【原】Science|CRISPR基因编辑助力可持续林业发展,树木木质纤维产量提高228%

PaperRSS编者按：最近,北卡罗莱纳州立大学的一个研究团队利用机器学习和CRISPR基因编辑技术,在极短时间内培育出木质纤维原料理想性状的树木。这项研究发表在《科学》杂志上。木材中约25%是木素,需要脱除才能用于造纸等,这耗费资源且污染环境。研究团队通过CRISPR技术成功降低杨树木素含量,增加纤维素含量。一些树木的木素含量降低了29%,纤维素含量提高了228%,这样可以减少木浆造纸过程中的污染。尽管编辑树木初期生长较慢,但研究表明这种树木提高了纤维生产效率,降低了碳排放。本研究突破树木育种难题,对可持续发展意义重大。未来研究人员将在田间条件下验证这项技术,这项研究只是一个开始,期待编辑树木的应用前景。

Trees provide an important natural resource, but breeding for optimal wood properties is time consuming and hindered by the complexity of tree genetics and diversity. Sulis et al. show that CRISPR technologies can be readily deployed to enhance wood properties and augment the sustainability of forest trees (see the Perspective by Zuin Zeidler). The authors generated multiplexed genetic alterations modifying wood composition in poplar with more desirable traits for fiber pulping and lower carbon emissions. This work demonstrates that genome editing can be harnessed for breeding more efficient trees, which will provide timely opportunities for sustainable forestry and a more efficient bioeconomy. —DJ

人类已经驯化了许多农作物,但树木基本上逃脱了我们的掌控。这是因为培育新品种的树木需要几十年的时间。
现在,一个团队结合了机器学习和先进的CRISPR技术,在极短的时间内培育出具有行业和环境需求理想性状的树木。木材中约有25%是木素,但造纸和纤维行业需要去除它,因为它会降低他们产品的质量,例如使接触空气的纸张发黄。在树木本身降低木素含量将减少这一过程的需要,北卡罗莱纳州立大学的基因组编辑专家Rodolphe Barrangou说,他是这篇刚刚发表在《科学》杂志上的论文的合著者之一。
Barrangou和他的同事使用了预测性机器学习模型,以识别杨树的基因,他们可以通过修改这些基因来创造理想的纤维生产性状,包括增加纤维素与木素的比值。在模型提供的成千上万种编辑策略中,该团队选择了7种,所有策略都涉及改变3到6个基因。
为了实验测试这些策略,该团队使用了多重CRISPR技术,这是一种同时定位多个基因的遗传工程技术,他们生成了174株转基因树木。在温室中生长6个月后,与野生类型树木相比,CRISPR树木在期望的木材性能方面显着改善。在最剧烈的情况下,木素含量降低了29%,纤维素与木素的比值增加了228%。该团队承认生长缓慢的风险。尽管如此,该团队的分析表明,CRISPR编辑木材可能会提高纤维生产效率,并降低碳足迹,因为去除多余木素所需的能量和化学输入会减少。移除木素的过程“在材料、溶剂、能量、压力方面非常费力”,并产生化学废物,没有参与这项工作的吕讷堡大学的Vânia Zuin Zeidler说道。
这使得这项研究特别相关,尤其是考虑到气候危机,她说。但一旦树木到户外,这种方法可能不那么有说服力,没有参与这项研究但以前与王合作过的根特大学植物生物技术学家Wout Boerjan说。温室条件可能与田间条件差异很大,所以他担心生长会受到进一步影响。该团队承认这一风险。
Barrangou说,在实验室做这件事只是一个初步的里程碑,他和他的同事打算在田间测试他们的新树系。这也是为什么他们创造了多个树系进行测试。Boerjan说这个团队实现的巨大遗传变异“创造了这些原型,很棒。我希望这些树系中的一些在田间会有相当好的表现。”

https://www./doi/10.1126/science.add4514

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