Модифицированные технологией CRISPR тополя могут сократить выбросы CO₂ при производстве бумаги

Ученые разработали метод регулирования количества лигнина в деревьях на примере тополей с помощью редактирования генома. Лигнин, являясь основным структурным веществом растений, затрудняет переработку древесины. Это исследование поможет усовершенствовать производство бумаги, целлюлозы, биотоплива и привести к существенному сокращению выбросов углекислого газа предприятиями.

Вызов цивилизации

Сегодняшняя промышленность, основанная на ископаемом топливе, приводит к увеличению выбросов СО2 в атмосферу планеты и стала важной причиной глобального изменения климата. Выход видится в переходе к экономике замкнутого цикла, базирующейся на биотехнологиях.

Более широкое использование древесины может сыграть решающую роль в создании промышленности нового типа, основанной на биоресурсах. Нет, ученые не призывают вырезать все леса на планете ради работы предприятий. В этом нет необходимости. Древесную биомассу планируется выращивать, как фермеры растят пшеницу. Для этого уже есть и технологии, и возможности, и свободные площади на малопродуктивных землях.

Дерево является возобновляемым ресурсом. В отличие от животных на фермах, растения не выделяют метан и не вредят экологии. При этом в древесине содержится много ценных химических веществ. Но проблема в том, что извлечь их не так-то просто. Лигнин мешает перерабатывать древесину в биопродукты.

Прорыв

Ученые давно бьются над выведением деревьев с низким содержанием лигнина. В опытах в основном используются тополя, как один из самых быстро растущих видов, и при этом неприхотливых к условиям выращивания. Один из руководителей проекта профессор Воут Бурьян из бельгийского Центра системной биологии растений VIB-Ugent сообщил: "Ранее мы проводили полевые испытания тополей, разработанных для производства древесины с меньшим содержанием лигнина. Участвовавшие в эксперименте предприятия доложили о значительном повышении эффективности работы. Однако снижение уровня лигнина, достигнутое путем применения технологии интерференции РНК, оказалось нестабильным. Модифицированные деревья потеряли в росте".

Однако исследователи не опустили руки. Они задействовали инновационный метод редактирования генома CRISPR Cas9 для тополя, чтобы стабилизировать низкий уровень лигнина без потери урожая биомассы. То есть модифицированные деревья росли столь же высокими и здоровыми, как и их природные аналоги, не подверженные генетическим изменениям.

Как это работает

Тополь – диплоидный вид, каждый его ген существует в двух копиях. Используя метод CRISPR Cas9, ученые внесли специфические изменения в обе копии гена, влияющие на биосинтез лигнина. Полученная генетическая линия тополя демонстрирует стабильное снижение лигнина на 10 % при нормальном росте.

При этом эффективность обработки древесины из искусственно выведенных деревьев повысилась до 41 %. Это позволило снизить выделение предприятиями-переработчиками парниковых газов, что благоприятно скажется на охране окружающей среды в долгосрочной перспективе.

Использование революционного метода лигнином не ограничивается. Он может быть полезен для создания других характеристик сельскохозяйственных культур, став универсальным инструментом селекции для повышения продуктивности сельского хозяйства. Важно, что метод не имеет ничего общего с ГМО и основан на полезных мутациях, наблюдаемых в природе.