が濃くなる可能性がある。アサガオの鮮やかな青はアントシアニンと補助色素のフラボノールの共存によるものかもしれない。

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チーズ製造に不可欠な凝乳酵素レンネットは、従来仔牛の胃から採取していたため屠殺が必要だった。しかし、微生物学と遺伝子工学の発展により、代替酵素が開発された。カビ由来の類似酵素の発見、そしてキモシン遺伝子を大腸菌や酵母に組み込み生産する技術の確立により、仔牛の屠殺を減らすことに成功した。チーズの歴史は、栄養価だけでなく、倫理的な問題解決にも科学の知恵が用いられた好例である。

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クオラムセンシングは細菌の細胞密度依存的な情報伝達機構であり、病原菌の病原性発現にも関与する。クオラムセンシングを阻害するクオラムクエンチングは、病害防除の新たな戦略として期待される。本稿では、クオラムクエンチング酵素、特にAHL分解酵素の多様性と応用について概説する。AHL分解酵素は、N-アシルホモセリンラクトン(AHL)を分解することでクオラムセンシングを阻害する。AHL分解酵素は多様な微生物から発見されており、その構造や基質特異性も様々である。AHL分解酵素は、組換えタンパク質として利用したり、遺伝子組換え植物に導入したりすることで、植物病害の防除に効果を発揮することが示されている。

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筆者は10数年前、大学院を休学し京丹後で無農薬・半自然栽培を行う師匠の元で住み込み研修を行った。師匠の野菜の美味しさを通して「美味しい野菜を知らない人が大半」という言葉を痛感する。研修中、最新研究で栽培が楽になるかという地元民からの質問に対し、大学での研究は栽培自体に興味がないため楽にならないと答えた。師匠の本棚にあった化学の本に着想を得て、米ぬかボカシを元に化学的なアプローチで栽培技術の向上を図るようになる。その後、肥料に関する知識を深め、京都農販の木村氏との出会いを通じて慣行栽培の化学にも触れる。各地で講演を行う中で、秀品率の高い生産者は貪欲に知識を取り入れ、技術を洗練させていることを知る。そして、情報の集約点には師匠の本棚にあった化学の本があったことを再認識し、2000回目の記事を締めくくる。

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緑の革命(1940～60年代)は、農薬、灌漑、合成窒素肥料、品種改良といった技術を発展途上国に広め、劇的な食糧増産を達成しました。中でもハーバー・ボッシュ法は、空気中の窒素からアンモニアを合成することを可能にし、肥料生産に革命をもたらしました。窒素ガス(N₂)と水素(H₂)からアンモニア(NH₃)を合成するこの方法は、高温高圧下で反応を進めることで、安定した窒素分子の三重結合を切断します。こうして得られたアンモニアは、硫安などの肥料の原料となり、植物の生育に不可欠な窒素を供給できるようになりました。この技術革新は、緑の革命の根幹を支え、世界的な人口増加を支える食糧生産を可能にしました。

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卵の黄身の鮮やかな色は着色料による人工的なものではなく、飼料の影響が大きい。カニ殻を与えた鶏の卵の黄身が鮮やかになったという例もあり、これは鶏が子に有用成分を与えている可能性を示唆する。黄身が白い方が良いという主張や、着色料＝人工的・不自然という短絡的な考えは、イノベーションを阻害する。飼料による着色の例として、トウモロコシは黄色く、飼料米は色が薄くなる。近年はパプリカなどの鮮やかな飼料も用いられている。重要なのは、手法や背景を理解せずに、名前だけで判断することの危険性である。

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グリホサートは、植物の必須酵素EPSPSを阻害する除草剤です。しかし、遺伝子組み換えにより、グリホサートを分解する酵素GOXを持つ、あるいはグリホサートが結合しない変異型EPSPSを持つ作物が作られました。前者が主流です。自然界でも同様の変異が起こっており、除草剤が効かない雑草の出現の原因となっています。これは、土壌細菌との遺伝子交換による可能性も示唆されています。

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筆者は、野菜の美味しさは栽培方法ではなく、光合成の効率に依存すると主張する。有機無農薬栽培でも、牛糞堆肥の過剰使用による塩類集積や、植物性有機物に偏った土壌管理は、ミネラル吸収を阻害し、光合成を低下させるため、美味しい野菜は育たない。逆に、農薬を使っていても、適切な土壌管理で光合成を促進すれば、美味しい野菜ができる。つまり、農薬の有無ではなく、栽培者の技術が美味しさを左右する。有機栽培で品質が落ちる例として、果実内発芽、鉄欠乏による病害、硝酸態窒素の還元不足などを挙げ、美味しい野菜作りの要諦は、光合成を最大限に高める土作りにあると結論づけている。

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堆肥の悪臭、特にアンモニア臭を鉄で消臭する方法について解説しています。アンモニアは鉄イオンと反応し、アンミン錯塩という錯体を形成、沈殿することで揮発を防ぎます。記事では二価鉄の使用が前提となっていますが、堆肥中の酸化還元反応により三価鉄も生成されるため、どちらにしろアンモニアを捕捉すると考えられます。つまり、鉄を加えることでアンモニアが堆肥内に封じ込められ、悪臭を抑制できるということです。

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大学時代から愛用する植物図鑑で、ヨルガオの白い花弁の秘密を知った。白い花弁は細胞間の空気が光を反射することで白く見え、真空状態にすると透明になるという。今まで白は色素だと思っていたが、空気の反射だと知り、色のメカニズムへの理解が変わった。白は色の出発点ではなく、無色透明な状態に色素が加わることで様々な色が生まれるのだ。この発見に感動しつつも、ヨルガオと真空装置がないため、実際に試せないことが悔しい。学生時代に知っていれば、研究室で実験できたのに。

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遺伝子組み換えで、組み込んだ遺伝子が必ず発現するとは限らない。発現は転写因子という領域によって制御されている。確実に発現させるには、遺伝子と共に強制的に発現させる配列を組み込む。例えば、ウイルス由来の制御配列を使う。これは、ウイルスが宿主細胞内で自身の遺伝子を強制的に発現させる仕組みを利用したもの。具体的には、目的の遺伝子とウイルス由来の制御配列をプラスミドに挿入し、細胞に導入する。この手法は、遺伝子組み換え作物でよく使われており、異なる生物の遺伝子を組み合わせるという理解につながるが、制御配列も遺伝子の一部である。

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遺伝子組み換えは、特定の遺伝子の機能を調べる研究手法として利用される。例えば、青いアサガオの鮮やかな青色色素に関わる遺伝子を特定し、その遺伝子を薄い青色のアサガオに導入することで、遺伝子の機能を検証する。導入後、花色が鮮やかになれば、その遺伝子が青色色素合成に関与していることが証明される。しかし、遺伝子組み換え作物において、導入された遺伝子が植物にとって有益に働くことは稀である。遺伝子が活用される保証はなく、F1種子における課題も存在する。つまり、遺伝子組み換えは研究ツールとしては有効だが、作物改良においては、導入遺伝子の効果が限定的である可能性が高い。

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納豆菌が生成するナットウキナーゼは、ヒトの血栓を溶解する効果があり、同時に含まれるビタミンK2が過剰な溶解を抑制する。これは、納豆菌が周囲のタンパク質を分解するためにナットウキナーゼを合成し、ポリグルタミン酸生成に必要なグルタミン酸を得ているためだと推測される。非殺虫性のBT菌も同様に、特定の物質を分解するために酵素を合成している可能性が考えられる。つまり、これらの菌が生成する酵素は、人間に有益な効果をもたらすが、本来は菌自身の生存戦略の一環として機能していると考えられる。

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非殺虫性のバチルス・チューリンゲンシス菌が生成する結晶性タンパク質「パラスポリン」が、ヒトの癌細胞を選択的に破壊することが九州大学の研究で判明した。このタンパク質は、培養した癌細胞を顕微鏡で観察すると破壊していく様子が確認できる。この発見は、以前話題になった遺伝子組み換え作物と土壌微生物の関係性を見直す契機となるかもしれない。土壌微生物が哺乳類に作用するタンパク質を生成する理由は不明だが、パラスポリンの安全性検証が進めば、癌治療や遺伝子組み換え作物の活用に新たな展開が期待される。

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農薬不使用のオーガニック栽培において、作物自身がBT毒素に似た殺虫性を持つ現象が確認された。これは遺伝子組み換え作物ではなく、F1品種で発生した。土壌中の細菌との共生により、作物がBT毒素を獲得した可能性が高い。つまり、オーガニック栽培でも、遺伝子組み換え作物と同様に植物以外の遺伝子が入り込み、同じ殺虫成分を持つことがある。オーガニック栽培で抵抗性獲得は大規模化が難しく、時間もかかるが、作物の味は圧倒的に優れる。ストレスが少ない環境で育つため、苦味成分が少ないためだ。自然の力を最大限に活かしたオーガニック栽培は、遺伝子組み換え技術とは異なるアプローチで同様の結果をもたらす可能性がある。

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BT剤は、バチルス・チューリンゲンシス菌由来の殺虫性タンパク質で、チョウやガの幼虫に効果がある。昆虫のアルカリ性腸内で活性化し、臓器を破壊するが、ヒトの酸性腸内では無毒とされる。BT剤の遺伝子は単離されており、アグロバクテリウム法を用いて他の植物に導入可能。害虫抵抗性を持つBT作物（BTトキシン産生作物）は、この遺伝子組み換え技術の代表例である。

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師匠の広大な無農薬畑で、アブラナ科作物の葉の上でミイラ化したイモムシが多数発見された。これは、作物自身が虫への抵抗性を得たことによるものと思われた。師匠曰く、土壌の状態が良くなるにつれ、この現象は頻繁に見られるようになり、しかも虫食い痕が目立つ前にイモムシが死ぬとのこと。周囲の農薬の影響や師匠による隠れた農薬使用の可能性は無い。この現象はBT剤という生物農薬の効果に似ているため、次回BT剤について掘り下げる。

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遺伝子組み換え作物への抵抗感について考察。第一世代の除草剤耐性や害虫抵抗性といった生産者側のメリットに注目した遺伝子組み換えに対し、第二世代は栄養価向上や免疫向上といった消費者側のメリットを重視している。仮に癌軽減効果を持つ物質を産生する遺伝子組み換え作物が開発された場合、健康への直接的な恩恵があっても、依然として「非生物的」「異種遺伝子」といった理由で拒否反応を示す人がいるだろうか？物質を抽出する形であれば抵抗感は減るだろうか？遺伝子組み換え技術に対する議論は、今後このような安全性と健康効果のバランスに関する論点に移行していくと予想される。

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従来の遺伝子組み換え（アグロバクテリウム法）は、特定の細胞を改変後、培養して個体に育てる手間があった。これに対し「フローラルディップ法」は、開花前の蕾にアグロバクテリウムを感染させ、受粉・受精を経て得られた種子から直接遺伝子組み換え株を育成できる。これにより、面倒な細胞培養が不要となる。 筆者は、遺伝子組み換えは微生物の特性を最大限に活用するもので、イメージされる精密なメス操作とは異なると指摘。植物に他生物の遺伝子が入ることも自然な現象と強調し、医学的応用が進む中で、遺伝子組み換えへの最低限の理解が不可欠だと訴える。

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アグロバクテリウム法による作物遺伝子組み換えは、同細菌のプラスミドを利用する。まずプラスミドから毒性遺伝子を除去し、目的遺伝子と薬剤耐性遺伝子を挿入する。改変プラスミドをエレクトロポレーション法でアグロバクテリウムに導入後、作物に感染させる。感染部位をカルス化させ、シャーレ上で培養しクローン植物を育てる。実際には煩雑なため、この方法は行われておらず、より簡便な手法が存在する。

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細菌の中には、薬剤耐性などの情報を担うプラスミドという環状DNAを持つものがある。プラスミドは細胞分裂時に自己複製され、細菌同士でF因子というプラスミドをやり取りする現象も存在する。プラスミドを持つ細菌は、持たない細菌より分裂速度が遅く、薬剤がない環境では生存競争に不利となりプラスミドを捨てることもある。しかし一部の細菌がプラスミドを保持するため、薬剤への耐性は完全には失われない。アグロバクテリウムによる遺伝子組み換えも、このプラスミドの移動を利用している。

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遺伝子組み換えは人工的なものと誤解されがちだが、自然界でも日常的に起こっている。例えば、アグロバクテリウムという細菌は植物の根に感染し、自身の遺伝子を植物のDNAに組み込み、根こぶを形成させる。これは、種を越えた遺伝子組み換えが自然界で起こっている例である。つまり、植物のDNAに他の生物の遺伝子が組み込まれることは不自然なことではない。遺伝子組み換え技術はこのような自然界のメカニズムを利用しているが、詳細はまた別の機会に。

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F1種子は遺伝子組み換えではなく、統計的な手法で品質管理された種子である。自家採種は可能だが、品質維持は困難で、むしろ採算に合わない。種採り用の株は畑の一部を占拠し、全体への堆肥散布や耕作の効率を下げ、次作の秀品率低下につながる。大型機械の運用にも支障が出て人件費が増加する。結果的に利益率が低下し、種代が相対的に高く感じ、更なる自家採種に繋がる悪循環に陥る。高品質な野菜生産を目指すなら、種子購入は有効な選択肢と言える。

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悪臭の原因物質にはアンモニア、トリメチルアミン、メチルメルカプタン、低級脂肪酸などがある。特にプロピオン酸は悪臭を放つ低級脂肪酸の一種。プロピオン酸は炭酸水素ナトリウムと反応して塩（プロピオン酸ナトリウム）になり、気化しなくなるため臭いを感じなくなる。塩は親水性のミセル構造を形成し、水に溶けやすいため洗い流せる。つまり、重曹などで中和すれば悪臭成分を移動・除去できる。同様の原理でクエン酸カリウムなどの塩も消臭効果を持つ。