NCSU: Aufbau eines besseren Waldbaums mit CRISPR-Genbearbeitung

Veröffentlichungsdatum: 20. Juli 2023

Forscher der North Carolina State University verwendeten ein CRISPR-Gen-Editierungssystem, um Pappeln mit reduziertem Ligningehalt zu züchten, dem Haupthindernis für eine nachhaltige Produktion von Holzfasern, und gleichzeitig ihre Holzeigenschaften zu verbessern. Die Ergebnisse - in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaft – versprechen, die Faserproduktion für alles von Papier bis Windeln umweltfreundlicher, billiger und effizienter zu gestalten.

Unter der Leitung des CRISPR-Pioniers des NC State Rodolphe Barrangou und Baumgenetiker Jack Wangverwendete ein Forscherteam prädiktive Modelle, um Ziele für die Senkung des Ligninspiegels, die Erhöhung des Verhältnisses von Kohlenhydraten zu Lignin (C/L) und die Erhöhung des Verhältnisses von zwei wichtigen Ligninbausteinen – Syringyl zu Guajacyl (S/G) – in Pappeln festzulegen Bäume. Diese kombinierten chemischen Eigenschaften stellen einen Sweet Spot für die Faserproduktion dar, sagen Barrangou und Wang.

„Wir nutzen CRISPR, um einen nachhaltigeren Wald aufzubauen“, sagte Barrangou, der Todd R. Klaenhammer Distinguished Professor für Lebensmittel-, Bioverarbeitungs- und Ernährungswissenschaften an der NC State und Mitautor des Artikels. „CRISPR-Systeme bieten die Flexibilität, mehr als nur einzelne Gene oder Genfamilien zu bearbeiten, was eine größere Verbesserung der Holzeigenschaften ermöglicht.“

Das maschinelle Lernmodell prognostizierte und sortierte dann fast 70.000 verschiedene Strategien zur Genbearbeitung, die auf 21 wichtige Gene im Zusammenhang mit der Ligninproduktion abzielten – einige veränderten mehrere Gene gleichzeitig –, um zu 347 Strategien zu gelangen; Mehr als 99% dieser Strategien zielten auf mindestens drei Gene ab.

Von dort aus wählten die Forscher die sieben besten Strategien aus, die laut Modellierung zu Bäumen führen würden, die den chemischen Sweet Spot erreichen würden – 35% weniger Lignin als wilde oder unmodifizierte Bäume; C/L-Verhältnisse, die um mehr als 200% höher waren als bei Wildbäumen; S/G-Verhältnisse, die auch mehr als 200% höher waren als bei wilden Bäumen; und Baumwachstumsraten, die denen wilder Bäume ähnlich waren.

Aus diesen sieben Strategien erzeugten die Forscher mithilfe der CRISPR-Genbearbeitung 174 Pappellinien. Nach sechs Monaten in einem Gewächshaus im US-Bundesstaat North Carolina ergab eine Untersuchung dieser Bäume einen verringerten Ligningehalt von bis zu 50% bei einigen Sorten sowie einen Anstieg des CL-Verhältnisses um 228% bei anderen.

Interessanterweise, sagen die Forscher, wurden bei Bäumen mit vier bis sechs Gen-Editierungen deutlichere Lignin-Reduktionen festgestellt, obwohl Bäume mit drei Gen-Editierungen eine Lignin-Reduktion von bis zu 32% zeigten. Änderungen an einzelnen Genen konnten den Ligningehalt überhaupt nicht wesentlich reduzieren, was zeigt, dass die Verwendung von CRISPR zur Durchführung von Änderungen an mehreren Genen Vorteile bei der Faserproduktion mit sich bringen könnte.

Die Studie umfasste auch hochentwickelte Zellstoffproduktionsmühlenmodelle, die darauf hindeuten, dass ein verringerter Ligningehalt in Bäumen die Zellstoffausbeute steigern und die sogenannte Schwarzlauge, das Hauptnebenprodukt der Zellstoffherstellung, reduzieren könnte, was den Fabriken dabei helfen könnte, bis zu 40% nachhaltigere Fasern zu produzieren.

Schließlich könnten die bei der Faserproduktion erzielten Effizienzsteigerungen die mit der Zellstoffproduktion verbundenen Treibhausgase um bis zu 201 TP3T reduzieren, wenn in Bäumen im industriellen Maßstab weniger Lignin und erhöhte C/L- und S/G-Verhältnisse erreicht würden.

Waldbäume stellen die größte biogene Kohlenstoffsenke der Erde dar und sind von zentraler Bedeutung bei der Eindämmung des Klimawandels. Sie sind tragende Säulen unserer Ökosysteme und der Bioökonomie. In North Carolina trägt die Forstwirtschaft über $35 Milliarden zur lokalen Wirtschaft bei und sichert rund 140.000 Arbeitsplätze.

„Multiplex-Genombearbeitung bietet eine bemerkenswerte Möglichkeit, die Widerstandsfähigkeit, Produktivität und Nutzung der Wälder zu verbessern, und zwar in einer Zeit, in der unsere natürlichen Ressourcen zunehmend durch den Klimawandel und die Notwendigkeit, nachhaltigere Biomaterialien auf weniger Land zu produzieren, herausgefordert werden“, sagte Wang, Assistenzprofessor und Direktor der Forest Biotechnology Group an der NC State und Mitautor des Artikels.

Zu den nächsten Schritten gehören weitere Gewächshaustests, um zu sehen, wie die gentechnisch veränderten Bäume im Vergleich zu Wildbäumen abschneiden. Später hofft das Team, anhand von Feldversuchen beurteilen zu können, ob die gentechnisch veränderten Bäume den Belastungen standhalten, die das Leben im Freien außerhalb der kontrollierten Gewächshausumgebung mit sich bringt.

Die Forscher betonten die Bedeutung der multidisziplinären Zusammenarbeit, die diese Studie ermöglichte und drei NC State Colleges, mehrere Abteilungen usw. umfasste NC-Initiative für Pflanzenwissenschaften, NC-Staaten Zentrum für molekulare Bildung, Technologie und Forschungsinnovation (METRIC), und Partneruniversitäten.

„Ein interdisziplinärer Ansatz zur Baumzüchtung, der Genetik, Computerbiologie, CRISPR-Tools und Bioökonomie kombiniert, hat unser Wissen über Baumwachstum, Entwicklung und Waldanwendungen grundlegend erweitert“, sagte Daniel Sulis, Postdoktorand an der NC State und der erste Autor des Papiers. „Dieser leistungsstarke Ansatz hat unsere Fähigkeit verändert, die Komplexität der Baumgenetik zu entschlüsseln und integrierte Lösungen abzuleiten, die ökologisch und wirtschaftlich wichtige Holzmerkmale verbessern und gleichzeitig den CO2-Fußabdruck der Faserproduktion reduzieren könnten.“

Aufbauend auf dem langjährigen Erbe an Innovationen in den Bereichen Pflanzenwissenschaften und Forstwirtschaft an der NC State gründeten Barrangou und Wang ein Jungunternehmen angerufen TreeCo den Einsatz von CRISPR-Technologien bei Waldbäumen voranzutreiben. Diese von Fakultätsmitgliedern der NC State geleitete Gemeinschaftsinitiative zielt darauf ab, baumgenetische Erkenntnisse mit der Kraft der Genombearbeitung zu kombinieren, um eine gesündere und nachhaltigere Zukunft zu schaffen.

Forscher aus mehreren Abteilungen des US-Bundesstaates North Carolina waren gemeinsam mit Forschern der University of Illinois at Urbana-Champaign, der Beihua University und der Northeast Forestry University an der Arbeit beteiligt. Die Finanzierung erfolgte durch das National Institute of Food and Agriculture des US-Landwirtschaftsministeriums – Agriculture and Food Research Initiative Grant 2018-67021-27716; das Stipendium 2044721 der National Science Foundation Small Business Technology Transfer Program; Cooperative State Research Service des US-Landwirtschaftsministeriums, Zuschuss NCZ04214; North Carolina Specialty Crop Block Grants 19-019-4018, 19-092-4012 und 20-070-4013; ein Zuschuss 190549MA des NC State University Chancellor's Innovation Fund; und einen Goodnight Early Career Innovator Award der NC State University.

-kulikowski-

Hinweis für die Redaktion: Die Zusammenfassung der Arbeit folgt.

„Multiplex-CRISPR-Bearbeitung von Holz für eine nachhaltige Faserproduktion“

Autoren: 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

Veröffentlicht: 14. Juli 2023 in Wissenschaft

DOI: 10.1126/science.add4514

Abstrakt: Die Domestizierung von Waldbäumen für eine nachhaltigere Faserbioökonomie wurde lange Zeit durch die Komplexität und Plastizität von Lignin behindert, einem Biopolymer in Holz, das sich dem chemischen und enzymatischen Abbau widersetzt. Hier zeigen wir, dass die Multiplex-CRISPR-Bearbeitung ein präzises Holz-Rohstoffdesign zur kombinatorischen Verbesserung der Ligninzusammensetzung und der Holzeigenschaften ermöglicht. Durch die Bewertung jeder möglichen Kombination von 69.123 Multigen-Editing-Strategien für 21 Lignin-Biosynthese-Gene haben wir 7 einzigartige Genom-Editing-Strategien abgeleitet, die auf die gleichzeitige Veränderung von bis zu 6 Genen abzielen, und 174 editierte Pappelvarianten produziert. Durch die CRISPR-Bearbeitung wurde das Verhältnis von Holzkohlenhydraten zu Lignin auf bis zu 2281 TP3T des Wildtyps erhöht, was zu einer effizienteren Faseraufbereitung führte. Das bearbeitete Holz entschärft einen erheblichen Engpass bei der Faserproduktion, unabhängig von Veränderungen in der Baumwachstumsrate, und könnte beispiellose betriebliche Effizienz, bioökonomische Möglichkeiten und Vorteile für die Umwelt mit sich bringen.

Bild- und Artikelquelle: NCSU