遺伝子組換えトマト
遺伝子組換えトマト（Genetically Modified Tomato：Transgenic Tomato）とは、遺伝子操作によって遺伝子を組み替えたトマトのことである。 遺伝子組換え食品で世界で初めてヒトへの摂取許可を取得したのは、保存期間が長くなるように改良されたトマト（フレーバーセーバー™）で、1994年5月21日から短期間市場に出回った。 日本では、2021年に初めて遺伝子組換えトマトが食用として認可された。
主な目的は、害虫や環境ストレスに対する抵抗力の向上など、新しい形質を持つトマトの開発に重点を置いている。 また、トマトに健康効果や栄養価の高い物質を含有させるプロジェクトも進められている。 科学者たちは、新しい作物の生産を目指すだけでなく、トマトに自然に存在する遺伝子の機能を理解するために、遺伝子組換えトマトを生産している。
野生種トマトの果実は小さく、中には緑色のものが多く、そのほとんどは美味しくないが、数世紀にわたる品種改良の結果、現在では世界中で何千もの品種が栽培されている。 1980年代後半にアグロバクテリウムを用いた遺伝子組み換え技術が開発され、トマトの核ゲノムに遺伝物質を導入することに成功した。 また、トマトの細胞の葉緑体や染色体プラストムにも、生物学的手法で遺伝子を挿入することができる。 トマトは、このようなことが可能になった最初の食用果実の作物である。
熟成遅延
トマトは、果実の成熟を研究するためのモデル生物として利用されてきた。 また、熟成のプロセスに関わるメカニズムを理解するために、科学者たちはトマトを遺伝子操作してきた。
1994年、フレーバーセーバーは、商業的に栽培された遺伝子組換え食品として初めて、人間への食用許可を得た。 トマトの遺伝子ポリガラクツロナーゼの2番目のコピーが、アンチセンスの方向でトマトゲノムに挿入されたのである。 ポリガラクツロナーゼは、トマトの細胞壁の成分であるペクチンを分解し、果実を軟らかくする酵素である。 アンチセンス遺伝子が発現すると、ポリガラクツロナーゼ酵素の産生を妨げ、熟成プロセスを遅らせることができる。 フレーバーセーバーは商業的な成功を収めることができず、1997年に市場から撤退した。 1996年から1999年、イギリスでは同様の技術で、ポリガラクツロナーゼ遺伝子を切断したものを使って、トマトピューレを作った。
DNAプラントテクノロジー（DNAP）社、アグリトープ（Agritope）社、モンサント（Monsanto）社は、果実の熟成を誘発するホルモンであるエチレンの産生を阻害することで熟成を遅らせるトマトを開発した。 3つのトマトはすべて、エチレンの前駆体である1-アミノシクロプロパン-1-カルボン酸（ACC）の量を減らすことでエチレン産生を抑制していた。 DNAP社のトマトは、エンドレスサマーと呼ばれ、ACC合成酵素遺伝子の切断型をトマトに挿入し、内在性のACC合成酵素を妨害したものであった。 モンサント社のトマトは、土壌細菌のシュードモナス・クロロラフィス（Pseudomonas chlororaphis）のACCデアミナーゼ遺伝子を操作し、ACCを分解することでエチレンレベルを低下させるものであった。 アグリトープ社は、大腸菌バクテリオファージT3由来のS-アデノシルメチオニンヒドロラーゼ（SAMase）コード化遺伝子を導入し、ACCの前駆体であるS-アデノシルメチオニンの濃度を低下させた。 エンドレスサマーは一時的に市場でテストされたが、特許の議論によって撤回を余儀なくされた。
インドの科学者たちは、N-糖タンパク質修飾酵素であるα-マンノシダーゼとβ-D-N-アセチルヘキソサミニダーゼをコードする2つの遺伝子をサイレンシングすることによってトマトの成熟を遅らせた。 生産された果実は、室温で45日間保存しても目に見える損傷はなかったが、無改変のトマトは腐ってしまった。 インドでは、冷蔵不足や道路網の不備により、市場に出る前に果物の30％が廃棄されており、研究者は、トマトの遺伝子組み換えにより廃棄が減ることを期待している。
環境ストレス耐性
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霜、干ばつ、塩分濃度の上昇などの生物的ストレスは、トマトの生育を制限する要因である。 現在、商品化された遺伝子組換えのストレス耐性植物はないが、遺伝子組み換えによるアプローチは研究されている。
トマトの霜に対する耐性を高める目的で、ヒラメの不凍遺伝子（afa3）を組み込んだ初期のトマトが開発され、これは遺伝子組換え食品に関する議論の初期段階、特に異なる種からの遺伝子を組み合わせることで認識される倫理的ジレンマとの関連で象徴的な存在となった。 このトマトは「フィッシュトマト」と呼ばれるようになった。 不凍タンパク質はヒラメの血液中の氷の再結晶を抑制することがわかったが、遺伝子組み換えタバコで発現させても効果はなかった。 この遺伝子組み換え植物は耐霜性などの農学的特性が良くなかったためか、出来上がったトマトは商品化されることはなかった。
もう一つ失敗した耐寒性には、大腸菌のGRトランスジェニックがある。 他の研究者は、ドナー生物において寒冷ストレス下でより活性化することがすでに観察されていた様々な酵素をプラスティドに挿入することによって、耐寒性ニコチアナ・タバカム（Nicotiana tabacum）の生産に成功していた。 ブリュッゲマン（Brüggemann）らは、大腸菌のグルタチオン還元酵素をソラナム・リコペルシカム（Solanum lycopersicum）およびソラナム・ペルビアナム（Solanum peruvianum）の葉緑体に移植した場合、同じことが成り立つと考えたのである。 彼らは寄贈されたGRを過剰発現させ、これが内在性のGRを補っていたのである。 GRの総活性は上がったが、耐寒性の向上は見られなかった。
その他にも、様々な環境因子に対する耐性を高めることを目的として、様々な種からの遺伝子がトマトに挿入されている。 転写因子をコードするイネ由来の遺伝子（Osmyb4）は、トランスジェニックなシロイヌナズナ植物において耐寒性および耐乾燥性を高めることが示され、トマトに挿入された。 その結果、乾燥耐性は向上したが、耐寒性には影響がないようであった。 シロイヌナズナ（Arabidopsis thaliana）由来の液胞Na+/H+アンチポート（AtNHX1）を過剰発現させると、塩が植物の葉に蓄積されるが、果実には蓄積されず、野生型植物よりも塩溶液中で生育できるようになった。 トマトの浸透圧遺伝子を過剰発現させると、野生型植物よりも高い水分含量を保持する植物が得られ、乾燥や塩ストレスに対する耐性が向上することがわかった。
害虫抵抗性
土壌細菌のバチルス・チューリンゲンシス（Bacillus thuringiensis）の殺虫毒素をトマトの植物に挿入した。 野外試験では、タバコスズメガ（Manduca sexta）、アメリカタバコガ（Heliothis zea）、トマトピンワーム（Keiferia lycopersicella）、オオタバコガ（Helicoverpa armigera）に対する抵抗性が示された。 ラットを使った91日間の飼育実験では副作用はなかったが、対象害虫に毒性を示すICPを植物体内で作り出せるよう、Bt（Bacillus thuringiensis）の遺伝子が組み込まれたBtトマトはまだ商品化されていない。 サトイモのシステイン・プロテアーゼ阻害遺伝子を組み込んだネコブセンチュウに抵抗性のあるトマトも開発された。 カイコガ科のセクロピアサン（Hyalophora cecropia）に通常存在する化学合成されたセクロピンB遺伝子をトマト植物に導入し、インビボ（in vivo）試験で細菌萎凋病と青枯病に著しい抵抗性が示された。 細胞壁タンパク質、ポリガラクツロナーゼとエキスパンシンが果物で作られないようにすると、通常のトマトよりボトリティス・シネレア菌に対して感受性が低くなる。 害虫抵抗性トマトは、トマト生産におけるエコロジカル・フットプリントを削減すると同時に、農家収入を増加させることができる。
栄養改善
トマトは、栄養価を高めるために様々な改良が加えられてきた。 2000年には、カロテノイドの総量は変わらないが、フィトエンデサチュラーゼをコードする細菌遺伝子を加えることで、プロビタミンAの濃度を高めた。 研究者たちは当時、「遺伝子組換え反対」という風潮のために商業的な栽培の見込みがないことを認めていた。 圧力団体ジェネウォッチ（CRG）のスー・メイヤーは、イギリス高級日刊紙として知られる『インディペンデント』紙に、「基本的な生化学を変えれば、健康にとって非常に重要な他の栄養素のレベルも変えることができると信じている」と語った。 さらに最近、科学者たちは青いトマトを作り、いくつかの方法でトマトの抗酸化物質であるアントシアニンの生産を増やした。
あるグループは、バラ類のシロイヌナズナ（学名：Arabidopsis thaliana L.）のアントシアニン生成のための転写因子を加え、別のグループはシソ類のキンギョソウ（学名：Antirrhinum L.）の転写因子を使った。 キンギョソウの遺伝子を用いた場合、果実のアントシアニン濃度はブラックベリーやブルーベリーと同程度であった。 キンギョソウの遺伝子を用いた遺伝子組換え青トマトの発明者であるジョン・イネスセンターのジョナサン・ジョーンズとキャッシー・マーティンは、青トマトを商品化するためにノーフォーク・プラント・サイエンス（Norfolk Plant Sciences）という会社を創設した。 彼らはカナダのニュー・エナジー・ファーム（New Energy Farms）という会社と提携して、青トマトを大量に栽培し、そこからジュースを作って、規制当局の承認を得るための臨床試験に臨んでいる。
また、大豆のイソフラボン合成酵素をトマトに導入し、がん予防効果が期待できるイソフラボンの量を増やす試みも行われている。
日本のサナテックシード（東京・港区）と筑波大学は、2021年4月23日、GABA高含有のトマト品種「シシリアンルージュハイギャバ」を発表した。 これは世界初のゲノム編集トマトである。
味の改善
シソ類であるレモンバジル（学名：Ocimum × africanum）由来のゲラニオール合成酵素を、果実特異的プロモーターでトマト果実に発現させたところ、訓練を受けていない味覚テスト者の60％が、この酵素を好んだ。 この遺伝子組換えトマトの味と香りは、訓練を受けていない試食者の60％が好むものであった。 また、トマトの果実に含まれるリコピンの量は約半分となった。
ワクチン
トマトは、ジャガイモ、バナナ、その他の植物とともに、食べられるワクチンを供給するための媒体として研究されている。 ノロウイルス、B型肝炎、狂犬病、HIV、炭疽病、呼吸器合胞体ウイルスを標的とした抗体または抗体産生を刺激するタンパク質を発現するトマトを用いたマウスでの臨床試験が実施されている。 韓国の科学者たちは、トマトを使ってアルツハイマー病に対するワクチンを発現させることを検討している。 ポリオワクチンの開発に携わったヒラリー・コプロウスキーは、研究者グループを率いてSARSに対する組み換えワクチンを発現させたトマトを開発した。
基礎研究
トマトは科学研究のモデル生物として利用されており、特定のプロセスの理解を深めるために遺伝子組み換えが頻繁に行われている。 また、トマトは遺伝子の単離に成功したことを証明するために遺伝子導入植物を作成する必要があるマップベースクローニングのモデルとして使用されている。 植物ペプチドホルモンであるシステミンは、トマトの植物から初めて同定されたもので、その機能を証明するために、アンチセンス遺伝子を加えて本来の遺伝子を沈黙させたり、本来の遺伝子のコピーを追加したりする遺伝子組み換えが行われてきた。