Создание улучшенных лесных деревьев с помощью CRISPR

Исследователи из Университета штата Северная Каролина использовали систему редактирования генов CRISPR для выведения тополей с пониженным содержанием лигнина — основного барьера для устойчивого производства древесных волокон — одновременно улучшив свойства их древесины. Результаты, опубликованные в журнале Science, открывают перспективы для более экологичного, дешёвого и эффективного производства волокон для всего — от бумаги до подгузников.

Под руководством пионера CRISPR Родольфа Баррангу и генетика деревьев Джека Вана исследователи использовали прогностическое моделирование, чтобы задать цели: снижение уровня лигнина, увеличение соотношения углеводов к лигнину (C/L) и увеличение соотношения двух важных структурных блоков лигнина — сирингила к гваяцилу (S/G) — у тополей. Эти комбинированные химические характеристики представляют собой оптимальную точку для производства волокон.

Модель машинного обучения проанализировала почти 70 000 различных стратегий редактирования генов, нацеленных на 21 важный ген, связанный с производством лигнина, и отобрала 347 стратегий; более 99% из них нацелены как минимум на три гена.

Затем исследователи выбрали семь лучших стратегий, которые, согласно моделированию, должны были привести деревья к химическому оптимуму: на 35% меньше лигнина, чем у диких (немодифицированных) деревьев; соотношения C/L и S/G более чем на 200% выше; и скорость роста, сопоставимая с дикими деревьями.

Используя CRISPR, учёные создали 174 линии тополей на основе этих стратегий. Через шесть месяцев в теплице у некоторых разновидностей было обнаружено снижение содержания лигнина до 50%, а у других — увеличение соотношения C/L на 228%.

Интересно, что более значительное снижение лигнина наблюдалось у деревьев с четырьмя-шестью редактированиями генов, в то время как деревья с тремя редактированиями показали снижение лигнина до 32%. Редактирование одного гена практически не снижало содержание лигнина, что показывает преимущество мультиплексного редактирования CRISPR для производства волокон.

Модели целлюлозно-бумажного производства, включённые в исследование, показывают, что снижение содержания лигнина в деревьях может увеличить выход целлюзной массы и уменьшить объём так называемого чёрного щёлока — основного побочного продукта варки целлюлозы, — что может помочь предприятиям производить до 40% больше устойчивых волокон.

Эффективность производства волокон может сократить выбросы парниковых газов, связанные с производством целлюлозы, до 20%, если снижение лигнина и увеличение соотношений C/L и S/G будут достигнуты в деревьях в промышленных масштабах.

"Мультиплексное редактирование генома предоставляет замечательную возможность улучшить устойчивость, продуктивность и полезность лесов в то время, когда наши природные ресурсы всё больше подвергаются испытаниям из-за изменения климата и необходимости производить более устойчивые биоматериалы, используя меньше земли", — сказал Джек Ван.

Следующие шаги включают продолжение испытаний в теплице для сравнения с дикими деревьями, а затем полевые испытания для оценки устойчивости отредактированных деревьев к внешним стрессам.

Исследователи подчеркнули важность междисциплинарного сотрудничества, охватившего три колледжа, множество отделов, Инициативу по растениеводству, Центр METRIC и партнёрские университеты.

"Междисциплинарный подход к селекции деревьев, сочетающий генетику, вычислительную биологию, инструменты CRISPR и биоэкономику, значительно расширил наши знания о росте деревьев, развитии и лесном хозяйстве", — сказал первый автор статьи Даниэль Сулис.

Баррангу и Ван создали стартап TreeCo для продвижения использования технологий CRISPR в лесных деревьях, чтобы объединить генетические знания с мощью редактирования генома для выведения более здорового и устойчивого будущего.