Генетическое поведение раскрывает причину гибели тополей, важных для экосистем и промышленности

Учёные, изучая ценный, но уязвимый вид тополя, определили генетический механизм, ответственный за неспособность вида противостоять распространённому смертельному заболеванию. Их открытие, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, может привести к созданию более успешных гибридных сортов тополя для увеличения производства биотоплива и лесной продукции, а также защитить дикорастущие деревья от заражения.

Исследовательская группа под совместным руководством Национальной лаборатории Ок-Ридж Министерства энергетики США и Университета штата Орегон в партнёрстве с Объединённым институтом генома DOE и Университетом Джорджии проанализировала генетический ответ чистопородных чёрных тополей (Populus trichocarpa), заражённых патогеном Septoria.

Septoria вызывает неизлечимые язвы (раны) на поверхности ствола и ветвей и убивает деревья на ранних стадиях цикла роста.

"С 1900-х годов промышленность пыталась выращивать гибридные сорта тополя — включая те, что получены скрещиванием восточного тополя и чёрного тополя — чтобы получить более быстрорастущее дерево, и их озадачивала ранняя гибель гибридизированных тополей, выращиваемых во многих частях США", — сказал Веллингтон Мучеро, ведущий автор исследования из Центра инноваций в биоэнергетике ORNL.

Гибридные сорта экономически ценны, так как могут расти до трёх раз быстрее, чем чистые виды. Если гибридные тополя выживут, они могут резко увеличить производство высокоценных биоматериалов, биотоплива и лесной продукции, такой как целлюлоза и бумага, пиломатериалы и шпон.

Чёрные тополя произрастают в речных системах на тихоокеанском северо-западе США, где Septoria пока не представляет угрозы.

"Наше исследование показало двойной удар по чёрным тополям, — сказал Мучеро, специалист по взаимодействию растений и микробов. — Поскольку патоген не распространён в его родном регионе, эти деревья позволили своим генетическим механизмам сопротивления разрушиться без последствий".

"Удивительно, но мы обнаружили, что ген, вызывающий восприимчивость, широко распространён по всему ареалу вида, — сказал Джаред М. ЛеБолдус, старший автор и доцент кафедры лесной патологии Университета штата Орегон. — Эта деградировавшая устойчивость и сохранившаяся восприимчивость могут быть пагубными для экосистемы, если Septoria будет занесена на тихоокеанский северо-запад".

Чтобы картировать генетическое поведение чёрного тополя, учёные из Университета штата Орегон оценили более 3000 отдельных деревьев, используя комбинацию цифровой визуализации и измерений степени тяжести заболевания на восприимчивость к язве Septoria.

Учёные ORNL использовали вычислительные ресурсы в сочетании с секвенированием генома и профилированием более тысячи геномов, предоставленных Объединённым институтом генома DOE, что помогло идентифицировать гены устойчивости и восприимчивости у каждого отдельного чёрного тополя. Затем команда искала связи между набором данных из 28 миллионов известных мутаций и генетическими профилями тополей, чтобы проверить, какие деревья соответствуют тем, которые, как прогнозировалось, будут устойчивы или восприимчивы к Septoria.

"Из этих миллиардов вычислений мы нашли мутации, которые последовательно коррелируют либо с устойчивостью, либо с восприимчивостью к болезни, — сказал Мучеро. — В ORNL мы можем показать, что наши результаты подтверждаются в реальных полевых условиях, и что большинство чёрных тополей с западного побережья не могут противостоять патогену Septoria".

Тем не менее, результаты также выявили отдельные деревья, устойчивые к болезни, которые могут быть использованы для создания устойчивых гибридов для коммерческого производства, а также для разработки стратегий вмешательства для защиты экосистем тихоокеанского северо-запада от распространения Septoria.

Мучеро и ЛеБолдус заявили, что это исследование поддерживает вызов, брошенный специальным комитетом Национальных академий наук, инженерии и медицины, по изучению потенциала биотехнологий для решения проблем здоровья лесов.

"Генетические исследования могут помочь учёным и лесным экспертам подготовиться к ситуации, когда патоген проникает в экосистему без предупреждения, и развернуть методы для инокуляции и потенциального спасения вида, находящегося под угрозой исчезновения", — добавили они.