Science：通过对杨树进行多重CRISPR基因编辑可实现可持续的纤维生产

在一项新的研究中，来自美国北卡罗莱纳州立大学的研究人员利用CRISPR基因编辑系统培育出了木质素（lignin）---它是木纤维可持续产生的主要障碍---含量降低的杨树，同时还改善了它们的木材特性。这些研究结果有望使从纸张到尿布的纤维产生变得更环保、更便宜、更高效。相关研究结果发表在2023年7月14日的Science期刊上，论文标题为“Multiplex CRISPR editing of wood for sustainable fiber production”。

在北卡罗来纳州立大学CRISPR先驱Rodolphe Barrangou和树木遗传学家Jack Wang的领导下，这些作者利用预测建模（predictive modeling）设定了降低杨树木质素水平、提高碳水化合物与木质素（C/L）比率以及增加两种重要木质素构成单元---丁香基（syringyl）和愈创木基（guaiacyl）比率（下称S/G比率）的目标。Barrangou和Wang说，这些综合化学特性代表了纤维产生的化学最佳点。

Barrangou说，“我们正在利用CRISPR技术建设一个更具可持续性的森林。CRISPR系统提供了编辑多个基因或基因家族的灵活性，使木材特性得到更大的改善。”

他们开发的机器学习模型预测并筛选了近7万种不同的基因编辑策略，这些策略靶向21个与木质素产生相关的重要基因---有些策略同时改变多个基因---最终得出347种策略；其中99%以上的策略靶向至少3个基因。

在此基础上，这些作者选出了七种最佳策略，它们的建模结果表明这些策略可以使树木达到化学最佳点---木质素含量比野生树木或未经改造的树木低35%；C/L比比野生树木高200%以上；S/G比比野生树木也高200%以上；树木生长速度与野生树木相似。

根据这七种策略，这些作者利用CRISPR基因编辑技术培育出了174个杨树品系。在北卡罗来纳州立大学的温室中培育6个月后，对这些杨树的检查结果显示，一些品种的木质素含量降低了50%，另一些品种的C/L比值提高了228%。

这些作者说，有趣的是，木质素减少更显著的是接受4至6个基因编辑的树木，尽管接受3个基因编辑的树木木质素减少高达32%。单基因编辑根本无法大幅降低木质素含量，这表明利用CRISPR技术改变多个基因可为纤维产生带来优势。

这项新的研究还包括复杂的纸浆生产厂模型，这些模型表明，降低树木中的木质素含量可提高纸浆产量并减少所谓的黑液（black liquor），即制浆过程中的主要副产品，这可帮助纸浆厂多生产40%的可持续纤维。

最后，如果在工业化生产中降低树木中的木质素含量并提高C/L和S/G比率，那么纤维生产的效率可使纸浆生产的温室气体排放量减少20%。

林木是地球上最大的生物碳汇（biogenic carbon sink），对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，林业对当地经济的贡献超过350亿美元，并提供了约14万个工作岗位。

CRISPR构造体组装。图片来自Science, 2023, doi:10.1126/science.add4514。

Wang说，“当我们的自然资源日益受到气候变化的挑战并需要利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一个绝佳的机会。”

接下来的步骤包括继续进行温室测试，以观察这些经过基因编辑的树木与野生树木相比的表现。随后，这些作者希望通过野外试验来评估这些经过基因编辑的树木是否能承受受控温室环境之外的户外生活所带来的压力。

这些作者强调了多学科合作的重要性。论文第一作者、北卡罗来纳州立大学博士后学者Daniel Sulis说，“一种结合遗传学、计算生物学、CRISPR工具和生物经济学的树木育种跨学科方法极大地扩展了我们对树木生长、发育和森林应用的认识。这种强大的方法改变了我们的能力，使我们能够揭开树木遗传学的复杂性，并推导出综合解决方案，从而可能改善生态和经济上重要的木材性状，同时减少纤维生产的碳足迹。”

在北卡罗来纳州立大学植物科学和林业领域长期创新传统的基础上，Barrangou和Wang创建了一家名为TreeCo的初创公司，以推动CRISPR技术在林木中的应用。这项由北卡罗来纳州立大学教职工成员领导的合作努力旨在将树木遗传学的新见解与基因组编辑的力量相结合，培育出更健康、更可持续的未来。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Daniel B. Sulis et al. Multiplex CRISPR editing of wood for sustainable fiber production. Science, 2023, doi:10.1126/science.add4514.

Vânia G. Zuin Zeidler. Genetic editing of wood for sustainability. Science, 2023, doi:10.1126/science.adi8186.