NCSU: Paremman metsäpuun rakentaminen CRISPR-geenimuokkauksella

Pohjois-Carolinan osavaltion yliopiston tutkijat käyttivät CRISPR-geeninmuokkausjärjestelmää poppelipuiden kasvattamiseen, joiden ligniinitaso on alentunut, mikä on suurin este kestävälle puukuitutuotannolle ja samalla parantaen niiden puun ominaisuuksia. Löydökset - julkaistu lehdessä Tiede – pidä lupaus tehdä kuidun tuotannosta paperista vaipoihin vihreämpää, halvempaa ja tehokkaampaa.

Johti NC State CRISPR-pioneeri Rodolphe Barrangou ja puugeneetikko Jack Wang, tutkijaryhmä käytti ennakoivaa mallintamista asettaakseen tavoitteita alentaa ligniinitasoja, lisätä hiilihydraattien ja ligniinin (C/L) suhdetta ja lisätä kahden tärkeän ligniinin rakennuspalikan – syringyylin ja guajasyylin (S/G) – suhdetta poppelissa. puita. Nämä yhdistetyt kemialliset ominaisuudet edustavat kuitujen tuotannon makeaa kohtaa, Barrangou ja Wang sanovat.

"Käytämme CRISPR:ää kestävämmän metsän rakentamiseen", sanoi Barrangou, Todd R. Klaenhammerin arvostettu professori. Elintarvike-, biokäsittely- ja ravitsemustieteet NC osavaltiossa ja kirjeen kirjoittaja. "CRISPR-järjestelmät tarjoavat joustavuutta muokata muutakin kuin yksittäisiä geenejä tai geeniperheitä, mikä mahdollistaa puun ominaisuuksien paremman parantamisen."

Koneoppimismalli ennusti ja lajitteli sitten lähes 70 000 erilaista geeninmuokkausstrategiaa, jotka kohdistuivat 21 tärkeään ligniinin tuotantoon liittyvään geeniin – joista osa muutti useita geenejä kerrallaan – ja päätyi 347 strategiaan. yli 99% näistä strategioista kohdistui vähintään kolmeen geeniin.

Sieltä tutkijat valitsivat seitsemän parasta strategiaa, jotka mallinnuksen mukaan johtaisivat puihin, jotka saavuttaisivat kemiallisen makean pisteen – 35% vähemmän ligniiniä kuin luonnonvaraiset tai muuntamattomat puut; C/L-suhteet, jotka olivat yli 200% korkeammat kuin luonnonvaraisten puiden; S/G-suhteet, jotka olivat myös yli 200% korkeammat kuin luonnonvaraisten puiden; ja puiden kasvunopeus, joka oli samanlainen kuin luonnonvaraisten puiden.

Näistä seitsemästä strategiasta tutkijat käyttivät CRISPR-geenin muokkausta tuottamaan 174 poppelipuulinjaa. Oltuaan kuusi kuukautta NC Staten kasvihuoneessa näiden puiden tutkimus osoitti, että ligniinipitoisuus oli jopa 50% joissakin lajikkeissa ja 228% lisääntyi CL-suhteessa toisissa.

Mielenkiintoista on, että tutkijat sanovat, että puissa, joissa oli neljä tai kuusi geenimuutosta, havaittiin merkittävämpiä ligniinin vähenemistä, vaikka puut, joissa oli kolme geenimuokkausta, osoittivat ligniinin vähenemistä jopa 32%:hen asti. Yhden geenin muokkaukset eivät onnistuneet vähentämään ligniinipitoisuutta juurikaan, mikä osoitti, että CRISPR:n käyttäminen monigeenimuutosten tekemiseen voisi tarjota etuja kuidun tuotannossa.

Tutkimukseen sisältyi myös kehittyneitä selluntuotantotehdasmalleja, joiden mukaan puiden ligniinipitoisuuden vähentäminen voisi lisätä sellun saantoa ja vähentää niin sanottua mustalipeää, sellunvalmistuksen tärkeintä sivutuotetta, mikä voisi auttaa tehtaita tuottamaan jopa 40% kestävämpiä kuituja.

Lopuksi, kuidutuotannossa havaitut tehokkuusedut voisivat vähentää sellun tuotantoon liittyviä kasvihuonekaasuja jopa 20%:llä, jos puissa saavutetaan teollisessa mittakaavassa alentunut ligniini ja lisääntyneet C/L- ja S/G-suhteet.

Metsäpuut edustavat maan suurinta biogeenistä hiilinielua ja ovat ensiarvoisen tärkeitä ilmastonmuutoksen hillitsemisessä. Ne ovat ekosysteemiemme ja biotaloutemme pilareita. Pohjois-Carolinassa metsätalouden osuus paikallistaloudesta on yli 1 TP4T35 miljardia ja se tukee noin 140 000 työpaikkaa.

"Multiplex-genomieditointi tarjoaa merkittävän mahdollisuuden parantaa metsien sietokykyä, tuottavuutta ja käyttöä aikana, jolloin ilmastonmuutos ja tarve tuottaa kestävämpiä biomateriaaleja vähemmän maalla, haastavat luonnonvarojamme yhä enemmän", sanoo apulaisprofessori ja johtaja Wang. Forest Biotechnology Groupin edustaja NC Statessa ja toinen kirjeen kirjoittaja.

Seuraavat vaiheet sisältävät jatkuvat kasvihuonetestit sen selvittämiseksi, kuinka geenimuokatut puut toimivat verrattuna luonnonvaraisiin puihin. Myöhemmin tiimi toivoo voivansa käyttää kenttäkokeita selvittääkseen, pystyvätkö geenimuokatut puut käsittelemään ulkona, valvotun kasvihuoneympäristön ulkopuolella, aiheuttamaa stressiä.

Tutkijat korostivat monitieteisen yhteistyön merkitystä, joka mahdollisti tämän tutkimuksen, joka kattaa kolme NC State Collegea, useita osastoja, NC Plant Sciences -aloite, NC osavaltiossa Molekyyliopetuksen, teknologian ja tutkimuksen innovaatiokeskus (METRIC)ja kumppaniyliopistot.

"Poikkitieteellinen lähestymistapa puunjalostukseen, jossa yhdistyvät genetiikka, laskennallinen biologia, CRISPR-työkalut ja bioekonomiikka, on laajentanut perusteellisesti tietämysämme puiden kasvusta, kehityksestä ja metsäsovelluksista", sanoi Daniel Sulis, NC Staten tutkijatohtori ja ensimmäinen paperin kirjoittaja. "Tämä tehokas lähestymistapa on muuttanut kykyämme selvittää puun genetiikan monimutkaisuus ja päätellä integroituja ratkaisuja, jotka voivat parantaa ekologisesti ja taloudellisesti tärkeitä puun ominaisuuksia ja samalla vähentää kuidutuotannon hiilijalanjälkeä."

Barrangou ja Wang loivat NC Staten kasvitieteiden ja metsätalouden innovaatioiden pitkäaikaisen perinnön pohjalta. startup yritys nimeltään TreeCo edistää CRISPR-tekniikoiden käyttöä metsäpuissa. Tämän NC Staten tiedekunnan jäsenten johtaman yhteistyön tavoitteena on yhdistää puiden geneettiset oivallukset genomin muokkaamisen voimaan terveellisemmän ja kestävämmän tulevaisuuden luomiseksi.

Tutkijat useista NC:n osavaltion osastoista olivat mukana kirjoittamassa paperia yhdessä Illinoisin yliopiston Urbana-Champaignin, Beihuan yliopiston ja Northeast Forestry Universityn tutkijoiden kanssa. Rahoituksen antoi Yhdysvaltain maatalousministeriön National Institute of Food and Agriculture – Agriculture and Food Research Initiative -apuraha 2018-67021-27716; National Science Foundation Small Business Technology Transfer Program -apuraha 2044721; Yhdysvaltain maatalousministeriön osuuskunnan tutkimuspalvelun apuraha NCZ04214; North Carolina Specialty Crop Block Grants 19-019-4018, 19-092-4012 ja 20-070-4013; NC State Universityn kanslerin innovaatiorahaston apuraha 190549MA; ja NC State University Goodnight Early Career Innovator -palkinnon.

-kulikowski-

Huomautus toimittajille: Paperin tiivistelmä seuraa.

"Multiplex CRISPR Editing of Wood for Sustainable Fiber Production"

Tekijät: 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

Julkaistu: 14. heinäkuuta 2023 Tiede

DOI: 10.1126/science.add4514

Abstrakti: Metsäpuiden kesyttämistä kestävämpään kuitubiotalouteen on pitkään estänyt ligniinin monimutkaisuus ja plastisuus, puussa oleva biopolymeeri, joka ei vastusta kemiallista ja entsymaattista hajoamista. Tässä näytämme, että multipleksi-CRISPR-editointi mahdollistaa tarkan puumaisen raaka-aineen suunnittelun ligniinikoostumuksen ja puun ominaisuuksien kombinatoriseen parantamiseen. Arvioimalla kaikki mahdolliset 69 123 monigeenisen muokkausstrategian yhdistelmät 21 ligniinin biosynteesigeenille, päätimme 7 ainutlaatuista genomin muokkausstrategiaa, jotka kohdistuivat jopa 6 geenin samanaikaiseen muuttamiseen, ja tuotimme 174 muokattua poppelivarianttia. CRISPR-editointi lisäsi puun hiilihydraatti-ligniini-suhdetta 228%:hen villityypin, mikä johti tehokkaampaan kuitumassan valmistukseen. Muokattu puu lievittää suurta kuidutuotannon pullonkaulaa puiden kasvunopeuden muutoksista huolimatta ja voi tuoda ennennäkemättömiä toiminnallisia tehosteita, biotaloudellisia mahdollisuuksia ja ympäristöhyötyjä.

Kuvan ja artikkelin lähde: NCSU