多年生穀物

多年生穀物は、ほとんどの穀物や一年生作物のように収穫前の1シーズンのみ生育するのではなく、2年以上生存し、生産性を維持する穀物作物です。多くの果物、木の実、飼料作物は長命の多年生植物ですが、現在大規模農業で使用されているすべての主要な穀物作物は一年生植物または一年生植物として栽培された短命の多年生植物です。いくつかの国の科学者は、今日の穀物作物の多年生バージョンが開発され、これらの多年生穀物によって穀物農業がより持続可能になる可能性があると主張しています。^{[1] [2] [3] [4]}

2005年の国連ミレニアム生態系評価プログラムの総合報告書では、農業は「あらゆる人間活動の中で生物多様性と生態系機能に対する最大の脅威」であるとされています。^[4]多年生穀物は、次の論理によれば、この脅威を軽減できる可能性があります。

• 農地のほとんどは穀物の生産に使われており、穀物、油糧種子、マメ科作物は米国の耕作地の75％、世界の耕作地の69％を占めています。これらの穀物には小麦、米、トウモロコシなどの穀物が含まれ、これらを合わせると人間の食物カロリーの70％以上を供給します。^[5]
• これらの穀物作物はすべて現在、一般的に耕作地に植えられる一年生植物です。
• 頻繁な耕作は土壌の喪失や劣化の危険にさらされる。^[4]
• 現在の食糧生産が将来の食糧生産の可能性を損なうという農業の「中心的なジレンマ」^{[6]は、毎年土壌を耕す必要のない多年生穀物作物を開発することで回避できる可能性がある。}不耕起技術により、短命（一年生）作物をそれほど激しい耕作なしで栽培できるが、多年生植物は土壌を最も保護する。^[7]

現在の農業システムは主に一年生草本植物で構成されている。一年生システムは耕作や農薬や肥料などの化学物質の使用に大きく依存しており、そのため侵食、富栄養化、化石燃料の使用などの持続可能性の問題の一因となっている。多年生穀物の開発は農業の持続可能性を向上させる可能性がある。^{[8] [9] [1] [5]} 一年生システムとは対照的に、多年生システムには深く長寿命の根を持つ植物が関与する。多年生システムは耕作に依存せず、化学物質の使用への依存を減らし、土壌を健全にし、炭素を隔離することができる。^{[1] [8]}

一年生作物は1万年近くも前から栽培化されているが、商業用の多年生穀物はまだ開発されていない。農業革命の時期に多年生穀物が一年生穀物と一緒に栽培化されなかった理由は正確にはわかっていない。[ ^{10] [11]}一年生植物の方が栽培化されやすかったのにはいくつかの理由があるかもしれない。第一に、野生の一年生植物は一般に野生の多年生植物よりも単年の収穫量が多いため、初期の栽培化の取り組みではより容易な対象であったと考えられる。一年生植物の適応度は単年の生殖出力に依存するため、一年生植物は自然に種子生産（通常、農業にとって関心のある産物）に重点を置いた投資を行っている。対照的に、多年生植物はどの年でも種子生産と越冬生存のバランスを取らなければならないため、年間の収穫量が低くなる傾向がある。^[11]第二に、一年生植物は世代時間が短いため、人為的選択のプロセスによる利益が早く得られる。^[11]第三に、初期の農業では、翌年の作物のために畑を耕作していたが、新しい植物を植えるために既存の植物を土壌から取り除く毎年の耕作の習慣は、多年生穀物とは相容れない。 ^[11]最後に、一年生穀物が栽培されると、新しい多年生穀物の栽培を追求する動機は減少した。^[11]

初期の栽培化努力の限界が多年生穀物の不足を説明するならば、多年生植物の高収量化に対する克服できない生理学的障壁はないかもしれない。例えば、多年生植物の生存と収量のトレードオフは、主に植物が根の構造を確立する最初の年に観察されるべきである。その後の数年間、多年生植物は、すでに確立された根系（肥料への依存を減らすこともできる）により、生育期間が長くなり、土壌資源へのアクセスが容易になることから実際に利益を得る可能性がある。^{[12]しかし、生理学的限界により多年生植物の種子生産への資源配分が制限されるとしても、資源獲得の改善と全体的な}バイオマスの増加により、その収量は年間穀物収量に匹敵するか、それを上回る可能性がある。^[11]

多年生作物の栽培化は、一年生作物への依存によって引き起こされる持続可能性の問題の一部を軽減できる可能性があるが、その利益は一般的な農業慣行によって根本的に制限される可能性がある。世界の需要を満たすのに十分な規模で穀物を生産するには、作物が多年生か一年生かに関係なく、広大な在来草原を農地に変換する必要がある。[ ^10]

多年生作物の栽培化の潜在的利益を生かすには、栽培化プロセスを加速させる必要がある。新しい多年生穀物を開発する真剣な取り組みは、主にカンザス州サライナのウェス・ジャクソンとランド研究所によって1980年代に始まった。 ^{[13]多年生作物の開発へのアプローチは、一般的に、多年生化、} de novo栽培化、遺伝子操作の3つの主な方法に分類される。これらの方法は相互に排他的ではなく、並行して使用することができ、それぞれに独自の課題がある。

既存の一年生作物と多年生野生近縁種との交雑は、多年生作物開発の一般的なアプローチです。このアプローチは、一年生穀物作物で開発された重要な農業特性を保存しながら、植物を、よく発達した長寿命の根系を持つ多年生ライフサイクルに変換することを目的としています。^{[14] [15]}しかし、多年生化には課題がないわけではありません。

まず、交雑によって生産された植物は不妊であることが多いため、 F1を超える植物、つまり最初の雑種世代を超えて植物を繁殖させることが成功することはまれです。^[16] 2番目に、多年生の形質は多くの場合多遺伝子性（複数の遺伝子によって制御される）であるため、栽培された一年生作物に多年生のライフサイクルを付与するには、多年生の親から雑種子孫に完全な遺伝子セットが伝達される必要があります。対照的に、収量形質は一般に多遺伝子性が低いため、単一の遺伝子が収量にプラスの効果をもたらす可能性があります。^{[17] [14]}したがって、交雑の目的が一年生作物に多年生性をもたらすことではなく、多年生植物の収量を増やすことである場合は、交雑による多年生作物の開発がより効果的である可能性があります。^[14]

多年生野生植物の加速栽培化（de novo栽培化とも呼ばれる）は、多年生作物の開発のための別の方法を提供します。^[18]このアプローチでは、栽培化の可能性に基づいて野生の多年生草本植物を選択し、続いて、収量、種子脱粒性（種子が植物から落ちるか、収穫まで植物に付いたままになる傾向）、自由脱穀種子（種子が籾殻から簡単に離れる傾向）、植物の高さなどの農業上重要な形質について人工的に選択します。^{[9] [15]}ランド研究所の研究者によって開発されたものなどの栽培化パイプラインは、候補種が栽培化プログラムで成功する可能性を評価するための基準を確立しました（例：農業上重要な形質の大きな変動性と遺伝性）また、育種活動中にどの形質に焦点を当てるべきかについてもガイドします。^{[17] [19]潜在的な候補種の広範なリストは、Wagoner & Schaeffer [1]}  および Cox et al. ^[14]にあります。

新しい多年生植物を栽培化することには、いくつかの大きな欠点がある。まず、野生の多年生植物は、栽培化された一年生植物に比べて年間収穫量が非常に少ないため、多年生植物が商業的に採算が取れるようになるまでには、育種努力でかなりの差を埋めなければならない。この問題は、候補となる植物の多くが倍数体（つまり、余分な遺伝物質を持っている）であるという事実によってさらに悪化する。倍数体では、望ましくない対立遺伝子を個体群から排除し、収穫しやすいように同時に成長して成熟する均一な植物を作ることが難しくなる。^[12]

いくつかの遺伝学的手法が多年生作物の開発プロセスに役立つ可能性がある。ゲノム解析に基づいて植物の形質を予測する方法であるゲノム選択は、栽培化プログラムにおける植物の選択を加速する方法として有望である。 ^[15]成植物の表現型を若い植物のゲノムから予測できれば、植物をより早い時期に人工的に選択することができ、望ましい形質を持つ個体を特定するために必要な時間とリソースを削減できる。^[20] トランスジェニックおよび遺伝子改変により、多年生植物の「栽培化遺伝子」とその相同遺伝子（類似した配列と機能を持つ遺伝子）を追加または標的とすることができる。栽培化遺伝子は栽培化に関連する形質に影響を与えることが知られており、一年生作物種で発見されている。ゲノム配列解析により、遺伝子改変の有用な標的となり得る相同遺伝子が多年生種にも多数存在することが明らかになっている。^[17]

現在、多くの候補種のゲノムが解読されていないため、遺伝子操作の応用は限られている。さらに、ほとんどの候補種では遺伝子操作の方法がまだ最適化されていない。^{[14] [17]}これらの制限にもかかわらず、遺伝子技術の開発は急速に進んでおり、これらの方法は今後多年生作物の開発に役立つものとなる可能性が高い。^{[17] [15]}

いくつかの主張が発表されている: ^[6]

1. より長い栽培期間で資源へのアクセスが向上。多年生植物は一般的に一年生植物よりも早く春に芽を出し、一年生植物が枯れた後の秋に休眠します。生育期間が長いため、日光や雨をより多く受けることができます。たとえば、ミネソタ州では、一年生大豆の苗は6月初旬に土から出てきます。この頃までに多年生アルファルファは大きく成長し、最初の収穫に備えることができます。そのため、大豆が光合成を始めた頃には、アルファルファ畑ではすでにそのシーズンの生産量の約40%が生産されています。^[21]
2. 根域が深くなることで、資源へのアクセスが広がります。長命植物のほとんどは、同じ地域に適応した短命植物よりも大きく深い根系を構築します。根が深くなることで、多年生植物は毎年大量の土壌を「採掘」することができます。^[3]耕作地の単位面積あたりの利用可能な土壌の量が増えるということは、降雨のない期間に貯水池として機能する土壌水の量が増えることも意味します。
3. 土壌養分のより効率的な利用。アルファルファ（ルーサン）などの多年生作物では、肥料からの窒素の浸出がトウモロコシなどの一年生作物よりもはるかに少ないことがわかっています。^{[22] [23]} 同様の現象が、野生の干し草を収穫する無施肥の畑でも見られます。^[24]隣接する小麦畑では毎年肥料の投入が必要でしたが、野生の多年生草は、生産性や土壌の肥沃度に顕著な低下が見られずに、75年から100年間窒素を豊富に含む干し草を生産し続けました。おそらく、多年生植物のより大きな根系とそれが支える微生物群集は、作物の短命な根系よりもはるかに効率的に、システムを通過する栄養素を捕捉して循環させていると考えられます。
4. 限界地での持続可能な生産。 キャスマンら（2003）は、世界の貧困地域の広い地域では「深刻な侵食リスクがあるため、年間の穀物栽培は長期的には持続可能ではない可能性が高い。多年生作物とアグロフォレストリーシステムは、これらの環境により適している」と書いている。^[25]現在の多年生作物とアグロフォレストリーシステムは穀物を生産しない。穀物は、飼料とは異なり人間が直接食べることができ、果物とは異なり冬季や乾季に消費するために貯蔵できるため、飼料や果物よりも食糧安全保障が高い。
5. 土壌浸食の減少 米国森林局などは、多年生草が土壌浸食の予防策であるとしている。^[26] あらゆる種類の多年生草は太い根系を形成し、土壌を縛り付けて風や水による表面浸食を防ぐ。水の流出が遅くなるため、水が浸透して地下水系に入るまでの時間が長くなる。地下水の浸透により、河川への純流入量はわずかに減少するが、これはまた、急流の水による河床浸食に関連する河川の高流量も減少させる。
6. 野生生物の個体数の増加 米国森林局などは、河川への水の放出が遅くなることで、砂漠によくある乾燥と洪水が交互に起こるのではなく、水位がより安定するようになることを指摘している。水位が安定すると、安定した水源に依存する魚類、両生類、水鳥、哺乳類などの野生生物の個体数の増加につながる。^[26]
7. 雑草との競合の軽減- 耕作と除草剤の散布を最小限に抑えます。
8. 土壌微生物叢の改善- 一年生作物の生産に必要な頻繁な土壌撹乱はこれらの微生物叢に悪影響を及ぼすため、多年生穀物作物は有益な土壌微生物叢を育む可能性があります。
9. より多くの炭素を隔離する- 多年生穀物は、より良い景観管理と、より多くの農地の生産維持により、より多くの炭素を隔離する可能性があると仮定されています。^{[27] [23]}

1. 今日の食糧安全保障には対応していません。多年生穀物作物は開発の初期段階にあり、一年生穀物と同等の収穫量を達成するまでには何年もかかる可能性があります。
2. 輪作が難しくなります。多年生作物の 輪作は可能ですが、完全な輪作には必然的に時間がかかります。例えば、アルファルファのような多年生干し草作物^[28]は、通常3～5年後に一年生作物や他の多年生干し草作物と輪作されます。一年生作物と比較して輪作のペースが遅いと、輪作の多年生段階で病原体、害虫、雑草がより多く蓄積される可能性があります。
3. 植物の生産性を犠牲にして土壌有機物を生成します。耕作が行われず、有機物が枯渇した土壌では、大きな根系を持つ作物が有機物を生成し、土壌の窒素とリンのほぼすべてが固定化されることがあります。これが起こると、有機物が栄養素の無機化と栄養素の固定化の間で平衡に達するレベルまで生成されるか、またはシステムに肥料が追加されるまで、生産性が低下する可能性があります。
4. 水文学的影響。多年生植物は、毎年一年生植物よりも多くの降雨を捕捉し、利用する可能性があります。^[3]これにより、地下水位が低下したり、河川への表面流量が減少する可能性があります。
5. 下流の農場への栄養供給の減少。農地で一年生植物を多年生植物に広く置き換えると、土壌が安定し、硝酸塩の浸出が減り、下流の農場への堆積物と溶解窒素の供給が減少する可能性があります。これらの地域の農家は現在、これらの栄養素の投入に依存している可能性があります。一方、他の部門は水質の改善から恩恵を受ける可能性があります。
6. 害虫の生息地の改善。一年のうち一定期間、畑を裸地にしておかないと、げっ歯類や昆虫の個体数が増加する可能性があります。多年生穀物の刈り株を焼却すれば、これらの個体数を減らすことができますが、地域によっては焼却が許可されていない場合があります。さらに、地中に生息するげっ歯類や昆虫は焼却しても生き残ることができますが、耕作はそれらの生息地を破壊します。

中間ウィートグラスであるケルンザは、1980年代から穀物作物としての利用に向けて開発が進められてきました。2001年以来、非営利団体ランド研究所のリー・デハーン博士がこの作物の開発を主導し、2009年にケルンザという商標名をつけました。^[7]

最近、カーンザの研究は急速に拡大し、3大陸のさまざまな分野で25人以上の主任科学者が参加するようになりました。この国際チームは栽培技術を開発し、耐破砕性、種子の大きさ、収穫量などの特性を劇的に改善し、現在では小規模で生産・販売できるようになっています。米国のカーンザ研究パートナー機関には、ミネソタ大学、ウィスコンシン大学マディソン校、コーネル大学、オハイオ州立大学、カンザス州立大学、およびミネソタ大学、ルンド大学、ISARAなどカナダとヨーロッパの多数の国際大学が含まれます。^[29]

研究者たちは、カーンザがアメリカ北部で栽培される最初の多年生穀物作物であることから、食糧と生態系サービスの両方の生産を通じて農地を多機能化し、農業慣行を劇的に変えるのに役立つことを期待している。^[1]

ランド研究所は、最も進化したタイプのT. intermedium 種子を使用して多年生植物として認定された中間ウィートグラス穀物を識別するために、Kernza 穀物の登録商標を開発しました。

多年生稲23号（PR23）の栽培品種は、不耕起栽培に基づく新しい稲作システムに使用されています。^[30]

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