Генетическое исследование гигантских вечнозеленых деревьев раскрывает механизмы устойчивости к вредителям

Новое исследование группы гигантских вечнозеленых деревьев помогает ученым понять, почему некоторые деревья способны выживать при нашествии насекомых-вредителей. Полученные данные могут помочь лесоводам выводить деревья с устойчивостью, необходимой для противостояния новым угрозам здоровью лесов.

Объектом изучения стала ель ситхинская — прибрежный гигант, который может жить сотни лет и достигать высоты 300 футов (около 91 м) на западном побережье от Калифорнии до Аляски. Большинство этих деревьев уязвимы для прожорливого вредителя — елового долгоносика, который может замедлять рост деревьев, вызывать деформации и в конечном итоге убивать их.

Однако лесоводы обнаружили небольшую группу елей ситхинских с естественной устойчивостью к этому вредителю. В новом анализе исследователь из Университета штата Северная Каролина изучил закономерности экспрессии генов у устойчивых деревьев, которые могут позволять им противостоять долгоносику. Результаты, опубликованные в журнале Plant-Environment Interactions, могут помочь в селекции устойчивых деревьев.

Как распространена естественная устойчивость к этому вредителю у ели ситхинской?

По словам ведущего автора исследования Джастина Уайтхилла, из-за очень длительного времени смены поколений этим деревьям трудно быстро развивать устойчивость к вредителям и болезням.

Лесные генетики в Британской Колумбии (Канада) заметили небольшую популяцию ели ситхинской, которая хорошо росла даже в зонах с высоким уровнем заражения долгоносиком. Работа по интеграции этих деревьев в селекционную программу для выведения устойчивых сортов ведется десятилетиями. Только недавно начали понимать механизмы этой устойчивости.

Что уже известно о естественной устойчивости этих деревьев?

В начале 2010-х годов было установлено, что специализированный тип клеток — склереиды (каменистые клетки) — является фактором, способствующим устойчивости к еловому долгоносику. В ели ситхинской эти клетки сильно лигнифицированы, то есть очень похожи на древесные клетки, что делает их жесткими и твердыми. Первым признаком, который заметили исследователи, было то, что устойчивые деревья было гораздо труднее резать, а ножи быстрее затуплялись, чем при работе с уязвимыми деревьями. Область, которую резали, как раз совпадала с местом, где долгоносик обитает и завершает свой жизненный цикл. Эта область оказалась заполнена склереидами.

Что показал генетический анализ устойчивости?

Ключевой вывод заключается в том, что устойчивое дерево уже хорошо защищено от долгоносика задолго до атаки. Похоже, что гены уже находятся во «включенном» состоянии, поэтому защитные механизмы присутствуют постоянно, и основной защитой является большое количество склереидов.

Еще одним интересным открытием стало выявление набора генов, принадлежащих грибам, которые постоянно присутствовали как в устойчивых деревьях, так и в уязвимых деревьях, активно атакуемых долгоносиком. Исследователи полагают, что это означает наличие естественного грибного сообщества в устойчивых деревьях и в атакованных уязвимых деревьях. Это ранее не изученное взаимодействие может негативно влиять на выживаемость долгоносиков.

Возможно, существуют дополнительные сложные экологические взаимодействия, требующие дальнейшего изучения. Благодаря новым молекулярным инструментам теперь можно составить более полную картину этой сложной системы.

Были ли сложности в изучении генома ели ситхинской?

Одна из проблем при изучении геномов ели или любого хвойного дерева заключается в том, что их геном в среднем в 7–8 раз больше человеческого и содержит около 21–22 миллиардов пар оснований генетического кода. Мало того, что хвойные имеют огромные геномы, они также содержат чрезвычайно длинные фрагменты генетического кода, которые многократно повторяются по всему геному. Это затрудняет секвенирование сегментов генов.

Генное пространство у хвойных также плохо изучено и определено. В случае с елью ситхинской пришлось основывать выводы на следующем наиболее изученном организме, чтобы понять потенциальные функции генов. Большинство функционально валидированных генов у растений изучены на небольшом горчичном растении Arabidopsis. Функцию генов хвойных определяют, основываясь на генах Arabidopsis.

Почему важно изучать именно эту ель?

Ель ситхинская — прибрежный вид, встречающийся в основном на тихоокеанском северо-западе Канады, в северной части Калифорнии и на побережье Аляски. С экономической точки зрения, ее высаживали как источник древесины по всему побережью Британской Колумбии, но из-за этого вредителя ее использование в посадках сокращалось последние 30 и более лет.

Деревья, использованные в исследовании, происходят из популяции, очень уязвимой к долгоносику. Однако эти деревья растут очень быстро и обладают высоким качеством древесины. Именно из-за быстрого роста и хорошего качества древесины эти деревья были вывезены в Англию в 1800-х годах и теперь составляют основу лесной промышленности Англии.

Конечная цель этого проекта и программы генетики рождественских елей NC State — применение передовых геномных методов и инструментов для понимания того, как деревья переносят стресс, выявления основных механизмов устойчивости и, в конечном итоге, использование новых геномных подходов для быстрого выведения устойчивых к вредителям деревьев и обеспечения их долгосрочного выживания перед лицом растущих угроз здоровью лесов.