著眼於未來：日本研究高濃度 "二氧化碳" 環境下的水稻品種

日本農研機構確認，通過雜交方式將高產水稻品種擁有的稻粒增加基因導入 「越光水稻」 後，在高濃度CO2條件下，產量仍可大幅增加。針對未來地球CO2濃度的上升，該成果將為培育CO2環境下的高產水稻品種做出貢獻。

自18世紀下半期產業革命開始至今，空氣中的CO2濃度在約250年間增加了40%，預計今後還會繼續上升。隨著空氣中的CO2濃度上升，水稻的光合作用產物增加，產量和生長能力隨之提高。不過，此前一直未確定在將來的高濃度CO2條件下，為增加產量而保存的品種應該具備哪些特性。

對此，農研機構利用能在室外實現高濃度CO2的開放式高CO2濃度實驗設施（FACE），構建了預計約50年後出現的高濃度CO2（較目前增加50%倍左右）環境，在這種環境里栽培通過人工雜交方式將高產水稻品種擁有的稻粒增加基因導入「越光水稻」中的品系，並對其產量和生長能力進行了調查。調查發現，在高濃度CO2條件下光合作用的產物，能更多地輸送至谷穗中，因此可以高產。

高產品種擁有的稻粒數量增加基因可以通過人工雜交方式輕鬆導入「越光水稻」等現有品種。所以，此次的研究成果，有助於培育適合未來的高濃度CO2環境的高產水稻品種。

【研究內容】

研發小組利用可在室外實現高濃度稻粒CO2的開放式CO2濃度增加實驗設施（照片1A、B），構建了CO2濃度比正常空氣大約高出 200ppm 的環境，通過人工雜交和DNA標記選擇的方式，將高產水稻品種 「Takanari」 擁有的稻粒數量增加基因APO1導入 「越光水稻」 中，栽培了近等基因置換品系「NIL-APO1」（照片1C），並對其產量和生長能力進行了調查。

照片1：開放式空氣CO2增加實驗設施（A、B）及試驗品種和品系（C）

水稻即使通過品種改良和栽培技術增加稻粒數量，但由於結實率會相應降低，依然存在產量不能如願增加的情況。在普通空氣條件下，擁有稻粒增加基因的「NIL-APO1」與不具備該基因的 「越光水稻」 相比，因稻粒數量較多，結實率有所降低，產量僅增加5％（圖1A～C）。而在高濃度CO2條件下，雖然稻粒數量很多，但結實率沒有降低，產量增加16％。

圖1：不同CO2濃度條件及不同品種和品系的精米產量（A）及產量構成要素（B、 C）

關於成熟期的水稻莖稈中所含的光合作用產物——非結構性碳水化合物（莖稈NSC）的含量，與普通空氣條件相比，「NIL-APO1」 和 「越光水稻」 的莖稈 NSC含量都是在光合作用旺盛的高濃度CO2條件下更高（圖2A）。不過，在高濃度CO2條件下對兩個品種及品系進行比較發現，「NIL-APO1」 的莖稈NSC含量比 「越光水稻」 低14％。

通過以上結果可以確認，在高濃度CO2條件下，「越光水稻」 由於稻粒數量有限，通過高濃度CO2增加的光合作用產物無法輸送至谷穗，所以留存在莖稈中，而 「NIL-APO1」 由於稻粒數量多，光合作用產物能快速輸送至谷穗，因此產量明顯增加（圖2B）。

圖2：不同CO2濃度及不同品種和品系水稻的成熟期莖稈中所含的光合作用產物非結構性碳水化合物（莖稈NSC）的量（A），以及高濃度CO2條件下的「NILAPO1」增收機理（B）

文 JST客觀日本編輯部

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