北卡罗来纳州立大学（NC State）的研究人员成功应用CRISPR基因编辑技术培育出了木质素含量降低的杨树，而木质素是木纤维可持续生产的一个重要障碍。这项研究成果发表在《科学》（Science）杂志上，为更高效、更环保的纤维生产提供了可能。这些发现有望使从纸张到尿布的纤维生产变得更环保、更便宜、更高效。

在北卡罗来纳州立大学CRISPR先驱Rodolphe Barrangou和树木遗传学家Jack Wang的CFpYay领导下，研究小组利用预测建模设定了降低杨树木质素水平、提高碳水化合物与木质素（C/L）比率以及增加两种重要木质素结构单元（丁香基和愈创木基（S/G））比率的目标。Barrangou和Wang说，这些综合化学特性代表了纤维生产的甜蜜点。

北卡罗来纳州立大学食品、生物加工和营养科学Todd R. Klaenhammer特聘教授、该论文的共同通讯作者Bar196世界之最rangou说："我们正在利用CRISPR技http://www.196nk.cn术建造一个更具可持续性的森林。CRISPR系统提供了编辑单个基因或基因家族以外的更多基因的灵活性，使木材特性得到更大的改善。"

CRISPR修饰的杨树（l）和野生杨树在北卡罗来纳州立大学的温室中生长。资料来源：北卡罗来纳州立大学196世界之最杨振民

研究小组利用机器学习模型预测并筛选了近7万种不同的基因编辑策略，这些策略针对21个与木质素生产相关的重要基因--有些策略一次改变多个基因。这一过程确定了347种策略；其中99%以上的策略至少针对三个基因。

在此基础上，研究人员选出了七种最佳策略，这些策略的建模结果表明，这些策略将使树木达到化学甜点--木质素含量比野生或未经改造的树木低35%；C/L比比野生树木高200%以上；S/G比比野生树木也高200%以上；树木生长速度与野生树木相似。

CRISPR修饰的木材（l）与野生型杨树木材（r）呈现红色

根据这七种策略，研究人员利用CRISPR基因编辑技术培育出了174个杨树品系。在北卡罗来纳州立大学的温室中培育6个月后，对这些杨树的检测结果显示，一些品种的木质素含量降低了50%，而另一些品种的C-L比率则提高了228%。

研究人员说，有趣的是，4至6个基因编辑的树木木质素减少更为显著，尽管3个基因编辑的树木木质素减少高达32%。单基因编辑根本无法大幅降低木质素含量，这表明利用CRISPR技术改变多基因可为纤维生产带来优势。

该研究还包括复杂的纸浆生产厂模型，这些模型表明，降低树木中的木质素含量可提高纸浆产量并减少所谓的黑液（制浆的主要副产品）。这可帮助纸浆厂将可持续纤维的产量提高40%。

如果在工业化生产中减少树木中的木质素并提高C/L和S/G比率，那么纤维生产中发现的效率可使纸浆生产中的温室气体排放量最多减少20%。

林木是地球上最大的生物碳汇，对遏制气候变化至关重要。它们是我们生态系统和生物经济的支柱。在北卡罗来纳州，林业对当地经济的贡献超过350亿美元，并提供了约14万个工作岗位。

北卡罗来纳州立大学助理教授兼森林生物技术组主任、该论文的共同通讯作者Wang说："当我们的自然资源日益受到气候变化的挑战并需要利用更少的土地生产更可持续的生物材料时，多重基因组编辑为提高森林的恢复力、生产力和利用率提供了一个绝佳的机会。"

接下来的步骤包括继续进行温室测试，以观察基因编辑树木与野生树木相比的表现。随后，研究小组希望通过田间试验来衡量基因编辑树木是否能够承受受控温室环境之外的室外生活所带来的压力。迈向可持续发展的未来。

研究人员强调了多学科合作的重要性，这项研究涵盖了北卡罗来纳州立大学的三个学院、多个系、北卡罗来纳州植物科学计划、北卡罗来纳州立大学分子教育、技术和研究创新中心（METRIC）以及合作大学。

"结合遗传学、计算生物学、CRISPR工具和生物经济学的树木育种跨学科方法极大地扩展了我们对树木生长、发育和森林应用的认识，"论文第一作者、北卡罗来纳州立大学博士后学者Daniel Sulis说。"这种强大的方法改变了我们的能力，使我们能够揭开树木遗传学的复杂性，并推导出综合解决方案，从而改善生态和经济上重要的木材性状，同时减少纤维生产的碳足迹。"

在北卡罗来纳州立大学植物科学和林业领域长期创新传统的基础上，Barrangou和Wang创建了一家名为TreeCo的创业公司，以推动CRISPR技术在林木中的应用。这项由北卡罗来纳州立大学教师领导的合作努力旨在将树木遗传www.196nk.cn学的洞察力与基因组编辑的力量相结合，培育出更健康、更可持续的未来。