Manipolazione della via biosintetica della lignina in pioppo per una produzione energetica sostenibile grazie all'editing genomico

The demand for biomass for energy production is expected to increase sharply in the coming years in order to meet the need for biofuels and achieve the EU goal of carbon neutrality by 2050; in this context, poplar plantations play a key role due to their ability to produce high-quality material in a relatively short time. The main disadvantage of the process of converting woody biomass into energy is the economic and environmental impact of the chemical and physical pretreatment required to separate lignin from the fermentable mass. This study examines the possibilities of manipulating the lignin biosynthetic pathway in poplar through the use of genomic editing techniques, with the goal of optimizing sustainable energy production. Lignin is a key component of plant cell walls that imparts rigidity and strength, but its structural complexity limits the efficiency of biomass to energy conversion. Genomic editing, particularly through the CRISPR-Cas9 system, offers a precise and effective method to modify genes involved in lignin biosynthesis to improve wood characteristics for industrial and energy applications. Two case studies of the application of the CRISPR-Cas system on poplar were reviewed. The first demonstrated the effectiveness of this technology in modifying CAFFEOYL SHIKIMATE ESTERASE 1 and 2 homologous genes in Populus tremula × P. alba, highlighting the importance of these genes in lignification. The cse1 cse2 double mutants showed a 35 percent reduction in lignin and an associated growth penalty, with a fourfold increase in cellulose-to-glucose conversion following limited saccharification. The second case used multigene editing strategies aimed at simultaneous alteration of up to six lignin biosynthesis genes in Populus trichocarpa, producing 174 modified poplar variants. The CRISPR modification increased the carbohydrate to lignin ratio of the wood by up to 228 percent over that of the wild type, leading to more efficient fiber pulp production. The results suggest that targeted genetic manipulation of lignin may be a promising strategy for improving the sustainability and efficiency of energy production from poplar.

La domanda di biomasse per la produzione energetica è prevista in forte aumento nei prossimi anni, al fine di soddisfare il fabbisogno di biocarburanti e raggiungere l'obiettivo UE della neutralità carbonica entro il 2050; in questo contesto, le piantagioni di pioppo rivestono un ruolo fondamentale grazie alla loro capacità di produrre materiale di alta qualità in tempi relativamente brevi. Il principale svantaggio del processo di trasformazione della biomassa legnosa in energia è rappresentato dall'impatto economico ed ambientale dei pretrattamenti chimico-fisici necessari per separare la lignina dalla massa fermentabile. Questo studio esamina le possibilità di manipolazione della via biosintetica della lignina nel pioppo attraverso l'uso di tecniche di editing genomico, con l'obiettivo di ottimizzare la produzione energetica sostenibile. La lignina è un componente chiave delle pareti cellulari delle piante che conferisce rigidità e resistenza, ma la sua complessità strutturale limita l'efficienza della conversione della biomassa in energia. L'editing genomico, in particolare mediante il sistema CRISPR-Cas9, offre un metodo preciso ed efficace per modificare i geni coinvolti nella biosintesi della lignina, al fine di migliorare le caratteristiche del legno per applicazioni industriali ed energetiche. Sono stati esaminati due casi studio di applicazione del sistema CRISPR-Cas su pioppo. Il primo ha dimostrato l'efficacia di questa tecnologia nella modifica dei geni omologhi CAFFEOYL SHIKIMATE ESTERASE 1 e 2 in Populus tremula × P. alba, evidenziando l'importanza di questi geni nella lignificazione. I doppi mutanti cse1 cse2 hanno mostrato una riduzione del 35% della lignina e una penalità di crescita associata, con un aumento di quattro volte della conversione da cellulosa a glucosio in seguito a saccarificazione limitata. Il secondo caso ha utilizzato strategie di editing multigenico mirate all'alterazione simultanea di un massimo di sei geni della biosintesi della lignina in Populus trichocarpa, producendo 174 varianti di pioppo modificate. La modifica CRISPR ha aumentato il rapporto carboidrati/lignina del legno fino al 228% rispetto a quello del tipo selvatico, portando a una produzione di pasta di fibre più efficiente. I risultati suggeriscono che la manipolazione genetica mirata della lignina può rappresentare una strategia promettente per migliorare la sostenibilità e l'efficienza della produzione energetica a partire dal pioppo.