作者:李惠钰 来源:中国科学报 发布时间:2023/7/16 15:04:25
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基因编辑木材可以使纸张更具可持续性

 

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基因编辑杨树生长在野生型对照旁边,其含有较少的木质素。图片来源:CHENMIN YANG

纸制品似乎是终极的绿色产品。它们可回收、可生物降解、可再生,其主要成分为生长在树上的纤维素纤维。但是,将纤维素从植物中的其他物质中分离出来,比如从坚硬的木质物材料中分离出木质素,会对环境带来沉重代价。造纸厂每年产生数百万吨化学废物,排放的温室气体超过1.5亿吨。

近日,《科学》报道称,研究人员已经找到了一种减轻环境负担的方法。通过使用CRISPR基因编辑工具,他们种植出木质素比平常少得多的工程杨树。他们认为,碾磨这些树木可以减少造纸带来的污染,同时为造纸行业节省数十亿美元。

“这是一项有影响力的工作。”德国吕讷堡大学的化学家Vania Zuin Zeidler在《科学》发表了一篇文章,描述了该结果的重要性,“他们不是在解决现有的问题,而是在努力防止污染。

杨树是种植园中常见的一种快速生长的树木。造纸工人首先把杨树木头切成小片,再加入水和化学物质来分解坚硬的木质素结构,分离出纤维素纤维的湿浆,然后将其压制并干燥成纸。过去,研究人员曾试图培育和改造木质素含量较低的树木,但收效甚微。

部分原因是木质素是由3种前体化合物在一个复杂的过程中编织在一起,这个过程受11个基因家族和数百个遗传和代谢调节元件的控制。过去的研究主要集中在对单个基因和基因家族进行调整,使木质素更容易分解,而不是对调节整体木质素生产的系统进行大规模改变。

但CRISPR基因编辑的便利性,促使一组研究人员进行了尝试。美国北卡罗莱纳州立大学的生物技术专家Jack Wang和Rodolphe Barrangou及其数十位同事,基于数十年的森林生物技术研究建立了一个计算机模型,以预测与木质素生产相关的杨树基因的变化如何影响树木的木材成分、生长速度和其他因素。

在评估了近7万种不同的基因编辑组合后,他们确定99.5%的这些变化是有害的,会导致树木枝条下垂等。但是347种组合的每一种都包含少量的个体基因变化,似乎可以安全地增加纤维素,减少木质素,或两者兼而有之,从而提高树木的造纸潜力。

北卡罗来纳州立大学的研究小组利用CRIPSR对174种最有希望的组合进行基因改变,然后在温室中种植这些转基因树木。6个月后,最有希望的品种的木质素含量降低了49.1%,纤维素-木质素含量增加了228%。研究小组报告说,如果一家典型的造纸厂使用这些品种,就可以增加40%的纸张产量,减少20%的温室气体排放,并使其终身利润增加约10亿美元。Barrangou说:“这将为工业界采用新技术创造动力。”

尽管如此,采用这种方法可能不会很快实现。Barrangou指出,首先,研究人员需要进行实地试验,以确保这种新型树木能够生长成熟,并能承受现实世界的摧残。木质素不仅能帮助树木抵御风暴,还能保护它们免受昆虫的侵害,这对温室里的树木来说就不是问题了。Zeidler注意到,一些经过编辑的枝条并没有长成和普通杨树一样的体积。

转基因树木还需要通过监管机构的审查。然而,Barrangou指出,经过基因改造的杨树不含任何转基因,也不含来自其他生物的基因。CRISPR仅用于消除树木已经携带的基因或减少其表达。

Wang和Barrangou创立了一家名为TreeCo的子公司。他们的目标是尽快开始对CRISPR编辑过的杨树进行田间试验,并努力将类似的基因编辑引入桉树和松树中,这两种树木也被广泛用于造纸。

 
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