CRISPR先驱Science最新发文：CRISPR基因编辑构建更好的森林树

研究人员使用CRISPR技术修改杨树的木质素水平。

　　

北卡罗莱纳州立大学的研究人员使用CRISPR基因编辑系统培育了木质素水平降低的杨树，木质素是可持续生产木材纤维的主要障碍，同时改善了木材性能。这项发表在《科学》杂志上的研究结果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。

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。

Rodolphe Barrangou是北卡罗莱纳州立大学的副教授，他的实验室专注于研究CRISPR-Cas系统的进化和功能、在细菌分型上的应用、构建原核免疫力以及 乳酸菌中Cas9介导的基因编辑在食品制造业方面的应用。自2005年以来，他发表了数篇与CRISPR-Cas系统及其应用相关的论文，还编辑了第一本 CRISPR-Cas系统相关的书籍。

他说，“我们正在使用CRISPR来建立一个更可持续的森林，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。”

机器学习模型预测并整理了近7万种不同的基因编辑策略，这些策略针对与木质素产生相关的21个重要基因，其中一些策略一次改变多个基因，最终得到347种策略，其中99%以上的策略针对至少三个基因。

在此基础上，研究人员选择了建模建议的七种最佳策略，这些策略将导致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。

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%。

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。

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(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Jack Wang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。

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，培育一个更健康、更可持续的未来。

Journal Reference:

1. Daniel B. Sulis, Xiao Jiang, Chenmin Yang, Barbara M. Marques, Megan L. Matthews, Zachary Miller, Kai Lan, Carlos Cofre-Vega, Baoguang Liu, Runkun Sun, Henry Sederoff, Ryan G. Bing, Xiaoyan Sun, Cranos M. Williams, Hasan Jameel, Richard Phillips, Hou-min Chang, Ilona Peszlen, Yung-Yun Huang, Wei Li, Robert M. Kelly, Ronald R. Sederoff, Vincent L. Chiang, Rodolphe Barrangou, Jack P. Wang. Multiplex CRISPR editing of wood for sustainable fiber production. Science, 2023; 381 (6654): 216 DOI: 10.1126/science.add4514