北卡罗莱纳州立大学的研究人员利用CRISPR技术培育出了木质素含量降低的杨树，从而实现了更高效、可持续的纤维生产。他们的工作可以彻底改变纸浆和造纸工业，同时减少其碳足迹。他们成立了TreeCo公司来继续这项创新工作。

北卡罗莱纳州立大学(NC State)的研究人员成功地将CRISPR基因编辑技术应用于培育木质素水平降低的杨树，木质素是可持续生产木材纤维的一个重大障碍。这项研究为更高效、更环保的纤维生产提供了潜力，发表在《科学》杂志上。这一发现有望使从纸张到尿布的各种纤维生产更环保、更便宜、更高效。

CRISPR的力量

在北卡罗来纳州立大学CRISPR先驱Rodolphe Barrangou和树木遗传学家Jack Wang的带领下，一组研究人员使用预测建模来设定降低木质素水平的目标，增加碳水化合物与木质素(C/L)的比例，并增加杨树中两种重要木质素组成部分的比例-丁香基与木创木酰(S/G)。Barrangou和Wang说，这些综合化学特性代表了纤维生产的最佳点。

“我们正在使用CRISPR来建立一个更可持续的森林，”北卡罗来纳州食品、生物加工和营养科学的托德·r·克伦哈默特聘教授、该论文的共同通讯作者巴兰戈说。“CRISPR系统提供了编辑多个基因或基因家族的灵活性，从而可以更大程度地改善木材的性能。”

crispr修饰的杨树(左)和野生杨树生长在北卡罗来纳州温室。作者:杨晨敏，北卡州立大学

实现最佳基因编辑策略

该团队利用机器学习模型来预测和分类针对与木质素生产相关的21个重要基因的近7万种不同的基因编辑策略，其中一些策略一次改变多个基因。该过程确定了347个策略;其中99%以上的策略针对至少三个基因。

从那里，研究人员选择了7种最佳策略，建模表明这些策略会使树木达到化学最佳点——比野生或未经改造的树木少35%的木质素;C/L比野生树种高200%以上;S/G比也比野生树种高出200%以上;树木的生长速度与野生树木相似。

经过crispr修饰的木材呈现红色(左)，野生型杨木(右)。图片来源:北卡罗莱纳州立大学杨晨敏

杨树新品种的培育

从这七种策略中，研究人员使用CRISPR基因编辑产生了174个杨树品系。在北卡州温室6个月后，对这些树木的检查显示，一些品种的木质素含量降低了50%，而另一些品种的C-L比增加了228%。

多基因编辑提高纤维产量

有趣的是，研究人员说，经过4到6次基因编辑的树木显示出更显著的木质素减少，尽管经过3次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进行多基因改变可能会在纤维生产中带来优势。

对纸浆生产的影响

该研究还包括复杂的纸浆生产工厂模型，该模型表明，减少树木中木质素的含量可以提高纸浆产量，减少所谓的黑液，这是制浆的主要副产品。这可以帮助工厂将可持续纤维的产量提高40%。

气候影响和未来措施

最后，如果在工业规模的树木中实现减少木质素和增加C/L和S/G比率，纤维生产效率可以减少与纸浆生产相关的温室气体高达20%。

森林树木是地球上最大的生物碳汇，对遏制气候变化的努力至关重要。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，并提供了大约14万个就业岗位。

北卡罗来纳州立大学森林生物技术小组助理教授兼主任、该论文的共同通讯作者王说:“当我们的自然资源受到气候变化的挑战越来越大，需要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试验，看看基因编辑的树木与野生树木相比表现如何。随后，该团队希望利用田间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。

迈向可持续发展的未来

研究人员强调了多学科合作的重要性，使这项研究成为可能，包括三所北卡州立大学，多个部门，北卡州立大学植物科学倡议，北卡州立大学分子教育，技术和研究创新中心(METRIC)以及合作大学。

北卡罗来纳州立大学博士后学者、该论文的第一作者丹尼尔·苏利斯说:“一种结合遗传学、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、发育和森林应用的认识。”“这种强大的方法改变了我们解开树木遗传复杂性的能力，并推断出综合解决方案，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。”

在北卡罗来纳州立大学植物科学和林业领域长期创新的基础上，Barrangou和Wang创建了一家名为TreeCo的初创公司，以推进CRISPR技术在森林树木中的应用。这项由北卡罗来纳州立大学教师领导的合作努力旨在将树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。

参考文献:“木材的复合CRISPR编辑用于可持续纤维生产”，作者:Daniel B. Sulis, Jiang Xiao, Yang Chenmin, Barbara M. Marques, Megan L. Matthews, Zachary Miller, Kai Lan, Carlos cofree - vega，刘保光，孙润昆，Henry Sederoff, Ryan G. Bing，孙晓燕，Cranos M. Williams, Hasan Jameel, Richard Phillips, Chang houmin, Ilona Peszlen，黄永云，李伟，Robert M. Kelly, Ronald R. Sederoff, Vincent L. Chiang, Rodolphe Barrangou和Jack P. Wang, 2023年7月13日，Science。DOI: 10.1126 / science.add4514

来自北卡罗来纳州几个部门的研究人员与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提供-农业和食品研究倡议资助2018-67021-27716;国家科学基金小企业技术转移计划资助项目2044721;美国农业部合作国家研究服务项目NCZ04214;北卡罗莱纳特种作物块补助金19-019-4018,19-092-4012和20-070-4013;北卡州立大学校长创新基金资助190549MA;以及北卡州立大学晚安早期职业创新者奖。

摘要:木质素是木材中的一种生物聚合物，难以被化学和酶降解，木质素的复杂性和可塑性一直阻碍着森林树木的驯化，以实现更可持续的纤维生物经济。在这里，我们展示了多重crispr编辑可以精确地设计木材原料，以组合改善木质素组成和木材性能。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，我们推断出7种独特的基因组编辑策略，针对多达6个基因的同时改变，并产生174个编辑杨树变异体。crispr编辑将木材碳水化合物与木质素的比例提高到野生型的228%，从而提高了纤维制浆的效率。编辑木材缓解了主要的纤维生产瓶颈，无论树木生长速度如何变化，都可以带来前所未有的运营效率、生物经济机会和环境效益。