استفاده از سیستم ویرایش ژن CRISPR برای ساختن جنگلی پایدارتر

محققان دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی از سیستم ویرایش ژن CRISPR برای پرورش درختان صنوبر با سطوح کاهش یافته لیگنین، که مانع اصلی تولید پایدار الیاف چوب است، استفاده کردند و در عین حال خواص چوب آنها را بهبود بخشیدند. یافته ها – در مجله منتشر شده است علوم پایه – قول بدهید که تولید الیاف برای همه چیز، از کاغذ گرفته تا پوشک، سبزتر، ارزان تر و کارآمدتر شود.

تیمی از محققان به رهبری رودولف بارانگو، پیشگام CRISPR ایالت NC و جک وانگ، ژنتیک درخت، از مدل سازی پیش بینی برای تعیین اهداف کاهش سطح لیگنین، افزایش نسبت کربوهیدرات به لیگنین (C/L) و افزایش نسبت دو ساختمان مهم لیگنین استفاده کردند. بلوک – سیرنگیل به گوایاسیل (S/G) – در درختان صنوبر. Barrangou و Wang می گویند که این ویژگی های شیمیایی ترکیبی نشان دهنده یک نقطه شیرین تولید الیاف است.

ما از CRISPR برای ساختن جنگلی پایدارتر استفاده می کنیم. سیستم‌های CRISPR انعطاف‌پذیری را برای ویرایش بیشتر از ژن‌های منفرد یا خانواده‌های ژنی فراهم می‌کنند و امکان بهبود بیشتر خواص چوب را فراهم می‌کنند.”

Rodolphe Barrangou، تاد R. Klaenhammer استاد برجسته غذا، پردازش زیستی و علوم تغذیه در ایالت NC و نویسنده همکار مقاله

مدل یادگیری ماشینی تقریباً 70000 استراتژی مختلف ویرایش ژن را با هدف قرار دادن 21 ژن مهم مرتبط با تولید لیگنین پیش بینی و سپس مرتب کرد تا به 347 استراتژی برسد. بیش از 99 درصد از این استراتژی ها حداقل سه ژن را مورد هدف قرار دادند.

از آنجا، محققان هفت بهترین استراتژی را انتخاب کردند که مدل‌سازی پیشنهاد کرد که منجر به درختانی شود که به نقطه شیرین شیمیایی می‌رسند – 35٪ لیگنین کمتر از درختان وحشی یا اصلاح نشده. نسبت C/L که بیش از 200% بیشتر از درختان وحشی بود. نسبت S/G که بیش از 200% بیشتر از درختان وحشی بود. و نرخ رشد درخت که مشابه درختان وحشی بود.

از این هفت استراتژی، محققان از ویرایش ژن CRISPR برای تولید 174 خط درخت صنوبر استفاده کردند. پس از شش ماه در گلخانه ایالت NC، بررسی آن درختان کاهش محتوای لیگنین را تا 50 درصد در برخی از واریته‌ها و همچنین افزایش 228 درصدی در نسبت CL در برخی دیگر نشان داد.

جالب توجه است که محققان می گویند، کاهش قابل توجه لیگنین در درختانی با چهار تا شش ویرایش ژن نشان داده شد، اگرچه درختانی با سه ویرایش ژنی کاهش لیگنین را تا 32 درصد نشان دادند. ویرایش‌های تک ژنی به هیچ وجه نتوانست محتوای لیگنین را کاهش دهد و نشان داد که استفاده از CRISPR برای ایجاد تغییرات چند ژنی می‌تواند مزایایی را در تولید فیبر ایجاد کند.

این مطالعه همچنین شامل مدل‌های پیچیده آسیاب تولید خمیر می‌شود که نشان می‌دهد کاهش محتوای لیگنین در درختان می‌تواند باعث افزایش تولید خمیر و کاهش به اصطلاح مشروب سیاه، محصول جانبی اصلی خمیرسازی شود، که می‌تواند به کارخانه‌ها کمک کند تا 40 درصد الیاف پایدارتر تولید کنند.

در نهایت، بازده یافت شده در تولید الیاف می تواند گازهای گلخانه ای مرتبط با تولید خمیر را تا 20 درصد کاهش دهد، اگر لیگنین کاهش یابد و نسبت C/L و S/G در درختان در مقیاس صنعتی افزایش یابد.

درختان جنگلی بزرگ‌ترین مخزن کربن بیوژنیک روی زمین را نشان می‌دهند و در تلاش‌ها برای مهار تغییرات آب و هوایی بسیار مهم هستند. آنها ستون های اکوسیستم و اقتصاد زیستی ما هستند. در کارولینای شمالی، جنگلداری بیش از 35 میلیارد دلار به اقتصاد محلی کمک می کند و تقریباً 140000 شغل را پشتیبانی می کند.

وانگ، استادیار و مدیر، می‌گوید: «ویرایش ژنوم مولتیپلکس فرصت قابل‌توجهی برای بهبود انعطاف‌پذیری، بهره‌وری و بهره‌برداری جنگل فراهم می‌کند، در زمانی که منابع طبیعی ما به طور فزاینده‌ای به دلیل تغییرات آب و هوایی و نیاز به تولید مواد زیستی پایدارتر با استفاده از زمین کمتر به چالش کشیده می‌شوند.» از گروه بیوتکنولوژی جنگل در ایالت NC و نویسنده همکار مقاله.

مراحل بعدی شامل ادامه آزمایش‌های گلخانه‌ای برای مشاهده عملکرد درختان اصلاح‌شده ژنی در مقایسه با درختان وحشی است. بعداً، این تیم امیدوار است که از آزمایش‌های مزرعه‌ای برای سنجش اینکه آیا درختان ویرایش‌شده ژنی می‌توانند استرس‌های ناشی از زندگی در فضای باز، خارج از محیط کنترل‌شده گلخانه را کنترل کنند یا خیر، استفاده کنند.

محققان بر اهمیت همکاری چند رشته‌ای که این مطالعه را قادر می‌سازد، شامل سه کالج ایالتی NC، بخش‌های متعدد، ابتکار علوم گیاهی NC، مرکز نوآوری آموزش مولکولی، فناوری و تحقیق در ایالت NC (METRIC) و دانشگاه‌های شریک تاکید کردند.

دانیل سولیس، محقق فوق‌دکتری در ایالت NC و اولین دانشگاه می‌گوید: «رویکرد بین‌رشته‌ای به اصلاح درخت که ترکیبی از ژنتیک، زیست‌شناسی محاسباتی، ابزارهای CRISPR و اقتصاد زیستی است، دانش ما را در مورد رشد، توسعه و کاربردهای جنگلی گسترش داده است. نویسنده مقاله “این رویکرد قدرتمند توانایی ما را برای کشف پیچیدگی ژنتیک درختان و استنباط راه حل های یکپارچه ای تغییر داده است که می تواند ویژگی های مهم چوب را از نظر اکولوژیکی و اقتصادی بهبود بخشد و در عین حال ردپای کربن تولید الیاف را کاهش دهد.”

بارانگو و وانگ با تکیه بر میراث دیرینه نوآوری‌ها در زمینه‌های علوم گیاهی و جنگل‌داری در ایالت NC، یک شرکت نوپا به نام TreeCo ایجاد کردند تا استفاده از فناوری‌های CRISPR را در درختان جنگلی پیش ببرند. این تلاش مشترک به رهبری اعضای هیئت علمی ایالت NC با هدف ترکیب بینش های ژنتیکی درخت با قدرت ویرایش ژنوم برای ایجاد آینده ای سالم تر و پایدارتر است.

محققان از چندین بخش ایالتی NC به همراه محققان دانشگاه ایلینویز در Urbana-Champaign، دانشگاه Beihua و دانشگاه جنگلداری شمال شرقی این مقاله را تالیف کردند. بودجه توسط مؤسسه ملی غذا و کشاورزی وزارت کشاورزی ایالات متحده – کمک هزینه ابتکار تحقیقات کشاورزی و غذا 2018-67021-27716 ارائه شد. کمک مالی برنامه انتقال فناوری کسب و کارهای کوچک بنیاد ملی علوم 2044721; خدمات تحقیقات دولتی تعاونی وزارت کشاورزی ایالات متحده کمک مالی NCZ04214; کمک هزینه بلوک محصول تخصصی کارولینای شمالی 19-019-4018، 19-092-4012، و 20-070-4013؛ کمک مالی صندوق نوآوری رئیس دانشگاه ایالتی NC 190549MA. و جایزه مبتکر اولیه شغلی شب بخیر دانشگاه ایالتی NC.