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Research Activities

Research Projects

Plant Science Research for Global Food Security

Overview

Leader Hiroshi Ezura, Professor, Life & Environmental Sciences, University of Tsukuba
Researcher Tohru Ariizumi, Associate Professor, University of Tsukuba, Jocelyn K.C. Rose, Professor, Cornell University, James J. Giovannoni, Professor, USDA/Cornell University
Term July 2015 - March 2016
Research Outline

 Establishment of food security is a global issue. Trends show global population has been increasing rapidly, and with it the need to increase global food production becomes an urgent issue. Currently, Japan’s food self-sufficiency rate is 40% which is predicted to increase up to 50% in 2030. However, Japan is aging more rapidly than anywhere else in the world. Even in such a situation, we need to increase food production up to 50% of food self-sufficiency rate while we need to ensure the rest (50%) of the food sources from abroad. The US has contributed significantly as global food supplier to date, and is expected to greatly contribute more to this global issue in the future.
 In this project, we intend to summarize research projects related to increased food production between the US and Japan, and pick out priority research projects which contribute to establish global food security. We will propose research policies to funding agencies and government, and also submit related research projects in on-going programs in both countries.

Report

Leader Hiroshi Ezura, Professor, Life & Environmental Sciences, University of Tsukuba
Researcher Tohru Ariizumi, Associate Professor, University of Tsukuba, Jocelyn K.C. Rose, Professor, Cornell University, James J. Giovannoni, Professor, USDA/Cornell University
Term July 2015 - March 2016
Achievements Outline

Establishment of food security is a global issue. Trends show global population has been increasing rapidly, and with it the need to increase global food production becomes an urgent issue. Currently, Japan’s food self-sufficiency rate is 40%, which is predicted to increase up to 50% in 2030. However, Japan is aging more rapidly than anywhere else in the world. Even in such a situation, we need to increase food production up to 50% of food self-sufficiency rate while we need to ensure the rest (50%) of the food sources from abroad. The US has contributed significantly as global food supplier to date, and is expected to greatly contribute more to this global issue in the future.

In this project, we intend to summarize research projects related to increased food production between the US and Japan, and pick out priority research projects which contribute to establish global food security. We will propose research policies to funding agencies and government, and also submit related research projects in on-going programs in both countries.

Activity Contents

[2015]
Aug: Preparation of detailed research plan at the University of Tsukuba.
Sep: Joint application to JSPS Core-to-Core Program (Title: Initiative for in-silico fruit design, Applicants: University of Tsukuba, Cornell University, INRA-Bordeaux, National Taiwan University)
Sep-Dec: Research investigation. As necessary, exchange ideas by e-mail and TV conferences between Japan and US.
[2016]
Feb 24: Workshop in Washington DC to share ideas and results.

[Results of Research]
Shinozaki Y, Hao S, Kojima M, Sakakibara H, Ozeki-Iida Y, Zheng Y, Fei Z, Zhong S, Giovannoni JJ, Rose JK, Okabe Y, Heta Y, Ezura H, Ariizumi T.(2015) Ethylene suppresses tomato (Solanum lycopersicum) fruit set through modification of gibberellin metabolism. Plant J. 83(2):237-251.
Mubarok S, Okabe Y, Fukuda N, Ariizumi T, Ezura H.(2015) Potential use of a weak ethylene receptor mutant, Sletr1-2, as breeding material to extend fruit shelf life of tomato. J Agric Food Chem. 63(36):7995-8007.
Shinozaki Y, Ezura H, Ariizumi T.(2016) The role of ethylene in the regulation of ovary senescence and fruit set in tomato (Solanum lycopersicum).Plant Signal Behav.(In press) DOI:10.1080/15592324.2016.1146844

Relative URL(s)

http://www.us-jpri.org/en/week/feb2016#event3

Policy Paper

Leader Hiroshi Ezura, Professor, Life & Environmental Sciences, University of Tsukuba
Researcher Tohru Ariizumi, Associate Professor, University of Tsukuba, Jocelyn K.C. Rose, Professor, Cornell University, James J. Giovannoni, Professor, USDA/Cornell University
Term July 2015 - March 2016
Title 食料安全保障に貢献する食料ロスを低減する研究の推進

人々が健康な生活を送るために必要な食料を持続的に供給可能とする食料安全保障の確立は、世界的に喫緊の課題である。世界の人口は、今後も大きな増 加が見込まれ、2050年には90億人を超えると予想されている。途上国の経済発展に伴い、澱粉質中心からタンパク質・油脂を大量摂取する食生活へと質的 な変化が起こっている。それに伴って、家畜飼料の需要が増大し、飼料作物を含めて農作物の生産量を倍増することが必要であると予想されるため、直接・間接 的に消費可能な食料を速やかに増加することは地球規模で解決すべき重要課題となっている。

食料需給は、地域的に見れば異なる様相を呈してお り、地域の実情にあった方策、地域が連携する方策が必要である。例えば、我が国の食料自給率は急速に低下し、現在40%前後で推移しているが、今後50% まで増加する目標を掲げている。我が国では、急激な少子高齢化が進行する環境で如何に50%の食料自給率を達成するか、さらに残り50%の食料を国外から 如何に安定して確保するかが重要課題となってくる。国内的には、少ない生産人口・量力で高い生産性を達成すること、国外的に食料需要が増大する世界の中で 必要な食料を確保し、国内に供給するかの戦略が必要な状況になっている。一方、米国は、食料輸出国として世界の食料需要に永く貢献してきているが、世界の 人口増加に伴い、今後、一層、大きな貢献、つまり生産性の向上が期待される。

食料の増産・増加は、特に農作物に着目すると、2つの戦略が考 えられる。1つ目の戦略は、文字通り、農作物の生産量を増やす方法である。過去50年間の世界の人口を見ると、1960年代に約30億人だった人口が 2010年代には約70億人に増加している。この間、人類は、3つの方法で人口増加に見合った食料増産を何とか達成してきている。1つ目は灌漑の充実によ る農耕地面積の拡大、2つ目は化学肥料の多用による単収の向上、そして3つ目は半矮性形質の利用(緑の革命のコムギやイネが事例)、F1品種(トウモロコ シへのF1技術の導入)、遺伝子組換え作物の導入(除草剤耐性ダイズ、害虫抵抗性トウモロコシ、除草剤耐性ナタネ、害虫抵抗性ワタなど)を含めた品種改良 による収量性(単収)の向上である。しかし、1つ目の戦略は利用可能な水(淡水量)が世界的に不足している現状を考えると、限界にきており、2つ目の戦略 についても化学肥料の多用により農耕地の劣化を引き起こしており、持続的農業生産の維持という点からやはり限界が見えてきている。3つ目の戦略についても 従来の交雑育種のみでは、飛躍的な単収の向上は難しいと考えられている。そこで、少ない灌水で収量性を向上させる栽培技術や乾燥耐性作物の育種研究が行わ れている。また微生物などの力を借りて有機肥料や残存肥料を効率的に利用する農業技術や品種の開発も行われている。さらに、品種改良では、新しい育種技術 (遺伝子組換え、ゲノム育種、ゲノム編集など)なども活用し、光合成効率、水利用効率、肥料の利用効率向上などを図り、農作物の単収を飛躍的に向上させる 研究開発が世界中で進行している。

消費可能な食料を増加する2つ目の戦略は、生産した農作物の廃棄ロス・流通ロスを大きく低減する方法であ る。この戦略によれば、現在の生産性や単収を大幅に向上することなく、現状の生産性のままでも、消費可能な食料を増やすことが期待でき、短期的に食料増加 を達成できる。例えば、トマトの場合、日本では全生産量のうち、収穫後に消費されずに廃棄ロスされる量が3割とも4割とも推定されている。さらに、収穫後 の流通システムが不十分な温暖(あるいは熱帯・亜熱帯)地域では、5割以上が消費されずに廃棄されてしまうと推定されている。従って、この収穫後の廃棄ロ スを何らかの方法で低減できれば、現状の生産量のままでも消費可能な食料を大幅に増加できることが期待される。このような視点から、農作物の収穫後ロスを 低減する研究開発は、世界的な食料安全保障の確立という課題を達成する上で極めて重要な研究である。また、この農作物の収穫後ロスの低減という課題は、人 口増加が顕著な途上国において一層に重要課題となっている。一方、研究開発という点からは基礎研究においても、開発した成果の社会実装研究においても先進 国が大きくリードしており、今後、先進国及び途上国の双方を含めた国際研究ネットワークの構築とその成果の社会実装研究が益々必要になる。

農 作物の廃棄ロスを低減する基盤となるポストハーベスト研究が精力的に行われてきており、その結果、植物自らが生成するエチレンガスが破棄ロスの主要な原因 となっていることが明らかになっている。加えて、植物は自らエチレンガスの生成量と感受性を制御し、日持ち性を制御していることも知られている。さらに、 エチレン生合成及び感受性制御に関わる遺伝子も詳細に研究されており、本研究代表者・江面浩(筑波大学・教授)及び研究関係者・ジョスリン・ローズ(コー ネル大学・教授)、ジェームズ・ジョバノニ(USDA/コーネル大学・教授)らは、その中核的研究者である。

本研究代表者らは、自ら作成し た世界最大規模の実験トマト変異体集団を活用し(Saito et al., 2011; Shikata et al., 2016)、トマトの収穫後生理研究を進め、エチレン感受性制御に関わる遺伝子(エチレン受容体遺伝子)の特定の場所に簡単な突然変異が導入されること で、トマトの重要機能性成分(リコペン、βカロテンなど)の蓄積や耐病性の低下を引き起こさずに、トマト果実の日持ち性が飛躍的に向上できることを見出し ている(Okabe et al., 2011)。さらに、得られた変異体が品質に優れ、日持ち性が良いトマト栽培品種の開発に有効であることが立証されている(Mubarok et al., 2015; Mubarok et al., 2016)。このような従来育種の方法によりトマトの日持ち性改良に取り組んだ場合、実用品種の開発には10年以上の歳月を要する結果となった。研究代表 者らは、同様の日持ち性改良を短期間に実行可能とするため、日本政府が重点研究開発として実施している「戦略イノベーション創造プログラム(SIP)」 (担当:内閣府)の中で、ゲノム編集技術を活用し、変異体で得られたものと同様の遺伝子変異を実用品種に再現し、効率的に超日持ち性トマト品種を開発する 研究開発に取り組んでいる。エチレンにより日持ち性が制御されている現象は、園芸作物を中心とした農作物では共通の現象であり、先行するトマトの研究で得 られた日持ち性を向上する制御技術は、それらの農作物にも広く適用可能と期待できる。それにより、可処分食料の量を現状の生産性のままでも飛躍的に増加で きると考えられる。

食料ロスを低減する研究開発は、世界の食料安全保障を確立する上で極めて重要な研究分野である。特に、食料問題が顕在化 している途上国では食料ロスの問題は深刻である。一方、技術的には、先のトマトの開発事例で示した通り、収穫後ロスを低減できる日持ち性改良は社会実装可 能なレベルに達している。この技術を多くの農作物に展開して行くことで、急増する食料需要に応えることが可能になると期待される。今後は、社会ニーズと技 術シーズを適切にマッチングした国際連携による農作物の収穫後ロス抑制研究とその社会実装研究が必要である。

[参考文献]

Saito T, Ariizumi T, Okabe Y, Asamizu E, Hiwasa-Tanase K, Yamazaki Y, Fukuda N, Mizoguchi T, Aoki K, Ezura H (2011) TOMATOMA: A novel tomato mutant database distributing Micro-Tom mutant collections. Plant and Cell Physiology. 52(2): 283-296.

Okabe Y, Asamizu E, Saito T, Matsukura C, Ariizumi T, Bres C, Rothan C, Mizoguchi T, Ezura H (2011) Tomato TILLING technology: Development of a reverse genetics tool for the efficient isolation of mutants from Micro-Tom mutant libraries. Plant and Cell Physiology. 52(11): 1994-2005

Mubarok S, Okabe Y, Fukuda N, Ariizumi T, Ezura H.(2015) Potential use of a weak ethylene receptor mutant, Sletr1-2, as breeding material to extend fruit shelf life of tomato. J Agric Food Chem. 63(36):7995-8007.

Shikata M, Hoshikawa K, Ariizumi T, Fukuda N, Yamazaki Y, Ezura H (2016) TOMATOMA Update: Phenotypic and metabolite information of Micro-Tom mutant resource. Plant and Cell Physiology. 57(1): 1-10.

Mubarok S, Okabe Y, Fukuda N, Ariizumi T, Ezura H (2016) Favorable effects of the weak ethylene receptor mutation Sletr1-2 on postharvest fruit quality changes in tomatoes. Postharvest Biology and Technology. (In press).

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