转基因树木可能意味着更多的可持续木材

应对气候变化最有效的解决方案之一可能是在自家后院种植树木。树木对于去除空气中的二氧化碳并同时释放氧气至关重要。据估计，一棵成熟的树木每年可吸收大气中超过 48 磅的二氧化碳——但仍有改进的空间。现在，在今天发表在《科学》杂志上的一项研究中，一个由化学家、工程师和环境科学家组成的跨学科团队正在优化树木进一步帮助创造可持续未来的方式。

为了实现这一目标，他们正在深入研究树木的基因构成。“我认为公众并没有完全理解或认识到树木对我们社会和减少碳排放的影响。了解这种关键资源的基因非常重要，尤其是对于生产对我们的购买经济至关重要的纤维而言，”北卡罗来纳州立大学博士后学者、主要研究作者丹尼尔·苏利斯 (Daniel Sulis) 表示。

苏利斯和他的同事首次成功尝试利用基因编辑来简化木纤维生产过程。作者修改了杨树的基因，以减少木质素的含量——木质素是一种有机成分，是树木坚硬木质结构的主干。通过减少树木产生的这种坚硬结构材料的数量，造纸所需的时间更短，从而减少污染。

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“我们研究木质素已有几十年了，但木材内部聚合物的复杂性使其很难以与生产加工应用兼容的方式进行修改，”北卡罗来纳州立大学自然资源学院助理教授兼研究作者之一杰克·王 (Jack Wang) 说。

为了制造可再生纸巾和其他产品，必须用危险化学品切割和溶解木材中的木质素。这是一个能源密集型过程，燃烧木质素时会释放二氧化碳，这会增加大气排放。

在目前的研究中，该团队利用 CRISPR（一种可以切割和修改特定 DNA 片段的分子剪刀）来降低木质素水平并增加碳水化合物。这种碳水化合物，如纤维素，是人们所希望的，因为它可以制成纸制品。

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研究团队利用机器学习预测模型将 70,000 种可能的基因编辑策略和潜在目标缩小到 350 个以下。后续实验旨在确定哪种策略可以生产出与纤维生产兼容的木材，最终作者选择了七种策略，几乎所有策略都针对多个基因。

他们的目标是：培育出木质素含量比自然界少 35% 的树木。他们还希望这些树木的碳水化合物与木质素比率比未经编辑的树木高出 200%。利用 CRISPR 基因编辑技术，他们培育出了 174 种不同的杨树品系，并在温室中培育了六个月。

六个月后对树木木质成分的分析显示，树木中的木质素减少了。有些树木的木质素含量只有普通杨树的一半。碳水化合物与木质素的含量也增加了 228%。

马里兰能源创新研究所材料创新中心主任胡良兵表示：“精确控制木质素含量的能力使新工艺能够将木纤维用于纸张和高级工程木材。例如，使用减少木质素的改性木材生产纸浆可以为减缓气候变化带来巨大益处。”胡良兵曾发表过关于木材纤维素工程新方法的研究，但没有参与当前的研究。

研究小组的分析发现，经过基因改造，木质素含量较低的杨树可使纤维生产产生的碳足迹减少 20% 以上。“事实证明，这项技术不仅有利于我们经济的可持续效率，同时还为更环保地生产这种材料创造了解决方案，”王补充道。

随着社会寻求更多绿色环保产品，如可再生纸巾、纸巾和纺织品，对木纤维的需求不断增长。基因编辑树木也可能产生更多产品：该研究中的一项单独分析估计，木质素较少的树木可以生产出 40% 以上的可持续纤维。

下一步是将这种基因编辑策略应用于其他常用于造纸的硬木树种，如云杉和松树。由于木材产生木质素的机制在多种树种中大致相同，王说可以将这种技术尝试用于其他树种。该团队正在研究的另一个方向是将这些树种植在广阔的田野中，观察经过编辑的树木如何与环境互动，测量它们的行为和自我维持方式。

王说，由于这些树木需要很长时间才能成熟用于生产纤维，所以要到 2040 年左右，社会才会开始看到更多这样的树木。此外，正如对释放基因编辑蚊子的担忧所表明的那样，当地的支持至关重要。他说，要成功和负责任地应用这项技术，“我们必须确保我们所做的一切都不仅符合政府法规，而且符合公众接受度和行业利益。”