新型转基因木材可以储存碳并减少排放

马里兰大学的研究人员对杨树进行了基因改造，生产出高性能的结构木材，无需使用化学品或能源密集型加工。工程木材由传统木材制成，通常被视为钢铁、水泥、玻璃和塑料等传统建筑材料的可再生替代品。由于工程木材可以抵抗腐蚀，因此它还具有比传统木材更长时间储存​​碳的潜力，因此有助于减少碳排放。

但工程木材真正实现可持续性的障碍在于，它需要用挥发性化学物质和大量能源进行加工，并产生大量废物。研究人员在活杨树中编辑了一个基因，然后长出了无需加工即可进行工程改造的木材。

该研究于 2024 年 8 月 12 日在《 Matter》期刊上在线发表。

马里兰大学植物科学与景观建筑系教授、该研究的通讯作者齐一平表示：“我们非常高兴能够展示一种将基因工程与木材工程相结合的创新方法，以弹性超级木材的形式可持续地封存和储存碳。碳封存对于我们应对气候变化至关重要，这种工程木材可能会在未来的生物经济中找到许多用途。”

在对木材进行处理以赋予其结构特性(例如增加强度或抗紫外线)，从而可以替代钢材或混凝土之前，必须先去除木材的主要成分之一，即木质素。

此前，马里兰大学的研究人员已经成功开发出使用各种化学物质去除木质素的方法，其他人也探索了使用酶和微波技术的方法。通过这项新研究，齐和他的同事们试图开发一种不依赖化学品、不产生化学废物或不依赖大量能源的方法。

研究人员利用一种名为“碱基编辑”的技术，敲除一种名为 4CL1 的关键基因，培育出了木质素含量比野生型杨树低 12.8% 的杨树。这与加工工程木制品时使用的化学处理方法相当。

齐和他的同事们将基因敲除的树木与未基因改造的树木放在温室中培育了六个月。他们观察到，基因改造树木与未基因改造树木的生长速度没有差异，结构也没有显著差异。

为了测试转基因杨树的可行性，由材料科学与工程系教授胡良兵领导的研究小组利用该杨树生产出类似于刨花板的高强度压缩木材小样品，而刨花板常用于家具制造。

压缩木材是将木材在真空下浸泡在水中，然后进行热压，直到其厚度接近原厚度的 1/5。该过程增加了木纤维的密度。在天然木材中，木质素有助于细胞保持其结构，并防止其被压缩。经过化学处理或转基因的木材中木质素含量较低，使细胞能够压缩到更高的密度，从而提高最终产品的强度。

为了评估转基因树木的性能，研究小组还利用未经处理的木材和用传统化学工艺处理以降低木质素含量的木材，从天然杨树中生产出压缩木材。

他们发现，经过压缩的转基因杨木性能与经过化学处理的天然木材相当。两者都比未经处理的天然压缩木材更致密，强度高出 1.5 倍以上。

压缩的转基因木材的抗拉强度与6061铝合金和经过化学处理的压缩木材相当。

这项工作为以相对低成本、环境可持续的方式大规模生产各种建筑产品打开了大门，可以在应对气候变化中发挥重要作用。