木质素是造纸和制浆过程中的副产物，每年产生约5000万吨。这个行业的温室气体排放相当于二氧化碳1.9亿吨，而且预计这个数字在未来几十年还会增加。此外，为了生产约8.2亿吨的化学产品，使用了大约17亿吨的原料和试剂，并产生了同样数量的化学废物。
通过减少木材中木质素的含量，可以使造纸过程变得更环保。然而，目前还没有经济可行的方法去除木质素。因为大多数商业上有价值的木材都具有遗传复杂性，这使得确定与复杂表型相关的基因变得困难。
2023年7月13日，北卡罗来纳州立大学和北卡罗来纳州TreeCo合作，使用CRISPR基因编辑技术，针对杨树的木质素生物合成基因进行编辑，成功地降低了木质素含量。相关论文以Multiplex CRISPR editing of wood for sustainable fiber production为题，发表在Science期刊上。论文共同通讯作者是TreeCo的Rodolphe Barrangou和北卡罗莱纳州立大学 Jack P. Wang博士。
同期Vânia G. Zuin Zeidler 在Science发表了题目为“Genetic editing ofwood for sustainability”的评论，评论指出：经过基因工程使木材中的木质素含量降低，可以减少造纸过程的污染。
多重CRISPR编辑策略用于改善木材特性
研究人员使用计算模型预测了杨树中木质素合成的基因，然后设计了相应的CRISPR构建并进行了编辑。通过评估对21个木质素生物合成基因的69,123种多基因编辑策略的所有可能组合，研究人员确定了七种不同的基因组编辑策略，同时针对最多六个基因的同时改变，并产生了174个经过编辑的杨树变种。
图1 鉴定多重CRISPR编辑策略以改善木材纤维特性
利用CRISPR在杨树中产生遗传多样性
在杨树中进行多重编辑木质素基因的实验，根据木质素模型的预测，显著改变了木材的化学和物理特性。编辑后的杨树木质素含量降低了高达49.1%，而碳水化合物与木质素的比例增加了228%。
图2 野生型（E）和CRISPR编辑的H-19-3树（F）的茎横截面
图3 CRISPR编辑和野生型P. trichocarpa的表型变异
然而，一些木质素含量显著降低的编辑株系也会导致树木生长减缓，因此需要进一步研究来确定这种改变对造纸工业的影响。此外，还需要评估编辑树木在实际种植中的木材密度和性能。此研究的方法可以应用于其他木材品种，以扩大其应用范围。
解除纤维生产瓶颈预计将带来的工业利益
文章还讨论了利用CRISPR编辑木材对制浆过程的技术经济影响。研究人员建立了一个模型来评估CRISPR编辑木材对制浆的影响，并发现产量和生产效率增加，从而减少了对制浆化学品的需求。此外，他们估计使用编辑木材进行纸浆生产可以减少高达20%的全球变暖潜力。这些改变将有助于实现更可持续的纤维生产系统，符合联合国可持续发展目标。
图4 CRISPR编辑木材在工业硫酸盐制浆过程中的技术经济分析和全球变暖潜力
然而，在欧洲联盟，研究人员所创造的工程树被认为是转基因生物，必须遵守2001/18/EC指令。这意味着欧洲法规将限制甚至禁止基因编辑树木的市场引入。然而，一些人认为，没有理由将基因编辑树木与传统育种或诱变得到的树木区别对待，并且应该根据每种产品的特定风险和益处制定生物安全规定，以应对当前与环境影响相关的挑战。
【总结】
该研究展示了多重CRISPR编辑技术如何实现对木质原料的精确设计，以组合改善木质素组成和木材性质。编辑后的木材在不考虑树木生长速度变化的情况下解决了纤维生产的主要瓶颈，并可能带来前所未有的操作效率、生物经济机会和环境效益。然而，一些多重基因组编辑策略可以克服典型的单基因敲除策略固有的某些缺点，这些缺点常常会对树木特征和木材性质的组合产生不良的表型效应。未来，有必要通过长期的田间试验来监测基因组编辑结果对树木表型特性和与工业相关的性状的影响。
参考文献：
1.https://www.science.org/doi/10.1126/science.add4514
2.https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi8186
转自：“高分子科学前沿”微信公众号
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