Патогенный гриб Cryphonectria parasitica (ранее Endothia parasitica ) является представителем Ascomycota ( сумчатые грибы). Этот некротрофный гриб произрастает в Восточной и Юго-Восточной Азии и был завезен в Европу и Северную Америку в начале 1900-х годов. [ 1] Гриб быстро распространился и вызвал значительную потерю деревьев в обоих регионах.
Cryphonectria parasitica — это паразитический гриб каштановых деревьев. Это заболевание стало известно как каштановая гниль . В природе встречается в Юго-Восточной Азии, случайные заносы привели к инвазивным популяциям C. parasitica в Северной Америке и Европе. В первой половине 20-го века грибковое заболевание имело разрушительные экономические и социальные последствия для сообществ на востоке Соединенных Штатов. По оценкам, оно убило четыре миллиарда деревьев; [2] или, по другим подсчетам, 3,5 миллиарда деревьев к 2013 году. [3] Менее серьезные последствия имели место в Европе из-за широко распространенной гиповирулентности , вызванной CHV1 . [4] CHV1 — один из по крайней мере двух вирусных патогенов, которые ослабляют грибок посредством гиповирулентности и помогают деревьям пережить заражение фитофторозом. [5] [6]
Американский каштан ( Castanea dentata ) и американский чинквапин ( Castanea pumila ) очень восприимчивы к каштановой гнили. Европейский каштан ( Castanea sativa ) также восприимчив, но из-за широко распространенной гиповирулентности CHV1 гибель деревьев, вызванная гниением, встречается реже. [7] Грибок может поражать другие виды деревьев, такие как дубы , красные клены , сумахи оленерогие и гикори . [8] После заражения кора этих деревьев также покрывается оранжевыми язвами, но может не погибнуть. Патоген может сохраняться на этих деревьях, производя споры , которые могут заражать другие деревья.
Гриб распространяется аскоспорами , переносимыми ветром , и, на более короткое расстояние, конидиями, распространяемыми брызгами дождя. [9] Инфекция носит локальный характер, поэтому некоторые изолированные американские каштаны выживают там, где в радиусе 10 км (6,2 мили) нет других зараженных деревьев. Почвенные организмы в корневой шейке и корневой системе каштана являются антагонистами грибка. Корни каштана устойчивы к фитофторозу. Следовательно, большое количество небольших американских каштанов все еще существует в виде побегов, растущих из существующих корневых оснований. Однако эти отросшие побеги редко достигают стадии полового размножения, прежде чем надземный рост снова опоясывается грибом. [10] Гриб изначально заражает китайский каштан ( Ca. mollissima ) и японский каштан ( Ca. crenata ). Эти два вида коэволюционировали с патогеном, что делает их наиболее изменчиво устойчивыми к его пагубному воздействию. [11]
В 1904 году каштановая гниль была случайно завезена в Северную Америку. Cryphonectria parasitica была завезена в Соединенные Штаты из Восточной Азии через импорт японских каштанов . Коммерческие селекционные цели мотивировали этот импорт. [12] [13] Заражение американских каштанов C. parasitica одновременно появилось во многих местах на Восточном побережье, скорее всего, из-за японских каштанов, которые стали популярным импортом. [14]
Герман В. Меркель, лесничий в Нью-Йоркском зоологическом саду (зоопарк Бронкса), первым обнаружил зараженные каштаны на территории зоопарка. В 1905 году американский миколог Уильям Мюррилл выделил и описал ответственный грибок (который он назвал Diaporthe parasitica ) и продемонстрировал путем инокуляции здоровых растений , что грибок вызывает болезнь. [15] К 1940 году большинство взрослых американских каштанов были опоясаны болезнью. [14] Потребовалось около 40 лет, чтобы уничтожить почти четырехмиллиардную популяцию американского каштана в Северной Америке. [16] Лишь несколько групп незараженных деревьев остались в Мичигане , Висконсине и на Тихоокеанском северо-западе .
Японские и китайские каштаны [17] могут противостоять заражению C. parasitica . [18] Из-за этой болезни древесина американского каштана почти исчезла с рынка на десятилетия, хотя ее все еще можно получить в качестве вторичной древесины . [19]
Подсчитано, что в некоторых местах, например, в Аппалачских горах , одно из четырех лиственных деревьев было американским каштаном. Взрослые деревья часто росли прямыми и без ветвей на протяжении 50 футов и могли вырасти до 100 футов в высоту с диаметром ствола 14 футов на высоте нескольких футов над уровнем земли. Красновато-коричневая древесина была легкой, мягкой, легко раскалывалась, очень устойчива к гниению, не деформировалась и не давала усадку. В течение трех столетий многие амбары и дома вблизи Аппалачских гор были построены из американского каштана. [20] Его прямослойная древесина идеально подходила для изготовления мебели и шкатулок. Кора и древесина были богаты дубильной кислотой, которая обеспечивала танины для использования при дублении кожи. [21]
Каштаны были важной товарной культурой и источником пищи. Многие местные животные питались каштанами, а каштаны использовались в качестве корма для скота, что позволяло снизить стоимость содержания скота. [22]
Попытки заново заселить каштановые деревья начались в 1930-х годах и продолжаются до сих пор в Массачусетсе [23] и многих других местах [24] в Соединенных Штатах. [25] Выжившие американские каштаны разводятся для устойчивости к фитофторозу, в частности, Американским фондом каштана , который стремится повторно ввести устойчивый к фитофторозу американский каштан в его первоначальный лесной ареал в течение первых десятилетий 21-го века. [26] Японский каштан и китайский каштан , а также каштан Сегина и каштан Генри использовались в этих программах разведения в США для создания устойчивых к болезням гибридов с американским каштаном. [27] Было обнаружено, что китайские каштаны обладают самой высокой устойчивостью к фитофторозу; [17] однако, особи внутри вида китайского каштана могут различаться по устойчивости к фитофторозу. Некоторые особи все еще довольно восприимчивы, в то время как другие по существу невосприимчивы. [28]
Гиповирулентность не распространена в США, и попытки коммерческого внедрения вируса CHV1 не имели большого успеха [ требуется ссылка ] . Хотя CHV1 сохраняется в обработанных деревьях, он не распространяется естественным путем, как в Европе [ почему? ] , что не позволяет ему стать эффективной формой биологического контроля .
В 1938 году каштановая гниль была впервые обнаружена около Генуи . Инфекция быстро распространилась и была обнаружена во Франции в 1946 году, в Швейцарии в 1951 году и в Греции в 1963 году. Совсем недавно она была обнаружена в Великобритании. Из-за генетических различий между популяциями грибов, вероятно, что второе появление каштановой гнили произошло в Грузии и Азербайджане в 1938 году. [29] [30] Грибковые инфекции изначально вызвали массовую гибель деревьев в Европе. Однако в начале 1950-х годов в Италии были обнаружены деревья, которые пережили грибковую инфекцию. На этих деревьях грибок вызвал более поверхностные язвы, которые, по-видимому, заживали. Более мягкий исход инфекции был обусловлен присутствием CHV1, РНК-вируса , который заражает C. parasitica . CHV1 естественным образом распространился по всей Европе, но также распространяется искусственно в качестве меры биологического контроля (особенно во Франции). В настоящее время CHV1 не присутствует в Великобритании, Северной Франции или Восточной Джорджии, но рассматривается возможность его внедрения для биологического контроля. [ необходима ссылка ]
Грибок проникает через раны на восприимчивых деревьях и растет внутри и под корой, в конечном итоге убивая камбий по всему периметру ветки, ветви или ствола. [31] Первым симптомом заражения C. parasitica является небольшая оранжево-коричневая область на коре дерева. Затем образуется вдавленная язва , поскольку мицелиальный веер распространяется под корой. По мере распространения гифы вырабатывают несколько токсичных соединений, наиболее заметным из которых является щавелевая кислота . Эта кислота снижает pH инфицированной ткани с примерно нормальных 5,5 до примерно 2,8, что токсично для клеток камбия. Язва в конечном итоге опоясывает дерево, убивая все выше него. Отличительные желтые усики (циррусы) конидий можно увидеть выталкивающимися во влажную погоду. [32]
Первичные ткани растений, на которые нацелен C. parasitica, — это внутренняя кора, область, содержащая проводящую ткань, и камбий, слой активно делящихся клеток, которые дают начало вторичным сосудистым тканям. В этих тканях патоген образует диффузные язвы, в которых зимует мицелий. [33] Следующей весной сформируются два типа плодовых тел: пикниды , обычно первые, и перитеции . [33] После выпадения осадков пикниды выделяют оранжевые усики конидий, бесполых спор, в то время как перитеции принудительно выбрасывают аскоспоры, половые споры. [33] [34] Попав в воздух, аскоспоры переносятся вихрями ветра к новым хозяевам или заражают другие части того же дерева. [33] Когда насекомые, птицы или другие дикие животные вступают в контакт с язвами, они могут механически переносить конидии к новому хозяину. [33] [34] Кроме того, бесполые споры могут распространяться брызгами дождя. [34] Попав на нового хозяина или новый участок дерева, споры могут прорасти и заразить внутреннюю кору через раны, нанесенные насекомыми, и трещины во внешней коре.
Если язвы продолжают образовываться и разрастаться, грибок может опоясать стебель, прерывая поток питательных веществ и воды к жизненно важным вегетативным тканям. Отсутствие распределения питательных веществ приведет к гибели надземной части дерева. Однако корневая система может выжить. В результате американские каштаны существуют в основном как кустарники, прорастающие из старых, выживших корней. [34] Эти ростки обычно умирают от заражения C. parasitica до достижения половой зрелости.
В Европе в конце 1960-х годов было обнаружено, что штамм C. parasitica был менее вирулентным, способным производить только неглубокие язвы, которые каллусная ткань дерева могла в конечном итоге ограничить и изолировать. Черта гиповирулентности могла быть передана от авирулентного штамма к летальному штамму через анастомоз — слияние гиф. [35] Позднее было обнаружено, что эта ослабленная вирулентность была вызвана заражением миковирусом дцРНК , Cryphonectria hypovirus 1 (CHV1) рода Hypovirus . [36] [4]
Учитывая природу гиповирулентных штаммов, существует большой интерес к их использованию для управления летальными штаммами C. parasitica . В Европе естественное распространение гиповирулентности в популяциях патогенов привело к восстановлению экономически ценных каштанов. [35] К сожалению, в Соединенных Штатах этого не произошло. По сравнению с Европой, в США наблюдается большее разнообразие штаммов C. parasitica . [37] Таким образом, распространение миковируса в американских популяциях C. parasitica сдерживается вегетативной несовместимостью, системой аллорераспознавания , которая подавляет слияние гиф между особями, которые генетически различаются в определенных локусах. [36] [35] Однако в 2016 году были созданы «супермиковирусные донорские штаммы» C. parasitica для преодоления этой системы несовместимости. Это потенциально может быть использовано в качестве метода биологического контроля. [38]
Как упоминалось выше, некоторые почвенные микроорганизмы подавляют C. parasitica . Это можно использовать для лечения язв, используя почвенный компресс, некоторое количество почвы, приложенное к стволу с помощью пластиковой пленки и клейкой ленты вокруг. [4]
В дополнение к биологическому контролю, каштановую болезнь можно контролировать с помощью санитарных мер и химического контроля; однако такие стратегии управления осуществимы только в небольших масштабах, например, в саду. Санитарные меры, такие как обрезка симптоматических ветвей и удаление зараженных деревьев, могут помочь устранить источники заражения и ограничить распространение патогена. [33]
Кроме того, некоторые фунгициды могут быть эффективны в борьбе с этим грибковым заболеванием. Исследование химического контроля каштановой гнили у Castanea sativa , возможно, обнаружило, что внешнее применение как оксихлорида меди , так и карбендазима может снизить уровень заболевания почти на 50%. [39]
Около 2500 каштанов растут на 60 акрах (24 га) около Уэст-Сейлема, штат Висконсин , что является крупнейшим в мире оставшимся насаждением американского каштана. Эти деревья являются потомками тех, что были посажены Мартином Хиксом, одним из первых поселенцев в этом районе. В конце 1800-х годов Хикс посадил менее дюжины каштанов. Посаженные за пределами естественного ареала американского каштана, эти деревья избежали первоначальной волны заражения каштановой гнилью, но в 1987 году ученые обнаружили гниль и в этом насаждении. Существует программа по возвращению американского каштана в восточные леса, финансируемая Американским фондом каштана , Департаментом природных ресурсов Висконсина , Лесной службой Министерства сельского хозяйства США , Университетом Западной Вирджинии , Университетом штата Мичиган и Корнельским университетом . [40]
Удаление больных деревьев для борьбы с болезнью было впервые предпринято, когда болезнь была обнаружена, но это оказалось неэффективным решением. Затем ученые приступили к внедрению гиперпаразитарного гиповируса в грибок каштановой гнили. Деревья, инфицированные обработанным вирусом грибком, немедленно отреагировали и начали заживать над своими язвами. Однако вирус был настолько эффективен в ослаблении роста грибка, что предотвратил распространение вируса от инфицированного грибка, растущего на одном дереве, к растущему на другом дереве. Выздоровели только обработанные вирусом деревья. Научное мнение относительно будущего насаждения разнится. [40]
В настоящее время Forest Health Initiative прилагает усилия по использованию современных методов селекции и генной инженерии для создания устойчивых сортов деревьев при участии Колледжа наук об окружающей среде и лесном хозяйстве SUNY , Университета штата Пенсильвания , Университета Джорджии и Лесной службы США . Одним из наиболее успешных методов селекции является создание обратного скрещивания устойчивого вида (например, из Китая или Японии) и американского каштана. Исследователи идентифицировали два или три гена, которые обеспечивают устойчивость к фитофторозу, и сосредоточены на том, чтобы дать гибридам американского каштана только те гены, которые были получены от китайского или японского каштана. [41]
Сначала два вида скрещиваются для создания гибрида 50/50. После трех обратных скрещиваний с американским каштаном оставшийся геном составляет примерно 1/16 генома устойчивого дерева и 15/16 американского. Стратегия заключается в выборе генов устойчивости к фитофторозу во время обратного скрещивания, сохраняя при этом более дикие черты американского каштана в качестве доминирующего фенотипа . Таким образом, недавно выведенные гибридные каштановые деревья должны достичь той же высоты, что и исходный американский каштан. Многие из этих 15/16 гибридов американского каштана были посажены вдоль Восточного побережья, в том числе в Национальном лесу Джефферсона и на Национальном мемориале Flight 93. На некоторых из этих участков исследователи проверяли посаженные саженцы, чтобы увидеть их уровень выживаемости. Для того чтобы гибриды хорошо себя чувствовали, им нужны области с хорошим дренажем и обильным солнечным светом. [42] Удовлетворить эти потребности может быть сложно, поэтому не все районы восстановления были успешными с выживанием гибридов.
Исследование гиповирулентности 1983 года показало, что фитофтороз каштана, инфицированный гиповирусом, вырабатывал меньше щавелевой кислоты при атаке камбия . [43] [44] Тем временем фитопатолог , доктор Уильям Пауэлл, пытался выяснить, как перенести всю генетику устойчивости азиатского каштана его американским родственникам. В 1990-х годах у него возникла идея отказаться от более сложной и масштабной работы и вместо этого поискать один ген в другом месте. [45] (В смежной работе в 2001 году Лян, Мейард, Аллен и Пауэлл успешно вставили ген оксалатоксидазы (OxO) из пшеницы в Populus × euramericana («Ogy») для устойчивости к Septoria musiva . [46] Этот фермент расщепляет щавелевую кислоту , выделяемую грибком, на углекислый газ и перекись водорода.) В 2007 году Уэлч, Стипанович, Мейнард и Пауэлл показали, что трансгенная C. dentata, экспрессирующая пшеничный OxO, действительно имела более низкую деградацию лигнина щавелевой кислотой, и предположили, что это был путь, по которому следует идти. [47] [44]
Несколько лет спустя эта линия исследований достигла кульминации в конечном продукте: Пауэлл [48] [49] [50] и другой фитопатолог, доктор Чарльз Мейнард, работающий в Колледже наук об окружающей среде и лесном хозяйстве Государственного университета Нью-Йорка, вывели американские каштаны , которые обладали повышенной устойчивостью к фитофторозу . Повышенная устойчивость была достигнута путем введения гена пшеницы OxO в геном американского каштана. (Поскольку был перенесен неродственный ген, это не заставило каштановые деревья производить глютен , и орехи остались безглютеновыми .) [51] Трансгенные деревья обладают устойчивостью к фитофторозу, равной или превосходящей устойчивость Castanea mollissima , китайского каштана. [52] В 2013 году в SUNY ESF было протестировано более 100 отдельных событий, из которых более 400 должны были быть в полевых условиях или в лаборатории для различных анализов в течение следующих нескольких лет. К 2014 году на нескольких полевых участках росло более 1000 деревьев. [53] Для возвращения любого из этих устойчивых к фитофторозу деревьев в дикую природу потребуется одобрение правительства. [54] Нью -йоркский ботанический сад высадил несколько трансгенных деревьев для публичного показа. [55] Вначале было немного таких искусственно выращенных каштанов. Для размножения семенами может подойти прививка . [49] Для нормального роста дерева требуется 6, 7 или даже 8 лет, прежде чем каштан зацветет. [49] Однако управление садом может ускорить производство пыльцы до 2–3 лет (хотя все еще без плодоношения). [49] Лаборатория Пауэлла смогла использовать камеры роста с более высоким уровнем освещенности, чтобы сократить продолжительность производства пыльцы до менее чем года. [49]
Американский фонд каштана (TACF) когда-то тесно сотрудничал с SUNY ESF, чтобы использовать Darling 58 в своей миссии по восстановлению американского каштана в его естественном ареале на востоке Соединенных Штатов. [56] Однако в декабре 2023 года TACF отозвал свою петицию об использовании в качестве восстановительного вида из-за низкой производительности и высокой смертности саженцев Darling 54. [57]
Менее чем за пятьдесят лет после своего появления C. parasitica фактически уничтожила американский каштан как вид полога леса на площади 8,8 миллионов акров (3,6 × 10 6 га). [58] Плоды каштана были основным источником пищи для животных в лесах Аппалачей на низких высотах. Эта потеря привела к резкому сокращению популяции белок, вымиранию семи местных видов моли и замедлению восстановления популяций оленей, ястреба Купера, пумы и рыси. [59] Последствия этого заболевания также распространились дальше по экосистеме, будучи связанными с уменьшением численности птиц, гнездящихся в дуплах, и с ухудшением качества речной воды, что отрицательно повлияло на популяции водных беспозвоночных. [58]
В 1912 году стоимость каштановой древесины всего в трех штатах оценивалась в 82,5 млн долларов (1,9 млрд долларов в ценах 2009 года). [58] Таким образом, в дополнение к экологическому воздействию, C. parasitica потенциально нанесла разрушительный ущерб экономическому благосостоянию общин, зависящих от каштана. Горцам, жителям общин Аппалачей, пришлось радикально изменить свой образ жизни, чтобы справиться с последствиями этой болезни. [59]
Экономические последствия также были значительными в Европе, особенно до того, как CHV1 естественным образом распространился в регионе. В Греции, например, болезнь заставила мигрировать людей, которые больше не могли позволить себе жить за счет каштанов. Это также привело к 40%-ному снижению производства каштанов в Греции. [60]
