Отслеживание нового патогена, убивающего буковые леса
В лесу в Джерико одинокий бук возвышается в пологе леса — реликт ушедшей эпохи. По счастливой случайности или (будем надеяться) благодаря генетике, это могучее дерево избежало заражения буковой корковой болезнью — смертельным грибковым патогеном, убивающим зрелые буки. И оно стоит рядом с очагом, где новый патоген, болезнь буковых листьев (ББЛ), распространяется по лесам Вермонта.
«Бук здесь часто встречается в виде подроста... но если посмотреть вглубь леса, он не так уж распространен в верхнем ярусе», — говорит Джесс Викл, доктор философии '24, лектор по лесному хозяйству и менеджер Исследовательских лесов Университета Вермонта. «На то есть причина».
В конце 1800-х годов буковая корковая болезнь прибыла в Новую Шотландию и медленно распространилась по лесам Северо-Востока. К 1960-м годам она стала преобладать в Вермонте. Болезнь вызывается заражением крошечной щитовкой, которая вносит грибковую инфекцию в сосудистую ткань дерева. Когда-то гладкая кора бука становится покрытой язвами. Хотя болезнь прогрессирует медленно, по оценкам, от нее в конечном итоге погибает от 50 до 90% зрелых буков.
«Определенно стало намного меньше больших деревьев, чем раньше, — говорит Викл, — но все еще есть деревья, которые долгое время сопротивлялись бурой корковой болезни».
Буки, которые все же погибают, часто перед смертью выпускают серию корневых побегов, превращая лес из больших деревьев в заросли подроста. Болезнь буковых листьев другая. Она, кажется, распространяется быстрее, и первыми погибают молодые буки.
«Болезнь буковых листьев действительно пугает, потому что если она поражает эти деревья, то мы теряем наши будущие источники семян», — говорит Викл.
ББЛ впервые появилась в США в Огайо около десяти лет назад, вероятно, через зараженный посадочный материал из Азии, и неуклонно расширялась по восточным лесам. В пяти округах Вермонта подтверждены вспышки, причем Исследовательский лес в Джерико является самой северной точкой. Поэтому одним утром в конце июня Викл и два стажера по лесному хозяйству из UVM встретились с учеными из Департамента лесов, парков и отдыха Вермонта, чтобы нанести на карту новые заражения.
«Мы не знаем, как распространяется болезнь буковых листьев, — объясняет Саванна Феррейра, лесной патолог штата. — Основная гипотеза заключается в том, что это ветер — а это нехорошо».
Отслеживание нового лесного патогена
Прошлой весной Викл занималась обслуживанием троп в Исследовательском лесу в Джерико, когда, потянувшись за веткой, увидела темные полосы на листе — характерный первый признак болезни буковых листьев.
«Когда видишь это, это очень характерный симптом», — говорит она.
Болезнь вызывается микроскопической нематодой, которая разрушает мезофилл листьев, где происходит фотосинтез. Это становится хроническим состоянием, которое деформирует структуру листа, постепенно обрекая деревья на голодную смерть.
«Когда она появилась в исследовательском лесу, я подумала: "Это ужасно!" — говорит Викл. — Но также, если [болезнь буковых листьев] должна была где-то появиться, то хорошо, что это здесь, и мы можем ее изучать».
Она и команда студентов UVM вместе с государственными и федеральными лесоводами, включая Кэмерона Макинтайра, фитопатолога из Лесной службы США в Нью-Гэмпшире, нанесли на карту масштабы вспышки прошлой осенью. Он собрал образцы листового опада и почвы, чтобы измерить скорость распространения инфекции с течением времени и определить, присутствует ли нематода в почвах до появления визуальных симптомов на деревьях.
«Мы хотим поймать границу [распространения]», — объясняет Феррейра.
Лесная служба годами отслеживает прогрессирование болезни буковых листьев и финансирует исследовательские проекты по поиску потенциальных методов лечения и контроля для деревьев в ландшафтных и лесных условиях. Хотя некоторые меры, такие как внесение удобрений и инъекции, показали определенные перспективы, они не масштабируемы для лесных насаждений — по крайней мере, пока. Но, несмотря на неопределенный прогноз, Макинтайр не сдается.
«Мы очень мало знаем о том, как ББЛ повлияет на долгосрочное выживание, — написал он в электронном письме. — Похоже, что американский бук имеет очень мало естественной устойчивости к ББЛ, и для обеспечения здоровых лесов в будущем может потребоваться вмешательство человека».
Картирование распространения
Неподготовленному глазу легко пропустить болезнь буковых листьев. Иногда полосатость проявляется только на одном листе на ветке. Но обрезка деревьев не обязательно является жизнеспособным методом управления.
«Нематоды не видны человеческому глазу, — говорит Викл. — Так что, просто потому что вы их не видите, не значит, что их там нет».
Она беспокоится, что болезнь станет проблемой в таких местах, как северный Вермонт, где бук — единственное дерево, дающее мачтовый урожай (большое количество орехов) для таких видов, как медведь, олень и индейка, по всему северу Новой Англии.
«Здесь, в округе Читтенден, есть дуб в качестве резерва и гикори», — говорит Викл.
Управление зараженными лесами
Люди замечают, когда лесной пожар уничтожает лес. Но буки могут жить годами после заражения болезнью буковых листьев. Этот временной лаг может снизить ощущение срочности проблемы, объясняет Тони Д'Амато, профессор лесного хозяйства в Школе окружающей среды и природных ресурсов Рубенштейна и директор программы лесного хозяйства.
Но этот медленно движущийся убийца также дает ученым шанс изучить его и разработать планы управления. Например, следует ли сажать дополнительные виды мачтовых деревьев для поддержки дикой природы? Ждать ли появления устойчивых к болезни буков? Удвоить ли усилия по поиску методов лечения?
Д'Амато изучает стратегии адаптации лесов в эпоху быстрых изменений, поскольку многие леса нагреваются значительно быстрее, чем деревья могут естественным образом расширить свой ареал за счет распространения семян. Проекты Д'Амато включают тестирование методов помощь миграции, например, посадку видов чуть за пределами их исторического ареала или на новых участках в пределах их существующего ареала, чтобы изучить, как они справляются по мере потепления мира.
«Мы часто смотрим на то, как создать избыточность для поддержания функций леса, — говорит Д'Амато. — Разнообразные леса более устойчивы, когда происходят нарушения, и по восточным стандартам леса Вермонта разнообразны — здесь более 30 видов деревьев».
«Нам повезло, что у нас уже есть колода с более чем двумя картами», — говорит Д'Амато. По мере распространения болезни буковых листьев он предостерегает от действий просто ради действий. Сейчас время «наблюдать и узнавать как можно больше», говорит он. «Ни одно дерево не застраховано от бензопилы».
Приближаясь к проблеме
Крошечная нематода, стоящая за этим огромным беспорядком, остается загадкой. Ученые обнаружили, что нематода может выживать под снежным покровом, и ее находили внутри насекомых, в птичьем помете и в ловушках для спор. Хотя все больше данных свидетельствует о том, что нематода переносится ветром и водой, она может перемещаться за пределы переднего края распространения с птицами или на подошве обуви туриста. Ник Афлитто, доцент кафедры здоровья леса в UVM, стремится лучше понять эту микроскопическую угрозу.
Нематоды не обладают хорошим зрением или способностями к акустической сигнализации, говорит Афлитто.
Изучение того, как этот вид нематод использует химическую сигнализацию для поиска буков в лесу, также может помочь остановить их. Афлитто изучает полухимическую сигнализацию, например, феромоны, которые выделяют муравьи, когда находят источник пищи. В зависимости от сигнала, соединения могут открывать путь или действовать как предупреждающие знаки об опасности. Растения тоже так делают.
Подумайте о запахе скошенной травы, — объясняет Афлитто. Листья, объеденные животными или насекомыми, производят запах, чтобы близлежащие растения повысили свои защитные системы.
«Есть огромный потенциал для использования этого против инвазивных видов, — говорит он. — Но сначала нам нужно уметь их обнаруживать».
Весной Афлитто начал прикреплять к больным букам маленькие резиновые ловушки, пропитанные химическими соединениями, чтобы привлечь нематоду и больше узнать о ее поведении. Его лаборатория использует искусственный интеллект для прогнозирования новых средств биоконтроля, которые могут ускорить разработку методов борьбы с возникающими лесными вредителями.
«Мы давно манипулируем "запаховым ландшафтом", — говорит Афлитто. — Это работает».
Использование химических соединений для привлечения или отпугивания инвазивных видов сопряжено с меньшим риском побочных эффектов, чем использование биологических средств контроля, таких как внедрение другого вида в экосистему для поедания инвазивного.
«Хотя мы становимся лучше в этом, мы видели, как это идет не так снова и снова», — говорит Афлитто.
Сохраняя надежду
Вернувшись в Исследовательский лес в Джерико, команда по картированию собирается в эпицентре вспышки. Они поднимаются в гору, чтобы исследовать весенний водоем, который Феррейра отметила год назад как интересное место.
«Кажется, у меня здесь есть один», — говорит Мак Гэмаш, студент старшего курса, осматривая ветку. Феррейра заносит точку в телефон и движется дальше. Лес быстро наполняется хором голосов, подтверждающих больные деревья. Мы находимся недалеко от периметра первоначальной вспышки, но каждое положительное определение дается тяжело.
Гэмаш и Эли Готтман, студент младшего курса, недавно измерили посадку каштанов, посаженных более десяти лет назад в рамках исследовательского проекта по изучению того, как посаженные саженцы выживают в дикой природе. Около трети из 400 посаженных погибли, говорит Гэмаш.
«Но было много выживших, — говорит Гэмаш. — Это очень обнадеживающее чувство».
Эта информация однажды может помочь лесоводам вновь заселить восточные леса каштанами, устойчивыми к фитофторозу.
«Это один кусочек головоломки», — говорит Викл.
Феррейра надеется, что следующие несколько лет принесут еще больше.
Когда впервые появился изумрудный ясеневидный узкотел, это было тревожно из-за того, как мало ученые знали о проблеме, говорит она. «Но теперь у нас есть средства биоконтроля для него; у нас есть химические средства контроля. Мы знаем, как управлять ясенем в лесу. Мы знаем, что есть сохранившиеся естественно устойчивые ясени. Думаю, будет шоком, когда мы получим эту первую волну распространения [болезни буковых листьев], но я сохраняю надежду, что мы многому научимся в ближайшие пару лет».
Есть и светлые стороны. Вермонт был последним штатом Новой Англии, где сообщили о болезни буковых листьев. Возможно, существуют защитные факторы, которые ученые еще не раскрыли. И хотя исторически бук не является любимым деревом из-за его экономической выгоды, он имеет высокую экологическую ценность.
«У них есть своя сеть грибов и диких животных, которые от них зависят, — говорит Феррейра. — Это действительно ощущается как много мрака и уныния, но за этим вредителем следят многие глаза. Я сохраняю надежду, что бук сохранится».