NCSU：利用 CRISPR 基因编辑打造更好的林树

北卡罗来纳州立大学的研究人员使用 CRISPR 基因编辑系统培育出木质素含量降低的杨树，木质素是木纤维可持续生产的主要障碍，同时改善了其木材特性。调查结果 - 发表在期刊上 科学 – 承诺让从纸张到尿布等各种产品的纤维生产变得更环保、更便宜、更高效。

由北卡罗来纳州 CRISPR 先驱领导 鲁道夫·巴兰古 和树木遗传学家 王杰克，一组研究人员使用预测模型设定了降低杨树木质素水平、增加碳水化合物与木质素 (C/L) 比率以及增加两种重要木质素结构单元（紫丁香基与愈创木基 (S/G)）的比率的目标树。巴兰古和王说，这些综合化学特性代表了纤维生产的最佳点。

“我们正在利用 CRISPR 来建设更加可持续的森林，”Todd R. Klaenhammer 杰出教授 Barrangou 说道。 食品、生物加工和营养科学 北卡罗来纳州立大学和该论文的共同通讯作者。 “CRISPR 系统不仅可以灵活地编辑单个基因或基因家族，还可以更大程度地改善木材特性。”

机器学习模型预测并整理了近 70,000 种不同的基因编辑策略，这些策略针对与木质素生产相关的 21 个重要基因（其中一些策略一次改变多个基因），最终得出 347 种策略；这些策略中超过 99% 至少针对三个基因。

从那里，研究人员选择了建模建议的七种最佳策略，这些策略将导致树木达到化学最佳点——木质素比野生或未改良的树木少 35%； C/L比值比野生树高出200%以上； S/G比也比野生树高200%以上；和与野生树木相似的树木生长速度。

通过这七种策略，研究人员利用 CRISPR 基因编辑培育出了 174 个杨树品系。在北卡罗来纳州温室中放置六个月后，对这些树木的检查显示，某些品种的木质素含量减少了高达 50%，而其他品种的 CL 比率则增加了 228%。

有趣的是，研究人员表示，经过四到六个基因编辑的树木显示出更显着的木质素减少，尽管经过三个基因编辑的树木显示出高达 32% 的木质素减少。单基因编辑根本无法降低木质素含量，这表明使用 CRISPR 进行多基因改变可以在纤维生产中带来优势。

该研究还包括复杂的纸浆生产厂模型，该模型表明降低树木中的木质素含量可以提高纸浆产量并减少所谓的黑液（制浆的主要副产品），这可以帮助工厂生产高达 40% 的更具可持续性的纤维。

最后，如果在工业规模的树木中减少木质素并提高 C/L 和 S/G 比率，纤维生产中发现的效率可以减少与纸浆生产相关的温室气体高达 20%。

林木是地球上最大的生物碳汇，对于遏制气候变化至关重要。它们是我们生态系统和生物经济的支柱。在北卡罗来纳州，林业为当地经济贡献了超过 $350 亿美元，并提供了约 140,000 个就业岗位。

助理教授兼主任王说：“当我们的自然资源日益受到气候变化的挑战以及需要使用更少的土地生产更可持续的生物材料时，多重基因组编辑为提高森林的恢复力、生产力和利用率提供了绝佳的机会。”北卡罗来纳州森林生物技术小组的成员，该论文的共同通讯作者。

下一步包括继续进行温室测试，以了解基因编辑树木与野生树木相比的表现如何。随后，研究小组希望通过实地试验来衡量基因编辑的树木是否能够应对受控温室环境之外的户外生活所带来的压力。

研究人员强调了多学科合作的重要性，这使得这项研究得以进行，包括三所北卡罗来纳州立大学、多个院系、 北卡罗来纳州植物科学计划，北卡罗来纳州的 分子教育、技术与研究创新中心 (METRIC)和合作大学。

“结合遗传学、计算生物学、CRISPR 工具和生物经济学的跨学科树木育种方法极大地扩展了我们对树木生长、发育和森林应用的了解，”北卡罗来纳州立大学博士后学者 Daniel Sulis 说道。论文作者。 “这种强大的方法改变了我们解开树木遗传学复杂性的能力，并推导出综合解决方案，可以改善生态和经济上重要的木材特性，同时减少纤维生产的碳足迹。”

基于北卡罗来纳州立大学植物科学和林业领域长期的创新传统，Barrangou 和 Wang 创建了一个 刚起步的公司 被称为 树公司 推进 CRISPR 技术在林木中的应用。这项由北卡罗来纳州立大学教职人员领导的合作项目旨在将树木遗传见解与基因组编辑的力量结合起来，以培育一个更健康、更可持续的未来。

来自北卡罗来纳州多个部门的研究人员以及来自伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校、北华大学和东北林业大学的研究人员共同撰写了这篇论文。资金由美国农业部国家食品和农业研究所 - 农业和食品研究计划拨款 2018-67021-27716 提供；国家科学基金会小型企业技术转让计划拨款 2044721；美国农业部国家合作研究服务补助金NCZ04214；北卡罗来纳州特色作物块补助金 19-019-4018、19-092-4012 和 20-070-4013；北卡罗来纳州立大学校长创新基金拨款 190549MA；以及北卡罗来纳州立大学晚安早期职业创新奖。

-库利科夫斯基-

编辑注意事项：论文摘要如下。

“对木材进行多重 CRISPR 编辑以实现可持续纤维生产”

作者: Daniel B. Sulis、肖江、杨晨民、Barbara M. Marques、Megan L.
马修斯、扎卡里·米勒、兰凯、卡洛斯·科弗雷-维加、刘宝光、孙润坤、
Henry Sederoff、Ryan G. Bing、孙晓燕、Cranos M. Williams、Hasan Jameel、Richard
Phillips、Hou-min Chang、Ilona Peszlen、Yung-Yun Huang、Wei Li、Robert M. Kelly、
罗纳德·R·塞德罗夫、文森特·L·蒋、鲁道夫·巴兰古、杰克·P·王

已发表： 2023 年 7 月 14 日 科学

DOI：10.1126/science.add4514

抽象的：木质素的复杂性和可塑性长期以来阻碍了林木驯化以实现更可持续的纤维生物经济，木质素是木材中的一种生物聚合物，难以化学和酶降解。在这里，我们展示了多重 CRISPR 编辑可以实现精确的木质原料设计，从而组合改善木质素成分和木材特性。通过评估 21 个木质素生物合成基因的 69,123 种多基因编辑策略的每种可能组合，我们推导出 7 种独特的基因组编辑策略，针对最多 6 个基因的同时改变，并产生了 174 个编辑过的杨树变体。 CRISPR 编辑将木材碳水化合物与木质素的比率提高至野生型的 228%，从而实现更高效的纤维制浆。无论树木生长速度如何变化，经过编辑的木材都可以缓解主要的纤维生产瓶颈，并可以带来前所未有的运营效率、生物经济机会和环境效益。

图片和文章来源： 北卡罗来纳州立大学