Исследователи из Университета штата Северная Каролина использовали систему редактирования генов CRISPR для создания тополей с пониженным уровнем лигнина, который является основным препятствием для устойчивого производства древесных волокон, при одновременном улучшении их свойств древесины. Открытие позволит производить волокно для всего, от бумаги до подгузников, экологичнее и дешевле.
Под руководством эксперта по генетическому редактированию CRISPR в штате Северная Каролина Родольфа Баррангоу и генетика деревьев Джека Вана команда 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 к гваяцилу (S/G) - в деревьях тополя. Эти комбинированные химические характеристики представляют собой золотую середину для производства волокна, сообщили ученые.
Модель машинного обучения предсказала, 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 оптимальных параметров - на 35% меньше лигнина, чем у диких тополей, и с соотношениями C/L и S/G более чем на 200% выше, чем у диких деревьев.
Из этих семи стратегий ученые выбрали редактирование генов CRISPR для создания 174 линий тополей. После шести месяцев выращивания в университетской теплице обследование этих деревьев показало снижение содержания лигнина до 50% у некоторых разновидностей, а также увеличение коэффициента CL на 228% у других.
Исследование также включало оценку бизнеса целлюлозных заводов, которые в случае отредактированных тополей с уменьшенным содержанием лигнина выиграли бы за счет большего выхода целлюлозы и сокращение количества так называемого черного щелока, основного побочного продукта варки целлюлозы. Комбинаты смогли бы производить на 40% более экологичных волокон.
Выбросы парниковых газов, связанных с производством целлюлозы, сократились бы на 20%, если в тополях 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 прекрасную возможность улучшить устойчивость лесов, продуктивность и использование в то время, когда наши природные ресурсы все чаще подвергаются опасности из-за изменения климата и необходимости производить больше на том же участке», - сказал Ван.
Следующие шаги включают продолжение испытаний в теплицах, затем полевые опыты, где ученые проверят, смогут ли деревья с отредактированными генами справляться со стрессами в открытый среде за пределами тепличных условий.
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 исследований штата Северная Каролина (METRIC) и университеты-партнеры. Баррангоу и Ван создали стартап под названием TreeCo для продвижения использования технологий CRISPR для деревьев в лесном хозяйстве.
(Источник: North Carolina State University. На заглавном фото вы видите, что CRISPR-модифицированная древесина имеет красную окраску (слева) по сравнению с древесиной тополя дикого типа (справа). Автор фото: Ченминь Ян, Университет штата Северная Каролина).
Интересна тема? Подпишитесь на наши новости в ДЗЕН | Канал в Telegram | Группа Вконтакте | Дзен.новости.