NCSU：利用 CRISPR 基因編輯打造更好的林樹
發布日期：北卡羅來納州立大學的研究人員使用 CRISPR 基因編輯系統培育出木質素含量降低的楊樹，木質素是木纖維可持續生產的主要障礙，同時改善了其木材特性。調查結果 - 發表在期刊上 科學 – 承諾讓從紙張到尿布等各種產品的纖維生產變得更環保、更便宜、更有效率。
由北卡羅來納州 CRISPR 先驅領導 魯道夫·巴蘭古 和樹木遺傳學家 王傑克，一組研究人員使用預測模型設定了降低楊樹木質素水平、增加碳水化合物與木質素(C/L) 比率以及增加兩種重要木質素結構單元（紫丁香基與癒創木基(S /G)）的比率的目標樹。巴蘭古和王說，這些綜合化學特性代表了纖維生產的最佳點。
「我們正在利用 CRISPR 來建造更永續的森林，」Todd R. Klaenhammer 傑出教授 Barrangou 說。 食品、生物加工和營養科學 北卡羅來納州立大學和該論文的共同通訊作者。 “CRISPR 系統不僅可以靈活地編輯單個基因或基因家族，還可以更大程度地改善木材特性。”
機器學習模型預測並整理了近 70,000 種不同的基因編輯策略，這些策略針對與木質素生產相關的 21 個重要基因（其中一些策略一次改變多個基因），最終得出 347 種策略；這些策略中超過 99% 至少針對三個基因。
從那裡，研究人員選擇了建模建議的七種最佳策略，這些策略將導致樹木達到化學最佳點——木質素比野生或未改良的樹木少 35%； C/L比值比野生樹高出200%以上； S/G比也比野生樹高200%以上；和與野生樹木相似的樹木生長速度。
透過這七種策略，研究人員利用 CRISPR 基因編輯培育出了 174 個楊樹品系。在北卡羅來納州溫室中放置六個月後，對這些樹木的檢查顯示，某些品種的木質素含量減少了高達 50%，而其他品種的 CL 比率則增加了 228%。
有趣的是，研究人員表示，經過四到六個基因編輯的樹木顯示出更顯著的木質素減少，儘管經過三個基因編輯的樹木顯示出高達 32% 的木質素減少。單基因編輯根本無法降低木質素含量，這表明使用 CRISPR 進行多基因改變可以在纖維生產中帶來優勢。
該研究還包括複雜的紙漿生產廠模型，該模型表明降低樹木中的木質素含量可以提高紙漿產量並減少所謂的黑液（製漿的主要副產品），這可以幫助工廠生產高達40% 的更具可持續性的纖維。
最後，如果在工業規模的樹木中減少木質素並提高 C/L 和 S/G 比率，纖維生產中發現的效率可以減少與紙漿生產相關的溫室氣體高達 20%。
林木是地球上最大的生物碳匯，對於遏制氣候變遷至關重要。它們是我們生態系統和生物經濟的支柱。在北卡羅來納州，林業為當地經濟貢獻了超過 $350 億美元，並提供了約 14 萬個就業機會。
助理教授兼主任王說：「當我們的自然資源日益受到氣候變遷的挑戰以及需要使用更少的土地生產更永續的生物材料時，多重基因組編輯為提高森林的復原力、生產力和利用率提供了絕佳的機會。」北卡羅來納州森林生物技術小組的成員，該論文的共同通訊作者。
下一步包括繼續進行溫室測試，以了解基因編輯樹木與野生樹木相比的表現如何。隨後，研究團隊希望透過實地試驗來衡量基因編輯的樹木是否能夠應對受控溫室環境之外的戶外生活所帶來的壓力。
研究人員強調了多學科合作的重要性，這使得這項研究得以進行，包括三所北卡羅來納州立大學、多個系所、 北卡羅來納州植物科學計劃，北卡羅來納州的 分子教育、科技與研究創新中心 (METRIC)和合作大學。
「結合遺傳學、計算生物學、CRISPR 工具和生物經濟學的跨學科樹木育種方法極大地擴展了我們對樹木生長、發育和森林應用的了解，」北卡羅來納州立大學博士後學者 Daniel Sulis 說道。論文作者。 “這種強大的方法改變了我們解開樹木遺傳學複雜性的能力，並推導出綜合解決方案，可以改善生態和經濟上重要的木材特性，同時減少纖維生產的碳足跡。”
基於北卡羅來納州立大學植物科學和林業領域的長期創新傳統，Barrangou 和 Wang 創建了一個 剛起步的公司 被稱為 樹公司 推動 CRISPR 技術在林木中的應用。這項由北卡羅來納州立大學教職人員領導的合作計畫旨在將樹木遺傳見解與基因組編輯的力量結合起來，以培育一個更健康、更永續的未來。
來自北卡羅來納州多個部門的研究人員以及來自伊利諾大學厄巴納-香檳分校、北華大學和東北林業大學的研究人員共同撰寫了這篇論文。資金由美國農業部國家食品和農業研究所 - 農業和食品研究計劃撥款 2018-67021-27716 提供；美國國家科學基金會小型企業技術轉移計畫撥款 2044721；美國農業部國家合作研究服務補助金NCZ04214；北卡羅來納州特色作物塊補助金 19-019-4018、19-092-4012 和 20-070-4013；北卡羅來納州立大學校長創新基金撥款 190549MA；以及北卡羅來納州立大學晚安早期職業創新獎。
-庫利科夫斯基-
編輯注意事項：論文摘要如下。
“對木材進行多重 CRISPR 編輯以實現可持續纖維生產”
作者: Daniel B. Sulis、肖江、楊晨民、Barbara M. Marques、Megan L.
馬修斯、扎卡里·米勒、蘭凱、卡洛斯·科弗雷-維加、劉寶光、孫潤坤、
Henry Sederoff、Ryan G. Bing、孫曉燕、Cranos M. Williams、Hasan Jameel、Richard
Phillips、Hou-min Chang、Ilona Peszlen、Yung-Yun Huang、Wei Li、Robert M. Kelly、
羅納德·R·塞德羅夫、文森特·L·蔣、魯道夫·巴蘭古、傑克·P·王
已發表： 2023 年 7 月 14 日 科學
DOI：10.1126/science.add4514
抽象的：木質素的複雜性和可塑性長期以來阻礙了林木馴化以實現更永續的纖維生物經濟，木質素是木材中的一種生物聚合物，難以化學和酶降解。在這裡，我們展示了多重 CRISPR 編輯可以實現精確的木質原料設計，從而組合改善木質素成分和木材特性。透過評估21 個木質素生物合成基因的69,123 種多基因編輯策略的每種可能組合，我們推導出7 種獨特的基因組編輯策略，針對最多6 個基因的同時改變，並產生了174 個編輯過的楊樹變體。 CRISPR 編輯將木材碳水化合物與木質素的比率提高至野生型的 228%，從而實現更有效率的纖維製漿。無論樹木生長速度如何變化，經過編輯的木材都可以緩解主要的纖維生產瓶頸，並可以帶來前所未有的營運效率、生物經濟機會和環境效益。
圖片與文章來源： 北卡羅來納州立大學