NCSU: Bygga ett bättre skogsträd med CRISPR-genredigering

Publiceringsdatum: 20 juli 2023

Forskare vid North Carolina State University använde ett CRISPR-genredigeringssystem för att föda upp poppelträd med minskade nivåer av lignin, det största hindret för hållbar produktion av träfibrer, samtidigt som de förbättrade deras träegenskaper. Resultaten - publiceras i tidskriften Vetenskap – håller ett löfte om att göra fiberproduktion för allt från papper till blöjor grönare, billigare och effektivare.

Leds av NC State CRISPR-pionjär Rodolphe Barrangou och trädgenetiker Jack Wang, använde ett team av forskare prediktiv modellering för att sätta upp mål för att sänka ligninnivåerna, öka förhållandet mellan kolhydrater och lignin (C/L) och öka förhållandet mellan två viktiga ligninbyggstenar – syringyl till guaiacyl (S/G) – i poppel träd. Dessa kombinerade kemiska egenskaper representerar en fiberproduktion sweet spot, säger Barrangou och Wang.

"Vi använder CRISPR för att bygga en mer hållbar skog", säger Barrangou, Todd R. Klaenhammers framstående professor i Livsmedels-, bioprocess- och näringsvetenskap vid NC State och medförfattare till uppsatsen. "CRISPR-system ger flexibiliteten att redigera mer än bara enstaka gener eller genfamiljer, vilket möjliggör större förbättring av träegenskaper."

Maskininlärningsmodellen förutspådde och sorterade sedan igenom nästan 70 000 olika genredigeringsstrategier som riktade in sig på 21 viktiga gener associerade med ligninproduktion – några förändrade flera gener åt gången – för att komma fram till 347 strategier; mer än 99% av dessa strategier riktade in sig på minst tre gener.

Därifrån valde forskarna ut de sju bästa strategierna som modellering föreslog skulle leda till träd som skulle uppnå den kemiska sweet spot – 35% mindre lignin än vilda eller omodifierade träd; C/L-förhållanden som var mer än 200% högre än vilda träd; S/G-förhållanden som också var mer än 200% högre än vilda träd; och trädtillväxthastigheter som liknade vilda träd.

Från dessa sju strategier använde forskarna CRISPR-genredigering för att producera 174 rader av poppelträd. Efter sex månader i ett växthus i NC State visade en undersökning av dessa träd minskat lignininnehåll på upp till 50% i vissa sorter, såväl som en ökning på 228% i CL-kvoten i andra.

Intressant nog, säger forskarna, mer signifikanta ligninminskningar visades i träd med fyra till sex genredigeringar, även om träd med tre genredigeringar visade ligninminskning på upp till 32%. En-gen-redigeringar misslyckades med att minska lignininnehållet mycket alls, vilket visar att användning av CRISPR för att göra multigenförändringar kan ge fördelar i fiberproduktion.

Studien inkluderade också sofistikerade modeller för massaproduktionsbruk som tyder på att minskat lignininnehåll i träd kan öka massautbytet och minska så kallad svartlut, den största biprodukten av massatillverkning, vilket kan hjälpa bruken att producera upp till 40% mer hållbara fibrer.

Slutligen kan effektivitetsvinsterna i fiberproduktion minska växthusgaserna i samband med massaproduktion med upp till 20% om minskat lignin och ökade C/L- och S/G-förhållanden uppnås i träd i industriell skala.

Skogsträd representerar den största biogena kolsänkan på jorden och är avgörande i ansträngningarna att stävja klimatförändringarna. De är pelare i våra ekosystem och bioekonomin. I North Carolina bidrar skogsbruket med över $35 miljarder till den lokala ekonomin och stödjer cirka 140 000 jobb.

"Multiplex genomredigering ger en enastående möjlighet att förbättra skogens motståndskraft, produktivitet och utnyttjande i en tid då våra naturresurser i allt högre grad utmanas av klimatförändringar och behovet av att producera mer hållbara biomaterial med mindre mark", säger Wang, biträdande professor och direktör. från Forest Biotechnology Group vid NC State och medförfattare till tidningen.

Nästa steg inkluderar fortsatta växthustester för att se hur de genredigerade träden presterar jämfört med vilda träd. Senare hoppas teamet kunna använda fältförsök för att bedöma om de genredigerade träden kan hantera påfrestningarna från livet utomhus, utanför den kontrollerade växthusmiljön.

Forskarna betonade vikten av multidisciplinärt samarbete som möjliggjorde denna studie, som omfattar tre NC State colleges, flera avdelningar, NC Plant Sciences Initiative, staten NC Molecular Education, Technology and Research Innovation Center (METRIC)och partneruniversitet.

"Ett tvärvetenskapligt förhållningssätt till trädförädling som kombinerar genetik, beräkningsbiologi, CRISPR-verktyg och bioekonomi har avsevärt utökat vår kunskap om trädtillväxt, utveckling och skogstillämpningar", säger Daniel Sulis, en postdoktor vid NC State och den första författare till tidningen. "Det här kraftfulla tillvägagångssättet har förändrat vår förmåga att reda ut komplexiteten i trädgenetik och härleda integrerade lösningar som kan förbättra ekologiskt och ekonomiskt viktiga träegenskaper samtidigt som fiberproduktionens koldioxidavtryck minskar."

Byggande på det långvariga arvet av innovationer inom växtvetenskap och skogsbruk vid NC State, skapade Barrangou och Wang en UPPSTARTSBOLAG kallad TreeCo för att främja användningen av CRISPR-teknologier i skogsträd. Denna samarbetsinsats ledd av NC State fakultetsmedlemmar syftar till att kombinera trädgenetiska insikter med kraften i genomredigering för att skapa en hälsosammare och mer hållbar framtid.

Forskare från flera NC State-avdelningar var medförfattare till uppsatsen, tillsammans med forskare från University of Illinois i Urbana-Champaign, Beihua University och Northeast Forestry University. Finansiering tillhandahölls av National Institute of Food and Agriculture vid US Department of Agriculture – Agriculture and Food Research Initiative-anslag 2018-67021-27716; National Science Foundation Small Business Technology Transfer Program anslag 2044721; Cooperative State Research Service vid US Department of Agriculture anslag NCZ04214; North Carolina Specialty Crop Block Grants 19-019-4018, 19-092-4012 och 20-070-4013; ett bidrag från NC State University Chancellor's Innovation Fund 190549MA; och en NC State University Goodnight Early Career Innovator Award.

-kulikowski-

Anmärkning till redaktörer: Uppsatsens sammandrag följer.

"Multiplex CRISPR-redigering av trä för hållbar fiberproduktion"

Författare: 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

Publicerad: 14 juli 2023 in Vetenskap

DOI: 10.1126/science.add4514

Abstrakt: domesticeringen av skogsträd för en mer hållbar fiberbioekonomi har länge hindrats av komplexiteten och plasticiteten hos lignin, en biopolymer i trä som är motsträvig mot kemisk och enzymatisk nedbrytning. Här visar vi att multiplex-CRISPR-redigering möjliggör exakt woody-feedstock-design för kombinatorisk förbättring av ligninsammansättning och träegenskaper. Genom att bedöma alla möjliga kombinationer av 69 123 multigena redigeringsstrategier för 21 ligninbiosyntesgener, härledde vi 7 unika genomredigeringsstrategier som riktade in sig på den samtidiga förändringen av upp till 6 gener och producerade 174 redigerade poplarvarianter. CRISPR-redigering ökade träkolhydrat-till-ligninförhållandet upp till 228% av vildtyp, vilket ledde till effektivare fibermassaframställning. Det redigerade träet lindrar en stor flaskhals för fiberproduktion oavsett förändringar i trädens tillväxthastighet, och kan ge oöverträffad driftseffektivitet, bioekonomiska möjligheter och miljöfördelar.

Bild & artikelkälla: NCSU