主要普及成果

少ない窒素肥料で高い生産性を示す生物的硝化抑制(BNI)強化コムギの開発

背景・ねらい

近代農業は、工業的に固定した窒素を農地に投入することを基盤としている。しかし、アンモニア態窒素として投入した窒素の過半は、作物に利用されず農地外へと溶脱・流出している。窒素の損失の多くは、土壌細菌による硝化を原因としており、生成物の硝酸態窒素は、水圏環境の悪化を引き起こすと共に、その後の窒素循環によりCO₂の298倍の温室効果のあるN₂Oが生じる。植物が根から硝化を抑制する物質を分泌し、土壌窒素の溶脱を防ぐBNIは、熱帯牧草の機能として2009年に世界に先駆けて国際農研が証明し、作物への展開が期待されている。BNIを食料システムに応用することで、窒素を土壌に留め、作物の窒素利用効率を向上させることが出来る。これにより、少ない窒素投入で高い生産性を確保できると共に、窒素の損失に伴う環境汚染を低減でき、地球温暖化の緩和に繋がる。コムギは三大作物の１つで、世界で最も広く栽培されると共に、最も多くの窒素が投入される作物であるが、BNI能の高い品種は現在まで見出されていない。このため、高いBNI能を示す野生コムギ遺伝資源の活用によるBNI能の強化により、生産力向上と持続性の両立を図る。

成果の内容・特徴

属間交配によりコムギの3B染色体短腕を野生コムギ近縁種オオハマニンニク(Leymus racemosus) n染色体短腕に置き換えることで、コムギのBNI能強化が期待できる。（図1）
多収国際コムギ品種”Munal”にオオハマニンニク由来のBNI能を導入した系統(BNI強化Munal)では、BNI能が親系統の根乾物1g、1日あたり92.7±12.1 ATU（アリルチオ尿素当量; 硝化抑制の程度を示す）から、181.7±12.1 ATUとなり、２倍程度に強化され、圃場での根圏土壌硝化菌数の抑制、硝化速度の低下、N₂O排出量の低下（図2）で、環境負荷が低減される。
BNI能強化に伴い、コムギの窒素代謝が変化し、葉の硝酸量、硝酸還元酵素活性の低下（図3）や、グルタミン合成酵素活性の上昇など、アンモニア態窒素を活用する代謝が活発になる。さらに、低窒素施肥条件では、地力窒素からの窒素取り込み能が向上する。
“BNI強化Munal”と親系統のMunalを比較するとバイオマス生産量、子実収量、窒素吸収量は施肥量に関わらず、有意に高くなり、250 kg/haから100 kg/haに6割の窒素施肥量を削減しても子実収量（図4）、穀粒のタンパク質含量、製パン特性（図5）について有意差がない。

成果の活用面・留意点

多収国際コムギ品種に導入されたオオハマニンニクn染色体短腕は、戻し交配により地域の特性に適合した品種へ導入することができ、BNI能を持つ品種を世界各地で育成できる。
BNI能を示すn染色体短腕には、野生コムギに由来する他の遺伝子も座乗することや、BNI能の発揮に土壌条件（pHなど）等の影響があることに留意が必要。

具体的データ

図1 BNI強化コムギ（例:BNI強化Munal）
図2 BNI強化Munal根圏土壌からのN₂O排出量
根圏土壌からのN₂O排出は約25%抑制される。
図3 BNI強化によるコムギの窒素代謝の変化
BNI強化コムギはアンモニア態窒素を選好する。
図4 異なる施肥水準における子実収量
250 kg/haの親系統と100 kg/haのBNI強化コムギの収量に有意差はない。
図5 BNI強化コムギの製パン特性
BNI強化コムギも親系統と同様にパンに加工可能。

図はSubbarao et al. (2021)より改変（転載・改変許諾済）