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基因编辑木材使造纸更可持续

科技日报记者 张佳欣

美国北卡罗来纳州立大学研究人员使用CRISPR基因编辑系统培育了木质素水平较低的基因杨树,同时改善了木材性能。编辑木质素是木材木材纤维可持续生产的主要障碍。发表在14日《科学》杂志上的使造这一发现,或将使从纸张到尿布等各种产品的纸更纤维生产更环保、更便宜、可持更高效。基因


经过基因编辑的编辑杨树与野生型对照组相比,木质素含量更低,木材而木质素是使造造纸工业中的制浆副产品,虽然无毒,但它是制浆造纸厂的主要的污染物。
图片来源:《科学》网站

研究人员使用预测建模设定了目标,纸更以降低杨树中的可持木质素水平,增加碳水化合物与木质素的基因比率(C/L),并增加杨树中两个重要的编辑木质素构成单元——丁香基与愈创木基的比率(S/G)。研究人员表示,木材这些综合化学特征代表了纤维生产的最佳点。

机器学习模型对近7万种不同的基因编辑策略进行了预测和分类,这些策略针对的是21个与木质素生产相关的重要基因。最终,模型得出了347种策略,其中99%以上的策略针对至少3个基因,即一次编辑改变至少3个基因。

在此基础上,研究人员选择了模型建议的7种最佳策略,这些策略将导致树木达到化学最佳点——木质素比野生或未经改造的树木少35%;C/L比野生树高出200%以上;S/G比野生树高出200%以上;以及树木的生长速度与野生树相似。

通过这7种策略,研究人员利用CRISPR基因编辑培育出了174个杨树品系。在温室中种植6个月后,一些品种的木质素含量降低了高达50%,而另一些品种的C/L比率增加了228%。

有趣的是,经过4—6个基因编辑的树木质素减少得更明显。单基因编辑未能显著降低木质素含量,这表明利用CRISPR进行多基因改造可以在纤维生产中发挥优势。

这些模型还表明,减少树木中的木质素含量可提高纸浆产量,减少所谓的黑液,这是制浆的主要副产品,还可帮助工厂生产高达40%的可持续纤维。如果在工业规模的树木中减少木质素并提高C/L和S/G比,纤维生产的效率可减少高达20%与纸浆生产相关的温室气体。

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