NCSU: Construyendo un mejor árbol forestal con la edición genética CRISPR
Fecha de publicación:Investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte utilizaron un sistema de edición de genes CRISPR para cultivar álamos con niveles reducidos de lignina, la principal barrera para la producción sostenible de fibras de madera, al tiempo que mejoraron sus propiedades de la madera. Los resultados - publicado en la revista Ciencia – prometen hacer que la producción de fibra para todo, desde papel hasta pañales, sea más ecológica, más barata y más eficiente.
Dirigido por el pionero CRISPR del estado de Carolina del Norte Rodolfo Barrangou y genetista de árboles Jack Wang, un equipo de investigadores utilizó modelos predictivos para establecer objetivos de reducción de los niveles de lignina, aumento de la proporción de carbohidratos a lignina (C/L) y aumento de la proporción de dos importantes componentes básicos de la lignina: siringilo a guaiacilo (S/G) – en el álamo árboles. Estas características químicas combinadas representan un punto óptimo para la producción de fibra, dicen Barrangou y Wang.
"Estamos utilizando CRISPR para construir un bosque más sostenible", dijo Barrangou, profesor distinguido Todd R. Klaenhammer de Ciencias de los Alimentos, Bioprocesamiento y Nutrición en NC State y coautor correspondiente del artículo. "Los sistemas CRISPR brindan la flexibilidad de editar más que solo genes individuales o familias de genes, lo que permite una mayor mejora de las propiedades de la madera".
El modelo de aprendizaje automático predijo y luego clasificó casi 70.000 estrategias diferentes de edición de genes dirigidas a 21 genes importantes asociados con la producción de lignina (algunos cambiando múltiples genes a la vez) para llegar a 347 estrategias; más de 99% de esas estrategias se dirigieron a al menos tres genes.
A partir de ahí, los investigadores seleccionaron las siete mejores estrategias que el modelo sugería que conducirían a árboles que alcanzarían el punto óptimo químico: 35% menos lignina que los árboles silvestres o no modificados; relaciones C/L que eran más de 200% superiores a las de los árboles silvestres; Relaciones S/G que también eran más de 200% más altas que las de los árboles silvestres; y tasas de crecimiento de árboles similares a las de los árboles silvestres.
A partir de estas siete estrategias, los investigadores utilizaron la edición de genes CRISPR para producir 174 líneas de álamos. Después de seis meses en un invernadero estatal de Carolina del Norte, un examen de esos árboles mostró una reducción en el contenido de lignina de hasta 50% en algunas variedades, así como un aumento de 228% en la proporción de CL en otras.
Curiosamente, dicen los investigadores, se mostraron reducciones de lignina más significativas en árboles con cuatro a seis ediciones genéticas, aunque los árboles con tres ediciones genéticas mostraron una reducción de lignina de hasta 32%. Las ediciones de un solo gen no lograron reducir mucho el contenido de lignina, lo que demuestra que el uso de CRISPR para realizar cambios multigénicos podría conferir ventajas en la producción de fibra.
El estudio también incluyó modelos sofisticados de plantas de producción de pulpa que sugieren que un contenido reducido de lignina en los árboles podría aumentar el rendimiento de la pulpa y reducir el llamado licor negro, el principal subproducto de la pulpa, lo que podría ayudar a las fábricas a producir hasta 40% de fibras más sostenibles.
Finalmente, las eficiencias encontradas en la producción de fibra podrían reducir los gases de efecto invernadero asociados con la producción de pulpa hasta en 20% si se logra una reducción de la lignina y un aumento de las relaciones C/L y S/G en los árboles a escala industrial.
Los árboles forestales representan el mayor sumidero de carbono biogénico del planeta y son fundamentales en los esfuerzos para frenar el cambio climático. Son pilares de nuestros ecosistemas y de la bioeconomía. En Carolina del Norte, la silvicultura aporta más de $35 mil millones a la economía local y sustenta aproximadamente 140.000 puestos de trabajo.
"La edición múltiple del genoma brinda una oportunidad extraordinaria para mejorar la resiliencia, la productividad y la utilización de los bosques en un momento en que nuestros recursos naturales se ven cada vez más desafiados por el cambio climático y la necesidad de producir biomateriales más sostenibles utilizando menos tierra", dijo Wang, profesor asistente y director. del Grupo de Biotecnología Forestal de NC State y coautor correspondiente del artículo.
Los próximos pasos incluyen pruebas continuas en invernadero para ver cómo se desempeñan los árboles editados genéticamente en comparación con los árboles silvestres. Más adelante, el equipo espera utilizar pruebas de campo para evaluar si los árboles modificados genéticamente pueden soportar el estrés provocado por la vida al aire libre, fuera del entorno controlado del invernadero.
Los investigadores destacaron la importancia de la colaboración multidisciplinaria que permitió este estudio, que abarca tres universidades estatales de Carolina del Norte, varios departamentos, el Iniciativa de Ciencias Vegetales de Carolina del Norte, Estado de Carolina del Norte Centro de Innovación en Educación, Tecnología e Investigación Molecular (METRIC)y universidades asociadas.
"Un enfoque interdisciplinario para el mejoramiento de árboles que combina genética, biología computacional, herramientas CRISPR y bioeconomía ha ampliado profundamente nuestro conocimiento sobre el crecimiento, el desarrollo y las aplicaciones forestales de los árboles", dijo Daniel Sulis, investigador postdoctoral en NC State y primer autor del artículo. "Este poderoso enfoque ha transformado nuestra capacidad para desentrañar la complejidad de la genética de los árboles y deducir soluciones integradas que podrían mejorar características de la madera importantes desde el punto de vista ecológico y económico, al tiempo que reducen la huella de carbono de la producción de fibra".
Aprovechando el legado de larga data de innovaciones en los campos de las ciencias vegetales y la silvicultura en NC State, Barrangou y Wang crearon un empresa nueva llamado árbolco avanzar en el uso de tecnologías CRISPR en árboles forestales. Este esfuerzo de colaboración dirigido por miembros de la facultad de NC State tiene como objetivo combinar conocimientos genéticos de árboles con el poder de la edición del genoma para generar un futuro más saludable y sostenible.
Investigadores de varios departamentos estatales de Carolina del Norte fueron coautores del artículo, junto con investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, la Universidad de Beihua y la Universidad Forestal del Noreste. El financiamiento fue proporcionado por el Instituto Nacional de Alimentación y Agricultura del Departamento de Agricultura de EE. UU. – Subvención de la Iniciativa de Investigación Agrícola y Alimentaria 2018-67021-27716; la subvención 2044721 del Programa de Transferencia de Tecnología para Pequeñas Empresas de la Fundación Nacional de Ciencias; Subvención NCZ04214 del Servicio Cooperativo de Investigación Estatal del Departamento de Agricultura de EE. UU.; Subvenciones en bloque para cultivos especiales de Carolina del Norte 19-019-4018, 19-092-4012 y 20-070-4013; una subvención 190549MA del Fondo de Innovación del Canciller de la Universidad Estatal de Carolina del Norte; y el premio Goodnight Early Career Innovator Award de la Universidad Estatal de Carolina del Norte.
-kulikowski-
Nota para los editores: A continuación se presenta el resumen del artículo.
“Edición Multiplex CRISPR de Madera para la Producción Sostenible de Fibra”
Autores: 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
Publicado: 14 de julio de 2023 en Ciencia
DOI: 10.1126/ciencia.add4514
Abstracto: La domesticación de los árboles forestales para una bioeconomía de fibras más sostenible se ha visto obstaculizada durante mucho tiempo por la complejidad y plasticidad de la lignina, un biopolímero de la madera que es recalcitrante a la degradación química y enzimática. Aquí, mostramos que la edición CRISPR multiplex permite un diseño preciso de materia prima leñosa para una mejora combinatoria en la composición de la lignina y las propiedades de la madera. Al evaluar todas las combinaciones posibles de 69.123 estrategias de edición multigénica para 21 genes de biosíntesis de lignina, dedujimos 7 estrategias únicas de edición del genoma dirigidas a la alteración concurrente de hasta 6 genes y produjimos 174 variantes de álamo editadas. La edición CRISPR aumentó la proporción de carbohidratos a lignina de la madera hasta 228% de tipo salvaje, lo que llevó a una pulpa de fibra más eficiente. La madera editada alivia un importante cuello de botella en la producción de fibra, independientemente de los cambios en la tasa de crecimiento de los árboles, y podría generar eficiencias operativas, oportunidades bioeconómicas y beneficios ambientales sin precedentes.
Imagen y fuente del artículo: NCSU