Ученые возрождают американский каштан с помощью ДНК пшеницы

Более века назад миллиарды американских каштанов были уничтожены инвазивным грибком. Сейчас ученые работают над тем, чтобы вернуть дереву былую славу. Прогуливаясь в каштановом саду, Сара Фитцсиммонс, директор по реставрации Американского фонда каштанов, осознает, что она не увидит плоды своего труда. Жизненный цикл дерева слишком велик для этого, сообщает сайт ModernFarmer.com

Более века назад миллиарды американских каштанов были уничтожены инвазивным грибком. Сейчас ученые работают над тем, чтобы вернуть дереву былую славу. Прогуливаясь в каштановом саду, Сара Фитцсиммонс, директор по реставрации Американского фонда каштанов, осознает, что она не увидит плоды своего труда. Жизненный цикл дерева слишком велик для этого, сообщает сайт ModernFarmer.com

В течение почти двух десятилетий Сара Фитцсиммонс работала над возрождением американского каштана (Castanea dentata), основополагающего вида, который когда-то доминировал в восточных лесах США и Канады. Но более века назад деревья подверглись поражению каштановой гнилью, инвазивным патогеном, который был случайно занесен с азиатскими видами деревьев, используемыми в основном для декоративных растений и в садах. Американские каштаны, уязвимые к грибковым заболеваниям, были уничтожены фитофторозом, оставив после себя леса, полные поваленных деревьев и стволов с голыми мертвыми ветвями. В настоящее время 84% каштановых деревьев в Америке остаются маленькими и неспособными плодоносить.

В какой-то момент в Америке насчитывалось от трех до пяти миллиардов каштановых деревьев. Сегодня в живых осталось не более 435 миллионов. Американский фонд спасения каштанов создают фактически «с нуля» новый, устойчивый вид к болезням каштанового дерева. Для этого потребуется от 150 до 200 лет, пока саженцы станути взрослыми деревьями.

До поражения фитофторозом американские каштаны играли важную роль не только для экосистемы, но и для людей и их образа жизни. Когда деревья росли в изобилии, фермеры могли использовать каштаны в качестве корма для своих свиней или индеек. Они также часто добывали орехи, чтобы есть их как собственную пищу или даже торговать ими. Древесина деревьев оказалась прочной для строительных конструкций и использовалась для черепицы, балок и полов в домах, а также для железнодорожных шпал и телеграфных или телефонных столбов.

«Древесина была очень устойчива к гниению. Кроме того, она очень хорошо поглощает углерод, что очень важно в наши дни в связи с изменением климата», — говорит Уильям Пауэлл, директор Американского проекта по исследованию и восстановлению каштанов в Колледже экологических наук и лесного хозяйства Государственного университета Нью-Йорка (SUNY-ESF).

Улицы города когда-то были заставлены тележками, на которых подавали сладкое, поджаренное праздничное угощение — каштаны. Хотя связь каштанов с праздниками можно проследить до Европы шестнадцатого века, каштаны, выращенные в Северной Америке, были известны своим более насыщенным, сладким вкусом и особенно подходили в качестве теплого лакомства в зимние месяцы. Все изменилось, когда грибок сократил численность американских каштанов почти до нуля. Теперь любой каштан, обжаренный на открытом огне, скорее всего, является импортным, поскольку на долю США приходится менее 1% от общего мирового производства.

Несмотря на огромные потери, каштановые деревья не исчезли. Грибок фитофтороза не может поражать корневые системы деревьев из-за микроорганизмов в почве, которые действуют как защитное средство.

Но сегодняшние каштановые деревья слишком низкорослые, хотя раньше они достигали 80-100 футов в высоту при диаметре ствола около 10 футов. «Проблема в том, что 84% из них имеют диаметр всего один дюйм», — говорит Фитцсиммонс. «И они всего около 15 футов в высоту. Они не служат тем услугам и экосистемам, которые должны быть у этого вида. Поэтому мы называем их функционально вымершими».

В своей миссии по восстановлению американского каштана путем создания дерева, устойчивого к болезням, фонд использует систему, включающую методы селекции и биотехнологии. Один из методов известен как разведение методом обратного скрещивания. Для этого метода ученые отбирают и переносят желаемые характеристики от одного сорта к другому. Цель состоит в том, чтобы выделить гены устойчивости к фитофторозу у другого вида и включить их в геном американских каштановых деревьев.

Лейла Пинчот, эколог-исследователь Лесной службы США, специализирующаяся на реинтродукции каштановых деревьев, объясняет селекцию обратного скрещивания как «подход к объединению генов устойчивости китайского каштана с американским каштаном, потому что мы хотим, чтобы дерево выглядело и действовало по-американски».

Данный метод, как показали исследования генетика Джареда Уэстбрука для Американского фонда каштанов, оказался не лучшим решением. Цель селекции обратного скрещивания состоит в том, чтобы выделить два или три гена, но в случае каштана «в китайском каштане так много генов устойчивости, что просто невозможно объединить их с американским каштаном», — говорит Пинчот. Тем не менее, скрещенные деревья обладают более высокой устойчивостью к болезням, чем дикие деревья, и в настоящее время их все еще сажают в лесах, чтобы пополнить популяцию деревьев.

Разведение бэккросса — не единственная надежда на возрождение. В лаборатории Пауэлла в SUNY-ESF он недавно использовал генную инженерию для создания дерева, устойчивого к болезням, объединив одну нить ДНК пшеницы с ДНК американского каштана. Пауэлл, который работал над проектом более 30 лет, выделил ген из пшеницы, ориентируясь на его способность бороться с грибком фитофтороза.

Пауэлл объясняет, что когда фитофтороз поражает дерево, оно начинает вырабатывать кислоты и ферменты, которые работают в этих кислотах. Основная кислота, которую он производит, известная как щавелевая кислота, является токсином, который убивает клетки растений. Затем патоген питается этими мертвыми клетками, образуя структуру, называемую язвой, которая в конечном итоге «пожирает» дерево.

«С помощью пшеничного гена появится возможность производить фермент, который выводит токсины из этой кислоты. Он расщепляет его на перекись водорода и двуокись углерода, два вещества, которые растение использует в любом случае», — говорит Пауэлл. — «Таким образом в основном мы забираем оружие у грибка». Генетически модифицированные, или трансгенные, деревья и являются первыми в своем роде. И хотя новые деревья все еще могут заразиться той же болезнью каштанов, которая убила их двоюродных братьев более века назад, и, возможно, даже слегка пострадать от нее, дерево выживет.

Из-за статуса генетически модифицированного растения следующим шагом для посадки деревьев в лесах является строгий процесс регулирования через Министерство сельского хозяйства США, EPA и FDA. SUNY-ESF представила петицию в Министерство сельского хозяйства США в 2020 году, стремясь отменить регулирование деревьев, чтобы посадить их в дикой природе. Пауэлл надеется, что этот процесс завершится где-то в 2023 году. В то же время более 2000 генетически модифицированных саженцев посажены на полях, рядом с которыми отсутствуют цветущие растения, чтобы пыльца не распространялась в дикой природе. Пока ученые ждут изменения в законодательстве, необходимых для посадки ГМО-деревьев в лесах, лаборатория Пауэлла и Американский фонд каштанов работают над скрещиванием деревьев Дарлинга с ДНК дикого каштана, надеясь создать более сильные деревья, которые будут расти по всей стране.

«На возрождение американского каштана уйдет много денег, энергии и времени. Вы знаете, с деревьями природа делает это намного лучше. Но природа не может сделать это сама, и нам придется оказать ей большую помощь», — говорит Сара Фитцсиммонс. — «Это действительно поэтично, что я помогаю работать над проектом, который мои предки начали 100 лет назад, и моему потомству потребуется еще 100 с лишним лет, чтобы закончить его».