新的基因工程美国板栗将有助于恢复被毁坏的标志性树木

美国板栗树曾是东部落叶林中最雄伟的硬木树之一，其中许多树高达80至120英尺，直径8英尺或更高。Thoreau在瓦尔登(Walden)写过的“无边无际的板栗树林”曾经在阿巴拉契亚山脉中长大。它们为野生动物提供栖息地和肥料作物，为人类提供营养丰富的坚果作物，并提供有价值的木材来源。由于它们的快速生长速率和抗腐蚀木材，它们还具有显着的碳固存潜力，这在气候变化的这些日子里非常重要。

该物种有一个悲伤的故事要讲述。在从缅因州到格鲁吉亚的大约40亿美国板栗树中，只剩下一个残余的生存。

该物种几乎被栗树枯萎病消灭，这是一种由外来真菌病原体Cryphonectria parasitica引起的毁灭性疾病。一个世纪以前，当人们开始进口亚洲栗子时，这种真菌被意外地引入美国。它将美国板栗从东部森林中的优势冠层物种减少到仅仅是一种罕见的灌木。

在与枯萎病作斗争超过一个世纪之后，研究人员正在使用现代的育种工具，生物控制方法，这些方法依赖于抑制感染真菌生长的病毒，并直接进行遗传修饰以使美国栗子恢复其关键位置在我们的森林里。要恢复这棵心爱的树，我们需要所有可用的工具。经过26年的研究，一个由100多名大学科学家和学生组成的团队在非营利性的美国板栗研究和恢复项目中进行了研究，但我们终于开发了一种无害的，抗枯萎的美国板栗树。

一个基因调整

我的研究合作伙伴Chuck Maynard博士和我在纽约州立大学环境科学与林业学院(ESF)的一个团队合作，其中包括高中生，本科生和研究生，博士后研究员，其他机构和志愿者的同事。我们的工作重点是直接基因改造或基因工程，作为恢复美国板栗的一种方式。

抗枯萎美国板栗的下一步

任何其他遗传修饰方法都没有面临的基因工程挑战之一也可以起到保障作用。我们必须通过美国农业部，环境保护局和食品和药物管理局的联邦监管审查来牧养这些树木。我们的计划是在完成收集必要数据后提交这些申请; 我们预计这个过程需要三到五年。一旦我们收到(预期)批准，我们将迅速向公众提供树木。

该项目是独一无二的，因为它是第一个寻求批准转基因植物以帮助拯救物种和恢复森林生态的项目。我们的森林今天面临许多挑战，包括外来害虫和病原体，如Emerald Ash Borer，Helmlock Wooly Adelgid，突然橡树死亡，荷兰榆树病等等。美国栗子可以作为保护森林健康的模范系统。

直接遗传修饰可能不会孤立使用。整合可能会改善美国板栗基金会的传统杂交/回交育种计划和我们的基因工程计划的成果。允许来自两个程序的最佳树之间的杂交将允许基因堆叠 - 在单个树中具有多个和多样的抗性基因 - 每个以不同的方式工作以阻止枯萎病。这将显着降低枯萎病可能克服阻力的机会。这两个程序一起工作还可以为其他重要害虫添加抗性基因，如疫霉菌(Phytophthora)，导致栗子南部严重的根腐病。并且结合方法增加了抗性持久和可靠的机会，这对于健康状况可以存活数百年的树非常重要。

转基因美国板栗树的一个独特方面是它们能够拯救美国板栗树中存活的小群体的遗传多样性。当我们将抗枯萎病的转基因树木直接传给这些幸存的“母亲”树木，直接在野外或从它们采集的坚果中种植并在果园中种植时，我们正在帮助保护剩余的野生基因。

产生的后代的一半将完全抗枯萎，同时还含有来自母树的一半基因。通过进行这些交叉，修复树将在生态上适应它们将生长的各种环境。这些树木也可用于增强杂交/回交育种计划的遗传多样性，或直接用于恢复和自我保护，允许自然选择，以最终确定我们的努力的有效性。

美洲板栗是北美东部森林中最重要的硬木树种之一，它可以再次出现。基因组中的微小变化有望成为美国板栗走上康复之路的重要一步。

我们测试了30多种来自不同植物物种的基因，这些基因可能会增强抗枯萎病性。到目前为止，从面包小麦的基因已经被证明最有效的护树由真菌引起的枯萎病。这种小麦基因产生一种名为草酸氧化酶(OxO)的酶，它可以解毒真菌所使用的草酸盐，在茎上形成致命的溃疡病。这种常见的防御酶存在于所有谷类作物以及香蕉，草莓，花生和数十亿人类和动物每天消耗的其他常见食物中，并且与谷蛋白无关。

我们在栗子基因组中添加了OxO基因(和一个标记基因，以帮助我们确保抗性增强基因存在)，其中包含大约40,000个其他基因。与许多传统育种方法的产品相比，这是微不足道的改变。考虑物种杂交技术，其中添加了数万个基因，以及突变育种，其中诱导了未知突变。基因工程使我们能够生产抗枯萎的美国板栗，其遗传度超过99.999%，与野生型美国栗子完全相同。

基因转移一直在发生

对于一些人来说，这提出了一个问题：不是物种间的基因移动不自然吗?简而言之：没有。这种运动对所有物种的进化至关重要。研究人员发现水平(种间)基因转移发生在自然界甚至在我们自己的身体中。事实上，我们用于将抗枯萎病基因转移到栗子中的同一生物(农杆菌)也永久性地改变了野外的其他植物。例如，今天市场上的所有甘薯品种都是在大约8000年前由这种细菌进行基因改造的。还有另一个合乎逻辑的问题：意外后果会怎样?当然，未定义的问题是不可能回答的，但从逻辑上讲，产生最小变化的方法应该具有最少的意外后果。我们没有观察到非目标转基因效应 - 也就是我们不想要的变化 - 在我们的树木上或与我们的树木相互作用的其他生物体上，例如与有益真菌相关。

无论如何，意想不到的后果并不局限于遗传学实验室。板栗种植者因其栗子杂交育种而产生了意想不到的后果。一个例子是在栗子杂交中看到的内核破坏(IKB)，其是由雄性不育的欧洲/日本杂交种(“巨型”)与板栗交配引起的。通过传统育种混合成千上万个未知相互作用的基因，偶尔会出现不相容的组合或诱导突变，导致IKB或雄性不育等意外结果。

基因工程的一个关键优势是它对原始栗子基因组的破坏性要小得多 - 因此对其生态学上重要的特征也是如此。树木更加真实，不可预见和不必要的副作用的可能性更小。一旦插入这些基因，它们就会成为树木基因组的正常部分，并且就像任何其他基因一样被遗传。他们没有机会转移到其他物种，而不是已经在板栗中的大约40,000个基因中的任何一个。