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北卡罗莱纳州立大学的研究人员使用一种CRISPR基因编辑系统品种杨树水平降低的木质素,木纤维的主要障碍可持续生产,同时提高他们的木属性。结果- - - - - -发表在《科学——持有承诺使纤维生产从纸尿布更环保、更便宜、更高效。
由北卡罗莱纳州CRISPR先驱Rodolphe Barrangou和树遗传学家杰克王,一个研究小组预测建模用于设定目标降低木质素含量,增加碳水化合物的木质素(C / L)的比例,和增加的比率两个重要的木质素积木——syringyl愈创木基(S / G) -在杨树。这些组合化学特征代表了纤维生产甜点,Barrangou和王说。
“我们使用CRISPR构建一个更可持续的森林,“Barrangou说的托德·r·Klaenhammer特聘教授食品、生物工艺和营养科学在数控状态和共同通讯作者论文的。“CRISPR系统提供灵活地编辑不仅仅单一的基因或基因家族,允许更大的改善木材的属性。”
机器学习模型预测,然后整理近70000种不同的基因编辑策略针对21木质素生产相关的重要基因-一些改变多个基因一次到达347策略;超过99%的战略目标至少三个基因。
从那时起,研究人员选择了七个最好的策略建模会导致树木建议将获得木质素化学甜点- 35%低于野外,或修改的,树木;C / L比率超过200%,高于野生树木;S / G比例也超过200%高于野生树木;和树类似于野生树木的增长率。
从这七个策略,研究人员使用CRISPR基因编辑产生174行白杨树。六个月后在北卡罗莱纳州的温室,考试的那些树显示降低木质素含量高达50%的在一些品种,以及氯率增加了228%。
有趣的是,研究人员说,更重要的木质素减少树木所示有4到6个基因编辑,虽然树有三个基因编辑显示木质素减少高达32%。单基因编辑未能降低木质素含量多,表明利用CRISPR基因变化会带来优势纤维生产。
研究还包括复杂的纸浆生产轧机模型表明木质素含量树木的减少可能会增加纸浆产量和减少所谓的黑液,制浆的主要副产品,这可能帮助钢厂生产40%更可持续的纤维。
最后,效率中发现纤维纸浆生产相关的生产可以减少温室气体排放20%如果减少木质素和增加C / L和S / G比率在工业规模取得了在树上。
林木代表地球上最大的生物碳汇和派拉蒙在为遏制气候变化所做的努力。他们是我们的生态系统和bioeconomy的支柱。在北卡罗莱纳、林业对当地经济的贡献超过350亿美元,支持大约140000个工作岗位。
“多路复用基因组编辑提供了一个显著的机会提高森林的恢复能力,生产力,利用在自然资源越来越受到气候变化的挑战,需要使用更少的土地生产更多的可持续的生物材料,”王说,助理教授和主任森林生物技术组数控状态和共同通讯作者论文的。
下一步包括继续温室测试来看看gene-edited树执行相比,野生树木。之后,团队希望利用田间试验来衡量是否gene-edited树木可以处理所提供的压力生活在户外,在温室环境控制。
研究人员强调多学科协作的重要性,使这一研究中,包括三个NC州立大学,多个部门,北卡罗来纳州植物科学计划、数控的分子教育、技术和研究创新中心(公制)和合作伙伴大学。
”一个跨学科的树遗传育种相结合的方法,计算生物学,CRISPR工具,和bio-economics都深刻地扩展我们的知识树的成长,发展,和森林应用,”Daniel Sulis说,博士后学者数控状态和论文的第一作者。“这强大的方法改变了我们解开的复杂性的能力树遗传学和推断集成解决方案,可以改善生态和经济上重要的木材特征同时减少纤维生产的碳足迹。”
建筑领域的创新长期遗留的植物科学和林业NC州立Barrangou和王了创业公司被称为TreeCo推进林木CRISPR技术的使用。这种合作由数控状态教员旨在把树遗传的见解与基因组编辑繁殖的力量更健康和更可持续的未来。
几个数控国家部门的研究人员共同完成的论文,除了厄巴纳伊利诺斯州大学的研究人员,北华大学和东北林业大学。资金由国家提供粮食和农业美国农业部的农业和食品研究专项拨款2018-67021-27716;美国国家科学基金会小企业技术转让计划拨款2044721;合作研究服务的美国农业部授予NCZ04214;北卡罗莱纳特色作物分类财政补贴19-019-4018,19-092-4012,20-070-4013;NC州新利18app官网版下载立大学校长的创新基金资助190549马;和一个晚安NC新利18app官网版下载州立大学职业生涯早期创新者奖。
-kulikowski -
编辑报告:论文的文摘。
“多路复用CRISPR编辑可持续的木材纤维生产”
作者肖:丹尼尔·b·Sulis江,Chenmin杨,芭芭拉·m·马奎斯梅根L。
马修斯扎卡里·米勒,Kai局域网,卡洛斯•Cofre-Vega宝光Liu Runkun太阳,
亨利Sederoff,瑞安·g·Bing,晓燕太阳,Cranos m·威廉姆斯,哈桑·贾米尔,Richard
菲利普斯侯敏Chang, Ilona Peszlen Yung-Yun Huang Wei,罗伯特·m·凯利,
罗纳德·r·Sederoff文森特·l .蒋介石Rodolphe Barrangou,杰克王p
发表:7月14日,2023年科学
DOI:10.1126 / science.add4514
文摘:更可持续的驯化的森林树木纤维bioeconomy一直阻碍了木质素的复杂性和可塑性,一个顽固的生物高聚物在木材化学和酶促降解。在这里,我们表明,multiplex-CRISPR-editing使精确woody-feedstock-design组合木质素成分和木材性能的改善。通过评估所有可能的组合69123 multigenic-editing策略21木质素生物合成基因,我们推导出7独特基因编辑策略针对并发6基因的改变,并生产了174 edited-poplar变体。CRISPR-editing增加木材carbohydrate-to-lignin比率高达228%的野生型,导致更有效的纤维制浆。edited-wood缓解纤维生产的主要瓶颈无论树增长率的变化,并可能带来前所未有的操作效率,bioeconomic机会,和环境效益。
