Восстановлению американского каштана помогают молекулярные генетики
Усилия по возвращению американского каштана в экосистему лесов Северной Америки прогрессируют, хотя и медленнее, чем ожидалось. Исследователи из Колледжа сельскохозяйственных наук Университета Пенсильвании сообщают, что работа достигла переломного момента.
27-летняя программа традиционной селекции, направленная на внедрение устойчивости к фитофторозу от китайского каштана в американский, получает поддержку от молекулярных генетиков из Пенсильвании и пяти других университетов. Параллельно с классической селекцией ведутся исследования в области генетической модификации и биоконтроля грибка-возбудителя.
"Сейчас мы на перепутье, где все три методики могут быть объединены для создания более устойчивого результата", — говорит Сара Фитцсиммонс, директор по восстановлению Фонда американского каштана (The American Chestnut Foundation). — "Объединив успехи в генной модификации, гиповирулентности и традиционной селекции, мы приближаемся к восстановлению устойчивого к болезням дерева".
Фитофтороз, уничтоживший популяцию американского каштана на 180 миллионах акров в первой половине XX века, вызван грибком, случайно завезенным из Азии. Это одна из худших экологических катастроф в США.
"Мы не учли в наших оценках, сколько времени займет отбор наиболее устойчивых саженцев после получения орехов", — объясняет Фитцсиммонс. — "Когда мы сажаем деревья последнего поколения, только 1% имеют нужный уровень устойчивости и характерные черты американского каштана. Из 27 000 деревьев лишь около 270 соответствуют требованиям".
В саду Арборетума Пенсильванского университета и на исследовательских фермах в Вирджинии растут деревья последнего поколения с наибольшей устойчивостью. Весной исследователи провели контролируемое опыление выбранных деревьев, чтобы преодолеть ключевую проблему: пыльца от неустойчивых деревьев загрязняет генофонд.
"Когда мы собирали орехи от свободного опыления, в потомстве было слишком много восприимчивых деревьев из-за "облака" пыльцы", — говорит Фитцсиммонс. — "В этом году мы взяли лучшие экземпляры и провели контролируемое опыление. Оно дает на 50% меньше орехов, но это будет настоящая проверка возможного уровня устойчивости в этой популяции".
Программа фонда началась в 1989 году, Пенсильванский университет присоединился в 1997-м. В 2004 году профессор молекулярной генетики Джон Карлсон начал изучать молекулярные основы устойчивости. Его лаборатория выявила несколько потенциальных генов устойчивости, сравнивая экспрессию генов в пораженных тканях американского и китайского каштана.
С 2009 года при финансировании Forest Health Initiative Карлсон руководит проектом по секвенированию и характеристике всего генома устойчивого китайского каштана-донора, чтобы идентифицировать все гены устойчивости. Сейчас он сотрудничает с генетиками из Университета Кентукки, Клемсонского университета, Вирджинского политехнического института и других учреждений.
"Мы хотим перенести гены устойчивости из китайского каштана в американский и выяснить, какие комбинации генов дают лучший результат", — говорит Карлсон. — "Это крайне сложно, потому что задействовано более нескольких генов, и мы еще не определили самые важные. Устойчивость — не признак одного гена, поэтому нужно тестировать множественные комбинации, что требует времени".
Если биотехнологи создадут генетически модифицированный, устойчивый американский каштан, действующие федеральные правила ограничат распространение растений. По оценкам, на дерегуляцию продукта государственными органами уйдет около пяти лет.
"Мы ожидаем исследовательские посадки ГМО-деревьев в течение следующих двух лет", — отмечает Фитцсиммонс. — "Хотя ГМО не может свободно опыляться по текущим правилам, такой каштан дает отличный шанс получить устойчивую форму".
Фонд также планирует вскоре применить биоконтроль, разработанный патологами из Университета Западной Вирджинии и Университета Мэриленда. Метод заключается в заражении грибка-возбудителя вирусом, который ослабляет его и снижает вирулентность.
"Сейчас мы фокусируемся на трех "Б" для восстановления каштана: селекция (Breeding), биоконтроль (Biocontrols) и биотехнология (Biotechnology)", — говорит Фитцсиммонс. — "Это дает нам больше инструментов для борьбы с грибком".
Даже если все инициативы увенчаются успехом, на возвращение каштанов в их прежний ареал от Мэна до Флориды может уйти век или больше. Исследования естественного возобновления в Мэне и Вермонте показывают, что для укоренения популяции каштанов под лесным пологом требуется не менее 20 лет.
"Чтобы увидеть естественно восстанавливающуюся популяцию, занимающую свою экологическую нишу, потребуется не менее 50 лет после посадки орехов от действительно устойчивых деревьев", — заключает Фитцсиммонс.
Как подчеркивает профессор лесной биологии Ким Штайнер, усилия по реинтродукции каштана грандиозны, поскольку это, вероятно, самая сложная и долгосрочная попытка спасения вида растений. Селекция на устойчивость сама по себе сложна, но в данном случае требуется перенос генов от одного вида к другому с сохранением генетического разнообразия исходного вида.
"«Садоводческого» решения — одного успешного клонируемого генотипа — недостаточно, потому что мы пытаемся восстановить вид в дикой природе, где он должен выживать, размножаться и эволюционировать самостоятельно", — говорит Штайнер. — "Примечательно, что этот проект выполняется небольшой некоммерческой организацией с помощью тысяч волонтеров. К счастью, работа фонда стимулировала миллионы долларов на исследования таких сотрудников, как Джон Карлсон, что значительно помогло прогрессу".