NCSU: בניית עץ יער טוב יותר עם עריכת גנים של CRISPR
תאריך פרסום:חוקרים מאוניברסיטת צפון קרוליינה סטייט השתמשו במערכת לעריכת גנים של CRISPR כדי לגדל עצי צפצפה עם רמות מופחתות של ליגנין, המחסום העיקרי לייצור בר-קיימא של סיבי עץ, תוך שיפור תכונות העץ שלהם. הממצאים - פורסם בכתב העת מַדָע - קיים הבטחה להפוך את ייצור הסיבים לכל דבר, מנייר ועד חיתולים לירוק, זול ויעיל יותר.
בהובלת חלוצת NC State CRISPR רודולף ברנגו וגנטיקאי עצים ג'ק וואנג, צוות חוקרים השתמש במודל חזוי כדי להגדיר יעדים של הורדת רמות ליגנין, הגדלת יחס הפחמימה לליגנין (C/L) והגדלת היחס בין שתי אבני בניין ליגנין חשובות - סירינגיל לגואיאציל (S/G) - בצפצפה. עצים. מאפיינים כימיים משולבים אלה מייצגים נקודה מתוקה לייצור סיבים, אומרים ברנגו ו-ואנג.
"אנחנו משתמשים ב-CRISPR כדי לבנות יער בר-קיימא יותר", אמר ברנגו, הפרופסור המובהק של טוד ר. מדעי מזון, עיבוד ביולוגי ותזונה ב-NC State ומחבר שותף של המאמר. "מערכות CRISPR מספקות את הגמישות לערוך יותר מסתם גנים בודדים או משפחות גנים, ומאפשרות שיפור גדול יותר בתכונות העץ."
מודל למידת המכונה חזה ולאחר מכן מיון כמעט 70,000 אסטרטגיות שונות לעריכת גנים המכוונות ל-21 גנים חשובים הקשורים לייצור ליגנין - חלקם משתנים גנים מרובים בו-זמנית - כדי להגיע ל-347 אסטרטגיות; יותר מ-99% מהאסטרטגיות הללו מכוונות לפחות לשלושה גנים.
משם, החוקרים בחרו את שבע האסטרטגיות הטובות ביותר שהמודלים הציעו יובילו לעצים שישיגו את הנקודה הכימית המתוקה - 35% פחות ליגנין מאשר עצים פראיים, או ללא שינוי; יחסי C/L שהיו גבוהים ביותר מ-200% מעצי בר; יחסי S/G שהיו גם גבוהים יותר מ-200% מעצי בר; וקצבי גידול עצים שהיו דומים לעצי בר.
מתוך שבע האסטרטגיות הללו, החוקרים השתמשו בעריכת גנים של CRISPR כדי לייצר 174 שורות של עצי צפצפה. לאחר שישה חודשים בחממה של מדינת NC, בדיקה של עצים אלו הראתה תכולת ליגנין מופחתת של עד 50% בזנים מסוימים, כמו גם עלייה של 228% ביחס CL בזנים אחרים.
באופן מעניין, אומרים החוקרים, הפחתות ליגנין משמעותיות יותר הוצגו בעצים עם ארבע עד שש עריכות גנים, אם כי עצים עם שלוש עריכות גנים הראו הפחתת ליגנין של עד 32%. עריכות של גנים בודדים לא הצליחו להפחית במידה רבה את תכולת הליגנין, והראו ששימוש ב-CRISPR לביצוע שינויים מרובי גנים יכול להעניק יתרונות בייצור סיבים.
המחקר כלל גם מודלים מתוחכמים של טחנות לייצור עיסת המצביעים על תכולת ליגנין מופחתת בעצים יכולה להגדיל את תפוקת העיסה ולהפחית את מה שנקרא ליקר שחור, תוצר הלוואי העיקרי של עיסת, מה שיכול לעזור למפעלים לייצר עד 40% סיבים ברי קיימא יותר.
לבסוף, היעילות שנמצאה בייצור סיבים עשויה להפחית את גזי החממה הקשורים לייצור עיסת עד 20% אם ישיגו ליגנין מופחתים ויחסי C/L ו-S/G מוגברים בעצים בקנה מידה תעשייתי.
עצי יער מייצגים את כיור הפחמן הביוגני הגדול ביותר על פני כדור הארץ והם בעלי חשיבות עליונה במאמצים לבלום את שינויי האקלים. הם עמודי התווך של המערכות האקולוגיות שלנו ושל הביו-כלכלה. בצפון קרוליינה, היערות תורמת למעלה מ-$35 מיליארד לכלכלה המקומית ותומכת בכ-140,000 מקומות עבודה.
"עריכת גנום רב-פלקסית מספקת הזדמנות יוצאת דופן לשפר את חוסן היער, הפרודוקטיביות והניצול בתקופה שבה משאבי הטבע שלנו מאותגרים יותר ויותר על ידי שינויי האקלים והצורך לייצר חומרים ביולוגיים ברי קיימא יותר תוך שימוש בפחות אדמה", אמר וואנג, עוזר פרופסור ומנהל מקבוצת ביוטכנולוגיה של יער במדינת NC ומחבר משותף של המאמר.
השלבים הבאים כוללים המשך בדיקות חממה כדי לראות כיצד העצים שעברו עריכת גנים בהשוואה לעצי בר. מאוחר יותר, הצוות מקווה להשתמש בניסויי שדה כדי לאמוד אם העצים שעברו עריכת גנים יכולים להתמודד עם הלחצים שמספקים החיים בחוץ, מחוץ לסביבת החממה המבוקרת.
החוקרים הדגישו את החשיבות של שיתוף פעולה רב-תחומי שאיפשר את המחקר הזה, שהקיף שלוש מכללות במדינת NC, מחלקות מרובות, יוזמת מדעי הצמחים של NC, מדינת NC מרכז חדשנות לחינוך מולקולרי, טכנולוגיה ומחקר (METRIC), ואוניברסיטאות שותפות.
"גישה בין-תחומית לגידול עצים המשלבת גנטיקה, ביולוגיה חישובית, כלי CRISPR וביו-כלכלה הרחיבה באופן עמוק את הידע שלנו על גידול עצים, פיתוח ויישומי יער", אמר דניאל סוליס, פוסט-דוקטורנט ב-NC State והראשון. מחבר העיתון. "גישה רבת עוצמה זו שינתה את היכולת שלנו לפענח את המורכבות של גנטיקה של עצים ולהסיק פתרונות משולבים שיכולים לשפר תכונות עץ חשובות מבחינה אקולוגית וכלכלית תוך הפחתת טביעת הרגל הפחמנית של ייצור סיבים".
בהתבסס על המורשת ארוכת השנים של חידושים בתחומי מדעי הצמח והיערות במדינת NC, ברנגו ו-ואנג יצרו חברת סטארט - אפ שקוראים לו TreeCo לקדם את השימוש בטכנולוגיות CRISPR בעצי יער. מאמץ שיתופי זה בראשות חברי הסגל של מדינת NC שואף לשלב תובנות גנטיות של עצים עם הכוח של עריכת גנום כדי להצמיח עתיד בריא ובר קיימא יותר.
חוקרים מכמה מחלקות במדינת NC היו שותפים לכתיבת המאמר, יחד עם חוקרים מאוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפיין, אוניברסיטת Beihua ואוניברסיטת Northeast Forestry. המימון ניתן על ידי המכון הלאומי למזון וחקלאות של משרד החקלאות האמריקאי - מענק יוזמת חקלאות ומחקר מזון 2018-67021-27716; מענק תוכנית העברת הטכנולוגיה לעסקים קטנים של הקרן הלאומית למדע 2044721; שירות המחקר השיתופי של משרד החקלאות האמריקאי מענק NCZ04214; מענקים לחסימת יבול מיוחדים בצפון קרוליינה 19-019-4018, 19-092-4012 ו-20-070-4013; מענק קרן החדשנות של אוניברסיטת NC State University 190549MA; ופרס אוניברסיטת NC State Goodnight Early Career Innovator Award.
-קוליקובסקי-
הערה לעורכים: תקציר המאמר להלן.
"עריכת CRISPR מרובה של עץ לייצור סיבים בר קיימא"
מחברים: Daniel B. Sulis, Xiao Jiang, Chenmin Yang, Barbara M. Marques, Megan L.
מתיוס, זכרי מילר, קאי לאן, קרלוס קופרה-וגה, באוגואנג ליו, רונקון סאן,
הנרי Sederoff, Ryan G. Bing, Xiaoyan Sun, Cranos M. Williams, Hasan Jameel, Richard
פיליפס, Hou-min Chang, Ilona Peszlen, Yung-Yun Huang, Wei Li, Robert M. Kelly,
רונלד ר. סדרוף, וינסנט ל. צ'יאנג, רודולף ברנגו, ג'ק פ. וואנג
יצא לאור: 14 ביולי 2023 ב מַדָע
DOI: 10.1126/science.add4514
תַקצִיר: הביות של עצי יער למען כלכלה ביולוגית ברת קיימא יותר של סיבים נבלם מזה זמן רב על ידי המורכבות והפלסטיות של ליגנין, ביופולימר בעץ שסורר לפירוק כימי ואנזימטי. כאן, אנו מראים כי עריכת CRISPR מרובת מאפשרת עיצוב וודי-מזון מדויק לשיפור קומבינטורי בהרכב הליגנין ובתכונות העץ. על ידי הערכת כל שילוב אפשרי של 69,123 אסטרטגיות עריכה מולטיגניות עבור 21 גנים ביו-סינתזה של ליגנין, הסקנו 7 אסטרטגיות עריכת גנום ייחודיות המכוונות לשינוי במקביל של עד 6 גנים, ויצרנו 174 וריאנטים ערוכים של צפצפה. עריכת CRISPR הגדילה את יחס פחמימות עץ לליגנין עד ל-228% של סוג בר, מה שהוביל לעיסה יעילה יותר של סיבים. העץ הערוך מקל על צוואר בקבוק גדול בייצור סיבים ללא קשר לשינויים בקצב צמיחת העצים, ויכול להביא ליעילות תפעולית חסרת תקדים, הזדמנויות ביו-כלכליות ויתרונות סביבתיים.
מקור תמונה ומאמר: NCSU