NCSU: CRISPR 遺伝子編集でより良い森林樹木を構築
発行日:ノースカロライナ州立大学の研究者らは、CRISPR遺伝子編集システムを使用して、木材繊維の持続可能な生産の主な障害となるリグニンのレベルを低減させたポプラの木を品種改良し、木材の特性を改善した。調査結果 – 雑誌に掲載されました 科学 – 紙からおむつまであらゆる繊維の生産をより環境に優しく、より安く、より効率的にすることを約束します。
ノースカロライナ州の CRISPR 先駆者が率いる ロドルフ・バラングー そして樹木遺伝学者 ジャック・ワン研究チームは、予測モデリングを使用して、ポプラのリグニンレベルを低下させ、炭水化物とリグニン（C/L）の比率を増加させ、2つの重要なリグニン構成要素であるシリンギルとグアヤシル（S/G）の比率を増加させるという目標を設定しました。木。 Barrangou 氏と Wang 氏は、これらの化学的特性の組み合わせが繊維生産のスイートスポットを表していると述べています。
「私たちはより持続可能な森林を構築するためにCRISPRを利用しています」とトッド・R・クレンハマー特別教授のバラングー氏は語った。 食品、生物処理および栄養科学 ノースカロライナ州立大学の教授であり、論文の共同責任著者です。 「CRISPR システムは、単一の遺伝子や遺伝子ファミリー以上の編集を行う柔軟性を提供し、木材の特性を大幅に改善することができます。」
機械学習モデルは、リグニン生産に関連する 21 の重要な遺伝子を対象とした、約 70,000 の異なる遺伝子編集戦略を予測し、分類し (一度に複数の遺伝子を変更するものもあります)、347 の戦略に到達しました。これらの戦略のうち 99% 以上が少なくとも 3 つの遺伝子を標的としていました。
そこから、研究者らは、モデリングが示唆する、化学的スイートスポットを達成する樹木を導くための 7 つの最良の戦略を選択しました。つまり、野生または未改変の樹木よりもリグニンが 35% 少ないことです。 C/L比は野生木よりも200%以上高かった。 S/G 比も野生の木よりも 200% 以上高かった。木の成長速度は野生の木と同様でした。
これら 7 つの戦略から、研究者らは CRISPR 遺伝子編集を使用して 174 系統のポプラの木を生産しました。ノースカロライナ州の温室で 6 か月間保管した後、それらの木を検査したところ、いくつかの品種ではリグニン含有量が最大 50% 減少し、他の品種では CL 比が 228% 増加していることがわかりました。
興味深いことに研究者らは、3つの遺伝子編集を行った樹木では最大32%のリグニン減少が示されたが、4～6つの遺伝子編集を行った樹木ではより顕著なリグニンの減少が示されたと述べている。単一遺伝子編集ではリグニン含有量をほとんど減らすことができず、CRISPR を使用して複数遺伝子を変更すると繊維生産に利点がもたらされる可能性があることが示されました。
この研究には、樹木のリグニン含有量を減らすことでパルプ収量が増加し、パルプ化の主な副産物であるいわゆる黒液が減少する可能性があることを示唆する洗練されたパルプ生産工場モデルも含まれており、これにより工場が最大40%のより持続可能な繊維を生産するのに役立つ可能性がある。
最後に、工業規模で樹木においてリグニンの減少とC/LおよびS/G比の増加が達成された場合、繊維生産で見出された効率により、パルプ生産に関連する温室効果ガスを最大20%削減できる可能性がある。
森林の木は地球上で最大の生物起源の炭素吸収源であり、気候変動を抑制する取り組みにおいて最も重要です。それらは私たちの生態系と生物経済の柱です。ノースカロライナ州では、林業が地域経済に 1 兆 4,000 億ドル以上をもたらし、約 14 万の雇用を支えています。
「多重ゲノム編集は、気候変動やより少ない土地でより持続可能な生体材料を生産する必要性によって天然資源がますます困難になっている現在、森林の回復力、生産性、利用率を向上させる素晴らしい機会を提供します」と助教授兼所長のワン氏は述べた。ノースカロライナ州森林バイオテクノロジーグループの教授であり、論文の共同責任著者。
次のステップには、遺伝子編集された樹木が野生の樹木と比較してどのように機能するかを確認するための継続的な温室テストが含まれます。研究チームはその後、野外試験を利用して、遺伝子編集された樹木が、管理された温室環境の外での屋外の生活によってもたらされるストレスに耐えられるかどうかを評価したいと考えている。
研究者らは、この研究を可能にした、ノースカロライナ州立大学の 3 つの大学、複数の学部、 NC プラント サイエンス イニシアチブ、ノースカロライナ州の 分子教育技術研究イノベーションセンター（METRIC）、および提携大学。
「遺伝学、計算生物学、CRISPRツール、生物経済学を組み合わせた樹木育種への学際的なアプローチにより、樹木の成長、発達、森林利用に関する知識が大幅に拡大しました」とノースカロライナ州立大学博士研究員で初の博士研究員であるダニエル・スリス氏は述べた。論文の著者。 「この強力なアプローチにより、樹木の遺伝学の複雑さを解明し、繊維生産による二酸化炭素排出量を削減しながら、生態学的および経済的に重要な木材の特性を改善できる統合ソリューションを導き出す能力が変わりました。」
ノースカロライナ州立大学の植物科学と林業の分野における長年にわたるイノベーションの遺産を基に、バラングーとワンは、 新興企業 呼ばれた ツリーコ 森林樹木における CRISPR テクノロジーの利用を促進します。ノースカロライナ州立大学の教員が主導するこの共同作業は、樹木の遺伝的洞察とゲノム編集の力を組み合わせて、より健康で持続可能な未来を生み出すことを目的としています。
この論文は、ノースカロライナ州のいくつかの学部の研究者と、イリノイ大学アーバナシャンペーン校、北華大学、東北林業大学の研究者が共同執筆した。資金は米国農務省国立食糧農業研究所 – 農業および食品研究イニシアチブ助成金 2018-67021-27716 によって提供されました。米国科学財団中小企業技術移転プログラム補助金 2044721。米国農務省の州共同研究局補助金 NCZ04214。ノースカロライナ州特殊作物ブロック助成金 19-019-4018、19-092-4012、および 20-070-4013。ノースカロライナ州立大学学長イノベーション基金助成金 190549MA。ノースカロライナ州立大学 Goodnight Early Career Innovator Award を受賞しました。
-クリコウスキー-
編集者への注記: 論文の要約は次のとおりです。
「持続可能な繊維生産のための木材の多重 CRISPR 編集」
著者: ダニエル B. スリス、シャオ ジャン、チェンミン ヤン、バーバラ M. マルケス、ミーガン L.
マシューズ、ザカリー・ミラー、カイ・ラン、カルロス・コフレ＝ベガ、バオグアン・リウ、ルンクン・サン、
ヘンリー・セデロフ、ライアン・G・ビング、シャオヤン・サン、クラノス・M・ウィリアムズ、ハサン・ジャミール、リチャード
フィリップス、フーミン・チャン、イロナ・ペシュレン、ユンユン・ファン、ウェイ・リー、ロバート・M・ケリー、
ロナルド・R・セデロフ、ヴィンセント・L・チャン、ロドルフ・バラングー、ジャック・P・ワン
発行済み: 2023 年 7 月 14 日 科学
土肥: 10.1126/science.add4514
抽象的な：より持続可能な繊維生物経済を目指した森林樹木の栽培化は、化学的および酵素的分解に抵抗力のある木材中の生体高分子であるリグニンの複雑さと可塑性によって長い間妨げられてきました。今回我々は、多重CRISPR編集により、リグニン組成と木材特性を組み合わせて改善するための正確な木質原料設計が可能になることを示す。 21 のリグニン生合成遺伝子に対する 69,123 のマルチジェニック編集戦略のあらゆる可能な組み合わせを評価することにより、最大 6 つの遺伝子の同時変更をターゲットとした 7 つの独自のゲノム編集戦略を推定し、174 の編集ポプラ変異体を生成しました。 CRISPR 編集により、木材の炭水化物とリグニンの比率が野生型の 228% まで増加し、より効率的な繊維パルプ化が可能になりました。編集木材は、木の成長速度の変化に関係なく、繊維生産の大きなボトルネックを軽減し、前例のない運用効率、生物経済的機会、および環境上の利益をもたらす可能性があります。
画像と記事の出典: NCSU