I ricercatori della North Carolina State University hanno utilizzato un sistema di modifica genetica CRISPR per allevare alberi di pioppo con livelli ridotti di lignina, il principale ostacolo alla produzione sostenibile di fibre di legno, migliorandone al contempo le proprietà del legno. I risultati – pubblicati sulla rivista Scienza — mantenere la promessa di rendere la produzione di fibre per qualsiasi cosa, dalla carta ai pannolini, più ecologica, più economica e più efficiente.
Guidato dal pioniere del CRISPR dello Stato NC Rodolphe Barrangou e dal genetista degli alberi Jack Wang, un team di ricercatori ha utilizzato la modellazione predittiva per stabilire obiettivi di riduzione dei livelli di lignina, aumento del rapporto tra carboidrati e lignina (C/L) e aumento del rapporto tra due importanti edifici di lignina blocchi – da siringile a guaiacile (S/G) – negli alberi di pioppo. Queste caratteristiche chimiche combinate rappresentano un punto debole per la produzione di fibre, affermano Barrangou e Wang.
“Stiamo usando CRISPR per costruire una foresta più sostenibile”, ha detto Barrangou, Todd R. Klaenhammer Distinguished Professor of Food, Bioprocessing and Nutrition Sciences presso NC State e co-autore corrispondente dell’articolo. “I sistemi CRISPR offrono la flessibilità di modificare più di singoli geni o famiglie di geni, consentendo un maggiore miglioramento delle proprietà del legno”.
Il modello di apprendimento automatico ha predetto e poi selezionato quasi 70.000 diverse strategie di modifica genetica mirate a 21 geni importanti associati alla produzione di lignina, alcuni dei quali modificano più geni alla volta, per arrivare a 347 strategie; oltre il 99% di queste strategie mirava ad almeno tre geni.
Da lì, i ricercatori hanno selezionato le sette migliori strategie che la modellazione suggeriva avrebbe portato ad alberi che avrebbero raggiunto il punto debole chimico: il 35% in meno di lignina rispetto agli alberi selvatici o non modificati; Rapporti C/L superiori di oltre il 200% rispetto agli alberi selvatici; Rapporti S/G che erano anche superiori di oltre il 200% rispetto agli alberi selvatici; e tassi di crescita degli alberi simili agli alberi selvatici.
Da queste sette strategie, i ricercatori hanno utilizzato l’editing genetico CRISPR per produrre 174 linee di alberi di pioppo. Dopo sei mesi in una serra dello Stato NC, un esame di quegli alberi ha mostrato un contenuto di lignina ridotto fino al 50% in alcune varietà, nonché un aumento del 228% del rapporto CL in altre.
È interessante notare che, affermano i ricercatori, riduzioni di lignina più significative sono state mostrate negli alberi con da quattro a sei modifiche genetiche, sebbene gli alberi con tre modifiche genetiche abbiano mostrato una riduzione della lignina fino al 32%. Le modifiche di un singolo gene non sono riuscite a ridurre del tutto il contenuto di lignina, dimostrando che l’uso di CRISPR per apportare modifiche multigeniche potrebbe conferire vantaggi nella produzione di fibre.
Lo studio ha incluso anche sofisticati modelli di produzione di cellulosa che suggeriscono che un ridotto contenuto di lignina negli alberi potrebbe aumentare la resa della polpa e ridurre il cosiddetto liquore nero, il principale sottoprodotto della polpa, che potrebbe aiutare le cartiere a produrre fino al 40% in più di fibre sostenibili.
Infine, le efficienze riscontrate nella produzione di fibre potrebbero ridurre i gas serra associati alla produzione di polpa fino al 20% se si ottengono una riduzione della lignina e un aumento dei rapporti C/L e S/G negli alberi su scala industriale.
Gli alberi forestali rappresentano il più grande serbatoio di carbonio biogenico sulla terra e sono fondamentali negli sforzi per frenare il cambiamento climatico. Sono pilastri dei nostri ecosistemi e della bioeconomia. Nella Carolina del Nord, la silvicoltura contribuisce con oltre 35 miliardi di dollari all’economia locale e sostiene circa 140.000 posti di lavoro.
“L’editing del genoma multiplex offre una straordinaria opportunità per migliorare la resilienza, la produttività e l’utilizzo delle foreste in un momento in cui le nostre risorse naturali sono sempre più messe alla prova dai cambiamenti climatici e dalla necessità di produrre biomateriali più sostenibili utilizzando meno terra”, ha affermato Wang, assistente professore e direttore del Forest Biotechnology Group presso NC State e co-autore corrispondente dell’articolo.
I prossimi passi includono continui test in serra per vedere come si comportano gli alberi geneticamente modificati rispetto agli alberi selvatici. Successivamente, il team spera di utilizzare prove sul campo per valutare se gli alberi geneticamente modificati possono gestire gli stress forniti dalla vita all’aperto, al di fuori dell’ambiente controllato della serra.
I ricercatori hanno sottolineato l’importanza della collaborazione multidisciplinare che ha consentito questo studio, che comprende tre college statali NC, più dipartimenti, la NC Plant Sciences Initiative, il Molecular Education, Technology and Research Innovation Center (METRIC) e università partner.
“Un approccio interdisciplinare al miglioramento genetico degli alberi che combina genetica, biologia computazionale, strumenti CRISPR e bioeconomia ha ampliato profondamente la nostra conoscenza della crescita degli alberi, dello sviluppo e delle applicazioni forestali”, ha affermato Daniel Sulis, uno studioso post-dottorato presso NC State e il primo autore della carta. “Questo potente approccio ha trasformato la nostra capacità di svelare la complessità della genetica degli alberi e dedurre soluzioni integrate che potrebbero migliorare le caratteristiche del legno importanti dal punto di vista ecologico ed economico, riducendo al contempo l’impronta di carbonio della produzione di fibre”.
Basandosi sull’eredità di lunga data delle innovazioni nei campi delle scienze vegetali e della silvicoltura presso NC State, Barrangou e Wang hanno creato una società di avvio chiamata TreeCo per promuovere l’uso delle tecnologie CRISPR negli alberi forestali. Questo sforzo collaborativo guidato dai membri della facoltà di NC State mira a combinare le intuizioni genetiche degli alberi con il potere dell’editing del genoma per generare un futuro più sano e più sostenibile.
I ricercatori di diversi dipartimenti statali della NC sono coautori del documento, insieme a ricercatori dell’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign, della Beihua University e della Northeast Forestry University. Il finanziamento è stato fornito dall’Istituto nazionale per l’alimentazione e l’agricoltura del Dipartimento dell’agricoltura degli Stati Uniti — sovvenzione per l’iniziativa di ricerca agricola e alimentare 2018-67021-27716; la sovvenzione 2044721 del programma di trasferimento tecnologico per le piccole imprese della National Science Foundation; Cooperative State Research Service del Dipartimento dell’Agricoltura degli Stati Uniti sovvenzione NCZ04214; North Carolina Specialty Crop Block Grants 19-019-4018, 19-092-4012 e 20-070-4013; una sovvenzione del Fondo per l’innovazione del Cancelliere della NC State University 190549MA; e un premio Goodnight Early Career Innovator della NC State University.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
