2024年8月12日，美国马里兰大学胡良兵教授（现任职于耶鲁大学）和戚益平教授跨学科合作在Matter期刊上发表了题为“Genome-edited trees for high-performance engineered wood”的论文。研究团队通过运用基因编辑技术减少木材中的木质素含量，实现了无需化学处理的高性能工程木材的制造。胡良兵教授实验室的Yu Liu博士后和戚益平实验室的Gen Li博士后为该论文的共同第一作者。
在应对全球气候变化和环境保护的背景下，传统建筑材料如钢铁、混凝土和塑料的替代品正在受到越来越多的关注。工程木材因其可持续性和高性能特性，成为了其中的重要选择。然而，传统的工程木材制造过程中，通常需要通过化学方法降低木材中的木质素含量，有利于后续的压缩以增强机械性能。这种方法不仅消耗大量能源和材料，而且会产生大量废弃物，给环境带来不利影响。
为了解决这个问题，研究团队提出了通过运用基因编辑技术减少木材中的木质素含量，来实现无需化学处理的高性能工程木材的制造（图1）。研究团队利用一种名为nCas9-A3A/Y130F的碱基编辑器，靶向了杨树中的4CL1基因，通过在第一外显子序列中引入提前终止密码子，成功降低了木质素含量。这一过程使得木质素含量减少了12.8%（图2）。
基因编辑后的木材不再需要通过化学处理即可实现压缩木材的制造。研究团队通过将编辑后的木材浸泡在水中，并在高温下进行热压处理，成功制造出高强度的压缩木材。结果显示，这种基因编辑后的压缩木材的抗拉强度达到313.6 ± 6.4 MPa，与铝合金6061的强度相当，且与传统化学处理后的压缩木材强度相近（图1）。这表明，通过基因编辑减少木质素含量，可以实现与传统化学处理相当的效果，且无需化学处理，避免了废弃物的产生。
图1：通过基因编辑技术无需化学处理来生产高强度木材。
图2：杨树中4CL1基因编辑减低了木质素的含量而不影响植物生长。
进一步的研究还发现，基因编辑不仅减少了木质素含量，还对木质素的结构产生了影响。通过拉曼光谱和2D-HSQC NMR光谱的分析，研究团队发现，木质素在木材细胞壁的分布发生了变化，特别是在细胞角落，木质素的含量显著减少（图3）。这种结构上的改变有助于木材在压缩过程中形成更致密的结构，从而提高其机械性能。
研究还通过扫描电子显微镜（SEM）观察了基因编辑前后木材的微观结构，结果显示，基因编辑并未显著改变木材的微观结构，如纤维细胞的孔隙大小、导管直径和细胞壁厚度等（图3）。这意味着，基因编辑过程对木材的物理性质影响较小，仅在木质素含量和分布上产生了显著变化。
图3. 通过拉曼光谱和二维HSQC表征木质素的分布和结构。
在实验过程中，研究团队还比较了自然状态下基因编辑后的木材与压缩木材的力学性能。结果显示，基因编辑后的木材在压缩后，其抗拉强度显著提高，达到未压缩前的5.6倍，而传统方法压缩的木材仅提高了2.6倍。压缩后的基因编辑木材的抗拉强度比传统方法压缩的木材高出约1.6倍。
这一研究成果展示了基因编辑在木材工程中的巨大潜力。通过基因编辑技术，科学家能够精确调控木材中的木质素含量和结构，从而制造出符合不同工程需求的高性能木材产品。同时，这一方法还避免了化学处理过程中产生的废弃物，提供了一种更加环保、成本效益更高的工程木材制造途径。未来，随着基因编辑技术的进一步发展，工程木材的应用前景将更加广阔，有望在全球范围内推动建筑材料的可持续发展，减少二氧化碳排放，应对全球气候变化。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.matt.2024.07.003
