NCSU: costruire un albero forestale migliore con l'editing genetico CRISPR

Data di pubblicazione: Luglio 20, 2023

I ricercatori della North Carolina State University hanno utilizzato un sistema di editing genetico CRISPR per allevare pioppi con livelli ridotti di lignina, il principale ostacolo alla produzione sostenibile di fibre di legno, migliorando al contempo le proprietà del legno. Le scoperte - pubblicato sulla rivista Scienza – mantenere la promessa di rendere la produzione di fibre per qualsiasi cosa, dalla carta ai pannolini, più ecologica, più economica e più efficiente.

Guidato dal pioniere CRISPR dello stato NC Rodolphe Barrangou e genetista degli alberi Jack Wang, un team di ricercatori ha utilizzato modelli predittivi per fissare obiettivi di riduzione dei livelli di lignina, aumento del rapporto carboidrati/lignina (C/L) e aumento del rapporto di due importanti elementi costitutivi della lignina – siringile e guaiacile (S/G) – nel pioppo alberi. Queste caratteristiche chimiche combinate rappresentano un punto debole nella produzione di fibre, affermano Barrangou e Wang.

"Stiamo utilizzando CRISPR per costruire una foresta più sostenibile", ha affermato Barrangou, il professore distinto di Todd R. Klaenhammer Scienze degli alimenti, dei bioprocessi e della nutrizione presso NC State e co-autore corrispondente dell'articolo. “I sistemi CRISPR offrono la flessibilità necessaria per modificare più di semplici geni o famiglie di geni, consentendo un maggiore miglioramento delle proprietà del legno”.

Il modello di apprendimento automatico ha previsto e poi selezionato quasi 70.000 diverse strategie di modifica genetica mirate a 21 importanti geni associati alla produzione di lignina – alcuni dei quali modificano più geni alla volta – per arrivare a 347 strategie; più di 99% di queste strategie miravano ad almeno tre geni.

Da lì, i ricercatori hanno selezionato le sette migliori strategie che la modellazione suggeriva avrebbero portato ad alberi che avrebbero raggiunto il punto debole della chimica: 35% meno lignina rispetto agli alberi selvatici o non modificati; Rapporti C/L superiori di oltre 200% rispetto agli alberi selvatici; Rapporti S/G che erano anche più alti di oltre 200% rispetto agli alberi selvatici; e tassi di crescita degli alberi simili a quelli degli alberi selvatici.

Da queste sette strategie, i ricercatori hanno utilizzato l’editing genetico CRISPR per produrre 174 linee di pioppi. Dopo sei mesi in una serra dello stato del NC, un esame di quegli alberi ha mostrato un contenuto ridotto di lignina fino a 50% in alcune varietà, nonché un aumento di 228% nel rapporto CL in altre.

È interessante notare che, dicono i ricercatori, riduzioni più significative della lignina sono state mostrate negli alberi con da quattro a sei modifiche genetiche, sebbene gli alberi con tre modifiche genetiche abbiano mostrato una riduzione della lignina fino a 32%. Le modifiche a un singolo gene non sono riuscite a ridurre di molto il contenuto di lignina, dimostrando che l’uso di CRISPR per apportare modifiche multigeniche potrebbe conferire vantaggi nella produzione di fibre.

Lo studio ha incluso anche sofisticati modelli di stabilimenti per la produzione di pasta di legno che suggeriscono che un ridotto contenuto di lignina negli alberi potrebbe aumentare la resa della pasta e ridurre il cosiddetto liquore nero, il principale sottoprodotto della lavorazione della pasta, che potrebbe aiutare gli stabilimenti a produrre fino a 40% fibre più sostenibili.

Infine, le efficienze riscontrate nella produzione di fibre potrebbero ridurre i gas serra associati alla produzione di pasta fino al 20% se si ottenessero una riduzione della lignina e un aumento dei rapporti C/L e S/G negli alberi su scala industriale.

Gli alberi forestali rappresentano il più grande deposito di carbonio biogenico sulla terra e sono fondamentali negli sforzi per frenare il cambiamento climatico. Sono i pilastri dei nostri ecosistemi e della bioeconomia. Nella Carolina del Nord, la silvicoltura contribuisce con oltre $35 miliardi all’economia locale e sostiene circa 140.000 posti di lavoro.

“L’editing multiplex del genoma offre una straordinaria opportunità per migliorare la resilienza, la produttività e l’utilizzo delle foreste in un momento in cui le nostre risorse naturali sono sempre più messe a dura prova dai cambiamenti climatici e dalla necessità di produrre biomateriali più sostenibili utilizzando meno terra”, ha affermato Wang, assistente professore e direttore. del Forest Biotechnology Group presso NC State e co-autore corrispondente dell'articolo.

I prossimi passi includono continui test in serra per vedere come si comportano gli alberi geneticamente modificati rispetto agli alberi selvatici. Successivamente, il team spera di utilizzare prove sul campo per valutare se gli alberi geneticamente modificati sono in grado di gestire gli stress derivanti dalla vita all’aperto, al di fuori dell’ambiente controllato della serra.

I ricercatori hanno sottolineato l’importanza della collaborazione multidisciplinare che ha consentito questo studio, che comprende tre college statali del NC, diversi dipartimenti, il Iniziativa sulle scienze vegetali NC, Stato NC Centro di innovazione per l'educazione molecolare, la tecnologia e la ricerca (METRIC)e università partner.

“Un approccio interdisciplinare alla selezione degli alberi che combina genetica, biologia computazionale, strumenti CRISPR e bioeconomia ha ampliato profondamente la nostra conoscenza sulla crescita degli alberi, sullo sviluppo e sulle applicazioni forestali”, ha affermato Daniel Sulis, studioso post-dottorato presso NC State e il primo autore del documento. “Questo potente approccio ha trasformato la nostra capacità di svelare la complessità della genetica degli alberi e dedurre soluzioni integrate che potrebbero migliorare le caratteristiche del legno ecologicamente ed economicamente importanti riducendo al contempo l’impronta di carbonio della produzione di fibre”.

Basandosi sull’eredità di lunga data delle innovazioni nei campi delle scienze vegetali e della silvicoltura presso lo Stato del NC, Barrangou e Wang hanno creato un azienda di avvio chiamato TreeCo promuovere l’uso delle tecnologie CRISPR negli alberi forestali. Questo sforzo di collaborazione guidato dai membri della facoltà dello Stato NC mira a combinare le conoscenze sulla genetica degli alberi con il potere dell’editing genomico per generare un futuro più sano e sostenibile.

Ricercatori provenienti da diversi dipartimenti dello Stato del NC sono coautori del documento, insieme a ricercatori dell’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign, della Beihua University e della Northeast Forestry University. Il finanziamento è stato fornito dal National Institute of Food and Agriculture del Dipartimento dell’Agricoltura degli Stati Uniti – Sovvenzione dell’Iniziativa per la ricerca agricola e alimentare 2018-67021-27716; la sovvenzione 2044721 del programma di trasferimento tecnologico per piccole imprese della National Science Foundation; Sovvenzione del Servizio di ricerca statale cooperativo del Dipartimento dell'Agricoltura degli Stati Uniti NCZ04214; Sovvenzioni per blocchi di colture speciali della Carolina del Nord 19-019-4018, 19-092-4012 e 20-070-4013; una sovvenzione del Fondo per l'innovazione del Cancelliere della NC State University 190549MA; e un premio Goodnight Early Career Innovator Award della NC State University.

-kulikowski-

Nota agli editori: Di seguito l'abstract dell'articolo.

“Modifica CRISPR multiplex del legno per la produzione di fibre sostenibili”

Autori: 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

Pubblicato: 14 luglio 2023 a Scienza

DOI: 10.1126/science.add4514

Astratto: L’addomesticamento degli alberi forestali per una bioeconomia delle fibre più sostenibile è stato a lungo ostacolato dalla complessità e plasticità della lignina, un biopolimero del legno recalcitrante alla degradazione chimica ed enzimatica. Qui, mostriamo che l’editing multiplex-CRISPR consente una progettazione precisa delle materie prime legnose per il miglioramento combinatorio della composizione della lignina e delle proprietà del legno. Valutando ogni possibile combinazione di 69.123 strategie di modifica multigenica per 21 geni di biosintesi della lignina, abbiamo dedotto 7 strategie uniche di modifica del genoma mirate all'alterazione simultanea di un massimo di 6 geni e prodotto 174 varianti di pioppo modificato. La modifica CRISPR ha aumentato il rapporto carboidrati/lignina del legno fino a 228% del tipo selvatico, portando a una produzione di pasta di fibre più efficiente. Il legno modificato allevia un grave collo di bottiglia nella produzione di fibre indipendentemente dai cambiamenti nel tasso di crescita degli alberi e potrebbe portare efficienze operative, opportunità bioeconomiche e benefici ambientali senza precedenti.

Fonte immagine e articolo: NCSU