【Science】重要突破！AI帮助杨树实现多基因编辑，降低木质素含量，促进可持续性

2023年7月14日，Science杂志在线发表了北卡罗来纳州立大学Rodolphe Barrangou和Jack Wang课题组合作题为“Multiplex CRISPR editing of wood for sustainable fiber production” 的研究论文。该研究使用CRISPR基因编辑系统培育出木质素含量降低的杨树，木质素是木纤维可持续生产的主要障碍，同时可改善了它们的木材性能。该研究结果有望使从纸张到尿布的所有纤维生产更环保、更便宜、更高效。

此外，Science杂志同期还对该文章发表了题为“Genetic editing of wood for sustainability”的评论文章，表明木质素含量较低的树木可以使纸张生产减少污染。

木质纤维素作为地球上最丰富的可再生资源， 具有制备生物能源和生物材料的巨大潜力。占木材成分50-60%的纤维素是由2000-3000个葡萄糖分子以糖式键结合成的纤维状物，因此，通过木材的水解可制取纤维素、半纤维素、中性糖、乙醇或其他工业原料，称为“木材糖化”。然而，酶水解体系中木质素是木质纤维原料酶水解糖化的主要抑制因素，其表现为: 一是木质素在空间结构上阻碍纤维素酶与纤维素相接触，二是木质素与纤维素酶发生相互作用并导致无效吸附。

图.木质纤维素（来源于网络）

木质素主要有三种单体H、G和S组成，调控这三种单体的比例可以得到性质差异很大的木质素，从而可应用于不同的工业实践。因此，通过工程化方式减少木质素的含量是提高生物质加工性的一种有前途的策略。然而，开发低木质素的优良品种需要克服以下困难：第一，稳定地减少木质素的量，因为目前主要是RNA干扰方法，下调不稳定。第二，不影响植物发育和生物量产量的情况下减少木质素的含量。例如，肉桂酸酯-CoA还原酶（CCR）的敲除会导致植物生物量急剧下降。

该研究利用机器学习模型预测并整理了近70000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，得出347种策略，但超过99%的策略针对至少三个基因。之后研究人员选择了七种最佳策略，建模表明这些策略将导致树木达到木质素比野生或未编辑的树木少35%，C/L（碳水化合物与木质素）比率比野生树木高200%以上，S/G比率也比野生树木高200%以上，但是树木生长速度与野生树木相似。

该研究从这七种策略中，使用CRISPR基因编辑产生了174个编辑杨树系。在温室中放置六个月后，对这些树木的检查显示，某些品种的木质素含量降低了50%，而其他品种的C-L比率增加了228%。有趣的是，在具有四到六个基因编辑的树木中显示出更显着的木质素减少，尽管具有三个基因编辑的树木已经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进行多基因改变可以在纤维生产中带来优势。

图. CRISPR编辑的木材

此外,该研究还构建复杂的纸浆生产模型，这些模型表明，减少树木中的木质素含量可以提高纸浆产量并减少污染排放，这可以帮助工厂生产高达40%的可持续纤维。最后，在工业规模上减少木质素并提高树木的C/L和S/G比率，纤维生产中生产相关的温室气体将减少多达20%。

综上所述，该研究结合遗传学，计算生物学，CRISPR工具和生物经济学的跨学科树木育种方法深刻地改变了我们解开树木遗传学复杂性的能力，并推导出综合解决方案，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排放。

论文链接：https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/science.adf8822

转自：“iPlants”微信公众号

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