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Genetically modified crops (GM crops) are plants used in agriculture, the DNA of which has been modified using genetic engineering methods. Plant genomes can be engineered by physical methods or by use of Agrobacterium for the delivery of sequences hosted in T-DNA binary vectors. In most cases, the aim is to introduce a new trait to the plant which does not occur naturally in the species. Examples in food crops include resistance to certain pests, diseases, environmental conditions, reduction of spoilage, resistance to chemical treatments (e.g. resistance to a herbicide), or improving the nutrient profile of the crop. Examples in non-food crops include genetically modified trees for silviculture, and production of pharmaceutical agents, biofuels, and other industrially useful goods, as well as for bioremediation.[1]
Farmers have widely adopted GM technology. Acreage increased from 1.7 million hectares in 1996 to 185.1 million hectares in 2016, some 12% of global cropland. As of 2016, major crop (soybean, maize, canola and cotton) traits consist of herbicide tolerance (95.9 million hectares) insect resistance (25.2 million hectares), or both (58.5 million hectares). In 2015, 53.6 million ha of Genetically modified maize were under cultivation (almost 1/3 of the maize crop). GM maize outperformed its predecessors: yield was 5.6 to 24.5% higher with less mycotoxins (−28.8%), fumonisin (−30.6%) and thricotecens (−36.5%). Non-target organisms were unaffected, except for lower populations some parasitoid wasps due to decreased populations of their pest host European corn borer; European corn borer is a target of Lepidoptera active Bt maize. Biogeochemical parameters such as lignin content did not vary, while biomass decomposition was higher.[2]
2014年のメタ分析では、遺伝子組み換え技術の導入により化学農薬の使用量が37%減少し、作物の収量が22%増加し、農家の利益が68%増加したと結論付けられました。[ 3 ]この農薬使用量の減少は生態学的に有益ですが、過剰使用により利益が減少する可能性があります。[ 4 ]収量増加と農薬削減は、除草剤耐性作物よりも害虫抵抗性作物の方が大きくなります。[ 5 ]収量と利益の増加は、先進国よりも発展途上国の方が大きくなります。[ 3 ]インドだけでも、農薬中毒は年間240万～900万件減少しました。[ 6 ] 2011年のインドにおけるBt綿の導入と農家の自殺の関係に関するレビューでは、「入手可能なデータからは、農家の自殺の『再燃』の証拠は見られない」こと、そして「Bt綿技術はインド全体で非常に効果的である」ことが分かりました。[ 7 ]インドでBt綿が導入された期間中、農家の自殺は逆に25%減少した。 [ 6 ]
遺伝子組み換え作物由来の現在入手可能な食品は、従来の食品よりも人間の健康に大きなリスクをもたらすことはないという科学的コンセンサスがあるが、導入前に各遺伝子組み換え食品を個別にテストする必要がある。[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13] [ 14][ 15 ][ 16 ] [ 17 ] [18] [ 19 ]それにもかかわらず、一般の人々は科学者よりも遺伝子組み換え食品を安全だと認識する可能性がはるかに低い。[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]遺伝子組み換え食品の法的および規制上の地位は国によって異なり、禁止または制限している国もあれば、規制の程度が大きく異なるものの許可している国もある。[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]
人間は、栽培化を通じて作物としての価値を高めるために、植物の遺伝子構成に直接影響を与えてきました。植物の栽培化の最初の証拠は、紀元前 10,500 年～ 10,100 年頃の南西アジアの土器以前の新石器時代 A の村で発見されたエンマー小麦とアインコーン小麦です。 [ 28 ]西アジアの 肥沃な三日月地帯、エジプト、インドは、それまで野生で採取されていた植物の計画的な播種と収穫が最初に行われた場所でした。農業の独立した発展は、中国北部と南部、アフリカのサヘル、ニューギニア、アメリカ大陸のいくつかの地域で起こりました。 [ 29 ]新石器時代の8 つの主要作物(エンマー小麦、アインコーン小麦、大麦、エンドウ豆、レンズ豆、ビターベッチ、ヒヨコ豆、アマ) はすべて紀元前 7,000 年頃までに出現しました。[ 30 ]伝統的な作物育種家は、新しい交配を行うことで、長い間作物に外来の遺伝資源を導入してきました。1875年に小麦とライ麦を交配してハイブリッド穀物が作られました。[ 31 ]それ以来、矮性遺伝子やさび病耐性などの形質がそのように導入されてきました。[ 32 ]植物組織培養と意図的な突然変異により、人間は植物ゲノムの構成を変えることができるようになりました。[ 33 ] [ 34 ]
遺伝学の現代的な進歩により、人間は植物の遺伝子をより直接的に改変できるようになった。1970年、ハミルトン・スミスの研究室は、DNAを特定の場所で切断できる制限酵素を発見し、科学者が生物のゲノムから遺伝子を分離できるようにした。 [ 35 ] 切断されたDNAを結合するDNAリガーゼは、それより前の1967年に発見されており、 [ 36 ]これら2つの技術を組み合わせることで、DNA配列を「切断して貼り付け」、組換えDNAを作成することが可能になった。1952年に発見されたプラスミド[ 37 ]は、細胞間で情報を伝達し、 DNA配列を複製するための重要なツールとなった。1907年には、植物腫瘍を引き起こす細菌であるアグロバクテリウム・ツメファシエンスが発見され、1970年代初頭には、腫瘍誘発因子がTiプラスミドと呼ばれるDNAプラスミドであることが判明した。[ 38 ]腫瘍を引き起こしたプラスミド中の遺伝子を除去し、新しい遺伝子を追加することで、研究者は植物にA. tumefaciens を感染させ、細菌が選択した DNA 配列を植物のゲノムに挿入できるようにした。[ 39 ]すべての植物細胞がA. tumefaciensに感染しやすいわけではないため、電気穿孔法、マイクロインジェクション[ 40 ] 、遺伝子銃による粒子銃法(1987 年に発明)など、他の方法が開発された。 [ 41 ] [ 42 ] 1980 年代には、細胞壁を除去した植物細胞に単離した葉緑体を導入する技術が開発された。1987 年に遺伝子銃が導入されたことで、外来遺伝子を葉緑体に組み込むことが可能になった。[ 43 ]遺伝子形質転換は、いくつかのモデル生物では非常に効率的になっている。 2008年に、シロイヌナズナの花をアグロバクテリウム溶液に浸すことで遺伝子組み換え種子が生産された。[ 44 ] 2013年には、 CRISPRが初めて植物ゲノムの標的改変に使用された。[ 45 ]
遺伝子組み換え作物の最初のものはタバコで、1983年に報告された。[ 46 ]これは、抗生物質耐性遺伝子をアグロバクテリウムのT1プラスミドに結合させたキメラ遺伝子を作成することで開発された。タバコはこのプラスミドで形質転換されたアグロバクテリウムに感染し、その結果、キメラ遺伝子が植物に挿入された。組織培養技術により、遺伝子を含む単一のタバコ細胞が選択され、そこから新しい植物が成長した。[ 47 ]遺伝子組み換え植物 の最初の野外試験は1986年にフランスと米国で行われ、タバコ植物は除草剤耐性を持つように遺伝子組み換えされた。[ 48 ] 1987年、マーク・ヴァン・モンタギューとジェフ・シェルによって設立されたPlant Genetic Systemsは、バチルス・チューリンゲンシス（Bt）から殺虫性タンパク質を生成する遺伝子をタバコに組み込むことで、昆虫耐性植物を遺伝子組み換えした最初の企業となった。[ 49 ]中華人民共和国は、1992年にウイルス耐性タバコを導入し、遺伝子組み換え植物を商業化した最初の国となった。[ 50 ] 1994年、カルジーンは、保存期間を長くするように遺伝子操作されたトマトであるフレーバーセーバートマトの商業販売の承認を得た。 [ 51 ]また1994年、欧州連合は、除草剤ブロモキシニルに耐性を持つように遺伝子操作されたタバコを承認し、ヨーロッパで商業化された最初の遺伝子組み換え作物となった。[ 52 ] 1995年、モンサントの「ニューリーフ」Btポテトは、FDAの承認を受けた後、環境保護庁によって承認され、米国で承認された最初の農薬生産作物となった。[ 53 ] 1996年には、6か国とEUで、8種類の遺伝子組み換え作物と1種類の花卉作物（カーネーション）を商業的に栽培するための承認が合計35件付与され、8種類の異なる特性が認められた。[ 48 ] 2010年までに、29か国が商業化された遺伝子組み換え作物を栽培し、さらに31か国が遺伝子組み換え作物の輸入に関する規制上の承認を与えた。[ 54 ]
遺伝子組み換えバナナ品種QCAV-4は、2024年にオーストラリアとニュージーランドで承認されました。このバナナは、主要品種であるキャベンディッシュバナナに致命的なパナマ病を引き起こす真菌Fusarium oxysporumに耐性があります。 [ 55 ]
遺伝子組み換え作物は、遺伝子工学技術を用いて遺伝子を追加または除去したもので、[ 56 ]当初は遺伝子銃、エレクトロポレーション、マイクロインジェクション、アグロバクテリウムなどが用いられていました。最近では、CRISPRやTALENによって、より正確で便利な編集技術が提供されています。
遺伝子銃（バイオリスティックスとも呼ばれる）は、標的遺伝子を植物細胞に「撃ち込む」（高エネルギー粒子または放射線を照射する）方法です。これは最も一般的な方法です。DNAは金またはタングステンの微粒子に結合しており、その後、高圧下で植物組織または単一の植物細胞に撃ち込まれます。加速された粒子は細胞壁と細胞膜の両方を貫通します。DNAは金属から分離し、核内の植物DNAに組み込まれます。この方法は、多くの栽培作物、特に小麦やトウモロコシなどの単子葉植物に成功裏に適用されており、アグロバクテリウム・ツメファシエンスを使用した形質転換はあまり成功していません。[ 58 ]この手順の主な欠点は、細胞組織に深刻な損傷を与える可能性があることです。
アグロバクテリウム・ツメファシエンスを介した形質転換は、もう一つの一般的な技術です。アグロバクテリウムは植物の自然寄生菌です。 [ 59 ]遺伝子を伝達するその自然な能力は、別の工学的手法を提供します。アグロバクテリウムは、植物宿主に遺伝子を挿入して、土壌表面付近で改変された植物細胞が増殖する（根頭がん）という、自分にとって適切な環境を作り出します。腫瘍の成長に関する遺伝情報は、可動性の環状DNA断片（プラスミド）にコード化されています。アグロバクテリウムが植物に感染すると、このT-DNAを植物ゲノム内のランダムな場所に転送します。遺伝子工学で使用する場合、細菌のT-DNAは細菌のプラスミドから取り除かれ、目的の外来遺伝子に置き換えられます。この細菌はベクターであり、外来遺伝子を植物に輸送することを可能にします。この方法は、ジャガイモ、トマト、タバコなどの双子葉植物に特に効果的です。アグロバクテリウムの感染は、小麦やトウモロコシなどの作物ではあまり成功しません。
電気穿孔法は、植物組織に細胞壁がない場合に使用されます。この技術では、電気パルスによって植物細胞に一時的に小さな孔が作られ、その後、これらの小さな孔を通してDNAが導入されます。[ 60 ]
マイクロインジェクションは、DNAを細胞核に直接導入するために使用される。[ 60 ]
植物科学者たちは、作物の構成に関する最新の包括的なプロファイリングの結果に裏付けられ、遺伝子組み換え技術を用いて改良された作物は、従来の方法で育種された作物よりも意図しない変化が生じる可能性が低いと指摘している。[ 61 ] [ 62 ]
研究において、タバコとシロイヌナズナは、形質転換法が発達しており、増殖が容易で、ゲノムがよく研究されているため、最も頻繁に改変される植物である。[ 63 ] [ 64 ]これらは他の植物種のモデル生物として利用されている。
植物に新しい遺伝子を導入するには、遺伝子を発現させる領域に特異的なプロモーターが必要です。例えば、イネの種子でのみ遺伝子を発現させ、葉では発現させないようにするには、胚乳特異的なプロモーターが使用されます。コドン使用バイアスのため、遺伝子のコドンは生物に合わせて最適化する必要があります。[ 65 ]
Transgenic plants have genes inserted into them that are derived from another species. The inserted genes can come from species within the same kingdom (plant to plant), or between kingdoms (for example, bacteria to plant). In many cases the inserted DNA has to be modified slightly in order to be correctly and efficiently expressed in the host organism. Transgenic plants are used to express proteins, like the cry toxins from B. thuringiensis, herbicide-resistant genes, antibodies,[66] and antigens for vaccinations.[67] A study led by the European Food Safety Authority (EFSA) also found viral genes in transgenic plants.[68]
Transgenic carrots have been used to produce the drug Taliglucerase alfa which is used to treat Gaucher's disease.[69] In the laboratory, transgenic plants have been modified to increase photosynthesis (currently about 2% at most plants versus the theoretic potential of 9–10%).[70] This is possible by changing the rubisco enzyme (i.e. changing C3 plants into C4 plants[71]), by placing the rubisco in a carboxysome, by adding CO2 pumps in the cell wall,[72] or by changing the leaf form or size.[73][74][75] Plants have been engineered to exhibit bioluminescence that may become a sustainable alternative to electric lighting.[76]
Cisgenic plants are made using genes found within the same species or a sexually compatible closely related one, where conventional plant breeding can occur.[77] Some breeders and scientists argue that cisgenic modification is useful for plants that are difficult to crossbreed by conventional means (such as potatoes), and that plants in the cisgenic category should not require the same regulatory scrutiny as transgenics.[78]
遺伝子組み換え植物は、他の植物の遺伝子を組み込むことなく、遺伝子ノックダウンまたは遺伝子ノックアウトを使用して植物の遺伝子構成を変えることによっても開発できます。2014年、中国の研究者Gao Caixiaは、うどんこ病に耐性のある小麦の系統の作成に関する特許を出願しました。この系統は、うどんこ病に対する防御を抑制するタンパク質をコードする遺伝子を欠いています。研究者らは、小麦の六倍体ゲノムから3つの遺伝子コピーすべてを削除しました。Gaoは、他の遺伝子を追加または変更することなく、TALENとCRISPR遺伝子編集ツールを使用しました。すぐに野外試験は計画されませんでした。 [ 79 ] [ 80 ] CRISPR技術は、ペンシルベニア州立大学の研究者Yinong Yangによって、白いボタンマッシュルーム（ Agaricus bisporus）を褐変しないように改変するためにも使用され、 [ 81 ]また、 DuPont Pioneerによって新しいトウモロコシの品種を作るためにも使用されています。[ 82 ]
複数の形質を統合することで、新しい作物に複数の新しい形質を組み込むことができます。[ 83 ]複数の形質を持つ遺伝子組み換え作物は「スタック型」とも呼ばれ、例えば、ラウンドアップ耐性と低リグニン特性の両方を持つ遺伝子組み換えアルファルファ品種であるHarvXtraなどがあります。 [ 84 ]
GM食品の農家への経済的価値は、発展途上国を含め、その主な利点の1つです。[ 85 ] [ 86 ] [ 87 ] 2010年の研究では、Btトウモロコシが中西部5州で過去14年間に69億ドルの経済的利益をもたらしたことがわかりました。その大部分（43億ドル）は、非Btトウモロコシを生産する農家にもたらされました。これは、Btトウモロコシへの曝露によってヨーロッパトウモロコシメイガの個体数が減少し、近くの従来型トウモロコシを攻撃する個体数が減少したことによるものです。[ 88 ] [ 89 ]農業経済学者は、「1996 年の世界余剰は 2 億 4030 万ドル増加した。この総額のうち、最大の割合 (59%) は米国の農家に渡った。次に大きな割合 (21%) を種子会社のモンサントが受け取り、続いて米国の消費者 (9%)、世界のその他の地域 (6%)、そして遺伝資源供給業者であるミシシッピ州のデルタ & パイン ランド カンパニー(5%) となった。」と計算した。 [ 90 ]
国際農業バイオテクノロジー応用取得サービス（ISAAA）によると、2014年には約1800万人の農家が28か国でバイオテクノロジー作物を栽培しており、その約94%は開発途上国の貧困農家であった。世界のバイオテクノロジー作物栽培面積1億8150万ヘクタールのうち53%は20の開発途上国で栽培されていた。[ 91 ] PG Economicsの2012年の包括的な調査では、遺伝子組み換え作物が2010年に世界の農家の所得を140億ドル増加させ、その半分以上が開発途上国の農家に渡ったと結論付けている。[ 92 ]
これらの利点を放棄することはコストがかかる。[ 93 ] [ 94 ] Wesselerら ( 2017 年) は、ウガンダの GM バナナ、西アフリカのGM ササゲ、ケニアのGM トウモロコシなど、いくつかの作物の遅延コストを推定している。[ 93 ]彼らは、ナイジェリアだけで年間 3300 万～ 4600 万ドルの損失を被ると推定している。[ 93 ] GM 作物の潜在的および主張されている害は、これらの遅延コストと比較されなければならない。[ 93 ] [ 94 ]
批評家たちは、偏った観察者の存在や無作為化比較試験の欠如を理由に、農家への利益の主張に異議を唱えた。発展途上国の小規模農家が栽培する主なBt作物は綿花である。農業経済学者による2006年のBt綿花に関する調査結果のレビューでは、「全体的な収支は有望ではあるものの、まちまちである。経済的収益は、年、農場の種類、地理的な場所によって大きく変動する」と結論付けられている。[ 95 ]
2013年、欧州アカデミー科学諮問委員会（EASAC）は、土地、水、栄養資源の使用を削減することでより持続可能な農業を可能にするため、農業用遺伝子組み換え技術の開発をEUに許可するよう求めた。EASACはまた、EUの「時間と費用のかかる規制枠組み」を批判し、EUは遺伝子組み換え技術の導入において遅れをとっていると述べた。[ 96 ]
農業ビジネス市場の参加者には、種子会社、農薬会社、流通業者、農家、穀物倉庫、新しい作物や特性を開発し、農業普及部門が農家に最良の慣行について助言する大学などが含まれます。1990年代後半から2000年代初頭のデータに基づく2012年のレビューによると、毎年栽培される遺伝子組み換え作物の多くは家畜の飼料として使用され、肉の需要の増加は遺伝子組み換え飼料作物の需要の増加につながります。[ 97 ]飼料穀物の使用は、全作物生産量の割合でトウモロコシでは70%、大豆などの油糧種子粕では90%以上です。約6500万メトリックトンの遺伝子組み換えトウモロコシと、遺伝子組み換え大豆から得られる約7000万メトリックトンの大豆粕が飼料になります。[ 97 ]
2014年のバイオテクノロジー種子の世界的価値は157億米ドルで、そのうち113億米ドル（72%）が先進国、44億米ドル（28%）が発展途上国でした。[ 91 ] 2009年、モンサントは種子の売上と技術ライセンスから73億米ドルを稼ぎ、デュポンは子会社のパイオニアを通じて、その市場で2番目に大きな企業でした。[ 98 ] 2009年時点で、遺伝子組み換え種子を含むラウンドアップ製品ライン全体がモンサントの事業の約50%を占めていました。[ 99 ]
遺伝子組み換え形質に関する特許の一部が失効し、これらの形質を含む汎用系統の合法的な開発が可能になった。例えば、グリホサート耐性遺伝子組み換え大豆の汎用品種が現在入手可能である。もう1つの影響は、あるベンダーが開発した形質を別のベンダーの専有系統に追加できるため、製品の選択肢と競争が増加する可能性があることである。[ 100 ]モンサントが生産した最初のタイプのラウンドアップレディ作物（大豆）の特許は2014年に失効し[ 101 ]、特許切れ大豆の最初の収穫は2015年の春に行われた。[ 102 ]モンサントは、グリホサート耐性形質を種子製品に組み入れている他の種子会社に特許を広くライセンス供与している。[ 103 ]約150社がこの技術のライセンスを取得しており[ 104 ] 、その中にはシンジェンタ[ 105 ]やデュポン・パイオニア[ 106 ]も含まれる。
2014年に行われたこれまでで最大規模のレビューでは、遺伝子組み換え作物が農業に及ぼす影響はプラスであると結論付けられました。このメタ分析では、1995年から2014年3月までの間に発表された、3つの主要な遺伝子組み換え作物（大豆、トウモロコシ、綿）の農学的および経済的影響に関する英語で発表されたすべての調査が検討されました。この研究では、除草剤耐性作物は生産コストが低い一方、害虫抵抗性作物では農薬使用量の減少が種子価格の上昇によって相殺され、全体的な生産コストはほぼ同じであることがわかりました。[ 3 ] [ 107 ]
除草剤耐性品種では収量が9%増加し、害虫抵抗性品種では25%増加した。遺伝子組み換え作物を導入した農家は、導入しなかった農家よりも69%高い利益を上げた。この調査では、遺伝子組み換え作物は発展途上国の農家を支援し、収量を14パーセントポイント増加させることがわかった。[ 107 ]
研究者らは、査読を受けていない研究や、サンプルサイズが報告されていない研究もいくつか検討した。彼らは、学術誌以外の情報源も考慮することで、出版バイアスを補正しようと試みた。大規模なデータセットにより、肥料の使用などの潜在的な交絡変数を制御することができた。また、資金源が研究結果に影響を与えなかったと結論付けた。[ 107 ]
遺伝的収量因子のみを明らかにするための特別な条件下では、多くの遺伝子組み換え作物は実際には収量が低いことが知られています。これは、以下のいずれか、または両方が原因です。収量低下：形質自体が合成原料をめぐって競合したり、収量関連遺伝子の途中にわずかに不正確に挿入されたりすることで収量を低下させる場合。および／または収量遅延：最新の収量遺伝子を遺伝子組み換え系統に導入するのに時間がかかる場合。しかし、これは現実的な圃場条件を反映しておらず、特に遺伝子組み換え形質の目的である害虫の被害が考慮されていません。 [ 108 ]例えば、ラウンドアップ・レディ§生産性に関する主張を参照してください。
遺伝子編集は、殺生物剤や農薬の使用とは無関係に収量を増加させる可能性もある。2022年3月、圃場試験の結果、トウモロコシのKRN2とイネのOsKRN2のCRISPRベースの遺伝子ノックアウトにより、検出される悪影響なしに穀物収量が約10％と約8％増加したことが示された。[ 109 ] [ 110 ]
現在栽培されている、あるいは開発中の遺伝子組み換え作物は、様々な特性を持つように改変されている。これらの特性には、保存期間の延長、病害抵抗性、ストレス抵抗性、除草剤抵抗性、害虫抵抗性、バイオ燃料や医薬品などの有用物質の生産、毒素吸収能力、汚染物質の生物浄化への利用などが含まれる。
近年、研究開発は、アフリカ向けの害虫抵抗性ササゲ[ 111 ]や害虫抵抗性ナス[ 112 ]など、開発途上国で地域的に重要な作物の改良に重点が置かれている。
米国で販売が承認された最初の遺伝子組み換え作物は、保存期間が長いフレーバーセーバートマトでした。 [ 51 ] 1994年に初めて販売されたフレーバーセーバートマトの生産は1997年に終了しました。 [ 113 ]現在、市場には出回っていません。
2014年11月、米国農務省は、打撲傷を防ぐ遺伝子組み換えジャガイモを承認した。[ 114 ] [ 115 ]
2015年2月、アークティックアップルはUSDAによって承認され[ 116 ] 、米国での販売が承認された最初の遺伝子組み換えリンゴとなった[ 117 ] 。遺伝子サイレンシングはポリフェノールオキシダーゼ（PPO）の発現を減少させるために使用され、それによって果実をスライスした後の酵素的褐変を防ぐ。この特性はグラニースミスとゴールデンデリシャス品種に追加された[ 116 ] [ 118 ] 。FDA は2015年3月にこのリンゴを承認した[ 119 ] 。
植物は、過剰な日光から身を守るために非光化学的消光を利用します。植物は消光機構をほぼ瞬時にオンにできますが、再びオフにするにははるかに時間がかかります。オンになっている間、無駄になるエネルギーの量が増加します。 [ 120 ] 3つの遺伝子の遺伝子改変により、これを修正できます（タバコ植物での試験）。その結果、収穫された乾燥葉の重量で、収量が14～20%増加しました。植物は葉が大きく、背が高く、根がより活発でした。[ 120 ] [ 121 ]
光合成プロセス（ C3経路植物の場合）で改善できるもう1つの方法は、光呼吸の改善です。C4経路をC3植物に導入することで、イネなどの穀物作物の生産性が最大50%向上する可能性があります。[ 122 ] [ 123 ] [ 124 ] [ 125 ] [ 126 ]
生物隔離とは、大気中の二酸化炭素を植物、樹木、土壌などの生物体内に捕捉・貯蔵するプロセスを指します。植物や樹木は、光合成の際に二酸化炭素を吸収し、根、茎、葉に貯蔵することで炭素吸収源として機能します。また、土壌中には土壌有機炭素（SOC）として貯蔵されます。マングローブ林、湿地、海洋などの水生生態系も、大量の二酸化炭素を吸収・貯蔵します。
植物利用イニシアチブは、小麦、米、トウモロコシ、大豆などの遺伝子組み換え作物を開発し、より大きく深い根系を作り、高濃度のスベリンを生成するように強化することに重点を置いています。スベリンは分解されにくいため、吸収したCO2を数十年から数百年にわたって地中に固定します。このような改良は、枯渇した土壌を補充し、土地の質を改善し、水位を回復させ、作物の干ばつ耐性を向上させるのにも役立ちます。[ 127 ]
マメ科植物などの植物は、窒素固定細菌との共生関係を通じて窒素を得ます。窒素固定細菌は空気中の窒素を固定し、アンモニアの形で土壌に供給し、根から吸収されます。トウモロコシ、小麦、米など、人間の食用として重要な穀物を含むその他の作物は、一般的に窒素肥料に依存しています。これらの肥料の使用は、亜酸化窒素の排出により、水域の富栄養化や気候変動の一因となっています。肥料がなければ、これらの植物は成長が鈍り、穀物の生産量も減少します。近年の研究では、合成肥料への依存を減らし、より持続可能な方法で窒素を供給する革新的な戦略が開発されています。アプローチとしては、窒素固定微生物のより効果的な宿主となるように非マメ科作物を遺伝子操作すること、窒素固定遺伝子（ nif遺伝子）を土壌細菌に導入して穀物とマメ科植物と同様の共生関係を確立すること、あるいはより困難な方法として、これらの遺伝子を植物に直接導入して植物自身が窒素を固定できるようにすることなどが挙げられる。[ 128 ] [ 129 ] [ 130 ] [ 131 ] [ 132 ]他の戦略では、作物の窒素利用効率を高め、窒素投入量を減らして最適な成長を達成できるようにすることに焦点を当てている。[ 133 ]
遺伝子組み換え大豆の中には、加工に適した改良された油分プロファイルを持つものがある。[ 134 ]大豆は、大豆油の品質を向上させるために遺伝子組み換えされている。大豆油は、酸化しやすい脂肪酸プロファイルを持っており、酸化すると酸敗し、食品産業での有用性が制限される。[ 135 ]： 1030遺伝子組み換えにより、オレイン酸とステアリン酸の量が増加し、リノレン酸の量が減少した。[ 135 ]： 1031デルタ9およびデルタ12デサチュラーゼをサイレンシングまたはノックアウトすることによって。[ 135 ] : 1032 [ 136 ]デュポン・パイオニア社は、一価不飽和脂肪酸（オレイン酸）の含有量が高く、多価不飽和脂肪酸（リノール酸とリノレン酸）の含有量が低い、オレイン酸含有量が80%を超える大豆を開発し、2010年に販売を開始しました。[ 135 ] : 1038 [ 137 ]比較すると、モンサント社のMON 87705大豆もオレイン酸含有量が高く、多価不飽和脂肪酸が減少しています。[ 138 ] : 64 MON 87705は、従来の大豆油と比較して、パルミチン酸やステアリン酸などの飽和脂肪酸も減少しています。[ 138 ] : 72
キャメリーナ・サティバは、魚油に似た油を高濃度に蓄積する植物を生産するように改良されてきた。 [ 139 ] [ 140 ]
国際稲研究所（IRRI）が開発したゴールデンライスは、ビタミンAの含有量が増加しています。これは、ビタミンAの前駆体であるベータカロテンを米の可食部で生合成できる3つの遺伝子を組み込んだものです。 [ 141 ]目標は、ビタミンA欠乏地域で栽培および消費するための栄養強化食品を生産することです。[ 142 ] [ 143 ] [ 144 ] [ 145 ]
Cassava (Manihot esculenta) is a staple root crop native to the sub-Saharan regions, which typically is not a nutrient-dense food source and contributes to less than 30% of protein requirements and less than 20% of mineral and vitamin requirements. Studies on genetic biofortification of cassava, using algae and Arabidopsis genes, have successfully resulted in increased efficiency other than the increase in protein and micronutrient concentrations, particularly that of iron and zinc, as well as Vitamin A and Vitamin E.
A genetically modified cassava, called BioCassava, under development offers enhanced protein and other nutrients.[146]
BioCassava hasalso shown reduction in toxic cyanogenglucosides and resistance to viral diseases.[146]
In November 2014, the USDA approved a potato that prevents bruising and produces less acrylamide when fried.[114][115] They do not employ genes from non-potato species. The trait was added to the Russet Burbank, Ranger Russet and Atlantic varieties.[114]
A variety of cotton was genetically modified to remove the toxin gossypol from its seeds, making them safe for human consumption. The toxin remains present in other parts of the plant to protect against pests.[147][148]
Plants have been engineered to tolerate non-biological stressors, such as drought,[114][115][149][150]frost,[151] and high soil salinity.[64] In 2011, Monsanto's DroughtGard maize became the first drought-resistant GM crop to receive US marketing approval.[152]
遺伝子組み換え植物の干ばつ耐性は、水ストレスに対する生理学的および生化学的反応を調節する遺伝子を挿入することによって達成されます。一般的な例としては、もともとヒマワリなどの干ばつ耐性植物から単離されたHD-Zip Iファミリーの転写因子の導入が挙げられます。これらの調節遺伝子は、抗酸化防御に関与するタンパク質の発現を増加させ、細胞の完全性を維持し、水利用効率を向上させることによって作用し、植物が成長と生産性への影響を少なくして水不足の期間を生き延びることを可能にします。[ 153 ] [ 154 ]
干ばつ耐性のもう 1 つの可能性のあるメカニズムは、低水位でも植物が生存できるようにする、ベンケイソウ型酸代謝(CAM) として知られるメカニズムに関与する植物遺伝子の改変によって発生します。これは、イネ、コムギ、ダイズ、ポプラなど、多くの水を必要とする作物が、水不足の環境への適応を加速させるのに有望です。[ 155 ] [ 156 ]塩分耐性作物では、いくつかの塩分耐性メカニズムが特定されています。たとえば、イネ、キャノーラ、トマト作物は、塩ストレスに対する耐性を高めるために遺伝子組み換えされています。[ 157 ] [ 158 ]
最も一般的な遺伝子組み換え形質は除草剤耐性であり、[ 159 ]グリホサート耐性が最も一般的である。[ 160 ]グリホサート（ラウンドアップなどの除草剤の有効成分）は、植物のシキミ酸経路を阻害することで植物を枯らす。シキミ酸経路は、芳香族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不可欠である。動物にはシキミ酸経路は存在せず、代わりに動物は食事から芳香族アミノ酸を摂取する。より具体的には、グリホサートは酵素5-エノールピルビルシキミ酸-3-リン酸シンターゼ（EPSPS）を阻害する。
この特性は、当時穀物や牧草に使用されていた除草剤が毒性が強く、細葉雑草には効果がなかったために開発された。そのため、グリホサート散布に耐えられる作物を開発することで、環境と健康のリスクを軽減し、農家に農業上の優位性をもたらすことができると考えられた。[ 161 ]
一部の微生物は、グリホサート阻害に耐性のある EPSPS のバージョンを持っています。これらの 1 つは、グリホサートに耐性のあるAgrobacterium株 CP4 (CP4 EPSPS) から分離されました。 [ 162 ] [ 163 ] CP4 EPSPS 遺伝子は、ペチュニアEPSPS由来の葉緑体移行ペプチドに遺伝子の 5' 末端を融合させることにより、植物での発現用に設計されました。この移行ペプチドは、以前に細菌 EPSPS を他の植物の葉緑体に送達する能力を示したため使用されました。この CP4 EPSPS 遺伝子はクローニングされ、ダイズにトランスフェクションされました。
遺伝子をダイズに導入するために使用したプラスミドはPV-GMGTO4であった。このプラスミドには、3つの細菌遺伝子、2つのCP4 EPSPS遺伝子、およびマーカーとして大腸菌由来のβ-グルクロニダーゼ（GUS）をコードする遺伝子が含まれていた。DNAは粒子加速法を用いてダイズに注入された。形質転換にはダイズ品種A54O3が使用された。
グルホシネート除草剤に耐性のある作物も商品化されている。[ 165 ]複数の除草剤に耐性を持つように遺伝子操作された作物が、農家が2種類、3種類、または4種類の異なる化学物質を混合して使用できるように開発されており、増加する除草剤耐性に対抗している。[ 166 ] [ 167 ]
この改変は、ホスフィノトリシンアセチルトランスフェラーゼ（PAT）という酵素の合成に関与するpatまたはbar遺伝子を挿入することによって行われる。この酵素は、アミノ基のアセチル化によってL-ホスフィノトリシン（グルホシネート）を無毒な生成物に変換し、有効成分を不活性化することで、植物に除草剤耐性を付与する。[ 168 ] [ 169 ] bar遺伝子とpat遺伝子は、それぞれ1987年と1988年にStreptomyces hygroscopicusとStreptomyces viridochromogenesから単離された。[ 170 ]グルホシネート耐性を付与する他の方法も報告されているが、現在までにこの除草剤に耐性のある作物の開発に商業的に使用されているのはpatまたはbar遺伝子のみである。 [ 169 ]
2014年10月、米国環境保護庁（EPA）は、グリホサートと2,4-Dの両方に耐性を持つように遺伝子組み換えされたダウ社のEnlist Duoトウモロコシを6つの州で登録した。[ 171 ] [ 172 ] [ 173 ]細菌のアリールオキシアルカノエートジオキシゲナーゼ遺伝子aad1を挿入することで、トウモロコシは2,4-Dに耐性を持つようになる。[ 171 ] [ 174 ]米国農務省（USDA）は、2014年9月にこの変異を持つトウモロコシと大豆を承認した。[ 175 ]
モンサントは、グリホサートとジカンバの両方に耐性を持つスタックド系統の承認を申請しました。この申請には、除草剤が他の作物に飛散するのを防ぐ計画が含まれています。[ 176 ] 2017年に耐性大豆に散布された際に揮発飛散を減らすことを目的としたジカンバ製剤により、他の非耐性作物に大きな被害が発生しました。[ 177 ]新しいジカンバ製剤のラベルには、粒子飛散を避けるために平均風速が時速10～15マイル（16～24 km/h）を超える場合、気温逆転を避けるために平均風速が時速3マイル（4.8 km/h）未満の場合、および翌日の予報で雨または高温の場合は散布しないように指定されています。ただし、これらの条件は通常、6月と7月に数時間だけ発生します。[ 178 ] [ 179 ]
タバコ、トウモロコシ、米、その他の作物は、バチルス・チューリンゲンシス（Bt）由来の殺虫性タンパク質をコードする遺伝子を発現するように遺伝子操作されている。[ 180 ] [ 181 ] 1996年から2005年の間にBt作物が導入されたことで、米国における殺虫剤有効成分の総使用量が10万トン以上減少したと推定されている。これは殺虫剤使用量の19.4%の減少に相当する。[ 182 ]
1990年代後半、コロラドハムシに耐性のある遺伝子組み換えジャガイモが、消費者の反発を恐れた大手バイヤーの拒否により、市場から撤退した。[ 114 ]
植物ウイルスは、世界中で発生する植物病の約半分の原因であり、作物の収量損失の推定10～15％の原因となっています。[ 183 ] パパイヤ、ジャガイモ、カボチャは、キュウリモザイクウイルスなどのウイルス病原体に抵抗するように遺伝子操作されています。キュウリモザイクウイルスは、その名前にもかかわらず、さまざまな植物に感染します。[ 184 ] [ 183 ] ウイルス耐性パパイヤは、1990年代後半にハワイで発生したパパイヤ輪点ウイルス（PRV）の発生 に対応して開発されました。これらはPRV DNAを組み込んでいます。 [ 185 ] [ 186 ] 2010年までに、ハワイのパパイヤ植物の80％が遺伝子組み換えされました。[ 187 ] [ 188 ]
1998年にジャガイモ葉巻ウイルスとジャガイモウイルスYに対する耐性を持つジャガイモが遺伝子操作された。売れ行き不振のため、3年後に市場から撤退した。[ 189 ]
1990年代から、当初は2種類、その後3種類のウイルスに耐性を持つ黄色いカボチャが開発されました。これらのウイルスは、スイカ、キュウリ、ズッキーニ/ズッキーニ黄斑モザイクウイルスです。カボチャは、米国規制当局によって承認された2番目の遺伝子組み換え作物でした。この特性は後にズッキーニにも導入されました。[ 190 ]
近年、トウモロコシ矮化モザイクウイルスの蔓延に対抗するため、多くのトウモロコシ品種が開発されてきた。トウモロコシ矮化モザイクウイルスは、ジョンソングラスに媒介され、アブラムシなどの昆虫によって拡散される、生育阻害を引き起こす高価なウイルスである。これらの品種は市販されているが、遺伝子組み換えトウモロコシ品種間で耐性が標準化されているわけではない。[ 191 ]
2012年、FDAは植物由来の医薬品として初めてゴーシェ病の治療薬を承認した。[ 192 ]タバコ植物は治療用抗体を産生するように改変されている。[ 193 ]
藻類はバイオ燃料への利用に向けて開発が進められている。[ 194 ]バイオ燃料の大量生産を目的とした微細藻類の研究は、藻類を改変して脂質をより多く生産することに焦点を当てているが、脂質抽出プロセスのコストが高いため、結果が出るまでには何年もかかるだろう。[ 195 ]シンガポールの研究者たちは、バイオ燃料生産のために遺伝子組み換えヤトロファに取り組んでいた。 [ 196 ]シンジェンタは、デンプンを糖に変換してエタノールにするために遺伝子組み換えされたトウモロコシ「エノゲン」を販売するためのUSDAの承認を得ている。[ 197 ]一部の樹木は、リグニンを少なくするか、化学的に不安定な結合を持つリグニンを発現するように遺伝子組み換えされている。リグニンは、木材を使用してバイオエタノールを作る際の重要な制限要因である。なぜなら、リグニンはセルロースミクロフィブリルが酵素によって解重合されるのを制限するからである。[ 198 ]樹木以外にも、化学的に不安定なリグニン結合はトウモロコシなどの穀物作物にも非常に有用である。[ 199 ] [ 200 ]
企業や研究所は、バイオプラスチックの製造に使用できる植物に取り組んでいます。[ 201 ]工業的に有用なデンプンを生成するジャガイモも開発されています。[ 202 ]油糧種子は、洗剤、代替燃料、石油化学製品用の脂肪酸を生成するように改変できます。
上記の改良油糧作物に加えて、アマナズナもオオタバコガのフェロモンを生成するように改良されており、ヨトウガ版の開発も進められている。オオタバコガのフェロモンは試験され、効果があることが確認されている。[ 203 ]
ヨーク大学の科学者たちは、2011年に、TNTとRDXの爆発性土壌汚染物質を浄化できる細菌由来の遺伝子を含む雑草（シロイヌナズナ）を開発した。 [ 204 ]米国では1600万ヘクタール（総面積の1.5%）がTNTとRDXで汚染されていると推定されている。しかし、シロイヌナズナは軍事試験場での使用には十分な耐性がなかった。[ 205 ] 2016年の改良では、スイッチグラスとベントグラスが使用された。[ 206 ]
遺伝子組み換え植物は、水銀、セレン、ポリ塩化ビフェニル（PCB）などの有機汚染物質を含む汚染土壌のバイオレメディエーションに利用されてきた。 [ 205 ] [ 207 ]
海洋環境は、石油流出などの汚染が封じ込められないため、特に脆弱です。人為的な汚染に加えて、毎年数百万トンの石油が自然の浸出によって海洋環境に流入しています。毒性があるにもかかわらず、海洋系に流入する石油のかなりの部分は、微生物群集の炭化水素分解活動によって除去されます。特に成功しているのは、最近発見された、いわゆる炭化水素分解細菌（HCCB）と呼ばれる専門家のグループで、有用な遺伝子を提供する可能性があります。[ 208 ]
トウモロコシなどの作物は毎年有性生殖を行う。これにより、どの遺伝子が次世代に受け継がれるかがランダム化され、望ましい形質が失われる可能性がある。高品質の作物を維持するために、一部の農家は毎年種子を購入する。通常、種子会社は2つの近交系品種を維持し、それらを交配してハイブリッド系統を作り、それを販売する。ソルガムやガンマグラスなどの関連植物は、植物のDNAをそのまま維持する無性生殖の一形態であるアポミクシスを行うことができる。この形質は明らかに単一の優性遺伝子によって制御されているが、従来の育種では無性生殖を行うトウモロコシを作ることに成功していない。遺伝子工学は、この目標への別の道を提供する。遺伝子改変が成功すれば、農家は購入した種子に頼るのではなく、望ましい形質を保持した収穫種子を再植することができるようになる。[ 209 ]
一部の作物には遺伝子組み換えも存在し、作物の加工を容易にする、つまりよりコンパクトな形で栽培する。[ 210 ]トマトなどの作物は種なしになるように改良されている。[ 211 ]タバコはクロロフィルaとbに加えてクロロフィルcを生成するように改良され、成長速度が向上している。トランスジーンは海洋藻類で発見され、長波長よりも海水に効果的に浸透できる青色光からエネルギーを得るために利用されている。[ 212 ] [ 213 ]
キャメリーナ・サティバにはいくつかの改良が加えられており、上記の「食用油」および「非農薬害虫管理製品」を参照のこと。
USDAが承認した試験用の圃場リリース数は、1985年の4件から2002年には1,194件に増加し、その後は年間平均約800件となった。リリースあたりのサイト数と遺伝子構築物（目的遺伝子が他の要素と組み合わされた方法）の数は 、2005年以降急速に増加している。農業特性（干ばつ耐性など）を持つリリースは、2005年の1,043件から2013年には5,190件に急増した。2013年9月現在、トウモロコシで約7,800件、大豆で2,200件以上、綿花で1,100件以上、ジャガイモで約900件のリリースが承認されている。除草剤耐性（6,772件）、害虫抵抗性（4,809件）、風味や栄養などの製品品質（4,896件）、干ばつ耐性などの農業特性（5,190件）、ウイルス/真菌抵抗性（2,616件）についてリリースが承認された。最も多くのフィールドリリースが承認された機関には、モンサント（6,782件）、パイオニア/デュポン（1,405件）、シンジェンタ（565件）、米国農務省農業研究局（370件）が含まれる。2013年9月現在、米国農務省は、遺伝子組み換え米、カボチャ、プラム、バラ、タバコ、アマ、チコリのリリースに関する提案を受けていた。[ 228 ]
ノースカロライナ州立大学の研究者たちは、火星に送るための遺伝子組み換え植物や種子を設計しており、それらは居住可能な温室やバイオドームで生育し、火星の植物生命の構築に役立つ。NASAのNIACは、火星でよりよく生き残ることができる設計植物/樹木または遺伝子組み換え植物に関するこの研究を支援している。地球上の極限環境微生物のCRISPR遺伝子編集は、紫外線、極度の寒さ、低気圧、過塩素酸塩、干ばつ耐性などの課題を含む、火星の過酷なレゴリスと大気に耐えるために使用されている。[ 229 ]その後、植物や種子は屋外でテストされ、火星の完全なテラフォーミングのための生態系を開始することができる。[ 230 ] [ 231 ] [ 232 ] [ 233 ]
毒素に継続的にさらされると、その毒素に耐性のある害虫に対する進化的な圧力が生じる。[ 234 ]
バチルス・チューリンゲンシス（Bt）作物の抵抗性を低減するため、1996年の遺伝子組み換え綿とトウモロコシの商業化に伴い、昆虫の抵抗性獲得を防ぐための管理戦略が導入された。現在、米国では遺伝子組み換え作物に昆虫抵抗性管理戦略が義務付けられている。主な対策は、避難場所の利用である。[ 235 ]その目的は、害虫の個体数を増やし、抵抗性遺伝子（劣性遺伝子）が個体群内で希釈されるようにすることである。抵抗性は、ストレス要因であるBtが存在しない状況下で進化的な適応度を低下させる。避難場所では、抵抗性のない系統が抵抗性のある系統よりも優勢になる。[ 236 ]
トランスジーンの発現レベルが十分に高ければ、耐性アレルを持つ害虫集団の最大部分であるヘテロ接合体（S/s）のほぼすべてが成熟前に死滅し、耐性遺伝子が子孫に伝わるのを防ぐことができる。[ 237 ]トランスジェニック畑に隣接する避難場所（非トランスジェニック植物の畑）は、耐性ホモ接合体（s/s）個体と生き残ったヘテロ接合体が、耐性アレルを持つ他の個体ではなく、避難場所の感受性（S/S）個体と交配する可能性を高める。その結果、集団内の耐性遺伝子頻度は低いままとなる。
高用量/避難地戦略の成功には、複雑な要因が影響する可能性があります。たとえば、温度が理想的でない場合、熱ストレスによってBt毒素の産生が低下し、植物の感受性が高まる可能性があります。さらに重要なことに、生育後期の発現低下が記録されており、これはプロモーターのDNAメチル化に起因する可能性があります。[ 238 ]高用量/避難地戦略の成功により、Bt作物の価値が維持されてきました。この成功は、管理戦略とは無関係の要因に依存しており、初期の抵抗性アレル頻度の低さ、抵抗性に関連する適応度コスト、避難地外の非Bt宿主植物の豊富さなどが含まれます。[ 239 ]
Bt種子を生産する企業は、複数のBtタンパク質を持つ系統を導入しています。モンサントはインドでBt綿花でこれを行い、同国では製品が急速に普及しました。[ 240 ]モンサントはまた、害虫抵抗性管理政策を遵守し、無責任な植え付け慣行を防ぐために、畑での避難場所の導入プロセスを簡素化しようと試み、販売されているBt種子に一定割合の避難場所（非遺伝子組み換え）種子を混ぜた種子袋の販売を開始しました。「Refuge-In-a-Bag」と呼ばれるこの慣行は、農家が避難場所の要件を遵守し、Bt種子と避難場所の種子袋を別々に用意することによる植え付け時の追加作業を削減することを目的としています。[ 241 ]この戦略は、トウモロコシ根虫に対するBt抵抗性の発生の可能性を低下させる可能性が高いですが、ヨーロッパトウモロコシ穿孔虫などの鱗翅目トウモロコシ害虫に対する抵抗性のリスクを高める可能性があります。種子混合物による抵抗性に関する懸念の高まりとしては、Bt植物上の部分的に抵抗性のある幼虫が生存するために感受性植物に移動できること、または避難植物の花粉がBt植物に交配され、穂を食べる昆虫のために種子中のBtの発現量が減少することなどが挙げられる。[ 242 ] [ 243 ]
雑草を防除するための最良管理方法(BMP) は、耐性の発現を遅らせるのに役立つ可能性があります。BMP には、作用機序の異なる複数の除草剤の散布、輪作、雑草のない種子の播種、定期的な圃場の巡回、他の圃場への雑草の伝播を減らすための機器の洗浄、および圃場境界の維持が含まれます。[ 228 ]最も広く栽培されている GM 作物は、除草剤に耐性を持つように設計されています。2006 年までに、一部の雑草集団は同じ除草剤の一部に耐性を持つように進化しました。パルマーアマランサスは、綿花と競合する雑草です。米国南西部原産で、東に広がり、GM 綿花が導入されてから 10 年も経たない 2006 年に初めてグリホサート耐性が発見されました。[ 244 ] [ 245 ]グリホサートへの過度の依存と雑草管理方法の多様性の低下により、米国では14種の雑草[ 228 ]と大豆[ 5 ]でグリホサート耐性が蔓延した。
農家は一般的に、Bt耐性作物を植えると殺虫剤の使用量が減ります。トウモロコシ農場での殺虫剤の使用量は、1995年の植え付け面積1エーカーあたり0.21ポンドから2010年には0.02ポンドに減少しました。これは、 Btトウモロコシと綿花の直接的な結果としてヨーロッパトウモロコシメイガの個体数が減少したことと一致しています。最低限の避難場所要件の設定は、Bt耐性の進化を遅らせるのに役立ちました。しかし、一部の地域では、一部のBt形質に対する耐性が発達しているようです。[ 228 ]コロンビアでは、GM綿花により殺虫剤の使用量が25%、除草剤の使用量が5%削減され、GMトウモロコシにより殺虫剤と除草剤の使用量がそれぞれ66%と13%削減されました。[ 246 ]
収穫から植え付けまで、作物の残渣の少なくとも 30% を土壌表面に残すことで、保全耕起は風や水による土壌侵食を減らし、保水性を高め、土壌劣化や水や化学物質の流出を減らします。さらに、保全耕起は農業のカーボン フットプリントを削減します。1996 年から 2006 年までの 12 州を対象とした 2014 年のレビューでは、除草剤耐性 (HT) 大豆の採用が 1% 増加すると、保全耕起が 0.21% 増加し、品質調整済み除草剤の使用量が 0.3% 減少することが分かりました。[ 247 ]
収穫量の増加、土地利用の減少、肥料の使用量の減少、農業機械の使用量の減少といった特徴が組み合わさることで、農業に関連する炭素排出量を削減するフィードバックループが生まれます。これらの削減量は、EU の農業排出量全体の 7.5%、つまり 3300 万トンのCO2 [ 248 ]、コロンビアでは推定 876 万トンのCO2 [ 246 ]と推定されています。
干ばつ耐性作物の利用は、水不足の地域での収穫量を増加させ、新たな地域での農業を可能にする。ガーナにおける干ばつ耐性トウモロコシの導入は、収穫量を150%以上増加させ、商業化の強度を高めたが、農家の収入には大きな影響を与えなかったことが示されている。[ 249 ]
遺伝子工学の規制は、遺伝子組み換え作物の開発と放出に伴うリスクを政府が評価し管理するために取るアプローチに関係しています。GM作物の規制は国によって異なり、米国とヨーロッパの間で最も顕著な違いが見られます。規制は、各製品の意図された用途に応じて、特定の国でも異なります。たとえば、食用を目的としない作物は、一般的に食品安全を担当する当局による審査を受けません。[ 250 ] [ 251 ]
2013年には、27か国で遺伝子組み換え作物が栽培され、そのうち19か国は発展途上国、8か国は先進国でした。2013年は、発展途上国が遺伝子組み換え作物の総収穫量の大部分（54％）を占めた2年目でした。1800万人の農家が遺伝子組み換え作物を栽培し、その約90％は発展途上国の小規模農家でした。[ 1 ]
米国農務省（USDA）は毎年、米国で栽培されている遺伝子組み換え作物の総面積を報告している。[ 253 ] [ 254 ]国立農業統計局によると、これらの表に掲載されている州は、トウモロコシの作付面積全体の81～86%、大豆の作付面積全体の88～90%、陸地綿の作付面積全体の81～93%を占めている（年によって異なる）。
世界的な推定値は、国際農業バイオテクノロジー応用取得サービス（ISAAA）によって作成され、年次報告書「商業化された遺伝子組み換え作物の世界的状況」に掲載されています。[ 1 ] [ 255 ]
農家は遺伝子組み換え技術を広く採用している（図参照）。1996年から2013年の間に、遺伝子組み換え作物で耕作された土地の総面積は100倍に増加し、17,000平方キロメートル（4,200,000エーカー）から1,750,000 平方キロメートル（ 4億3,200万エーカー）になった。[ 1 ] 2010年には、世界の耕作可能地の10%が遺伝子組み換え作物で耕作された。 [ 54 ] 2011年現在、米国、ブラジル、アルゼンチン、インド、カナダ、中国、パラグアイ、パキスタン、南アフリカ、ウルグアイ、ボリビア、オーストラリア、フィリピン、ミャンマー、ブルキナファソ、メキシコ、スペインなどの29か国で、11種類の遺伝子組み換え作物が3億9,500万エーカー（1億6,000万ヘクタール）で商業的に栽培されている。[ 54 ]この技術が広く採用されている主な理由の 1 つは、農家にとってこの技術がもたらす経済的利益が認識されていることです。たとえば、グリホサート耐性種子を植え、植物が発芽した後にグリホサートを散布するシステムは、畝の間隔を狭くできるため、農家に一定の土地からの収量を劇的に増やす機会を与えました。このシステムがなければ、農家は機械耕起で発芽後の雑草を防除するために、畝の間隔を十分に広く取る必要がありました。[ 256 ]同様に、Bt 種子を使用することで、農家は殺虫剤を購入し、散布に時間、燃料、設備を投資する必要がなくなります。しかし、批判者たちは、遺伝子組み換え作物で収量が高く、化学物質の使用が少なくなるかどうかについて議論しています。詳細については、「遺伝子組み換え食品論争」の記事を参照してください。
米国では、2014年までに、大豆の作付面積の94%、綿花の96%、トウモロコシの93%が遺伝子組み換え品種であった。[ 257 ] [ 258 ] [ 259 ]遺伝子組み換え大豆は除草剤耐性形質のみを有していたが、トウモロコシと綿花は除草剤耐性と害虫防除形質の両方を有していた（後者は主にBtタンパク質）。[ 260 ]これらは、生産者に経済的利益をもたらすことを目的とした「投入形質」を構成するが、間接的な環境上の利益や消費者へのコスト上の利益をもたらす可能性がある。米国食料品製造業者協会は2003年に、米国の加工食品全体の70～75%に遺伝子組み換え成分が含まれていると推定した。[ 261 ]
ヨーロッパでは遺伝子組み換え作物の栽培は比較的少ない[ 262 ]。例外はスペインで、トウモロコシの5分の1が遺伝子組み換え作物である[ 263 ]。他の5か国でも少量栽培されている[ 264 ]。EUは1999年から2004年まで、新しい遺伝子組み換え作物の承認を事実上禁止していた[ 265 ] [ 266 ]。現在、遺伝子組み換え作物はEUによって規制されている[ 267 ] 。 2013年には、発展途上国が遺伝子組み換え作物の54%を栽培した[ 1 ]。
近年、発展途上国では遺伝子組み換え作物が急速に拡大している。2013年には、約1800万人の農家が発展途上国で世界の遺伝子組み換え作物の54%を栽培した。[ 1 ] 2013年の増加が最も大きかったのはブラジル（2012年の368,000 km²に対し、403,000 km² ）である。インドでは2002年に遺伝子組み換え綿の栽培が始まり、2013年には110,000 km²に達した。[ 1 ]
2013年のISAAAの概要によると、「1994年以降、合計36か国（35か国＋EU28か国）が、食品および／または飼料用、環境放出または植栽用のバイオテクノロジー作物の規制承認を与えている …当局によって発行された規制承認は合計2,833件で、27の遺伝子組み換え作物と336の遺伝子組み換えイベント（注：「イベント」とは、特定の種における特定の遺伝子改変のこと）が含まれ、そのうち1,321件は食品用（直接使用または加工）、918件は飼料用（直接使用または加工）、599件は環境放出または植栽用である。日本が最も多く（198件）、次いで米国（165件、「スタック」イベントを除く）、カナダ（146件）、メキシコ（131件）、韓国（103件）、オーストラリア（93件）、ニュージーランド（83件）、欧州連合（71件、期限切れまたは更新手続き中の承認を含む）、フィリピン（68件）、台湾（65件）、コロンビア（59件）、中国（55）と南アフリカ（52）。トウモロコシが最も多く（27か国で130件）、次いで綿花（22か国で49件）、ジャガイモ（10か国で31件）、キャノーラ（12か国で30件）、大豆（26か国で27件）となっている。[ 1 ]
直接的な遺伝子工学は、導入以来物議を醸してきた。論争のほとんどは、作物そのものよりも遺伝子組み換え食品に関するものであるが、すべてがそうではない。遺伝子組み換え食品は、抗議活動、破壊行為、国民投票、立法、訴訟[ 268 ]、そして科学論争の対象となっている。これらの論争には、消費者、バイオテクノロジー企業、政府規制当局、非政府組織、科学者が関わっている。
反対派は、環境への影響、食品の安全性、GM作物が食糧需要を満たすために必要かどうか、発展途上国の農家にとって十分に入手可能かどうか[ 269 ] 、作物を知的財産法の対象とすることへの懸念、宗教上の理由[ 270 ]など、複数の根拠に基づいてGM作物に反対している。二次的な問題には、表示、政府規制当局の行動、農薬の使用と農薬耐性の影響などがある。
遺伝子組み換え作物の使用に関する重大な環境上の懸念は、関連作物との交雑によって、自然発生品種よりも優位性を得る可能性があることです。一例として、グリホサート耐性イネが雑草の近縁種と交雑し、雑草に競争上の優位性を与えるケースがあります。遺伝子組み換えハイブリッドは、非遺伝子組み換えハイブリッドよりも光合成速度が高く、芽や花の数、種子の数も多かったのです。[ 271 ]これは、遺伝子組み換え作物の使用によって生態系にダメージを与える可能性があることを示しています。
遺伝子組み換え作物の開発におけるバイオパイラシーの役割も潜在的に問題となる可能性がある。先進国は発展途上国の遺伝資源を利用して経済的利益を得てきたからである。20世紀には、国際稲研究所がアジアの農場から8万種近いイネのゲノムをカタログ化し、それ以来、高収量品種のイネの開発に利用されてきた。これらの新品種は、オーストラリア、米国、カナダ、ニュージーランドに毎年約6億5500万ドルの経済的利益をもたらしている。[ 272 ]
遺伝子組み換え作物由来の現在入手可能な食品は、従来の食品よりも人間の健康に大きなリスクをもたらすことはないという科学的コンセンサスがあるが、導入前に各遺伝子組み換え食品を個別にテストする必要がある。[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13] [ 14][ 15 ][ 16 ] [ 17 ] [18] [ 19 ]それにもかかわらず、一般の人々は科学者よりも遺伝子組み換え食品を安全だと認識する可能性がはるかに低い。[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]遺伝子組み換え食品の法的および規制上の地位は国によって異なり、禁止または制限している国もあれば、規制の程度が大きく異なるものの許可している国もある。[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]
遺伝子組み換え食品による悪影響の報告は、ヒト集団では記録されていません。[ 273 ] [ 274 ] [ 275 ]遺伝子組み換え作物の表示は多くの国で義務付けられていますが、米国食品医薬品局は義務付けておらず、承認された遺伝子組み換え食品と非遺伝子組み換え食品を区別していません。[ 276 ]米国は、2018年7月までに表示規制を発行することを義務付ける法律を制定しました。この法律は、電話番号、バーコード、ウェブサイトなどによる間接的な開示を認めています。[ 277 ]
食品安全センター、憂慮する科学者同盟、グリーンピースなどの擁護団体は、遺伝子組み換え食品に関連するリスクが十分に調査・管理されていないこと、遺伝子組み換え作物が十分に検査されておらず表示が必要であること、規制当局や科学団体が業界と密接に結びつきすぎていることを主張している。遺伝子組み換え作物が害を及ぼす可能性があると主張する研究もあるが、[ 278 ] [ 279 ] 2016年のレビューでは、これらの研究のうち6件のデータを再分析した結果、統計的手法に欠陥があり害を実証していないことが判明し、遺伝子組み換え作物の安全性に関する結論は「単一の研究からの突飛な証拠ではなく、証拠の全体から」導き出すべきであると述べている。 [ 280 ]
エグゼクティブサマリー、商業化されたバイオテクノロジー/遺伝子組み換え作物の世界的状況
禁止が決定されました。
我々は、遺伝子組み換え植物が世界中で広く栽培されるようになって以来成熟した科学的コンセンサスを捉えた、過去 10 年間の GE 作物の安全性に関する科学文献をレビューし、これまでに実施された科学的研究では、GM 作物の使用に直接関連する重大な危険は検出されていないと結論付けることができます。
生物多様性と遺伝子組み換え食品・飼料の消費に関する文献は、実験計画の妥当性、統計手法の選択、データの公開性などに関して、時に活発な議論を引き起こしてきた。こうした議論は、科学界による自然な審査過程の一部であり、建設的なものであったとしても、メディアによって歪曲され、反遺伝子組み換え作物キャンペーンにおいて政治的かつ不適切に利用されることがしばしばある。
現在入手可能な遺伝子組み換え作物およびそれらから派生した食品は、安全に食べられると判断されており、その安全性をテストするために使用された方法は適切であるとみなされている。これらの結論は、ICSU（2003）が調査した科学的証拠のコンセンサスを表しており、世界保健機関（WHO、2002）の見解と一致している。これらの食品は、各国の食品安全手順（ICSU）を使用して、いくつかの国の規制当局（とりわけ、アルゼンチン、ブラジル、カナダ、中国、英国、米国）によって、人間の健康に対するリスクの増加について評価されている。現在までに、遺伝子組み換え作物由来の食品の摂取によって、世界中で確認された有害な毒性や栄養上の悪影響は一切発見されていません（遺伝子組み換え科学審査委員会）。何百万人もの人々が、主にトウモロコシ、大豆、アブラナなどの遺伝子組み換え植物由来の食品を摂取していますが、有害な影響は観察されていません（国際栄養科学連合）。
広く存在します。14 年間の栽培と累計 20 億エーカーの作付けを経て、遺伝子組み換え作物の商業化による健康や環境への悪影響は発生していません (農業天然資源委員会、遺伝子組み換え植物の商業化に伴う環境影響に関する委員会、米国国立研究評議会、地球生命科学部門 2002 年)。米国国家研究評議会と欧州連合の科学技術研究機関であり欧州委員会の不可欠な一部である共同研究センターは、遺伝子組み換え作物の食品安全問題に適切に対処できる包括的な知識体系が存在すると結論付けている（遺伝子組み換え食品の人体健康への意図しない影響の特定と評価に関する委員会および米国国家研究評議会 2004 年、欧州委員会共同研究センター 2008 年）。これらの報告書やその他の最近の報告書は、遺伝子工学と従来の育種プロセスは、人体健康や環境への意図しない結果という点で違いはないと結論付けている（欧州委員会研究・イノベーション総局 2010 年）。
ただし、以下も参照してください。
Domingo JL、Giné Bordonaba J（2011年5月）。「遺伝子組み換え植物の安全性評価に関する文献レビュー」（PDF）。Environment International。37（4）：734–42。Bibcode：2011EnInt..37..734D。doi：10.1016/j.envint.2011.01.003。PMID 21296423。これにもかかわらず、遺伝子組み換え植物の安全性評価に特化した研究の数はまだ限られています。しかし、研究に基づいて、多くの種類の遺伝子組み換え製品（主にトウモロコシと大豆）が、それぞれの従来の非遺伝子組み換え植物と同じくらい安全で栄養価が高いと示唆する研究グループと、依然として深刻な懸念を引き起こしている研究グループの数に、初めて一定の均衡が見られたことは注目に値します。さらに、遺伝子組み換え食品が従来の育種で得られた食品と同等の栄養価と安全性を有することを示す研究のほとんどは、バイオテクノロジー企業またはその関連会社によって実施されており、これらの企業は遺伝子組み換え植物の商業化も担っていることを特筆すべきである。とはいえ、近年、これらの企業が科学誌に発表した研究がほとんどないことを考えると、これは注目すべき進歩と言えるだろう。
Krimsky S (2015). "遺伝子組み換え作物の健康評価の背後にある幻想的な合意". Science, Technology, & Human Values . 40 (6): 883–914 . doi : 10.1177/0162243915598381 . S2CID 40855100.私はこの記事を、尊敬される科学者たちの証言から始めました。彼らは、遺伝子組み換え作物の健康への影響について、科学的な論争は文字通り存在しないと述べています。しかし、科学文献の調査は、別の事実を示しています。
そして対照的に：
Panchin AY 、Tuzhikov AI（2017年3月） 。 「発表されたGMO研究では、多重比較補正後、害の証拠は見つからなかった」。Critical Reviews in Biotechnology。37（2）：213–217。doi：10.3109/07388551.2015.1130684。PMID 26767435。S2CID 11786594。ここでは、遺伝子組み換え作物に関する世論に強く否定的な影響を与え、GMO禁輸などの政治的行動を引き起こした論文のいくつかが、データの統計的評価において共通の欠陥を共有していることを示す。これらの欠陥を考慮すると、これらの論文で提示されたデータは、GMOの害の実質的な証拠を提供していないと結論付ける。GMO
の潜在的な害を示唆する提示された論文は、世間の大きな注目を集めた。しかし、彼らの主張とは裏腹に、実際には研究対象となった遺伝子組み換え作物の有害性や実質的な同等性の欠如を示す証拠を弱めている。過去10年間で1783件を超える遺伝子組み換え作物に関する論文が発表されていることを考えると、たとえ実際にはそのような差異が存在しないとしても、それらの論文の中には遺伝子組み換え作物と従来作物との間に望ましくない差異を報告しているものがあってもおかしくないことを強調しておきたい。
そして
Yang YT、Chen B（2016年4月）。「米国における遺伝子組み換え作物の規制：科学、法律、公衆衛生」。Journal of the Science of Food and Agriculture。96（6）：1851–5。Bibcode：2016JSFA...96.1851Y。doi ：10.1002/jsfa.7523。PMID 26536836。したがって、表示義務化と遺伝子組み換え作物の禁止に向けた取り組みが米国で政治的な問題として高まっていることは驚くべきことではない（
DomingoとBordonaba、2011年を参照）。全体として
、現在市販されている遺伝子組み換え食品は従来の食品よりも大きなリスクをもたらすものではないという幅広い科学的コンセンサスがある
...主要な国内外の科学および医学協会は、現在までに査読付き文献において、遺伝子組み換え食品に関連する有害な人体健康影響は報告または立証されていないと述べている。
様々な懸念があるにもかかわらず、今日では、米国科学振興協会、世界保健機関、そして多くの独立した国際科学機関が、遺伝子組み換え作物は他の食品と同等に安全であるという点で一致している。従来の育種技術と比較すると、遺伝子工学ははるかに精密であり、ほとんどの場合、予期せぬ結果を生み出す可能性が低い。
例えば、EUはGMOのバイオセーフティに関する研究に3億ユーロ以上を投資している。最近の報告書には、「25年以上にわたる研究期間と500以上の独立した研究グループが関与した130以上の研究プロジェクトの努力から導き出される主な結論は、バイオテクノロジー、特にGMOは、例えば従来の植物育種技術よりもそれ自体リスクが高いわけではないということである」と記されている。世界保健機関、米国医師会、米国科学アカデミー、英国王立協会、その他証拠を検証したあらゆる権威ある組織は、同じ結論に達している。すなわち、遺伝子組み換え作物由来の成分を含む食品を摂取することは、従来の植物改良技術によって改変された作物由来の成分を含む同じ食品を摂取することと比べて、リスクが高いわけではない、という結論である。Pinholste G（2012年10月25日）「AAAS理事会：遺伝子組み換え食品の表示を法的に義務付けることは「消費者を誤解させ、誤った不安を抱かせる可能性がある」」( PDF)。アメリカ科学振興協会。2019年8月30日取得。
医師会（AMA）の科学評議会が発行したレポートによると、遺伝子組み換え作物と遺伝子組み換え食品の使用による長期的な健康影響は検出されておらず、これらの食品は従来の食品と実質的に同等であるとされています。「組換えDNA技術を使用して生産された作物と食品は10年未満しか利用されておらず、現在までに長期的な影響は検出されていません。これらの食品は従来の食品と実質的に同等です。「科学と公衆衛生に関する評議会の報告書2（A-12）：遺伝子組み換え食品の表示」（PDF）。米国医師会。2012年。2012年9月7日にオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2019年8月30日取得。
遺伝子組み換え食品は20年近く消費されているが、その間、査読付き文献において、人間の健康に対する明らかな影響は報告されておらず、また立証もされていない。
米国のいくつかの科学団体は、GMO の安全性に関する研究や声明を発表しており、GMO が従来の方法で育種された製品と比較して特有の安全上のリスクをもたらすという証拠はないことを示しています。これには、米国国家研究評議会、米国科学振興協会、米国医師会が含まれます。米国で GMO に反対している団体には、一部の環境団体、有機農業団体、消費者団体などがあります。かなりの数の法学者が、米国の GMO 規制へのアプローチを批判しています。
健康に及ぼすとされる悪影響に関する全体的な結論：委員会は
、現在市販されている遺伝子組み換え食品と非遺伝子組み換え食品の組成分析、急性および慢性動物毒性試験、遺伝子組み換え食品を与えられた家畜の健康に関する長期データ、およびヒト疫学データの詳細な比較検討に基づき、遺伝子組み換え食品が非遺伝子組み換え食品よりもヒトの健康に高いリスクをもたらすような違いは見つからなかった。
異なる方法で挿入された異なる遺伝子が含まれています。これは、個々の遺伝子組み換え食品とその安全性はケースバイケースで評価されるべきであり、すべての遺伝子組み換え食品の安全性について一般的な声明を出すことは不可能であることを意味します。
現在国際市場で入手可能な遺伝子組み換え食品は安全性評価に合格しており、人間の健康にリスクをもたらす可能性は低いと考えられます。さらに、承認された国々で一般の人々がそのような食品を摂取した結果、人間の健康への影響は示されていません。コーデックス委員会の原則に基づく安全性評価の継続的な適用と、必要に応じて適切な市販後監視が、遺伝子組み換え食品の安全性を確保するための基礎となるべきです。
これらの原則は、直接的影響と意図しない影響の両方の評価を含む、ケースバイケースの市販前評価を規定しています。
私たちの見解では、遺伝子組み換え食品が有害な健康影響を引き起こす可能性は非常に小さく、表明された懸念の多くは、従来由来の食品にも同様に当てはまります。しかし、現時点で入手可能な情報に基づいて、安全性の懸念を完全に払拭することはできません。
利益とリスクのバランスを最適化しようとする場合、慎重を期し、何よりも蓄積された知識と経験から学ぶことが賢明です。遺伝子組み換えなどの新しい技術は、人間の健康と環境に対する潜在的な利益とリスクについて検討する必要があります。すべての新規食品と同様に、遺伝子組み換え食品に関する安全性評価は、ケースバイケースで行う必要があります。
GM審査プロジェクトのメンバーは、関連分野で認められた多様な専門家グループから遺伝子組み換えのさまざまな側面について説明を受けました。GM審査委員会は、現在入手可能なGM食品の販売を中止し、GM作物の商業栽培の一時停止を継続すべきであるとの結論に達しました。これらの結論は、予防原則と、利益の証拠がないことを根拠としています。審査委員会は、GM作物が農業、環境、食品安全、その他の潜在的な健康への影響に及ぼす影響について懸念を表明しました。
王立協会のレビュー（2002年）は、GM植物における特定のウイルスDNA配列の使用に関連する人間の健康へのリスクは無視できる程度であると結論付け、食品作物への潜在的なアレルゲンの導入には注意を促しつつも、市販のGM食品が臨床的なアレルギー症状を引き起こすという証拠がないことを強調しました。BMAは、GM食品が安全でないことを証明する確固たる証拠はないという見解を共有していますが、安全性と利益の説得力のある証拠を提供するためのさらなる研究と監視を求める声を支持します。
一般市民と AAAS の科学者の間で最も大きな違いが見られるのは、遺伝子組み換え (GM) 食品を食べる安全性についての考え方です。科学者の 10 人中 9 人 (88%) が GM 食品を食べるのは概ね安全だと答えているのに対し、一般市民では 37% にとどまり、その差は 51 パーセント ポイントです。
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