Вчені відроджують американський каштан за допомогою ДНК пшениці
Понад століття тому мільярди американських каштанів були знищені інвазивним грибком. Зараз вчені працюють над тим, щоб повернути дереву колишню славу. Прогулюючись в каштановому саду, Сара Фітцсіммонс, директор з реставрації американського фонду каштанів, усвідомлює, що вона не побачить плоди своєї праці. Життєвий цикл дерева занадто великий для цього.
Протягом майже двох десятиліть Сара Фітцсіммонс працювала над відродженням американського каштана( Castanea dentata), основного виду, який колись домінував у східних лісах США та Канади. Але більше століття тому дерева зазнали поразки каштановою гниллю, інвазивним патогеном, який був випадково занесений з азіатськими видами дерев, використовуваними в основному для декоративних рослин і в садах. Американські каштани, вразливі до грибкових захворювань, були знищені фітофторозом, залишивши після себе ліси, повні повалених дерев і стовбурів з голими мертвими гілками. В даний час 84% каштанових дерев в Америці залишаються маленькими і нездатними плодоносити.
У якийсь момент в Америці налічувалося від трьох до п'яти мільярдів каштанових дерев. Сьогодні в живих залишилося не більше 435 мільйонів. Американський фонд порятунку каштанів створюють фактично "з нуля" новий, стійкий вид до хвороб каштанового дерева. Для цього буде потрібно від 150 до 200 років, поки саджанці стануть дорослими деревами.
До поразки фітофторозом американські каштани відігравали важливу роль не тільки для екосистеми, але і для людей і їх способу життя. Коли дерева росли в достатку, фермери могли використовувати каштани в якості корму для своїх свиней або індичок. Вони також часто видобували горіхи, щоб їсти їх як власну їжу або навіть торгувати ними. Деревина дерев виявилася міцною для будівельних конструкцій і використовувалася для черепиці, балок і підлог в будинках, а також для залізничних шпал і телеграфних або телефонних стовпів.
"Деревина була дуже стійка до гниття. Крім того, вона дуже добре поглинає вуглець, що дуже важливо в наші дні у зв'язку зі зміною клімату", - говорить Вільям Пауелл, директор американського проекту з дослідження і відновлення каштанів в коледжі екологічних наук і лісового господарства Державного університету Нью-Йорка (SUNY-ESF).
Вулиці міста колись були заставлені візками, на яких подавали солодке, підсмажене святкове частування - каштани. Хоча зв'язок каштанів зі святами можна простежити до Європи шістнадцятого століття, каштани, вирощені в Північній Америці, були відомі своїм більш насиченим, солодким смаком і особливо підходили в якості теплої ласощі в зимові місяці. Все змінилося, коли грибок скоротив чисельність американських каштанів майже до нуля. Тепер будь-який каштан, обсмажений на відкритому вогні, швидше за все, є імпортним, оскільки на частку США припадає менше 1% від загального світового виробництва.
Незважаючи на величезні втрати, каштанові дерева не зникли. Грибок фітофторозу не може вражати кореневі системи дерев через мікроорганізмів в ґрунті, які діють як захисний засіб.
Але сьогоднішні каштанові дерева занадто низькорослі, хоча раніше вони досягали 80-100 футів у висоту при діаметрі стовбура близько 10 футів.
"Проблема в тому, що 84% з них мають діаметр всього один дюйм", - говорить Фітцсіммонс. "І вони всього близько 15 футів у висоту. Вони не служать тим послугам і екосистемам, які повинні бути у цього виду. Тому ми називаємо їх функціонально вимерлими".
У своїй місії по відновленню американського каштана шляхом створення дерева, стійкого до хвороб, фонд використовує систему, що включає методи селекції та біотехнології. Один з методів відомий як розведення методом зворотного схрещування. Для цього методу вчені відбирають і переносять бажані характеристики від одного сорту до іншого. Мета полягає в тому, щоб виділити гени стійкості до фітофторозу в іншого виду і включити їх в геном американських каштанових дерев.
Лейла Пінчот, еколог-дослідник Лісової служби США, що спеціалізується на реінтродукції каштанових дерев, пояснює селекцію зворотного схрещування як «підхід до об'єднання генів стійкості китайського каштана з американським каштаном, тому що ми хочемо, щоб дерево виглядало і діяло по-американськи».
Даний метод, як показали дослідження генетика Джареда Вестбрука для американського фонду каштанів, виявився не кращим рішенням. Мета селекції зворотного схрещування полягає в тому, щоб виділити два або три гени, але у випадку каштана «в китайському каштані так багато генів стійкості, що просто неможливо об'єднати їх з американським каштаном», - говорить Пінчот. Тим не менш, схрещені дерева мають більш високу стійкість до хвороб, ніж дикі дерева, і в даний час їх все ще садять в лісах, щоб поповнити популяцію дерев.
Розведення беккросса - не єдина надія на відродження. У лабораторії Пауелла в SUNY-ESF він нещодавно використовував генну інженерію для створення дерева, стійкого до хвороб, об'єднавши одну нитку ДНК пшениці з ДНК американського каштана. Пауелл, який працював над проектом більше 30 років, виділив ген з пшениці, орієнтуючись на його здатність боротися з грибком фітофторозу.
Пауелл пояснює, що коли фітофтороз вражає дерево, воно починає виробляти кислоти і ферменти, які працюють в цих кислотах. Основна кислота, яку він виробляє, відома як щавлева кислота, є токсином, який вбиває клітини рослин. Потім патоген харчується цими мертвими клітинами, утворюючи структуру, звану виразкою, яка в кінцевому підсумку «пожирає» дерево.
"За допомогою пшеничного гена з'явиться можливість виробляти фермент, який виводить токсини з цієї кислоти. Він розщеплює його на перекис водню і двоокис вуглецю, дві речовини, які рослина використовує в будь - якому випадку», - говорить Пауелл. - "Таким чином в основному ми забираємо зброю у грибка". Генетично модифіковані, або трансгенні, дерева і є першими у своєму роді. І хоча нові дерева все ще можуть заразитися тією ж хворобою каштанів, яка вбила їх двоюрідних братів більше століття тому, і, можливо, навіть злегка постраждати від неї, дерево виживе.
Через статус генетично модифікованої рослини наступним кроком для посадки дерев у лісах є суворий процес регулювання через Міністерство сільського господарства США, EPA та FDA.
SUNY-ESF представила петицію до Міністерства сільського господарства США в 2020 році, прагнучи скасувати регулювання дерев, щоб посадити їх у дикій природі. Пауелл сподівається, що цей процес завершиться десь у 2023 році. У той же час більше 2000 генетично модифікованих саджанців посаджені на полях, поруч з якими відсутні квітучі рослини, щоб пилок не поширювався в дикій природі. Поки вчені чекають зміни в законодавстві, необхідних для посадки ГМО-дерев у лісах, лабораторія Пауелла та американський фонд каштанів працюють над схрещуванням дерев Дарлінга з ДНК дикого каштана, сподіваючись створити сильніші дерева, які будуть рости по всій країні.
«На відродження американського каштана піде багато грошей, енергії і часу. Ви знаєте, з деревами природа робить це набагато краще. Але природа не може зробити це сама, і нам доведеться надати їй велику допомогу", - говорить Сара Фітцсіммонс. "Це дійсно поетично, що я допомагаю працювати над проектом, який мої предки почали 100 років тому, і моєму потомству потрібно ще 100 з гаком років, щоб закінчити його».
Також читайте:
- Удобрення калієм підвищує стійкість картоплі до посухи для розширення географії виробництва
- Вчені за допомогою редагування генома зробили ячмінь стійким до передчасного проростання
- Рослини навчили виробляти феромони, які захищають їх від шкідників
- Додавання мінералів при зрошенні може знизити вміст токсичних елементів в ґрунтах