NCSU: een betere bosboom bouwen met CRISPR-genbewerking
Datum gepubliceerd:Onderzoekers van de North Carolina State University gebruikten een CRISPR-genbewerkingssysteem om populieren te kweken met verlaagde niveaus van lignine, de belangrijkste barrière voor de duurzame productie van houtvezels, terwijl ze hun houteigenschappen verbeterden. De bevindingen - gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap – de belofte waarmaken om de vezelproductie voor alles, van papier tot luiers, groener, goedkoper en efficiënter te maken.
Onder leiding van NC State CRISPR-pionier Rodolphe Barrangou en boomgeneticus Jack Wanggebruikte een team van onderzoekers voorspellende modellen om doelen te stellen zoals het verlagen van de lignineniveaus, het verhogen van de verhouding tussen koolhydraten en lignine (C/L) en het verhogen van de verhouding van twee belangrijke bouwstenen van lignine – syringyl tot guaiacyl (S/G) – in populier bomen. Deze gecombineerde chemische eigenschappen vertegenwoordigen een goede vezelproductie, zeggen Barrangou en Wang.
“We gebruiken CRISPR om een duurzamer bos te bouwen”, zegt Barrangou, de Todd R. Klaenhammer Distinguished Professor of Voedsel-, bioprocessing- en voedingswetenschappen bij NC State en co-corresponderende auteur van het artikel. “CRISPR-systemen bieden de flexibiliteit om meer dan alleen afzonderlijke genen of genfamilies te bewerken, waardoor een grotere verbetering van de houteigenschappen mogelijk is.”
Het machinaal lerende model voorspelde en sorteerde vervolgens bijna 70.000 verschillende genbewerkingsstrategieën gericht op 21 belangrijke genen die verband houden met de productie van lignine – waarvan sommige meerdere genen tegelijk veranderen – om tot 347 strategieën te komen; meer dan 99% van deze strategieën waren gericht op ten minste drie genen.
Van daaruit selecteerden de onderzoekers de zeven beste strategieën die volgens modellering zouden leiden tot bomen die de chemische ‘sweet spot’ zouden bereiken: 35% minder lignine dan wilde of ongemodificeerde bomen; C/L-verhoudingen die meer dan 200% hoger waren dan die van wilde bomen; S/G-verhoudingen die ook meer dan 200% hoger waren dan die van wilde bomen; en boomgroeisnelheden die vergelijkbaar waren met die van wilde bomen.
Van deze zeven strategieën gebruikten de onderzoekers CRISPR-genbewerking om 174 lijnen populieren te produceren. Na zes maanden in een kas van NC State toonde een onderzoek van deze bomen bij sommige variëteiten een verlaagd ligninegehalte tot 50% aan, evenals een toename van 228% in de CL-ratio bij andere.
Interessant genoeg, zeggen de onderzoekers, werden significantere ligninereducties aangetoond bij bomen met vier tot zes genbewerkingen, hoewel bomen met drie genbewerkingen een ligninereductie vertoonden tot 32%. Bewerkingen met één gen slaagden er helemaal niet in om het ligninegehalte veel te verminderen, wat aantoont dat het gebruik van CRISPR om veranderingen in meerdere genen aan te brengen voordelen zou kunnen opleveren bij de vezelproductie.
De studie omvatte ook geavanceerde modellen voor pulpproductiemolens die suggereren dat een verminderd ligninegehalte in bomen de pulpopbrengst zou kunnen verhogen en de zogenaamde zwarte vloeistof, het belangrijkste bijproduct van het verpulveren, zou kunnen verminderen, wat fabrieken zou kunnen helpen om tot 40% duurzamere vezels te produceren.
Ten slotte kunnen de efficiëntieverbeteringen die bij de vezelproductie worden gevonden de broeikasgassen die gepaard gaan met de pulpproductie met wel 20% verminderen als er op industriële schaal in bomen een verminderde lignine en verhoogde C/L- en S/G-verhoudingen worden bereikt.
Bosbomen vertegenwoordigen de grootste biogene koolstofopslag op aarde en zijn van cruciaal belang bij de inspanningen om de klimaatverandering tegen te gaan. Het zijn pijlers van onze ecosystemen en de bio-economie. In North Carolina draagt de bosbouw ruim $35 miljard bij aan de lokale economie en ondersteunt ongeveer 140.000 banen.
“Multiplex genoombewerking biedt een opmerkelijke kans om de veerkracht, de productiviteit en het gebruik van bossen te verbeteren in een tijd waarin onze natuurlijke hulpbronnen steeds meer worden uitgedaagd door de klimaatverandering en de noodzaak om duurzamere biomaterialen te produceren met minder land”, zegt Wang, assistent-professor en directeur. van de Forest Biotechnology Group bij NC State en co-corresponderende auteur van het artikel.
Volgende stappen zijn onder meer voortdurende kasproeven om te zien hoe de genetisch gemodificeerde bomen presteren in vergelijking met wilde bomen. Later hoopt het team veldproeven te gebruiken om te peilen of de genetisch gemodificeerde bomen bestand zijn tegen de stress die het leven buitenshuis met zich meebrengt, buiten de gecontroleerde kasomgeving.
De onderzoekers benadrukten het belang van multidisciplinaire samenwerking die dit onderzoek mogelijk maakte, waarbij drie NC State colleges, meerdere afdelingen, de NC Plant Sciences-initiatief, NC-staat Moleculair Onderwijs-, Technologie- en Onderzoeksinnovatiecentrum (METRIC)en partneruniversiteiten.
“Een interdisciplinaire benadering van het kweken van bomen die genetica, computationele biologie, CRISPR-tools en bio-economie combineert, heeft onze kennis van de groei, ontwikkeling en bostoepassingen van bomen diepgaand uitgebreid”, zegt Daniel Sulis, een postdoctoraal onderzoeker bij NC State en de eerste auteur van het artikel. “Deze krachtige aanpak heeft ons vermogen getransformeerd om de complexiteit van boomgenetica te ontrafelen en geïntegreerde oplossingen af te leiden die ecologisch en economisch belangrijke houteigenschappen kunnen verbeteren en tegelijkertijd de ecologische voetafdruk van de vezelproductie kunnen verkleinen.”
Voortbouwend op de al lang bestaande erfenis van innovaties op het gebied van plantwetenschappen en bosbouw bij NC State, creëerden Barrangou en Wang een beginnend bedrijf genaamd BoomCo om het gebruik van CRISPR-technologieën in bosbomen te bevorderen. Deze gezamenlijke inspanning onder leiding van leden van de NC State-faculteit heeft tot doel genetische inzichten in bomen te combineren met de kracht van genoombewerking om een gezondere en duurzamere toekomst te bewerkstelligen.
Onderzoekers van verschillende NC State-departementen waren co-auteur van het artikel, samen met onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, Beihua University en Northeast Forestry University. De financiering werd verstrekt door het National Institute of Food and Agriculture van het Amerikaanse ministerie van Landbouw – Agriculture and Food Research Initiative Grant 2018-67021-27716; de National Science Foundation Small Business Technology Transfer Program-subsidie 2044721; Cooperative State Research Service van het Amerikaanse ministerie van Landbouw subsidie NCZ04214; North Carolina Specialty Crop Block Grants 19-019-4018, 19-092-4012 en 20-070-4013; een subsidie van het NC State University Chancellor's Innovation Fund 190549MA; en een NC State University Goodnight Early Career Innovator Award.
-kulikowski-
Opmerking voor de redactie: De samenvatting van het artikel volgt.
“Multiplex CRISPR-bewerking van hout voor duurzame vezelproductie”
Auteurs: Daniel B. Sulis, Xiao Jiang, Chenmin Yang, Barbara M. Marques, Megan L.
Matthews, Zachary Miller, Kai Lan, Carlos Cofre-Vega, Baoguang Liu, Runkun Zon,
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
Gepubliceerd: 14 juli 2023 in Wetenschap
DOI: 10.1126/science.add4514
Abstract: De domesticatie van bosbomen voor een duurzamere vezelbio-economie wordt lange tijd belemmerd door de complexiteit en plasticiteit van lignine, een biopolymeer in hout dat recalcitrant is voor chemische en enzymatische afbraak. Hier laten we zien dat multiplex-CRISPR-bewerking een nauwkeurig ontwerp van houtachtige grondstoffen mogelijk maakt voor combinatorische verbetering van de ligninesamenstelling en houteigenschappen. Door elke mogelijke combinatie van 69.123 multigene bewerkingsstrategieën voor 21 ligninebiosynthesegenen te beoordelen, hebben we 7 unieke genoombewerkingsstrategieën afgeleid die gericht zijn op de gelijktijdige wijziging van maximaal 6 genen, en 174 bewerkte populiervarianten geproduceerd. CRISPR-bewerking verhoogde de houtkoolhydraat-lignine-verhouding tot 228% van wildtype, wat leidde tot efficiëntere vezelverpulping. Het bewerkte hout verlicht een groot knelpunt in de vezelproductie, ongeacht veranderingen in de groeisnelheid van bomen, en zou ongekende operationele efficiëntie, bio-economische kansen en milieuvoordelen kunnen opleveren.
Bron afbeelding en artikel: NCSU