构树（Broussonetia papyrifera）是桑科多年生木本植物，环境适应性强，生长速度快，且在中医药、饲料和造纸等方面具有悠久的使用历史，但是其新品种培育存在周期长与核心种质资源不足的问题，通过基因编辑技术能够精准定向地实现植物资源的快速改良，已受到国内外农业生物育种研发领域的广泛关注。近日，青岛能源所能源作物分子育种研究组利用开发的构树高效遗传转化和基因编辑技术体系，成功创制了木质素成分显著改变的植物新资源，以基因编辑构树材料制备的多孔碳材料其吸附性能要显著高于未经改良的构树，从而展示了其在环境修复和污染物处理等领域的潜在应用价值。相关研究成果以“CRISPR/Cas9-mediated mutation of FERULATE 5-HYDROXYLASE enhances adsorption capacity of lignocellulose-based porous carbon from paper mulberry”为题发表在Horticulture Research杂志上。

研究人员首先构建了构树木质素合成途径关键酶阿魏酸-5-羟化酶（BpF5H）的基因过量表达载体，使该基因在构树中的表达量提高了7-186倍。同时，还构建了针对BpF5H基因的编辑载体，并获得了BpF5H等位基因均编辑的株系。其中BpF5H_KO1株系中的BpF5H等位基因表现出全移码和部分移码两种不同的编辑状态，其他株系则呈现BpF5H等位基因全移码状态（BpF5H_KO2等）。进一步研究表明，过表达株系中S型木质素单体含量增加了15%-24%，两个代表性基因编辑株系BpF5H_KO1和KO2中S型木质素含量则分别降低了39%和99%。以上述基因工程构树为原料，在700℃下碳化2h制备的多孔碳材料在吸附性上表现出显著的差异。基因编辑材料BpF5H_KO2制备的生物炭具有最高的表面积，对甲基橙的吸附能力相比于未经改良材料提高了两倍（图1）。上述研究进一步拓展了构树等经济林木的应用范围，还为高值化利用园林植物修剪过程中产生的大量废弃生物质提供了技术与思路。

图1 利用基因编辑技术提高杂交构树制备多孔碳材料的化合物吸附效率

青岛能源所和济南大学联合培养博士生徐悦、青岛能源所副研究员曹英萍与黄冈师范学院教授张万举为该论文的共同第一作者，付春祥研究员，何峰副研究员和济南大学秦晓春教授为共同通讯作者，青岛能源所吴振映副研究员、黄冈师范学院孔雯副教授等科研人员也参与了该研究。华南农业大学刘耀光教授提供基因编辑骨架载体。该工作得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、泰山学者人才工程和研究所抓攻关计划等项目的支持。（文/图 何峰）

原文链接：https://academic.oup.com/hr/advance-article/doi/10.1093/hr/uhae124/7656942?login=false

相关论文和授权专利：

1、Yue Xu*, Yingping Cao*, Wanju Zhang*, Wen Kong, Rui Li, Yuchen Liu, Yu Wang, Zhenying Wu, Xiaochun Qin#, Feng He#, Chunxiang Fu#. CRISPR/Cas9-mediated mutation of FERULATE 5-HYDROXYLASE enhances adsorption capacity of lignocellulose-based porous carbon from paper mulberry, Horticulture Research, 2024, DOI: 10.1093/hr/uhae124

2、一种杂交构树的遗传转化系统建立的方法及应用， ZL202210040002.8。

3、利用CRISPR/Cas9技术获得木质素缺陷型杂交构树的方法，CN202210040014.0 。

4、Haixia Zhao*, Siyi Zhao*, Yingping Cao*, Xiping Jiang, Lijuan Zhao, Zhimeng Li, Mengqi Wang, Ruijuan Yang, Chuanen Zhou, Zhaoming Wang, Feng Yuan, Dongmei Ma, Hao Lin, Wenwen Liu#, Chunxiang Fu#. Development of a single transcript CRISPR/Cas9 toolkit for efficient genome editing in autotetraploid alfalfa, The Crop Journal, 2024, DOI: 10.1016/j.cj.2024.04.001