水と窒素の利用効率向上への取組
１．ラテンアメリカの稲作
コメの90%以上はアジアで生産されているが、ここ数十年間の生産量や１人当たりの消費量の伸びはラテンアメリカやアフリカで大きい。前者における近年のコメ供給の増大とそれにともなう主食の価格低下は、とくに都市貧困層の貧困軽減に役立ってきた。
この地域の稲作は多様である。ブラジルのセラードにおける大規模陸稲栽培から、ボリビア、コロンビア、中央アメリカなどでの傾斜地における稲作、またブラジル南部やウルグアイにおける先進的な大規模機械化稲作などである。生産量でみれば、もっとも重要なのは灌漑水田稲作であり、地域の全生産量の59%を占めている。
そこでの水稲作はアジアとは異なり、「等高線畝間断灌漑方式」が主流である（Henry et al., 2013）。日本ではなじみのないこの方式の説明をすると、まずレーザー水準器を用いて圃場内に10〜15cm程度の高度差がつくように等高線をマーキングする（写真１の右下）。次にその等高線に沿って、タイパとよばれる中央の細い金属製のローラで畝を作る（写真１）。
（右下：レーザーレベラーを用いた圃場における等高線マーキング作業）
播種は通常大型ドリル播種機を用いて乾田直播で行うが、降雨続きで機械が入れない場合は手作業または飛行機で散播を行う。続いて圃場上部から灌漑水を導入する。灌漑には通常半日から１日をかけ、水が圃場下部まで達したときに停止し、土壌が乾燥したならば灌水を行うということを３〜７日間隔で繰り返す。その後の生育は畝とその間の水停滞領域でほぼ同様に進む（写真２）。大型コンバインによる収穫の際に、畝はほぼ平らになってしまうため、次年度はまた圃場の耕起から始める。
なぜ、毎年、畝を作らなければならないのか。アジアでは稲作は国の基幹産業であり、長い歴史のなかで民衆や政府が力や資源を投入して水田灌漑体系を築いてきた。しかし、南アメリカでは稲作の歴史が浅く、かつ公的なサポートがないため基盤整備が難しい。稲作地の多くが借地であること、またこの体系が大型機械化に適し、そのために草地・ダイズ・トウモロコシなどの畑作との輪作にも適しているのも理由である。
しかしながら、そのような掛け流しのために、水や肥料の利用効率が低いことが最大の問題である。もし適切な水管理方法とそれに適した新品種が開発され、さらに現代の先端ITおよびセンシング技術を導入した精密農法を導入できれば、新しい省資源型稲作のモデルとして、この地域の諸国のみならず、今後さらに労働力不足が見込まれるアジア平坦地での逆輸入や、潜在的土地利用可能性の高いアフリカの熱帯サバンナ地帯への導入も、視野に入れることができよう。
２．コロンビアの稲作
コロンビアはラテンアメリカにおいては、ブラジル、メキシコに次ぐ人口を擁し、天然資源に恵まれ輸出力のある農産品を有している。同国において稲作は重要であり、その栽培面積（約45万ha）は同国の１年生作物のうち最大であり約30％を占める。同国はこの地域において、ブラジル、ペルーに次ぐ第３位のコメ生産国である。主要なコメ生産地帯は中央部、東部平原（ジャノス・オリエンタレス）、北部海岸乾燥地方、北部海岸湿潤地方の４か所である（図１）。
コメの生産量は2000年ころまで増加してきたが、それ以降は年間220万t前後で停滞し、現在、年間15万t前後を輸入している。2009年のデータによれば、同国のコメ１ｔ当たり生産総コスト（333ドル）は、基本的な生産資材（肥料・農薬・種子）の高コストと低収量とのために、アメリカ（251ドル）やその他の近隣諸国、たとえばペルー（223ドル）、エクアドル（239ドル）のそれよりも高い（Montoya 2011）。アメリカから同国への輸入米関税はかつて80%であったが、12年の貿易促進協定締結によって30年にはゼロになる。この状況のもとで、投入コストを下げ、収量を上げることは喫緊の課題である。
また、現在、同国の最大の政治的課題は、過去40年以上にわたるコロンビア国内紛争の結果生じた、430万人（世界第２位）の国内避難民の復帰事業である。東部平原（ジャノス地域）において、それを目的として水田開発に政府が力を入れ、本提案の高効率稲作体系が開発されれば、将来、それらの地域における「平和の構築」事業に多大な貢献をしよう。
本SATREPS（Science and Technology Research Partnership for Sustainable Development：地球規模課題対応国際科学技術協力プログラム）プロジェクト「遺伝的改良と先端フィールド管理技術の活用によるラテンアメリカ型省資源稲作の開発と定着」では、2014年から以下の４本の課題に取り組んでいる。
①QTL＊遺伝子集積により、高い生産性と、高い水･窒素利用効率をもった稲有望品種を育成する。
②作物モデルの利用によって、新しい施肥・作物管理法を開発し、施肥利用効率を向上させる。
③精密な圃場試験および水文モデルの利用によって、圃場レベルならびに水系レベルでの水効率の向上を図る。
④コミュニティベースの精密農法および農家への水平技術伝達法の改良を行い、新技術の採用・定着を目指す。
３．QTL遺伝子集積による新世代型高生産・高水/窒素利用効率の稲有望品種の育成
本研究課題では、①水と窒素の効率的吸収に役立つと考えられるQTLを新規に見出し、従来見出されていた有用QTLとともに、コロンビアの有望品種へマーカー支援育種＊によって導入し、プロジェクト期間中に有望系統を作出することを目指している。また、②多数の系統を圃場条件において効率的に評価する新システムの構築を行う。
（１） 節水・省窒素肥料のためのQTL探索およびマーカー支援育種
近年、浅根性の水稲品種IR64と深根性の陸稲品種キナンダンパトンの組換え近交系統群を用いて、主要なQTLであるDEEPER ROOTING 1 （DRO1）が第９染色体に見出された（Uga et al., 2013）。これは根の伸長角度をより垂直にするQTLで、DRO1を導入した深根性系統は干ばつ条件下で浅根性の元品種よりも多収となることが期待される。本研究課題では、農業・食品産業技術総合研究機構（NARO：National Agriculture and Food Research Organization／当時は農業生物資源研究所）と国際熱帯農業センター（CIAT ： International Center for Tropical Agriculture）とコロンビア稲生産者連合会（FEDEARROZ ： Federación Nacional de Arroceros）との協力で、DRO1や他の同様の遺伝子を導入することによって、高い水・肥料利用効率をもった品種を作出し、それをコロンビアや他のラテンアメリカ諸国に普及することを目的として研究を開始した。
農業・食品産業技術総合研究機構のグループは、プロジェクト開始以前にIR64とキナンダンパトンの染色体断片置換系統を用いて根の形態に関するQTLを染色体2,5,6,7,8の５箇所に見出している（Uga et al., 2015、Kitomi et al., 2015）。本プロジェクトで染色体2,6,7,8上のQTLに関してはファインマッピングが進み、これらの遺伝子に関するDNAマーカーを開発中である。
一方、コロンビアでは、根形態関連遺伝子を導入する対象として、主力品種FEDEARROZ 60, 同174, 同473、およびCIATの有望系統であるCT21375の４品種を選択した。それらに上記キナンダンパトンを掛け合わせてコロンビア品種に戻し交雑を行い、５つの導入対象QTL（根の角度に関するDRO1、DRO2、DRO3、根長に関するqRL6.1、根量に関するqFSR4）を持った系統をBC3F2（三回戻し交雑後の雑種第二代）から選抜した。そのうちもっとも世代の進んだFEDEARROZ 60を遺伝的背景とする系統については、BC3F2をCIATの水田に栽培し、収量形質や他の地上部表現型に基づいて計15系統を有望系統として選抜した。
2017年にはコロンビア稲生産者連合会が、これまで作成された材料を用いてコロンビア中部稲作地帯のサルダーニャの試験場で育種プログラムを開始した。このようにコロンビア側における有望系統作出は順調に進んでいる。最終年には、ほぼ固定された系統をコロンビアの各稲作地帯で評価し、種子増殖も進める。コロンビア稲生産者連合会は同国のイネ育種の中核機関であり、プロジェクト終了後も独自で品種登録を進めることが確約されている。
（２） 圃場における迅速評価手法の確立
現代の育種において、遺伝子分析（genotyping）については年々速度の向上とコストの低下が進んでいるが、大量の遺伝系統の評価を圃場で行う形質評価（phenotyping）の効率が低いことが問題であり、本課題では圃場リモートセンシングを利用した高効率の評価法の開発を進めている。
本研究に関する東京大学とCIATの共同研究では、CIATの実験圃場において、区画に隣接した８mのタワーからの固定カメラやドローンなどを利用して、可視光、近赤外線、熱画像カメラなどによって、情報を定期的に撮影して画像解析を行うとともに、圃場においてさまざまな形質を実測し、両者の関係を解明してきた。計測された画像データを環境データと併せてデータサーバに保存し、インターネットを介してCIAT内だけでなくコロンビア内の他の地点や日本でも解析可能なシステムを構築した。
その結果、さまざまな収量関連形質について、画像解析から得られた植生指標による推定の可能性が示された。とくに開花期の植生指標と１株当たりの収量の関係がもっとも決定係数が高く、推定に有望であった。また植生指標を用いてQTL解析を試み、幼穂形成期で得られた植生指標によって、穂数に関わるQTL領域を検出できる可能性が示された（Naito et al. 2017）。
４．ターゲットサイトにおける効率的な作物・施肥管理のための技術開発
本課題では総合的な作物モデルであるAPSIM（Agricultural Production Systems Simulator）を用いている。APSIMのイネモジュールには国際稲研究所（IRRI：International Rice Research Institute）で開発されたORYZA2000が使われ、湛水条件と畑条件の両方を連続的に取り扱うように近年拡張されたところで、本研究のイネの水管理条件のシミュレーションに最適である。
モデルのパラメータ当てはめのために、東京大学とコロンビア稲生産者連合会が稲作生産者の支援のもと、大規模な農家圃場試験を中部稲作地帯のイバゲ市近郊で実施した。コロンビアの先の４品種を用い、３段階の灌漑頻度と、３段階の窒素施用量で試験を行った。モデル適用の第１段階として圃場を水平圃場と仮定し、モデルのパラメータ決定とその妥当性検討およびシミュレーション分析を行った結果、予備的ではあるが、灌漑頻度を変えた場合の、灌漑水量と収量、水利用効率との関係が明瞭に得られ、水管理法の改善に作物モデルを用いていくことの有用性が示された（図２AとB）。
コロンビアのイバゲ市近郊の農家における
2015年播種の条件でのFEDEARROZ60品種についてのシミュレーション結果。
現在、２次元水分布モデルと作物モデルを結合し、等高線畝灌漑におけるイネ生育のモデルを開発し、シミュレーションによって最適な窒素施用量・施用法および灌漑法を解明しているところである。
５．新形質イネを利用した節水栽培技術の確立と流域スケール評価管理
イネは要水量＊の多い作物であるが、コロンビアではその水収支に関する定量的なデータがほとんどなく、圃場レベルでの水の損失や、水系全体における水資源の利用が最適化されていない可能性が考えられる。そこで本課題では、まず①圃場レベルでの節水技術を開発し、次に②広域の流域スケールにおいてその節水技術の評価を行って、地域レベルでの節水を可能にする。
まず東京大学が国内で、IR64にDRO1やSTA1（根の中心柱の断面積を広げる）を導入した準同質系統イネを用い、節水栽培を含む異なる水管理法３通り（常時湛水、間断灌漑節水田、陸田）を設け、水生産性や蒸散効率を評価した。その結果、節水条件においてDRO1の導入が収量を増加させ、STA1が葉層による光吸収量を増加させることが分かり（Deshmukh et al., 2017）、コロンビアでもDRO1を含む複数の遺伝子の導入が有効であることが示唆された。コロンビアにおいては、東京大学がコロンビア稲生産者連合会とともに、トリマ県サルダーニャのラグナ試験場において、コロンビアの有力品種に根関連のQTLを導入した材料を用いて節水栽培試験を行い、要水量と水生産性の解析を進めている。
流域・地域レベルでの節水効果の定量評価では、圃場（数ha）〜農家（数十〜百ha）〜集水域〜流域、という異なるスケールにおける水収支の把握と数理モデル化を目標としている。圃場レベルでの水文観測および河川流量の観測データから、マルチスケールでの水文モデルを構築し、必要に応じて、作物モデルとカップリングすることによって、節水栽培技術の有効性の評価に適用することである。本課題は、九州大学、東京農工大学、コロンビア稲生産者連合会およびバジェ大学によって行われている。
コロンビアの現地農家は経験で水管理を行っているので、正確な灌漑水量を把握できていない。そこで、イバゲ市周辺の農家を対象に、まず、現地資材を用いた安価な流量観測装置であるパーシャルフリュームを、水位計として圧力計であるバロ・ダイバーセンサーやeTapeを用いて試作し、現地農家圃場で流量観測を実施して、安定した水量測定ができることを確認した。現在コロンビアでは、灌漑水量を測定して報告する稲作農家については、灌漑料が割引となるシステムの導入が計画され、比較的安価な本流量測定装置への期待が高い。
また広域の流域水文モデル構築のために、プロジェクト対象地域の数値標高地図、土地利用図、河川網情報、作付カレンダーなどの情報を収集し、地理情報システム上で統合し、分布型流出モデルを構築しつつある。また現地ニーズとして、貯水池建設候補地の選定への技術提供が挙げられている。コロンビア国外での実績を有するラテンアメリカ水稲基金の貢献が期待されている。
６．改良した栽培技術の統合と農家への普及活動
本課題では、先に示した課題①から③で開発した技術を農家に普及するため、農家への効率的な技術普及に貢献する日本の最新の知見をコロンビアに応用する。そのため、①コミュニティベース精密農業の導入と、②先端技術を用いて農家の水平技術伝達を促進するために「農匠ナビ」システムの導入を図っている。
「コミュニティベース精密農業」は東京農工大学の渋澤栄教授らによって発展させられたパラダイムであり、土壌肥沃度マップを作成し、それをもとに生産者、研究者、民間会社、普及関係者、行政関係者がともに参画して、圃場の問題に対処していく。そのために複数回にわたってコロンビア稲生産者連合会の研究者を招聘して短期研修を行い、近赤外線分光分析による土壌化学性の迅速分析法、地理情報システムを用いた地図作成法、コミュニティベース精密農業の修得のための研修を行ってきた。またそれに基づいて、コロンビアのイバゲ市近郊の大規模農家における土壌マップの作成などが、進んできているところである。
また「農匠ナビ」とは、九州大学の南石晃明教授らを中心に日本において展開している総合的な技術システムである。そこでは、急速に失われつつある暗黙知である、熟練生産者が持っている「匠の技」を可視化し、他の農業者や新規参入者に伝達する技術を確立しようとしている。その内容は、①環境情報や農作業情報データベース化、②複雑なデータセットの統合化と可視化、③熟練農作業の基本的なノウハウの抽出および伝達、であり、これらは発展途上国の農業技術の移転や普及にも有効であると考えられる。現在、両国の数人の熟練農業生産者が研究者として参画し、相互訪問による直接の意見交換を始めたところである。
またその準備段階として、イバゲ市周辺の105軒の稲作農家に技術移転のアンケート調査を行った。その結果、たとえば灌漑管理については「水量調節」手法への関心がもっとも高く、農業機械の調節技術については、播種機とレーザー水平器のキャリブレーション（較正）技術について関心が高いことが分かり、灌漑水量や種子量などのインプットの削減への関心の高さと解釈される、興味深い結果が得られた（Khoy et al., 2017）。
プロジェクトの最終年には、これらの成果を総合して資源利用効率が高く持続的な「ラテンアメリカ型新稲作技術」を組み立て、コロンビアの中部稲作地帯を中心に展示圃場などで普及活動を行うとともに、ラテンアメリカ水稲基金を通じて他のラテンアメリカ諸国への技術の展開を目指し、ひいては地球規模の食料安全保障にも貢献することを目指している。