遺伝子組み換え樹木

パルプ・製紙業界のいくつかの企業や組織（ArborGen ^{[ 17 ]} GLBRC ^{[ 18 ]}など）は、植林木（特にユーカリやポプラ^{[ 19 ]} ）のリグニン含有量を変化させるためにGM技術を利用することに関心を持っている。植林木のリグニンを遺伝子組み換えによって減らすことで、パルプ製造コストを1立方メートルあたり最大15ドル削減できると推定されている。^{[ 20 ]}木材繊維からのリグニン除去は従来、高価で環境に有害な化学物質に依存している。^{[ 21 ]}低リグニンGM樹を開発することで、パルプ製造および漂白プロセスに必要な投入量が少なくなることが期待されており、^{[ 22 ]}そのため、低リグニンGM樹から供給される製紙工場は、周辺の生態系やコミュニティへの影響を軽減できる可能性がある。^{[ 23 ]}しかし、リグニンの減少は植物の構造的完全性を損ない、風、雪、病原菌、病気に対する感受性を高める可能性があると主張されており、^{[ 24 ]}そのため、従来のプランテーションよりも多くの農薬の使用が必要になる可能性がある。 ^{[ 25 ]}これは正しいことが証明されており、コロンビア大学が採用した代替アプローチが開発された。このアプローチは、代わりに化学的に不安定な結合を導入すること（トウキの遺伝子を挿入することによって）であり、これによりリグニンがはるかに簡単に分解される。^{[ 26 ]}この新しいアプローチにより、樹木のリグニンは100℃の温度で弱塩基で処理すると簡単に分解されるだけでなく、樹木は成長の可能性と強度も維持した。^{[ 27 ]}

遺伝子組み換えにより、樹木は非生物的ストレスに対処できるようになり、地理的範囲が拡大する可能性がある。^{[ 28 ]}南米のプランテーションで使用するための耐凍性遺伝子組み換えユーカリの木は、現在、そのような目的を念頭に置いて屋外で試験されている。樹木バイオテクノロジー企業であり、パルプ・製紙会社のルビコン（ニュージーランド）、ミードウェストバコ（米国）、インターナショナルペーパー（米国）の合弁会社であるアーバージェン^{[ 29 ]}がこの研究を主導している。^{[ 30 ]}これまでユーカリの栽培はフロリダの南端でのみ可能であったが、耐凍性により栽培範囲は大幅に北方に拡大するだろう。^{[ 31 ]}

果樹園の木は、小さく保つために、生育力の弱い台木を必要とします。遺伝子組み換えによって、木の生育力を弱め、完全に成熟したときの高さを低くすることで、台木をなくすことができる可能性があります。果樹園の木（リンゴ、ナシなど）の生育力に関与する遺伝子についての研究が行われています。 ^{[ 32 ] [ 33 ]}

科学者たちは、より多くのバイオマスを蓄積し、より速く成長できる樹木を開発している。2015年には、より大きな木材量と加速された成長をもたらす遺伝子組み換えユーカリ品種、イベントH421が、ブラジルで商業リリースの規制当局の承認を受けた。^{[ 34 ] [ 35 ]}このイベントは、ブラジルのパルプ・製紙会社Suzanoが所有するバイオテクノロジー企業FuturaGeneによって開発され、2000年にアグロバクテリウム・ツメファシエンス媒介組換え技術によって作成された。この技術では、植物Arabidopsis thaliana由来のcel1遺伝子が、ハイブリッドEucalyptus grandis × E. urophyllaのゲノムに挿入された。この遺伝子は、成長中の細胞壁の再構築に関連する酵素エンド-(1,4)-β-グルカナーゼCel1をコードしている。 ^{[ 34 ]}エンドグルカナーゼは、植物細胞壁の構造成分である非結晶セルロースとキシログルカンの領域で結合を切断することによって作用します。このプロセスにより、これらの繊維間の架橋が減少し、細胞壁マトリックスの柔軟性が高まり、細胞の膨張と伸長が促進されます。^{[ 36 ] [ 37 ]}シロイヌナズナでは、Cel1酵素は急速に成長する若い組織で高発現しており、細胞伸長に不可欠です。^{[ 38 ] [ 39 ]}このメカニズムをユーカリに導入すると、細胞壁の可塑性が向上し、細胞がさらに膨張してより多くのバイオマスを蓄積できるようになりました。^{[ 34 ]} FuturaGeneの最高経営責任者であるスタンレー・ハーシュは次のように述べています。「私たちの木はより速く、より太く成長します。私たちは誰よりも先を行っています。私たちは、従来の育種で育てられたものよりも、木の収量と成長率を高めることができることを示しました。」^{[ 40 ]}

マンチェスター大学生命科学部の研究者たちは、ポプラの木のPXYとCLEと呼ばれる2つの遺伝子を改変しました。これらの遺伝子は、木の幹の細胞分裂の速度を司っています。その結果、木は通常の2倍の速さで成長し、より高く、より幅広くなり、葉も多くなりました。^{[ 41 ]}

生態学的動機に基づく遺伝子改変の研究が進行中である。アメリカグリ^{[ 42 ]}（クリ胴枯病を参照）やイングリッシュエルム^{[ 43 ]}（ニレ立枯病を参照）などの樹木に病害抵抗性を持たせ、野生に再導入することを目的とした計画が進行中である。特定の病気により、これらの象徴的な種の個体数は減少しており、野生ではほとんど失われている。これらの種に病害抵抗性を持たせるために、遺伝子改変は従来の育種技術と並行して進められている。 ^{[ 44 ]}

Btユーカリは、特に食葉性鱗翅目昆虫による害虫の攻撃に抵抗するように開発された遺伝子組み換え品種です。^{[ 45 ]}これらの害虫は生産性を大幅に低下させ、年間最大40%の損失をもたらす可能性があり、^{[ 46 ]}木材の品質やパルプ生産にも悪影響を及ぼします。 ^{[ 47 ]} FuturaGene社は、バチルス・チューリンゲンシス（Bt）菌から3つの遺伝子をユーカリに導入しました。この細菌は、特定の毛虫の腸を特異的に標的とするCryと呼ばれる殺虫性タンパク質を生成します。Btユーカリの場合、Cry1Ab、Cry1Bb、Cry2Aa遺伝子が導入され、食葉性害虫に対する幅広い保護が確保されています。^{[ 45 ]} Btイベント1521K059は、2023年にCTNBioによって承認されました。^{[ 48 ]}

FuturaGene社は、除草剤グリホサート耐性遺伝子組み換えユーカリを開発し、ブラジルで商業利用の承認を得ました。^{[ 49 ]}これらのGMイベントは、^{グリホサート}によって阻害されない細菌アグロバクテリウム・ツメファシエンスのCP4株から、必須アミノ酸であるフェニルアラニン、チロシン、トリプトファンの合成に関与する酵素5-エノールピルビルシキミ酸-3-リン酸シンターゼ（EPSPS）^{のバージョンを発現する}cp4-epsps遺伝子^{を受け継い}でいます。^{[ 50 ] [ 52 ] [ 53 ]}

2002年、中国国家林業局は、商業利用を目的とした遺伝子組み換えポプラを承認した。^{[ 54 ]}その後、中国では140万本のBt（殺虫剤）産生遺伝子組み換えポプラが植えられた。これらは木材としての利用と、砂漠化を阻止することを目的とした中国の「緑の壁」プロジェクトの一環として植えられた。^{[ 55 ]}報告によると、遺伝子組み換えポプラは当初の植栽地域を超えて広がり^{[ 56 ]}、在来種のポプラがBt遺伝子に汚染されているという。^{[ 57 ]}これらの展開には懸念があり、特に殺虫剤産生特性がポプラに選択上の利点を与え、高いレベルの侵略性を可能にする可能性があるためである。^{[ 58 ]}

2015年、木材の体積が大きい遺伝子組み換えユーカリ品種H421が、ブラジルの国家バイオセーフティ技術委員会（CTNBio）から商業販売の規制承認を受け、世界で初めて承認された遺伝子組み換えユーカリとなった。^{[ 34 ]}その後、害虫抵抗性や除草剤耐性などの特性を組み込んだ他の遺伝子組み換えユーカリ品種も同国で承認された。^{[ 59 ]}