多重CRISPR基因编辑赋能木质生物质的绿色可持续高值化利用
多重CRISPR基因编辑赋能木质生物质的绿色可持续高值化利用
木质素是一类化学结构牢固紧密的多酚类物质，其含量过高通常不利于木质生物质的造纸、生物能源及功能化材料制备等高值化利用。为降低传统化学脱木素工艺对环境造成的二次污染，研究人员利用多重CRISPR基因编辑技术从大量编辑策略中筛选出不影响林木生长的降木素修饰方法，有望从根源上实现环境友好的、更利于可持续发展的降木素目标。
木质素的结构与功能
木质生物质是地球上最丰富的可再生资源，主要由纤维素、木质素和缠绕其中的半纤维素构成，其中木质素在储量上仅次于纤维素，且每年都以约500亿吨的速度再生。作为木材颜色、低柔韧性以及低纤维素可及度的主要成分，木质素对于增强植物体机械强度、强化输导组织的水分运输和抵抗病虫害具有重要意义，但同时也阻碍了木材的某些资源化利用：如生产纸张、木基功能材料及生物能源等高值化利用途径。
在化学结构组成上，木质素是由苯丙烷单元构成的芳香族高聚物，具有愈创木基（G）、紫丁香基（S）和对羟基苯基（H）三种结构单元。由于S型木质素通常比G型木质素更容易降解，因此具有高S/G的木质素更易被脱除，使得木材可加工性更高。当前，受制于生物处理法的低效率，木材的工业应用中通常使用化学试剂蒸煮法进行脱木素，如造纸行业中的硫酸盐制浆法。这些能源密集型方法不仅会造成环境污染，还会加剧全球变暖。基于此，迫切需要以林木的生长发育为切入点，利用植物生物技术从根源上对木质素含量及结构组成进行调控。
CRISPR基因编辑技术的优势
基因编辑克服了传统遗传改良法周期长、精度低等缺点，可快速、精准地调控木质素单体的生物合成，进而在宏观上实现低木素、高S/G林木的驯化培育。在多种基因编辑技术中，CRISPR编辑系统设计流程简单、操作方便、效率高，在调控木质素合成和缩短林木育种周期等方面展现出巨大潜力。但木质素单体的生物合成过程十分复杂，包含数百种调控方式。而当前关于木质素单体生物合成的研究主要集中在单个基因或基因家族的编辑修饰上，限制了多重基因编辑的潜能。
近期，Sulis等人设计了一种多重CRISPR编辑方法（Sulis, D.B., Jiang, X., Yang, C., et al. 2023. Multiplex CRISPR editing of wood for sustainable fiber production. Science 381: 216−221），该方法从近7万组多重基因编辑策略中筛选出347种同时满足特定范围的木质素含量、碳水化合物与木质素之比、S/G以及树木生长指标等要求的策略，其中99.7%的策略至少包含三个基因靶位，充分证明了多重基因编辑的必要性。在随后的验证试验中，多重基因编辑的65个林木品系的木质素含量比野生型平均降低了49.1%，而单基因编辑策略仅降低了0.1-12.6%，充分凸显了多重基因编辑的优势。
应用前景与经济效益
利用多重CRISPR编辑技术降低木质生物质的木质素含量并提升S/G不仅可减少制浆造纸过程中的废液排放，还可提升木基吸附材料、气凝胶等生物质复合材料的亲水性、孔隙度、化学活性及柔韧性，也更有利于纳米纤维素等材料的制备。对于生产生物能源，低木素含量和高S/G也可提升碳水化合物的可及度，加快酶解速率和产能效率。在经济和环境效益上，以造纸行业为例，据估计该策略的推广有望让使用天然气作为补充能源的造纸厂的净现值增加数亿美元，还可减少高达20%的全球变暖潜能值。因此，利用多重CRISPR编辑技术调控木质素的生物合成可获得优越的性能-经济-环境协同效益。
总结与展望
尽管低木素含量和高S/G对许多木基产品是有利的，但考虑到木质素对于维持木材刚性和抵御病虫害至关重要，且木质素的变化可能对细胞壁其他成分产生影响，需要进一步对基因编辑木材的抗病性和抗逆性进行验证。此外，基因编辑对生物多样性的影响具有不确定性，因此经基因编辑的林木广泛种植对于生态系统的影响也需要进一步评估。由于涉及到伦理和法规问题，各国关于基因编辑的法律和标准不一，对于基因编辑的政策限制也是商业应用需要克服的阻碍之一。
作者简介
陈朝吉，武汉大学资源与环境科学学院教授、博士生导师。长期从事生物质材料（木材、竹材、纤维素、甲壳素等）的多尺度结构设计、功能化及高值利用方面的研究，致力于以天然材料解决可持续发展面临的材料-能源-环境挑战。在Nature、Science、Nature Reviews Materials、Nature Sustainability等杂志发表学术论文100余篇，总引用28,000余次，H因子92，41篇论文入选ESI高被引论文，13篇（曾）入选热点论文。获科睿唯安“全球高被引科学家”（2021-2023连续三年入选材料科学领域）、斯坦福大学“全球前2%高被引科学家”终身影响力榜单、麻省理工科技评论亚太区“35岁以下科技创新35人”、“中国化学会纤维素专业委员会青年学者奖”、“中国新锐科技人物卓越影响奖”、阿里巴巴达摩院“青橙优秀入围奖”、“R&D 100 Awards”、“全国百篇最具影响国际学术论文”等荣誉。担任The Innovation Materials学术编辑，The Innovation、SusMat、Environmental Science & Ecotechnology、Green Carbon、Batteries、Molecules等杂志编委/青年编委，以及中国化学会纤维素专业委员会委员。
课题组网页：https://biomass.whu.edu.cn/index.htm
胥国勇，武汉大学高等研究院教授、博士生导师，杂交水稻全国重点实验室和湖北省洪山实验室固定成员。主要从事翻译调控在植物病害防治中的功能研究，研究方向包括mRNA翻译调控分子机制、基因表达精准调控、作物抗病育种逻辑设计等。第一和通讯作者论文（含共同）包括Nature、Nature Plants、Cell Host and Microbe、Cell Discovery、Autophagy，Journal of Genetics and Genomics等。
The Innovation 简介
The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球58个国家；已被139个国家作者引用；每期1/5-1/3通讯作者来自海外。目前有196位编委会成员，来自21个国家；50%编委来自海外(含39位各国院士)；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI，INSPEC，EI，中科院分区表(1区)等收录。2022年影响因子为33.1，CiteScore为23.6。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation在海内外各平台推广作者文章。
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