Naukowcy z North Carolina State University wykorzystali system edycji genów CRISPR do wyhodowania topoli o obniżonym poziomie ligniny, głównej bariery dla zrównoważonej produkcji włókien drzewnych, przy jednoczesnej poprawie właściwości drewna. Odkrycia – opublikowane w czasopiśmie Science – obiecują, że produkcja włókien do wszystkiego, od papieru po pieluchy, będzie bardziej ekologiczna, tańsza i wydajniejsza.
Kierowany przez pioniera CRISPR stanu NC, Rodolphe’a Barrangou i genetyka drzew, Jacka Wanga, zespół naukowców wykorzystał modelowanie predykcyjne do wyznaczenia celów obniżenia poziomu ligniny, zwiększenia stosunku węglowodanów do ligniny (C/L) oraz zwiększenia stosunku dwóch ważnych budulców ligniny bloki – syringyl do gwaiacyl (S/G) – w topolach. Te połączone właściwości chemiczne stanowią najlepszy punkt produkcji włókien, mówią Barrangou i Wang.
„Używamy CRISPR do budowy bardziej zrównoważonego lasu” – powiedział Barrangou, wybitny profesor nauk o żywności, bioprocesie i żywieniu w stanie Karolina Północna oraz współautor artykułu. „Systemy CRISPR zapewniają elastyczność edycji nie tylko pojedynczych genów lub rodzin genów, co pozwala na większą poprawę właściwości drewna”.
Model uczenia maszynowego przewidział, a następnie posortował prawie 70 000 różnych strategii edycji genów ukierunkowanych na 21 ważnych genów związanych z produkcją ligniny – niektóre zmieniające wiele genów jednocześnie – aby uzyskać 347 strategii; ponad 99% tych strategii było ukierunkowanych na co najmniej trzy geny.
Stamtąd naukowcy wybrali siedem najlepszych strategii, które sugerowały modelowanie, doprowadziłyby do drzew, które osiągnęłyby chemiczne najlepsze miejsce – 35% mniej ligniny niż dzikie lub niezmodyfikowane drzewa; Wskaźniki C/L, które były o ponad 200% wyższe niż w przypadku dzikich drzew; Stosunki S/G, które były również o ponad 200% wyższe niż w przypadku dzikich drzew; i tempo wzrostu drzew, które były podobne do dzikich drzew.
Z tych siedmiu strategii naukowcy wykorzystali edycję genów CRISPR, aby wyprodukować 174 linie topoli. Po sześciu miesiącach w szklarni stanu NC badanie tych drzew wykazało zmniejszenie zawartości ligniny nawet o 50% w niektórych odmianach, a także wzrost wskaźnika CL o 228% w innych.
Co ciekawe, naukowcy twierdzą, że bardziej znaczące redukcje ligniny wykazano w drzewach z czterema do sześcioma edycjami genów, chociaż drzewa z trzema edycjami genów wykazały redukcję ligniny nawet o 32%. Edycje pojedynczych genów w ogóle nie zmniejszyły zawartości ligniny, co pokazuje, że użycie CRISPR do wprowadzania zmian wielogenowych może przynieść korzyści w produkcji włókien.
Badanie obejmowało również zaawansowane modele młynów do produkcji celulozy, które sugerują, że zmniejszona zawartość ligniny w drzewach może zwiększyć wydajność pulpy i zmniejszyć tzw.
Wreszcie, wydajność stwierdzona w produkcji włókien może zmniejszyć emisję gazów cieplarnianych związanych z produkcją masy celulozowej nawet o 20%, jeśli zmniejszy się ligninę i zwiększy się stosunek C/L i S/G w drzewach na skalę przemysłową.
Drzewa leśne stanowią największy biogenny pochłaniacz dwutlenku węgla na ziemi i mają ogromne znaczenie w wysiłkach na rzecz ograniczenia zmian klimatycznych. Są filarami naszych ekosystemów i biogospodarki. W Karolinie Północnej leśnictwo wnosi ponad 35 miliardów dolarów do lokalnej gospodarki i zapewnia około 140 000 miejsc pracy.
„Multiplexowa edycja genomu zapewnia niezwykłą możliwość poprawy odporności, produktywności i wykorzystania lasów w czasach, gdy zmiany klimatu i potrzeba produkcji bardziej zrównoważonych biomateriałów przy mniejszym zużyciu gruntów są coraz bardziej zagrożone naszymi zasobami naturalnymi” – powiedział Wang, adiunkt i dyrektor z Forest Biotechnology Group w NC State i współautor-korespondent artykułu.
Kolejne kroki obejmują dalsze testy szklarniowe, aby zobaczyć, jak drzewa poddane edycji genów zachowują się w porównaniu z dzikimi drzewami. Później zespół ma nadzieję wykorzystać próby terenowe do oceny, czy zmodyfikowane genetycznie drzewa poradzą sobie ze stresem związanym z życiem na świeżym powietrzu, poza kontrolowanym środowiskiem szklarniowym.
Naukowcy podkreślili znaczenie multidyscyplinarnej współpracy, która umożliwiła to badanie, obejmującej trzy uczelnie stanu Karolina Północna, wiele wydziałów, Inicjatywę Nauk o Roślinach Karoliny Północnej, Centrum Edukacji Molekularnej, Technologii i Badań Naukowych stanu Karolina Północna (METRIC) oraz uniwersytety partnerskie.
„Interdyscyplinarne podejście do hodowli drzew, które łączy genetykę, biologię obliczeniową, narzędzia CRISPR i bioekonomię, głęboko poszerzyło naszą wiedzę na temat wzrostu, rozwoju drzew i zastosowań leśnych” – powiedział Daniel Sulis, doktor habilitowany w NC State i pierwszy autor artykułu. „To potężne podejście zmieniło naszą zdolność do rozwikłania złożoności genetyki drzew i wydedukowania zintegrowanych rozwiązań, które mogłyby poprawić ważne ekologicznie i ekonomicznie cechy drewna, jednocześnie zmniejszając ślad węglowy produkcji włókien”.
Opierając się na wieloletnim dziedzictwie innowacji w dziedzinie roślinoznawstwa i leśnictwa w stanie Karolina Północna, Barrangou i Wang stworzyli start-up o nazwie TreeCo, aby rozwijać wykorzystanie technologii CRISPR w drzewach leśnych. Ten wspólny wysiłek prowadzony przez członków wydziału NC State ma na celu połączenie wglądu w genetykę drzew z mocą edycji genomu w celu stworzenia zdrowszej i bardziej zrównoważonej przyszłości.
Współautorami artykułu byli naukowcy z kilku departamentów stanu Karolina Północna, wraz z naukowcami z University of Illinois w Urbana-Champaign, Beihua University i Northeast Forestry University. Finansowanie zostało zapewnione przez National Institute of Food and Agriculture of the US Department of Agriculture — Agriculture and Food Research Initiative grant 2018-67021-27716; grant 2044721 w ramach programu transferu technologii dla małych firm National Science Foundation; Cooperative State Research Service Departamentu Rolnictwa USA grant NCZ04214; Dotacje blokowe na specjalne uprawy Karoliny Północnej 19-019-4018, 19-092-4012 i 20-070-4013; grant Funduszu Innowacji Kanclerza NC State University 190549MA; oraz nagrodę NC State University Goodnight Early Career Innovator Award.