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。该研究结果发表在《科学》杂志上，有望使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 Rodolphe Barrangou 和树木遗传学家 Jack Wang 领导的一组研究人员利用预测模型设定了降低木质素水平、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的比率的目标块——紫丁香基到愈创木基(S/G)——在杨树中。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，”北卡罗来纳州立大学食品、生物加工和营养科学托德·R·克莱恩哈默 (Todd R. Klaenhammer) 杰出教授、该论文的共同通讯作者 Barrangou 说。“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;超过 99% 的策略至少针对三个基因。

在此基础上，研究人员选择了建模建议的七种最佳策略，这些策略将使树木达到化学最佳点——木质素比野生或未经改造的树木少 35%;C/L比比野生树高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降低了高达 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木质素减少高达 32%。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% 的可持续纤维。

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，纤维生产中的效率可以将与纸浆生产相关的温室气体减少高达 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 14 万个就业岗位。

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，其中包括北卡罗来纳州立大学的三所学院、多个系、北卡罗来纳州立大学植物科学计划、北卡罗来纳州立大学的分子教育、技术和研究创新中心(METRIC)以及合作大学。

“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 创建了一家名为 TreeCo 的初创公司，以推进 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。