Может ли редактирование генов деревьев привести к более устойчивой древесине?

Отредактированные с помощью CRISPR b контрольные образцы тополя дикого типа, растущие в теплице/ Фото Ченмин Янг, Университет штата Северная Каролина

Исследователи из Университета штата Северная Каролина использовали систему редактирования генов CRISPR для выведения тополей с пониженным уровнем лигнина, который является основным препятствием для устойчивого производства древесных волокон, при одновременном улучшении свойств древесины. Выводы, опубликованные в журнале Science , обещают сделать производство волокна для всего, от бумаги до подгузников, более экологичным, дешевым и эффективным.

Под руководством пионера CRISPR в штате Северная Каролина Родольфа Баррангу и генетика деревьев Джека Ванга группа исследователей использовала прогностическое моделирование, чтобы установить цели по снижению уровня лигнина, увеличению отношения углеводов к лигнину (C/L) и увеличению соотношения двух важных лигнинообразователей  /сирингил и гваяцил (S/G) / в деревьях тополя. По словам Баррангоу и Ванга, эти комбинированные химические характеристики представляют собой золотую середину производства волокна.

«Мы используем CRISPR для создания более устойчивого леса», — сказал Баррангоу, заслуженный профессор Тодда Р. Клэнхаммера в области пищевых продуктов, биообработки и пищевых наук в штате Северная Каролина и соавтор статьи. «Системы CRISPR обеспечивают гибкость редактирования не только отдельных генов или семейств генов, что позволяет еще больше улучшить свойства древесины».

Модель машинного обучения спрогнозировала, а затем отсортировала почти 70 000 различных стратегий редактирования генов, нацеленных на 21 важный ген, связанный с производством лигнина (некоторые изменяют несколько генов одновременно), чтобы получить 347 стратегий; более 99% этих стратегий нацелены как минимум на три гена.

Оттуда исследователи выбрали семь лучших стратегий, которые, как предложило моделирование, могли бы привести к деревьям, которые достигли бы химического наилучшего результата — на 35% меньше лигнина, чем дикие или немодифицированные деревья; Соотношение C/L было более чем на 200% выше, чем у диких деревьев; Соотношение S/G также было более чем на 200% выше, чем у диких деревьев; и темпы роста деревьев, которые были аналогичны диким деревьям.

Из этих семи стратегий исследователи использовали редактирование генов CRISPR для создания 174 линий тополей. После шести месяцев в теплице штата Северная Каролина обследование этих деревьев показало снижение содержания лигнина до 50% у некоторых сортов, а также увеличение коэффициента CL на 228% у других.

Интересно, что исследователи говорят, что более значительное снижение лигнина было продемонстрировано у деревьев с четырьмя-шестью изменениями генов, хотя деревья с тремя изменениями генов показали снижение лигнина до 32%. Редактирование одного гена вообще не привело к значительному снижению содержания лигнина, что показало, что использование CRISPR для внесения мультигенных изменений может дать преимущества в производстве волокна.

Исследование также включало сложные модели целлюлозных заводов, которые предполагают, что снижение содержания лигнина в деревьях может увеличить выход целлюлозы и сократить количество так называемого черного щелока, основного побочного продукта варки целлюлозы, что может помочь комбинатам производить до 40% более экологичных волокон.

Наконец, эффективность, обнаруженная в производстве волокна, может снизить выбросы парниковых газов, связанных с производством целлюлозы, на 20%, если в деревьях в промышленных масштабах будет достигнуто снижение содержания лигнина и увеличение отношений C/L и S/G.

Лесные деревья представляют собой крупнейший биогенный поглотитель углерода на Земле и играют первостепенную роль в усилиях по сдерживанию изменения климата. Они являются опорой наших экосистем и биоэкономики. В Северной Каролине лесное хозяйство приносит более 35 миллиардов долларов в местную экономику и поддерживает около 140 000 рабочих мест.

«Мультиплексное редактирование генома дает замечательную возможность повысить устойчивость лесов, продуктивность и использование в то время, когда наши природные ресурсы все больше подвергаются опасности из-за изменения климата и необходимости производить более устойчивые биоматериалы с использованием меньшего количества земли», — сказал Ван, доцент и директор. из группы лесной биотехнологии в штате Северная Каролина и соавтор статьи.

Следующие шаги включают в себя продолжение испытаний в теплицах, чтобы увидеть, как деревья с отредактированными генами ведут себя по сравнению с дикими деревьями. Позже команда надеется использовать полевые испытания, чтобы оценить, могут ли деревья с отредактированными генами справляться со стрессами, вызванными жизнью на открытом воздухе, за пределами контролируемой тепличной среды.

Исследователи подчеркнули важность междисциплинарного сотрудничества, которое позволило провести это исследование, включая три колледжа штата Северная Каролина, несколько департаментов, Инициативу по  науке о растениях штата Северная Каролина , Центр молекулярного образования, технологий и научных исследований штата Северная Каролина  (METRIC) и университеты-партнеры.

«Междисциплинарный подход к селекции деревьев, который сочетает в себе генетику, вычислительную биологию, инструменты CRISPR и биоэкономику, значительно расширил наши знания о росте деревьев, развитии и применении лесов», — сказал Даниэль Сулис, доктор наук в штате Северная Каролина и первый автор статьи. «Этот мощный подход изменил нашу способность разгадывать сложность генетики деревьев и выводить комплексные решения, которые могли бы улучшить экологически и экономически важные характеристики древесины при одновременном снижении углеродного следа производства волокна».

Основываясь на давнем наследии инноваций в области наук о растениях и лесного хозяйства в штате Северная Каролина, Баррангоу и Ван создали стартап под названием   TreeCo   для   продвижения  использования технологий CRISPR в лесных деревьях. Эти совместные усилия под руководством преподавателей штата Северная Каролина направлены на объединение знаний о генетике деревьев с возможностями редактирования генома для создания более здорового и устойчивого будущего.