Investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte utilizaron un sistema de edición de genes CRISPR para reproducir álamos con niveles reducidos de lignina, la principal barrera para la producción sostenible de fibras de madera, al tiempo que mejoraban sus propiedades de la madera. Los hallazgos, publicados en la revista Science, prometen hacer que la producción de fibra para todo, desde papel hasta pañales, sea más ecológica, económica y eficiente.

Dirigido por el pionero de CRISPR del estado de Carolina del Norte, Rodolphe Barrangou, y el genetista de árboles Jack Wang, un equipo de investigadores utilizó modelos predictivos para establecer objetivos de reducción de los niveles de lignina, aumento de la proporción de carbohidratos a lignina (C/L) y aumento de la proporción de dos importantes generadores de lignina. bloques — siringilo a guayacilo (S/G) — en álamos. Estas características químicas combinadas representan un punto óptimo para la producción de fibra, dicen Barrangou y Wang.

« Estamos utilizando CRISPR para construir un bosque más sostenible », dijo Barrangou, Profesor Distinguido Todd R. Klaenhammer de Ciencias de la Alimentación, Bioprocesamiento y Nutrición en NC State y coautor del artículo. « Los sistemas CRISPR brindan la flexibilidad de editar más que solo genes individuales o familias de genes, lo que permite una mayor mejora de las propiedades de la madera ».

El modelo de aprendizaje automático predijo y luego clasificó casi 70,000 estrategias diferentes de edición de genes dirigidas a 21 genes importantes asociados con la producción de lignina, algunos cambiando múltiples genes a la vez, para llegar a 347 estrategias; más del 99% de esas estrategias se dirigieron a al menos tres genes.

A partir de ahí, los investigadores seleccionaron las siete mejores estrategias que sugirieron los modelos que conducirían a árboles que alcanzarían el punto óptimo químico: 35% menos de lignina que los árboles silvestres o no modificados; Proporciones C/L que fueron más de un 200 % más altas que las de los árboles silvestres; Proporciones S/G que también fueron más de un 200 % más altas que las de los árboles silvestres; y tasas de crecimiento de los árboles que eran similares a las de los árboles silvestres.

A partir de estas siete estrategias, los investigadores utilizaron la edición de genes CRISPR para producir 174 líneas de álamos. Después de seis meses en un invernadero de NC State, un examen de esos árboles mostró una reducción del contenido de lignina de hasta un 50 % en algunas variedades, así como un aumento del 228 % en la proporción de CL en otras.

Curiosamente, dicen los investigadores, se mostraron reducciones de lignina más significativas en árboles con cuatro a seis ediciones de genes, aunque los árboles con tres ediciones de genes mostraron una reducción de lignina de hasta un 32%. Las ediciones de un solo gen no lograron reducir mucho el contenido de lignina, lo que demuestra que el uso de CRISPR para realizar cambios multigénicos podría conferir ventajas en la producción de fibra.

El estudio también incluyó modelos sofisticados de plantas de producción de pulpa que sugieren que la reducción del contenido de lignina en los árboles podría aumentar el rendimiento de la pulpa y reducir el llamado licor negro, el principal subproducto de la fabricación de pulpa, lo que podría ayudar a las plantas a producir hasta un 40 % más de fibras sostenibles.

Finalmente, las eficiencias encontradas en la producción de fibra podrían reducir los gases de efecto invernadero asociados con la producción de pulpa hasta en un 20 % si se logra reducir la lignina y aumentar las relaciones C/L y S/G en los árboles a escala industrial.

Los árboles forestales representan el sumidero de carbono biogénico más grande de la tierra y son fundamentales en los esfuerzos para frenar el cambio climático. Son pilares de nuestros ecosistemas y de la bioeconomía. En Carolina del Norte, la silvicultura contribuye con más de $35 mil millones a la economía local y respalda aproximadamente 140 000 puestos de trabajo.

« La edición múltiple del genoma ofrece una oportunidad extraordinaria para mejorar la resiliencia, la productividad y la utilización de los bosques en un momento en que nuestros recursos naturales se ven cada vez más amenazados por el cambio climático y la necesidad de producir biomateriales más sostenibles usando menos tierra », dijo Wang, profesor asistente y director. del Grupo de Biotecnología Forestal de NC State y coautor del artículo.

Los próximos pasos incluyen pruebas continuas de invernadero para ver cómo se comportan los árboles editados genéticamente en comparación con los árboles silvestres. Más tarde, el equipo espera usar pruebas de campo para evaluar si los árboles editados genéticamente pueden manejar el estrés que genera la vida al aire libre, fuera del ambiente controlado del invernadero.

Los investigadores destacaron la importancia de la colaboración multidisciplinaria que permitió este estudio, que abarca tres universidades de NC State, múltiples departamentos, la Iniciativa de Ciencias de Plantas de NC, el Centro de Innovación en Investigación, Tecnología y Educación Molecular (METRIC) de NC State y universidades asociadas.

« Un enfoque interdisciplinario para el mejoramiento de árboles que combina la genética, la biología computacional, las herramientas CRISPR y la bioeconomía ha ampliado profundamente nuestro conocimiento sobre el crecimiento y el desarrollo de los árboles y las aplicaciones forestales », dijo Daniel Sulis, becario postdoctoral en NC State y el primer autor del artículo. « Este poderoso enfoque ha transformado nuestra capacidad para desentrañar la complejidad de la genética de los árboles y deducir soluciones integradas que podrían mejorar los rasgos de la madera importantes desde el punto de vista ecológico y económico al tiempo que reducen la huella de carbono de la producción de fibra ».

Sobre la base del legado de larga data de innovaciones en los campos de las ciencias de las plantas y la silvicultura en NC State, Barrangou y Wang crearon una nueva empresa llamada TreeCo para avanzar en el uso de tecnologías CRISPR en árboles forestales. Este esfuerzo de colaboración dirigido por miembros de la facultad de NC State tiene como objetivo combinar conocimientos genéticos de árboles con el poder de la edición del genoma para generar un futuro más saludable y sostenible.

Investigadores de varios departamentos estatales de Carolina del Norte fueron coautores del artículo, junto con investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, la Universidad de Beihua y la Universidad Forestal del Noreste. El financiamiento fue proporcionado por el Instituto Nacional de Alimentos y Agricultura del Departamento de Agricultura de EE. UU. – Subvención de la Iniciativa de Investigación de Agricultura y Alimentos 2018-67021-27716; la subvención 2044721 del Programa de Transferencia de Tecnología para Pequeñas Empresas de la Fundación Nacional de Ciencias; Subvención NCZ04214 del Servicio de Investigación Cooperativa del Estado del Departamento de Agricultura de EE. UU.; Subvenciones en bloque para cultivos especiales de Carolina del Norte 19-019-4018, 19-092-4012 y 20-070-4013; una subvención del Fondo de Innovación del Canciller de la Universidad Estatal de Carolina del Norte 190549MA; y un premio Goodnight Early Career Innovator de la Universidad Estatal de Carolina del Norte.