NCSU: Byg et bedre skovtræ med CRISPR-genredigering

Udgivelsesdato: 20. juli 2023

Forskere ved North Carolina State University brugte et CRISPR-genredigeringssystem til at avle poppeltræer med reducerede niveauer af lignin, den største barriere for bæredygtig produktion af træfibre, og samtidig forbedre deres træegenskaber. Fundene - offentliggjort i tidsskriftet Videnskab – holde løfte om at gøre fiberproduktion til alt fra papir til bleer grønnere, billigere og mere effektiv.

Ledet af NC State CRISPR pioner Rodolphe Barrangou og trægenetiker Jack Wang, brugte et team af forskere prædiktiv modellering til at sætte mål om at sænke ligninniveauet, øge forholdet mellem kulhydrat og lignin (C/L) og øge forholdet mellem to vigtige ligninbyggesten - syringyl til guaiacyl (S/G) - i poppel træer. Disse kombinerede kemiske egenskaber repræsenterer et sødt sted for fiberproduktion, siger Barrangou og Wang.

"Vi bruger CRISPR til at bygge en mere bæredygtig skov," sagde Barrangou, Todd R. Klaenhammer Distinguished Professor of Fødevare-, bioforarbejdnings- og ernæringsvidenskab ved NC State og co-korresponderende forfatter til papiret. "CRISPR-systemer giver fleksibilitet til at redigere mere end blot enkelte gener eller genfamilier, hvilket giver mulighed for større forbedring af træegenskaber."

Maskinlæringsmodellen forudsagde og sorterede derefter gennem næsten 70.000 forskellige genredigeringsstrategier rettet mod 21 vigtige gener forbundet med ligninproduktion - nogle ændrede flere gener ad gangen - for at nå frem til 347 strategier; mere end 99% af disse strategier var rettet mod mindst tre gener.

Derfra udvalgte forskerne de syv bedste strategier, som modellering foreslog ville føre til træer, der ville opnå den kemiske søde plet – 35% mindre lignin end vilde eller umodificerede træer; C/L-forhold, der var mere end 200% højere end vilde træer; S/G-forhold, der også var mere end 200% højere end vilde træer; og trævæksthastigheder, der lignede vilde træer.

Ud fra disse syv strategier brugte forskerne CRISPR-genredigering til at producere 174 linjer af poppeltræer. Efter seks måneder i et drivhus i NC State viste en undersøgelse af disse træer reduceret ligninindhold på op til 50% i nogle sorter, såvel som en stigning på 228% i CL-forholdet i andre.

Interessant nok, siger forskerne, at mere signifikante ligninreduktioner blev vist i træer med fire til seks genredigeringer, selvom træer med tre genredigeringer viste ligninreduktion på op til 32%. Enkelt-gen-redigeringer formåede slet ikke at reducere ligninindholdet meget, hvilket viser, at brug af CRISPR til at lave multigenændringer kunne give fordele i fiberproduktion.

Undersøgelsen omfattede også sofistikerede pulpproduktionsmøllemodeller, der tyder på, at reduceret ligninindhold i træer kunne øge papirmasseudbyttet og reducere den såkaldte sortlud, det største biprodukt af pulpfremstilling, som kunne hjælpe møllerne med at producere op til 40% mere bæredygtige fibre.

Endelig kan de effektivitetsgevinster, der findes i fiberproduktion, reducere drivhusgasser forbundet med pulpproduktion med op til 20%, hvis reduceret lignin og øgede C/L- og S/G-forhold opnås i træer i industriel skala.

Skovtræer repræsenterer den største biogene kulstofdræn på jorden og er altafgørende i bestræbelserne på at bremse klimaændringerne. De er søjler i vores økosystemer og bioøkonomien. I North Carolina bidrager skovbruget med over $35 milliarder til den lokale økonomi og understøtter cirka 140.000 job.

"Multiplex genomredigering giver en bemærkelsesværdig mulighed for at forbedre skovenes modstandskraft, produktivitet og udnyttelse på et tidspunkt, hvor vores naturressourcer i stigende grad udfordres af klimaændringer og behovet for at producere mere bæredygtige biomaterialer ved at bruge mindre jord," sagde Wang, adjunkt og direktør. fra Forest Biotechnology Group i NC State og med-korresponderende forfatter til papiret.

Næste trin omfatter fortsatte drivhustests for at se, hvordan de genredigerede træer klarer sig sammenlignet med vilde træer. Senere håber holdet at bruge markforsøg til at måle, om de genredigerede træer kan klare de belastninger, som livet giver udendørs, uden for det kontrollerede drivhusmiljø.

Forskerne understregede vigtigheden af tværfagligt samarbejde, der muliggjorde denne undersøgelse, omfattende tre NC State colleges, flere afdelinger, NC Plant Sciences Initiative, NC statens Molecular Education, Technology and Research Innovation Center (METRIC)og partneruniversiteter.

"En tværfaglig tilgang til træavl, der kombinerer genetik, beregningsbiologi, CRISPR-værktøjer og bioøkonomi har dybt udvidet vores viden om trævækst, udvikling og skovapplikationer," sagde Daniel Sulis, en postdoktor ved NC State og den første avisens forfatter. "Denne kraftfulde tilgang har transformeret vores evne til at opklare trægenetikens kompleksitet og udlede integrerede løsninger, der kunne forbedre økologiske og økonomisk vigtige træegenskaber og samtidig reducere fiberproduktionens kulstofaftryk."

Med udgangspunkt i den langvarige arv fra innovationer inden for plantevidenskab og skovbrug i NC State skabte Barrangou og Wang en startup virksomhed hedder TreeCo at fremme brugen af CRISPR-teknologier i skovtræer. Denne samarbejdsindsats ledet af NC State-fakultetets medlemmer har til formål at kombinere trægenetisk indsigt med kraften ved genomredigering for at skabe en sundere og mere bæredygtig fremtid.

Forskere fra flere NC State-afdelinger var medforfatter til papiret sammen med forskere fra University of Illinois i Urbana-Champaign, Beihua University og Northeast Forestry University. Finansiering blev leveret af National Institute of Food and Agriculture fra US Department of Agriculture – Agriculture and Food Research Initiative-tilskud 2018-67021-27716; National Science Foundation Small Business Technology Transfer Program-bevilling 2044721; Cooperative State Research Service fra det amerikanske landbrugsministerium bevilger NCZ04214; North Carolina Specialty Crop Block Grants 19-019-4018, 19-092-4012 og 20-070-4013; en NC State University Chancellor's Innovation Fund-bevilling 190549MA; og en NC State University Goodnight Early Career Innovator Award.

-kulikowski-

Bemærkning til redaktører: Abstraktet af papiret følger.

"Multiplex CRISPR-redigering af træ til bæredygtig fiberproduktion"

Forfattere: Daniel B. Sulis, Xiao Jiang, Chenmin Yang, Barbara M. Marques, Megan L.
Matthews, Zachary Miller, Kai Lan, Carlos Cofre-Vega, Baoguang Liu, Runkun Sun,
Henry Sederoff, Ryan G. Bing, Xiaoyan Sun, Cranos M. Williams, Hasan Jameel, Richard
Phillips, Hou-min Chang, Ilona Peszlen, Yung-Yun Huang, Wei Li, Robert M. Kelly,
Ronald R. Sederoff, Vincent L. Chiang, Rodolphe Barrangou, Jack P. Wang

Udgivet: 14. juli 2023 in Videnskab

DOI: 10.1126/science.add4514

Abstrakt: Domestiseringen af skovtræer til en mere bæredygtig fiberbioøkonomi har længe været hindret af kompleksiteten og plasticiteten af lignin, en biopolymer i træ, der er genstridig over for kemisk og enzymatisk nedbrydning. Her viser vi, at multiplex-CRISPR-redigering muliggør præcist woody-feedstock-design til kombinatorisk forbedring af ligninsammensætning og træegenskaber. Ved at vurdere enhver mulig kombination af 69.123 multigene redigeringsstrategier for 21 lignin biosyntese gener, udledte vi 7 unikke genom-redigeringsstrategier rettet mod den samtidige ændring af op til 6 gener og producerede 174 redigerede poplar varianter. CRISPR-redigering øgede trækulhydrat-til-lignin-forholdet op til 228% af vildtype, hvilket førte til mere effektiv fiberopløsning. Det redigerede træ afhjælper en større flaskehals i fiberproduktion uanset ændringer i trævæksthastigheden og kan medføre hidtil usete driftseffektiviteter, bioøkonomiske muligheder og miljømæssige fordele.

Billede og artikelkilde: NCSU