解决气候变化最有效的方案之一可能就在你家后院生长。树木对于从空气中吸收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吸收超过48磅二氧化碳——但仍有改进的空间。现在，在一项今天发表于《科学》杂志上的研究中，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为创造可持续未来做出更大贡献的方式。
为此，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以及减少碳排放的影响。理解这种关键资源的遗传学非常重要，尤其是对于生产我们经济中重要的纤维来说，”北卡罗来纳州立大学的博士后研究员、该研究的主要作者Daniel Sulis说。
Sulis及其同事首次成功尝试使用基因编辑来简化木质纤维的生产过程。作者们修改了杨树的基因，以减少木质素的含量——木质素是一种有机成分，作为支撑结构赋予树木其刚性和木质结构。通过减少树木产生的这种坚硬的结构材料的量，纸张生产所需的时间更少，从而造成的污染也更少。
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“我们研究木质素几十年了，但木材内部这些聚合物的复杂性使得它们很难以与生产加工应用兼容的方式进行改性，”北卡罗来纳州立大学自然资源学院助理教授、该研究的作者之一Jack Wang说。
为了制造可再生纸巾和其他产品，木材中的木质素必须被切割并用有害化学物质溶解。这是一个能源密集型过程，当木质素被燃烧时会释放二氧化碳，从而增加大气中的排放物。
在目前的研究中，该团队使用CRISPR——一种分子剪刀，可以切割和修改特定的DNA片段——来降低木质素含量并增加碳水化合物。这种碳水化合物，即纤维素，是有价值的，因为它会被制成纸浆用于生产纸制品。
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该团队使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靶点缩减到不到350种。后续实验以确定哪些策略能够产生与纤维生产兼容的木材，引导作者选择了七种策略，其中几乎所有都靶向了不止一个基因。
他们的目标是：创造出木质素含量比自然界树木低35%的树木。他们还希望它们的碳水化合物与木质素的比例比未编辑过的树木高200%。通过CRISPR基因编辑，他们创造了174个不同的杨树品系，并在温室中种植了六个月。
六个月后对树木木材成分的分析显示，树木的木质素含量有所降低。有些树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%。
“精确控制木质素含量的能力使得使用纸张和先进工程木材中的木质纤维的新工艺成为可能，”马里兰能源创新研究所材料创新中心主任Liangbing Hu说，他曾发表过关于工程木材纤维素新方法的研究，但并未参与当前的研究。“例如，使用木质素含量降低的编辑木材进行纸浆生产，可以为减缓气候变化带来巨大效益。”
该团队的分析发现，经过基因编辑以降低木质素含量的杨树可以使纤维生产的碳足迹减少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，同时还为这种材料的更环保生产创造了解决方案，”Wang补充道。
随着社会对可再生纸巾、纸巾和纺织品等更环保产品的需求不断增长，对木质纤维的需求也在增加。基因编辑的树木也可能产生更多产品：该研究中的一项独立分析估计，木质素含量较低的树木可以生产多40%的可持续纤维。
下一步是将其基因编辑策略应用于其他常用于纸张生产的硬木，如云杉和松树。Wang说，由于木材产生木质素的机制在多种树种之间是相似的，因此有可能尝试将这种技术应用于其他树种。该团队还在进行的另一个方向是，在大片田地里种植这些树木，观察编辑过的树木如何与环境相互作用，并测量它们的生长情况和可持续性。
由于这些树木需要很长时间才能成熟用于纤维生产，因此社会大约要到2040年才能开始看到它们的身影，Wang说。此外，正如关于释放基因编辑蚊子的担忧所表明的那样，当地的支持将是至关重要的。他表示，为了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不仅符合政府法规，而且还得到公众的接受和行业利益的支持。”
