NCSU : Construire un meilleur arbre forestier avec l'édition génétique CRISPR
Date publiée:Des chercheurs de l'Université d'État de Caroline du Nord ont utilisé un système d'édition génétique CRISPR pour sélectionner des peupliers présentant des niveaux réduits de lignine, principal obstacle à la production durable de fibres de bois, tout en améliorant leurs propriétés. Les résultats - publié dans la revue Science – tiennent la promesse de rendre la production de fibres pour tout, du papier aux couches, plus écologique, moins chère et plus efficace.
Dirigé par le pionnier CRISPR de NC State Rodolphe Barrangou et généticien des arbres Jack Wang, une équipe de chercheurs a utilisé la modélisation prédictive pour fixer des objectifs consistant à réduire les niveaux de lignine, à augmenter le rapport glucides/lignine (C/L) et à augmenter le rapport de deux éléments constitutifs importants de la lignine – le syringyle au gaïacyl (S/G) – chez le peuplier. des arbres. Ces caractéristiques chimiques combinées représentent un point idéal pour la production de fibres, disent Barrangou et Wang.
"Nous utilisons CRISPR pour construire une forêt plus durable", a déclaré Barrangou, professeur émérite Todd R. Klaenhammer de Sciences de l'alimentation, des bioprocédés et de la nutrition à NC State et auteur co-correspondant de l’article. « Les systèmes CRISPR offrent la flexibilité nécessaire pour modifier plus que de simples gènes ou familles de gènes, permettant ainsi une plus grande amélioration des propriétés du bois. »
Le modèle d’apprentissage automatique a prédit puis trié près de 70 000 stratégies différentes d’édition de gènes ciblant 21 gènes importants associés à la production de lignine – certains modifiant plusieurs gènes à la fois – pour arriver à 347 stratégies ; plus de 99% de ces stratégies ciblaient au moins trois gènes.
À partir de là, les chercheurs ont sélectionné les sept meilleures stratégies qui, selon la modélisation, conduiraient à des arbres qui atteindraient le point idéal chimique : 35% moins de lignine que les arbres sauvages ou non modifiés ; Des ratios C/L supérieurs de plus de 200% à ceux des arbres sauvages ; Des ratios S/G qui étaient également plus de 200% supérieurs à ceux des arbres sauvages ; et des taux de croissance des arbres similaires à ceux des arbres sauvages.
À partir de ces sept stratégies, les chercheurs ont utilisé l’édition génétique CRISPR pour produire 174 lignées de peupliers. Après six mois dans une serre de l'État de Caroline du Nord, un examen de ces arbres a montré une teneur réduite en lignine allant jusqu'à 50% dans certaines variétés, ainsi qu'une augmentation de 228% du rapport CL dans d'autres.
Il est intéressant de noter que, selon les chercheurs, des réductions de lignine plus significatives ont été observées dans les arbres comportant quatre à six modifications génétiques, bien que les arbres comportant trois modifications génétiques aient montré une réduction de la lignine allant jusqu'à 32%. Les modifications monogéniques n'ont pas réussi à réduire considérablement la teneur en lignine, ce qui montre que l'utilisation de CRISPR pour effectuer des modifications multigéniques pourrait conférer des avantages dans la production de fibres.
L'étude comprenait également des modèles sophistiqués d'usines de production de pâte à papier qui suggèrent qu'une teneur réduite en lignine dans les arbres pourrait augmenter le rendement de la pâte et réduire ce que l'on appelle la liqueur noire, le principal sous-produit de la pâte à papier, ce qui pourrait aider les usines à produire jusqu'à 40% de fibres plus durables.
Enfin, les gains d’efficacité constatés dans la production de fibres pourraient réduire les gaz à effet de serre associés à la production de pâte jusqu’à 20% si une réduction de la lignine et une augmentation des rapports C/L et S/G étaient obtenues dans les arbres à l’échelle industrielle.
Les arbres forestiers représentent le plus grand puits de carbone biogénique sur terre et jouent un rôle primordial dans les efforts visant à freiner le changement climatique. Ce sont des piliers de nos écosystèmes et de la bioéconomie. En Caroline du Nord, la foresterie contribue à hauteur de plus de 140 000 milliards de dollars à l'économie locale et soutient environ 140 000 emplois.
"L'édition multiplex du génome offre une opportunité remarquable d'améliorer la résilience, la productivité et l'utilisation des forêts à une époque où nos ressources naturelles sont de plus en plus menacées par le changement climatique et la nécessité de produire des biomatériaux plus durables en utilisant moins de terres", a déclaré Wang, professeur adjoint et directeur. du Forest Biotechnology Group de NC State et co-auteur correspondant de l'article.
Les prochaines étapes comprennent la poursuite des tests en serre pour voir comment les arbres génétiquement modifiés se comportent par rapport aux arbres sauvages. Plus tard, l’équipe espère utiliser des essais sur le terrain pour évaluer si les arbres génétiquement modifiés peuvent supporter le stress causé par la vie à l’extérieur, en dehors de l’environnement contrôlé des serres.
Les chercheurs ont souligné l'importance de la collaboration multidisciplinaire qui a permis cette étude, englobant trois collèges d'État de Caroline du Nord, plusieurs départements, le Initiative des sciences végétales de NC, État de NC Centre d'innovation en éducation moléculaire, technologie et recherche (METRIC), et les universités partenaires.
"Une approche interdisciplinaire de la sélection des arbres qui combine la génétique, la biologie computationnelle, les outils CRISPR et la bioéconomie a profondément élargi nos connaissances sur la croissance, le développement et les applications forestières des arbres", a déclaré Daniel Sulis, chercheur postdoctoral à NC State et premier chercheur. auteur du papier. « Cette approche puissante a transformé notre capacité à comprendre la complexité de la génétique des arbres et à en déduire des solutions intégrées qui pourraient améliorer les caractéristiques du bois importantes sur les plans écologique et économique tout en réduisant l’empreinte carbone de la production de fibres. »
S'appuyant sur l'héritage de longue date d'innovations dans les domaines des sciences végétales et de la foresterie à NC State, Barrangou et Wang ont créé un entreprise en démarrage appelé ArbreCo faire progresser l’utilisation des technologies CRISPR dans les arbres forestiers. Cet effort de collaboration dirigé par des membres du corps professoral de NC State vise à combiner les connaissances génétiques des arbres avec le pouvoir de l'édition du génome pour créer un avenir plus sain et plus durable.
Des chercheurs de plusieurs départements de l'État de Caroline du Nord ont co-écrit l'article, avec des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, de l'Université Beihua et de la Northeast Forestry University. Le financement a été fourni par l’Institut national de l’alimentation et de l’agriculture du ministère de l’Agriculture des États-Unis – subvention 2018-67021-27716 de l’Initiative de recherche sur l’agriculture et l’alimentation ; la subvention 2044721 du programme de transfert de technologie pour les petites entreprises de la National Science Foundation ; Subvention NCZ04214 du Service coopératif de recherche d'État du Département de l'agriculture des États-Unis ; Subventions globales pour les cultures spécialisées en Caroline du Nord 19-019-4018, 19-092-4012 et 20-070-4013 ; une subvention 190549MA du Fonds d'innovation du chancelier de la NC State University ; et un prix Goodnight Early Career Innovator Award de la NC State University.
-kulikowski-
Note aux éditeurs: Le résumé de l'article suit.
« Édition multiplex CRISPR du bois pour une production durable de fibres »
Auteurs: 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
Publié: 14 juillet 2023 à Science
EST CE QUE JE: 10.1126/science.add4514
Abstrait: La domestication des arbres forestiers pour une bioéconomie de fibres plus durable a longtemps été entravée par la complexité et la plasticité de la lignine, un biopolymère du bois récalcitrant à la dégradation chimique et enzymatique. Ici, nous montrons que l’édition multiplex CRISPR permet une conception précise des matières premières ligneuses pour une amélioration combinatoire de la composition de la lignine et des propriétés du bois. En évaluant toutes les combinaisons possibles de 69 123 stratégies d’édition multigénique pour 21 gènes de biosynthèse de la lignine, nous avons déduit 7 stratégies d’édition génomique uniques ciblant l’altération simultanée de jusqu’à 6 gènes et avons produit 174 variantes de peuplier éditées. L'édition CRISPR a augmenté le rapport glucides/lignine du bois jusqu'à 228% de type sauvage, conduisant à une réduction en pâte de fibres plus efficace. Le bois édité atténue un goulot d'étranglement majeur dans la production de fibres, quels que soient les changements dans le taux de croissance des arbres, et pourrait apporter des efficacités opérationnelles, des opportunités bioéconomiques et des avantages environnementaux sans précédent.
Source de l’image et de l’article : NCSU