Grâce à la technologie CRISPR, des chercheurs de l’université d’État de Caroline du Nord ont sélectionné des peupliers dont la teneur en lignine est réduite, ce qui permet une production de fibres plus efficace et plus durable. Leurs travaux pourraient révolutionner l’industrie de la pâte et du papier tout en réduisant son empreinte carbone. Ils ont lancé une start-up, TreeCo, pour poursuivre ce travail innovant.
Des chercheurs de l’Université d’État de Caroline du Nord (NC State) ont appliqué avec succès la technologie d’édition génétique CRISPR pour sélectionner des peupliers présentant des niveaux réduits de lignine, un obstacle important à la production durable de fibres de bois. Cette recherche, qui pourrait déboucher sur une production de fibres plus efficace et plus respectueuse de l’environnement, a été publiée dans la revue Science. Les résultats promettent de rendre la production de fibres plus écologique, moins chère et plus efficace, qu’il s’agisse de papier ou de couches.
Sommaire
La puissance de CRISPR
Dirigée par Rodolphe Barrangou, pionnier du CRISPR à NC State, et Jack Wang, généticien des arbres, une équipe de chercheurs a utilisé la modélisation prédictive pour fixer des objectifs de réduction des niveaux de lignine, d’augmentation du rapport glucides-lignine (C/L) et d’augmentation du rapport de deux importants éléments constitutifs de la lignine – syringyl et guaiacyl (S/G) – dans les peupliers. Selon Barrangou et Wang, ces caractéristiques chimiques combinées représentent un point idéal pour la production de fibres.
« Nous utilisons CRISPR pour construire une forêt plus durable », a déclaré Barrangou, professeur distingué Todd R. Klaenhammer en sciences de l’alimentation, de la biotransformation et de la nutrition à NC State et co-auteur de l’article. « Les systèmes CRISPR offrent la possibilité de modifier plus que des gènes uniques ou des familles de gènes, ce qui permet d’améliorer davantage les propriétés du bois.
Des peupliers modifiés par CRISPR (l) et des peupliers sauvages poussent dans une serre de NC State. Crédit : Chenmin Yang, NC State University
Des stratégies d’édition de gènes optimales
L’équipe a utilisé un modèle d’apprentissage automatique pour prédire et trier près de 70 000 stratégies différentes d’édition de gènes ciblant 21 gènes importants associés à la production de lignine – certaines modifiant plusieurs gènes à la fois. Ce processus a permis d’identifier 347 stratégies, dont plus de 99 % ciblaient au moins trois gènes.
À partir de là, les chercheurs ont sélectionné les sept meilleures stratégies qui, d’après la modélisation, conduiraient à des arbres qui atteindraient l’optimum chimique – 35 % de lignine en moins que les arbres sauvages, ou non modifiés ; des rapports C/L supérieurs de plus de 200 % à ceux des arbres sauvages ; des rapports S/G également supérieurs de plus de 200 % à ceux des arbres sauvages ; et des taux de croissance des arbres similaires à ceux des arbres sauvages.
Le bois modifié par CRISPR présente une coloration rouge (l) et le bois de peuplier de type sauvage (r). Crédit : Photo avec l’aimable autorisation de Chenmin Yang, NC State University
Production de nouvelles variétés de peupliers
À partir de ces sept stratégies, les chercheurs ont utilisé l’édition de gènes CRISPR pour produire 174 lignées de peupliers. Après six mois dans une serre de NC State, l’examen de ces arbres a montré une réduction de la teneur en lignine allant jusqu’à 50 % dans certaines variétés, ainsi qu’une augmentation de 228 % du rapport C-L dans d’autres.
Des modifications multigéniques pour une meilleure production de fibres
Selon les chercheurs, il est intéressant de noter que des réductions plus importantes de la teneur en lignine ont été observées dans les arbres ayant fait l’objet de quatre à six modifications génétiques, bien que les arbres ayant fait l’objet de trois modifications génétiques aient montré une réduction de la teneur en lignine allant jusqu’à 32 %. Les modifications d’un seul gène n’ont pas réussi à réduire la teneur en lignine, ce qui montre que l’utilisation de CRISPR pour effectuer des modifications multigéniques pourrait conférer des avantages à la production de fibres.
L’impact sur la production de pâte à papier
L’étude comprend également des modèles sophistiqués d’usines de production de pâte à papier qui suggèrent qu’une réduction de la teneur en lignine des arbres pourrait augmenter le rendement de la pâte et réduire ce qu’on appelle la liqueur noire, le principal sous-produit de la fabrication de la pâte. Cela pourrait aider les usines à augmenter la production de fibres durables jusqu’à 40 %.
Impact sur le climat et étapes futures
Enfin, les gains d’efficacité constatés dans la production de fibres pourraient réduire les gaz à effet de serre associés à la production de pâte à papier jusqu’à 20 % si la réduction de la lignine et l’augmentation des rapports C/L et S/G sont obtenues dans les arbres à l’échelle industrielle.
Les arbres forestiers représentent le plus grand puits de carbone biogénique sur terre et jouent un rôle primordial dans les efforts visant à freiner le changement climatique. Ils sont les piliers de nos écosystèmes et de la bioéconomie. En Caroline du Nord, la sylviculture contribue pour plus de 35 milliards de dollars à l’économie locale et soutient environ 140 000 emplois.
« L’édition multiplexe du génome offre une opportunité remarquable d’améliorer la résilience, la productivité et l’utilisation des forêts à un moment où nos ressources naturelles sont de plus en plus menacées par le changement climatique et la nécessité de produire des biomatériaux plus durables en utilisant moins de terres », a déclaré Wang, professeur adjoint et directeur du groupe de biotechnologie forestière à NC State et co-auteur de l’article.
Les prochaines étapes consisteront à poursuivre les essais en serre pour voir comment les arbres génétiquement modifiés se comportent par rapport aux arbres sauvages. Plus tard, l’équipe espère utiliser des essais sur le terrain pour évaluer si les arbres génétiquement modifiés peuvent supporter les contraintes de la vie à l’extérieur, en dehors de l’environnement contrôlé de la serre.
Vers un avenir durable
Les chercheurs ont souligné l’importance de la collaboration multidisciplinaire qui a permis cette étude, englobant trois collèges de NC State, plusieurs départements, la N.C. Plant Sciences Initiative, le Molecular Education, Technology and Research Innovation Center (METRIC) de NC State, et des universités partenaires.
« Une approche interdisciplinaire de la sélection des arbres qui combine la génétique, la biologie informatique, les outils CRISPR et la bioéconomie a profondément élargi notre connaissance de la croissance des arbres, de leur développement et de leurs applications forestières », a déclaré Daniel Sulis, chercheur postdoctoral à NC State et premier auteur de l’article. « Cette approche puissante a transformé notre capacité à démêler la complexité de la génétique des arbres et à déduire des solutions intégrées qui pourraient améliorer les caractéristiques du bois écologiquement et économiquement importantes tout en réduisant l’empreinte carbone de la production de fibres. »
S’appuyant sur l’héritage de longue date des innovations dans les domaines des sciences végétales et de la foresterie à NC State, Barrangou et Wang ont créé une startup appelée TreeCo pour faire progresser l’utilisation des technologies CRISPR dans les arbres forestiers. Cet effort de collaboration mené par des membres de la faculté de NC State vise à combiner les connaissances génétiques des arbres avec la puissance de l’édition du génome pour créer un avenir plus sain et plus durable.
Référence : « Multiplex CRISPR editing of wood for sustainable fiber production » par Daniel B. Sulis, Xiao Jiang, Chenmin Yang, Barbara M. Marques, Megan L. Matthews, Zachary Miller, Kai Lan, Carlos Cofre-Vega, Baoguang Liu, Runkun Sun, Henry Sederoff, Ryan G. Bing, Xiaoyan Sun, Cranos M. Williams, Hasan Jameel, Richard Phillips, Hou-min Chang, Ilona Peszlen, Yung-Yun Huang, Wei Li, Robert M. Kelly, Ronald R. Sederoff, Vincent L. Chiang, Rodolphe Barrangou et Jack P. Wang, 13 juillet 2023, Science.
DOI : 10.1126/science.add4514
Des chercheurs de plusieurs départements de NC State ont cosigné l’article, ainsi que des chercheurs de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, de l’Université de Beihua et de l’Université de foresterie du Nord-Est. Le financement a été assuré par l’Institut national de l’alimentation et de l’agriculture du ministère américain de l’agriculture – subvention 2018-67021-27716 de l’Initiative de recherche sur l’agriculture et l’alimentation ; la subvention 2044721 du programme de transfert de technologie des petites entreprises de la National Science Foundation ; la subvention NCZ04214 du Cooperative State Research Service du ministère américain de l’agriculture ; les subventions globales 19-019-4018, 19-092-4012 et 20-070-4013 de Caroline du Nord pour les cultures spéciales ; la subvention 190549MA du Fonds d’innovation du chancelier de l’Université de l’État de NC ; et le prix Goodnight Early Career Innovator Award de l’Université de l’État de NC.
Résumé : La domestication des arbres forestiers en vue d’une bioéconomie des fibres plus durable a longtemps été entravée par la complexité et la plasticité de la lignine, un biopolymère du bois qui est récalcitrant à la dégradation chimique et enzymatique. Nous montrons ici que l’édition multiplex-CRISPR permet une conception précise des matières premières ligneuses pour l’amélioration combinatoire de la composition de la lignine et des propriétés du bois. En évaluant toutes les combinaisons possibles de 69 123 stratégies d’édition multigénique pour 21 gènes de biosynthèse de la lignine, nous avons déduit 7 stratégies uniques d’édition du génome ciblant l’altération simultanée de 6 gènes au maximum, et produit 174 variantes de peuplier éditées. L’édition CRISPR a augmenté le rapport glucides-lignine du bois jusqu’à 228 % par rapport au type sauvage, ce qui a permis une réduction en pâte plus efficace. Le bois édité atténue un goulot d’étranglement majeur dans la production de fibres, indépendamment des changements dans le taux de croissance des arbres, et pourrait apporter une efficacité opérationnelle sans précédent, des opportunités bioéconomiques et des avantages environnementaux.