Влияние биотехнологии на развитие устойчивых к болезням городских деревьев

Традиционное разведение для устойчивости происходит медленно, часто требуется десятилетия, чтобы произвести новый сорт с приемлемой формой роста и выносливостью. Многие виды деревьев имеют длительное время генерации, и черты устойчивости могут быть сложными, полигенными или переплетенными с нежелательными характеристиками. Биотехнология резко сокращает эту временную шкалу, позволяя ученым вводить известные гены устойчивости от других видов или точно редактировать собственный геном дерева, чтобы активировать скрытые защитные пути.

Как биотехнология меняет процесс разведения деревьев

Современные биотехнологические подходы к резистентности деревьев делятся на четыре основные категории: генетическая модификация (трансгенез), редактирование генов (мутагенез, направленный на сайт), селекция с помощью маркеров (MAS) и РНК-интерференция (РНКи). Каждый метод нацелен на различные аспекты взаимодействия хозяина с патогеном, от повышения иммунной системы дерева до подавления генов вирулентности в самом патогене.

Генетическая модификация (трансгенез)

Генетическая модификация предполагает вставку гена из другого организма в геном дерева, чтобы придать ему новую черту. Одним из наиболее убедительных примеров является развитие устойчивых к вредителям американских каштановых деревьев. Ученые из Государственного университета Нью-Йоркского колледжа экологических наук и лесного хозяйства (SUNY-ESF) и Американского фонда каштана ввели ген из пшеницы, который производит фермент оксалатоксидазу (OxO). Этот фермент расщепляет щавелевую кислоту, ключевое оружие, используемое грибком каштанового покрова для уничтожения древесной ткани. Полученные трансгенные каштановые деревья показывают высокий уровень устойчивости без каких-либо существенных изменений в их росте или экологических взаимодействиях. Полевые испытания подтвердили, что модифицированные деревья могут выжить и процветать в присутствии гриба, который убил миллиарды их предков.

Аналогичные трансгенные подходы изучаются и для других видов деревьев. Например, тополя были спроектированы с генами устойчивости к насекомым (]Bacillus thuringiensis токсины) для уменьшения повреждения от листовых жуков, которые часто являются переносчиками вторичных грибковых инфекций. В городских условиях разрабатываются трансгенные вязы с повышенной устойчивостью к голландской вязовой болезни, с целью восстановления культового американского вяза на городских улицах.

Внешняя ссылка: Узнайте больше об американском проекте исследований и восстановления каштана в SUNY-ESF.

CRISPR-Cas9 и генная редакция

Инструменты редактирования генов, в частности CRISPR-Cas9, позволяют исследователям вносить точные изменения в собственную ДНК дерева без введения чужеродного генетического материала - различие, которое может облегчить проблемы регулирования и общественного признания. Отключая ген восприимчивости (ген, который патоген захватывает, чтобы вторгнуться в растение) или изменяя регуляторную последовательность, чтобы увеличить экспрессию защитного гена, ученые могут создать устойчивые сорта, которые по существу неотличимы от традиционно выведенных деревьев на уровне ДНК.

CRISPR успешно применяется к нескольким видам деревьев. В тополе исследователи отредактировали ген, участвующий в биосинтезе лигнина, для повышения устойчивости к болезням, а также для повышения свойств древесины. В яблоке (обыкновенное городское фруктовое дерево) CRISPR использовался для создания устойчивости к огненной грязи, разрушительному бактериальному заболеванию. Для городского лесного хозяйства способность редактировать гены устойчивости к болезням клещей, порошковой плесени и грибам корневой гнили предлагает быстрый путь к улучшенным сортам.

Маркер-ассистированный отбор

Маркер-ассистированный отбор (MAS) сам по себе не является методом генной инженерии, но это биотехнологический инструмент, который ускоряет традиционное разведение. Путем идентификации ДНК-маркеров (таких как SNP или микроспутники), которые тесно связаны с генами устойчивости, селекционеры могут отбирать тысячи саженцев в лаборатории и выбирать только те, у которых есть желаемые аллели, пропуская длительный процесс выращивания деревьев до зрелости, чтобы проверить на устойчивость. MAS был использован в программах разведения для голландской устойчивости к вязу, где цель состоит в том, чтобы объединить устойчивость от азиатских видов вязов с желательной формой роста американских или европейских вязов.

РНК-интерференция

РНК-интерференция (РНКи) является механизмом, который использует двухцепочечную РНК для подавления конкретных генов. Исследователи могут применять РНК-конструкции к деревьям, чтобы вызвать деградацию вирусной или грибковой РНК внутри хозяина, эффективно обезоруживая патоген. Этот метод исследуется для борьбы с вирусами, которые вызывают заболевания мозаики листьев в городских деревьях и для нацеливания на грибковые патогены, такие как Фузариум . РНКи также могут быть сконструированы в геном дерева, чтобы обеспечить конститутивную резистентность, или он может быть применен в качестве местного спрея — экологически чистой альтернативы химическим фунгицидам.

Тематические исследования биотехнологических устойчивых к болезням деревьев

Успехи и продолжающиеся испытания биотехнологических деревьев дают ощутимые доказательства потенциала этой технологии. Три тематических исследования выделяются своей актуальностью для городского лесного хозяйства.

Американский каштан: флагманская реставрационная работа

Как упоминалось ранее, трансгенный американский каштан, пожалуй, самый яркий пример. Помимо гена OxO, исследователи также исследовали укладку нескольких генов устойчивости для создания долговременной устойчивости. Линия каштанов Darling 58 (названная в честь основателя проекта) была представлена для регуляторного обзора Министерством сельского хозяйства США, EPA и FDA. Если она будет одобрена, эти деревья могут быть доступны для восстановления посадки в городах и лесах. Проект демонстрирует, что биотехнология может не только спасти вид от функционального вымирания, но и восстановить ключевое дерево, которое обеспечивает огромную экологическую и культурную ценность.

Вязы: Победа над вековой болезнью

Голландская болезнь вязов (DED) уничтожила десятки миллионов вязов в городских ландшафтах. Обычная селекция произвела умеренно устойчивые сорта, такие как «Принстон» и «Валли Фордж», но генетическая модификация обещает еще более сильную, более широкую устойчивость. Исследователи из Университета Торонто и других учреждений вставили гены антимикробных пептидов от насекомых и других растений в вязовую ткань. Полевые испытания в Нидерландах и США показывают, что трансгенные вязы могут пережить прививку DED с минимальными симптомами. Если эти деревья станут коммерчески доступными, города могут снова посадить величественные вязы в форме вазы вдоль бульваров без страха быстрой смерти.

Внешняя ссылка: Прочитайте научную статью о трансгенной устойчивости вязов к голландской болезни вязов (Nature Publishing) .

Ash Trees: сопротивление размножению изумрудного аша

В то время как изумрудный пепел-борер (EAB) является насекомым, его повреждение предрасполагает к вторичным грибковым инфекциям и отмиранию. Биотехнология используется для разработки золы, устойчивой к EAB, путем включения генов, которые производят белки, токсичные для личинок жуков. Хотя еще не развернуты в городах, испытания в Миннесоте и Огайо показывают перспективы. Сочетание устойчивости насекомых с повышенной толерантностью к пеплу патогенов может привести к новому поколению устойчивой городской золы.

Экологические и экономические выгоды

Принятие биотехнологических устойчивых к болезням деревьев в городских условиях приносит множество преимуществ, помимо предотвращения смертности деревьев.

• Сокращение использования пестицидов: Химические фунгициды и инсектициды являются дорогостоящими и могут нанести вред опылителям, птицам и почвенным микробам. Устойчивые деревья требуют меньшего количества обработки, снижая как загрязнение окружающей среды, так и муниципальные бюджеты.
• Более низкие затраты на замену: Зрелое городское дерево обеспечивает ежегодные выгоды (фильтрация воздуха, перехват ливневых вод, хранение углерода) стоимостью в сотни долларов. Замена большого дерева небольшим саженцем приводит к десятилетиям потерянных услуг. Устойчивые к болезням деревья, которые живут дольше, максимизируют эти экономические и экологические доходы.
• Улучшенная секвестрация углерода: Здоровые, долгоживущие деревья хранят больше углерода, чем деревья, которые умирают преждевременно. С городами, стремящимися к чистым нулевым выбросам, каждое дерево, которое выживает дополнительные 20 лет, вносит измеримый вклад.
• Усиление биоразнообразия городов: Разнообразные, устойчивые посадки деревьев поддерживают больше дикой природы. Вспышки заболеваний, которые уничтожают один вид (например, вяз или пепел), уменьшают общее разнообразие навесов, делая весь городской лес более уязвимым для будущих угроз.
• Лучшее смягчение жары: Большие, здоровые деревья обеспечивают больше тени и эвапотранспирационное охлаждение, чем стрессовые или умирающие деревья.В условиях потепления климата сохранение древесного полога является экономически эффективной стратегией адаптации.

Проблемы и этические соображения

Несмотря на обещание, биотехнологии в городском лесном хозяйстве не лишены противоречий.Ученые, регуляторы и граждане должны решить несколько критических вопросов.

Генный поток и экологические риски

Пыльца из модифицированных деревьев может передавать гены устойчивости диким родственникам, потенциально создавая гибридное потомство с непреднамеренными инвазивными чертами. Например, модифицированный тополь с повышенной устойчивостью к вредителям может вытеснить местных тополей в природных районах. Исследователи смягчают этот риск путем инженерной стерильности (например, с использованием цветочных промоторов, которые предотвращают цветение) или путем выбора видов с ограниченными дикими родственниками в области выпуска. Долгосрочный мониторинг необходим для обнаружения любых непредвиденных экологических сдвигов.

Регуляторные проблемы

В большинстве стран генетически модифицированные деревья подвергаются строгому надзору. В Соединенных Штатах Служба инспекции здоровья животных и растений Министерства сельского хозяйства США (APHIS) оценивает экологические риски; EPA оценивает характеристики, связанные с пестицидами; и FDA рассматривает безопасность пищевых продуктов, если дерево производит съедобные плоды. Многопрофильный обзор может занять годы и стоить миллионы, создавая барьер для небольших исследовательских программ или усилий государственного сектора. Упорядоченные, но строгие рамки, которые отличают генно-редактированные от трансгенных деревьев, могут ускорить принятие без ущерба для безопасности.

Внешняя ссылка: USDA APHIS Biotechnology Regulatory Services.

Общественное восприятие и принятие

Общественный скептицизм в отношении генетически модифицированных организмов (ГМО) распространяется и на деревья. Городские жители могут беспокоиться о непреднамеренном воздействии на здоровье человека, особенно если деревья посажены вблизи домов или школ. Прозрачная коммуникация, демонстрационные участки и вовлечение общин в процесс отбора могут укрепить доверие. Опыт работы с другими ГМ-культурами показывает, что принятие возрастает, когда ощутимые выгоды очевидны и когда риски открыто обсуждаются. Городские программы лесного хозяйства должны сотрудничать с службами распространения и университетскими исследователями для предоставления точной, доступной информации.

Будущее городского лесного хозяйства с биотехнологиями

В следующем десятилетии, вероятно, будет наблюдаться волна биотехнологических сортов деревьев, входящих в городские ландшафты. Исследования сосредоточены на укладке нескольких признаков устойчивости (например, устойчивости к нескольким грибковым патогенам плюс насекомому-вредителю) для создания надежных, прочных решений. Достижения в секвенировании генома показывают новые гены восприимчивости и устойчивости у многих видов деревьев, обеспечивая растущий набор инструментов для заводчиков и инженеров.

Помимо устойчивости к болезням, биотехнология может также улучшить другие важные для городской среды черты: повышенную толерантность к солености (от солей, очищающих от обледенения дороги), улучшенную ветвящуюся архитектуру, которая уменьшает ущерб от шторма, и даже измененные черты листьев, которые уменьшают производство аллергенной пыльцы. Комплексные подходы, которые сочетают генетические улучшения с лучшим выбором участка, управлением почвой и интегрированным управлением вредителями, дадут самые здоровые городские леса.

Внешняя ссылка: Исследования лесной службы США по биотехнологии в области улучшения состояния городских деревьев .

Заключение

Биотехнология не является панацеей от всех болезней городских деревьев, но она является мощным и быстро созревающим инструментом. От трансгенного американского каштана, который вскоре может вернуться в городские парки, до генно-редактированных вязов, которые твердо стоят против голландской вязкой болезни, очевидно: теперь мы можем спроектировать сопротивление быстрее, чем когда-либо прежде. В то же время мы должны действовать осторожно - оценивать экологические риски, привлекать общественность и обеспечивать справедливость, чтобы все сообщества извлекали выгоду из более здоровых, более устойчивых городских деревьев. При продуманном развертывании биотехнология будет играть центральную роль в создании устойчивых, зеленых городов двадцать первого века. Деревья, которые затеняют наших внуков, вполне могут быть обязаны своим выживанием лабораторному прорыву, который произошел сегодня.