農業
AIと遺伝子工学で農業を進化させる – 栽培の未来
Securities.io を Google の優先ソースに追加
新しい食用作物の創出
農業の黎明期から、人類は野生の雑草を栽培作物に変えてきました。これらは栄養価が高く、味が良く、収穫が容易で、種子が大きくなります。
しかし、現代の食用作物の育種は、肥料、農薬、灌漑への反応が強いといった形質の選択につながり、高投入型農業システムに依存する脆弱な品種が増えてしまいました。
気候変動、土壌侵食、外来種、そして雑草が、これら過度に選択された作物に大きな圧力をかけています。
この家畜化のプロセスは遅く、しかも「盲目的」でした。新しい形質は何十年、場合によっては何世紀もかけてランダムに発見・選択されてきました。
世界の作物の大部分は、限られた地域で起きた数少ない「家畜化イベント」から生まれており、まだ多くの家畜化の可能性が残されています。
現在、農業企業による作物の新たな選抜・育種手法は、現代の作物に水ストレス耐性や害虫・病害耐性といった形質を付加することに焦点を当てており、結果はまちまちです。
主な問題は、野生種で見つかる望ましい形質の多くが多遺伝子性であり、数十、時には数百もの遺伝子が関与しているため、栽培作物への遺伝子改変が事実上不可能に近いことです。
もう一つの選択肢として「de novo 家畜化」と呼ばれる手法が注目されています。高収量の現代作物を野生の雑草と同等に耐性化しようとするのではなく、すでに耐性を持つ野生雑草を取り込み、現代作物と同等の生産性を持たせるという考え方です。
新しい作物と新たな課題
新たな食料源の創出
栽培作物の品種で望まれる形質は比較的単純で、1つまたは少数の遺伝子によって決定されることが多く、これらの遺伝的特徴は概ね解明されています。
したがって、de novo 家畜化アプローチは、環境変動に耐性を示し、食料として十分な収量と特性を持つ新しい作物を生み出す可能性があります。
特に、CRISPR のような新しいツールを活用すれば、遺伝子の追加・除去や既存遺伝子の特定塩基の編集など、極めて精密かつ制御された遺伝子編集が可能です。CRISPR がヒトの遺伝子治療に承認されつつあることから、CRISPR 編集作物に対する法的枠組みが多くの国で整備される可能性が高いです。
その実現方法の技術的詳細は、例えば以下の科学論文に記載されています。”Future-Proofing Agriculture: De Novo Domestication for Sustainable and Resilient Crops“。
雑草の中で迷子になる
雑草を食用作物に転換する際に生じる問題は、当然ながら新しい作物が雑草と非常に似通ってしまうことです。記事「De novo domestication: what about the weeds?」において、コペンハーゲン大学の研究者らはこの疑問を検討しました。
その中で、従来の雑草管理（除草剤耐性）に対するGMOアプローチは持続可能でなく、過度な汚染を引き起こすと認めています。
代わりに、ロボットによる除草技術を遺伝子工学で強化すれば、はるかに環境に優しい雑草管理システムが実現できると提案しています。
先進ロボティクスと先進遺伝子編集の融合
ロボットによる畑の除草
de novo 作物（および場合によっては既存の作物品種）を改変すれば、除草ロボットが容易に識別できるようになります。
これは農業ロボットにとって大きな利点となります。本稿では、記事「Investors Should Take Note: Robotics Is Taking Over Farming」でさまざまな除草ロボットを紹介しました。
- Ecorobotixのロボットは機械ビジョンと精密散布を組み合わせ、使用する農薬と除草剤の量を最大95％削減します。
- Naio Technologiesは、5トンの自律ロボットが畑を走行し、小型ブレードで雑草を粉砕または根こそぎにすることで、除草剤を完全に排除することを目指しています。LIDAR、GPS誘導、機械ビジョンを用いて自律走行し、作物と雑草を区別するため、監視は不要です。
- Blue River Technologyは、農機具大手John Deereのパートナーです。機械学習と機械ビジョンを用いて畑のすべての植物を識別します。そのため、ロボットは雑草を除去するだけでなく、レタスなどの作物を間引き、人的介入なしで総収量を増やすことができます。
インテリジェントビジョン
Blue Riverによる機械ビジョンの活用は、農業ロボット企業の間で拡大しているトレンドであり、他にもVision Robotics、Ekobot、Carbon Robotics、Aigroなどが同様の戦略を追求しています。
全体として、彼らは自動運転車や配達ロボットなどにも利用されているAIの進歩を活用しています。
問題は、人間でさえ一部の雑草と作物を区別するのが難しいことです。そのため、最先端の機械学習やニューラルネットワークを用いても、単純な視覚的識別だけでは対象を正確に特定できないことがあります。
この問題は、de novo 家畜化戦略においてはさらに深刻です。改変された雑草は、元の野生雑草と非常に似通っており、従来の作物よりも区別が難しくなります。
理論的には、より効率的または強力なアルゴリズムを開発すれば解決できるかもしれませんが、実際に実現可能かどうかはまだ不明です。遺伝子改変が救いになる可能性があります。
De Novo 作物のタグ付け
人間の目とは異なり、機械ビジョンは可視光（380–780 nm）、近赤外（780–2500 nm）、中赤外（2500–25 000 nm）、遠赤外（25 000–300 000 nm）といった広範な電磁スペクトルを容易に解析できます。
これらを組み合わせたものが「ハイパースペクトル」ビジョンと呼ばれます。この技術はすでに作物の解析に利用されており、ドローンや衛星からのハイパースペクトル画像で水ストレス、害虫・病害、土壌品質などの問題を検出しています。
新しい作物や遺伝子編集された植物は、野生の近縁種とは異なるハイパースペクトル特性を持つように設計できます。この違いをロボットが瞬時に判別し、どれが雑草でどれが目的の作物かを決定できるようになります。
遺伝子工学により葉の形状を変更すれば、de novo 家畜化作物をさらに識別しやすくすることも可能です。
出典: Cell
このアプローチの利点は、ハイパースペクトル特性の変化が植物の環境適応性にほとんど影響しないことです。したがって、実質的にロボット以外では検出できない変化となります。
最後に、ハイパースペクトル特性の変化は単一遺伝子の改変で実現でき、既に植物生物学のラボで日常的に行われているため、新たな技術的進歩は不要です。デンマークの研究者は、目的の結果を得るために少なくとも17の既知の遺伝子改変があると列挙しています。
最適なアプローチは？
作物のバイオエンジニアリングは長年議論の的となってきました。この技術の最も一般的な利用法である除草剤耐性形質の付加は、除草剤使用量の増加（潜在的に発がん性のあるラウンドアップを含む）と結びつき、実践の普及には寄与していません。
同時に、実質的にすべての栽培作物は野生の祖先から遺伝的に大きく改変されており、その唯一の違いは、ランダムな変異によって得られた点です。
除草剤耐性GMOで見られる問題は、除草剤耐性雑草の拡散です。ハイパースペクトル特性を改変した作物でも同様の問題が生じる可能性があります。
それでも、de novo 家畜化の可能性から目をそらすべきではありません。
このアプローチにより、乾燥、塩害、熱波、病害、害虫に対してより耐性のある新しい食用作物を創出できるでしょう。
さらに、例えばAfrican wild riceやnewly bred perennial hybrid grain Kernza®のように、年作ではなく多年生で毎年再生し、炭素を吸収し、土壌侵食を抑制する新たな主食作物（小麦や米など）を作ることさえ可能です。
出典: Frontiers
革新的な農業企業
1. Deere & Company
DE 価格チャート
この上場企業は従来型の農業機械で知られています。また、AI、IoT、ロボット、機械学習、ビッグデータなどの最先端技術を活用し、データ駆動型の意思決定を行う高度な農業機械のリーダーでもあります。
出典: Deere
前述の通り、DeereはBlue River Technologyなどのスタートアップと提携し、機械ビジョンで畑のすべての植物を識別しています。
したがって、自律トラクターやロボット、機械ビジョンがde novo 家畜化作物に応用されることが、John Deereの将来像であり、これらの技術を衛星画像やその他のAI駆動ソリューションにシームレスに統合していくと考えられます。
3. Bayer Crop Science (BAYRY)
Bayer Crop SciencesはBayer Global（医薬品会社でもある）の一部で、種子・形質・作物保護に関するイノベーションに注力しています。
Bayerのイノベーションは、バイオテクノロジー研究者が植物DNAに対して標的的な改良を行うのに役立っています。
Monsantoとの合併以来、同社はGMO作物と雑草管理のリーダーでもあります。この合併に伴い、非常に高額なラウンドアップ訴訟問題が発生し、合併後数年で株価が急落しました。
同社は従来型GMO種子市場の大部分を支配しており、トウモロコシ、大豆、小麦などの次世代種子にCRISPRを活用する取り組みも進めています。
Bayerによれば、作物保護の恩恵は莫大で、世界の農業収量の約30％、すなわち5億5千万人以上を養える5億5千万トンの食料を守っています。
出典: Bayer
Bayerは、最大手合成生物学企業の一つであるGingko Bioworks（DNA）とのパートナーシップを通じて、従来のGMOから転換しつつあります。この提携は、微生物の遺伝子編集により化学肥料の代替となる生物学的ソリューションの開発に焦点を当てています。
同社は種子品種と植物遺伝子編集のリーダーであり、パイプラインに500以上の新作物品種（2022年には250件の新作物登録）を抱えています。
同社は農業への技術統合でもリーダーです。例えば、BayerはMicrosoftと提携し (MSFT ) 、同社のデータ管理システムAzureとBayerの衛星、フィールドセンサー、ドローン、機器、土壌センサーからのデータ活用ノウハウを組み合わせ、真に近代的で連携した農場を構築しています。
出典: Bayer
GMO（従来型および先進的遺伝子編集）、植物品種選択、農業へのビッグデータ統合におけるリーダーシップにより、Bayerはde novo 家畜化作物の創出プロセスや農業ロボットによるハイパースペクトル雑草検出に自然なパートナーとなるでしょう。
