Патогенный гриб Cryphonectria parasitica ( ранее Endothia parasitica ) относится к семейству Ascomycota (мешкообразные 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 — паразитический гриб каштанов. Это заболевание получило название « гниль каштана» . Естественно обнаруженный в Юго-Восточной Азии, случайная интродукция привела к появлению инвазивных популяций C. parasitica в Северной Америке и Европе. В первой половине 20-го века грибковое заболевание оказало разрушительное экономическое и социальное воздействие на население восточной части Соединенных Штатов. По оценкам, он убил четыре миллиарда деревьев; [2] или, по другим подсчетам, 3,5 миллиарда деревьев к 2013 году. [3] Менее серьезные последствия произошли в Европе из-за широко распространенной гиповирулентности , вызванной CHV1 . [4] CHV1 является одним из по крайней мере двух вирусных патогенов, которые ослабляют гриб за счет гиповирулентности и помогают деревьям пережить инфекцию фитофтороза. [5] [6]
Американский каштан ( Castanea dentata ) и американский чинквапин ( Castanea pumila ) очень восприимчивы к фитофторозу каштана. Европейский каштан ( Castanea sativa ) также восприимчив, но из-за широко распространенной гиповирулентности CHV1 гибель деревьев, вызванная фитофторозом, встречается реже. [7] Грибок может поражать другие породы деревьев, такие как дубы , красные клены , оленевидные сумахи и гикори . [8] После заражения на коре этих деревьев также появляются оранжевые язвы, но они могут не погибнуть. Возбудитель может сохраняться на этих деревьях, образуя споры , которые могут заразить другие деревья.
Гриб распространяется аскоспорами , переносимыми ветром , а на более короткие расстояния - конидиями , распространяемыми под действием дождевых брызг. [9] Инфекция носит локальный характер, поэтому некоторые изолированные американские каштаны выживают там, где в радиусе 10 км (6,2 миль) нет другого зараженного дерева. Почвенные организмы корневой шейки и корневой системы каштана являются антагонистами гриба. 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 до того, как надземные побеги снова опоясываются грибком. [10] Гриб изначально поражает китайский каштан ( Ca. mollissima ) и японский каштан ( Ca. crenata ). Эти два вида эволюционировали вместе с патогеном, что сделало их наиболее устойчивыми к его пагубным воздействиям. [11]
В 1904 году фитофтороз каштана случайно был завезен в Северную Америку. Cryphonectria parasitica была завезена в Соединенные Штаты из Восточной Азии посредством импорта японских каштанов . Этот импорт мотивирован целями коммерческого разведения. [12] [13] Заражение американских каштанов C. parasitica одновременно появилось во многих местах на Восточном побережье, скорее всего, от японских каштанов, которые стали популярным импортом. [14]
Герман Меркель, лесник Нью-Йоркского зоологического сада (зоопарк Бронкса), первым обнаружил зараженные каштаны на территории зоопарка. В 1905 году американский миколог Уильям Мюррилл выделил и описал ответственный гриб (который он назвал Diaporthe parasitica ) и путем инокуляции здоровых растений продемонстрировал , что гриб вызывает заболевание. [15] К 1940 году большинство зрелых американских каштанов были поражены этой болезнью. [14] Потребовалось около 40 лет, чтобы опустошить почти четырехмиллиардную популяцию американских каштанов в Северной Америке. [16] Лишь несколько групп незараженных деревьев остались в Мичигане , Висконсине и на северо-западе Тихого океана .
Японские и китайские каштаны [17] могут противостоять инфекции C. parasitica . [18] Из-за этой болезни древесина американского каштана почти исчезла с рынка на десятилетия, хотя ее все еще можно получить в виде вторичного пиломатериала . [19]
Подсчитано, что в некоторых местах, например в Аппалачах , каждая четвертая лиственная древесина была американским каштаном. Взрослые деревья часто вырастали 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 устойчивой к гниению, не коробилась и не сжималась. На протяжении трех столетий многие амбары и дома возле Аппалачей были построены из американского каштана. [20] Его прямоволокнистая древесина идеально подходила для изготовления мебели и шкатулок. Кора и древесина были богаты дубильной кислотой, которая давала дубильные вещества, используемые 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 затраты на выращивание скота. [22]
Попытки заселить каштаны начались в 1930-х годах и продолжаются до сих пор в Массачусетсе [23] и во многих других местах [24] США. [25] Выжившие американские каштаны выводятся на устойчивость к фитофторозу, в частности, Американским фондом каштанов , который стремится вновь ввести устойчивый к фитофторозу американский каштан в его первоначальный лесной ареал в первые десятилетия 21 века. [26] Японский каштан и китайский каштан , а также каштан Сегена и каштан Генри использовались в селекционных программах в США для создания устойчивых к болезням гибридов с американским каштаном. [27] Было обнаружено, что китайские каштаны обладают самой высокой устойчивостью к каштановой гнили; [17] однако особи видов китайского каштана могут различаться по устойчивости к фитофторозу. Некоторые люди все еще весьма восприимчивы, в то время как другие практически неуязвимы. [28]
Гиповирулентность не получила широкого распространения в США, и попытки коммерческого внедрения вируса CHV1 не увенчались успехом. Хотя CHV1 сохраняется в обрабатываемых деревьях, он не распространяется естественным путем, как в Европе, что не позволяет ему быть эффективной формой биологического контроля .
В 1938 году фитофтороз каштана был впервые выявлен в окрестностях Генуи . Инфекция быстро распространилась и была выявлена во Франции в 1946 году, Швейцарии в 1951 году и Греции в 1963 году. Последний раз она была обнаружена в Великобритании. Из-за генетических различий между грибковыми популяциями вполне вероятно, что второе заражение каштана произошло в Грузии и Азербайджане в 1938 году. [29] [30] Грибковые инфекции первоначально вызвали массовую гибель деревьев в Европе. Однако в начале 1950-х годов в Италии были выявлены деревья, пережившие грибковую инфекцию. На этих деревьях гриб вызвал более поверхностные язвы, которые, казалось, заживали. Более легкий исход инфекции был обусловлен наличием CHV1, РНК-вируса , поражающего C. parasitica . CHV1 распространяется естественным путем по всей Европе, но также распространяется искусственно в качестве меры биологического контроля (особенно во Франции). CHV1 в настоящее время отсутствует в Великобритании, Северной Франции и Восточной Грузии, но рассматривается возможность его внедрения в целях биоконтроля. [ нужна цитата ]
Гриб проникает через раны на восприимчивых деревьях и растет внутри и под корой, в конечном итоге убивая камбий вокруг ветки, ветки или ствола. [31] Первым симптомом заражения C. parasitica является небольшой оранжево-коричневый участок на коре дерева. Затем образуется затонувшая язва , когда веер мицелия распространяется под кору. По мере распространения гифы выделяют несколько токсичных соединений, наиболее заметным из которых является щавелевая кислота . Эта кислота снижает pH инфицированной ткани примерно с нормальных 5,5 до примерно 2,8, что токсично для клеток камбия. В конце концов язва опоясывает дерево, убивая все, что находится над ним. Во влажную погоду можно увидеть характерные желтые усики (циррусы) конидий . [32]
Первичными тканями растений, на которые воздействует C. parasitica, являются внутренняя кора, область, содержащая проводящую ткань, и камбий, слой активно делящихся клеток, которые дают начало вторичным сосудистым тканям. В этих тканях возбудитель образует диффузные язвы, в которых зимует мицелий. [33] Следующей весной образуются два типа плодовых тел: пикниды , обычно первые, и перитеции . [33] После дождя пикниды выделяют оранжевые усики конидий, бесполых спор, а перитеции с силой выбрасывают аскоспоры, половые споры. [33] [34] Переносясь по воздуху, аскоспоры вихрями ветра переносятся 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 новому хозяину. [33] [34] Кроме того, бесполые споры могут разноситься брызгами дождя. [34] Попав на нового хозяина или на новый участок дерева, споры могут прорастать и заражать внутреннюю кору через раны от насекомых и трещины на внешней коре.
Если язвы продолжают формироваться и расширяться, грибок может опоясать стебель, перекрывая приток питательных веществ и воды к жизненно важным вегетативным тканям. Отсутствие распространения питательных веществ приведет к гибели надземных деревьев. Однако корневая система может выжить. В результате американские каштаны существуют в основном как кустарники, прорастающие из старых, сохранившихся корней. [34] Эти ростки обычно погибают от заражения C. parasitica до достижения половой зрелости.
В Европе в конце 1960-х годов было обнаружено, что штамм C. parasitica был менее вирулентным и мог образовывать только неглубокие язвы, которые каллусная ткань дерева могла в конечном итоге ограничить и изолировать. Признак гиповирулентности мог передаваться от авирулентного штамма к летальному штамму посредством анастомоза — слияния гиф. [35] Позже было обнаружено, что эта ослабленная вирулентность была вызвана заражением миковирусом дцРНК , гиповирусом Cryphonectria 1 (CHV1) рода Hypovirus . [36] [4]
Учитывая природу гиповирулентных штаммов, существует большой интерес к их использованию для борьбы с летальными штаммами C. parasitica . В Европе естественное распространение гиповирулентности в популяциях патогена привело к восстановлению хозяйственно ценных каштанов. [35] К сожалению, в США дело обстояло иначе. 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 аллорепознания , которая препятствует слиянию гиф между особями, которые генетически различны в определенных локусах. [36] [35] Однако в 2016 году «донорские штаммы супермиковируса» C. parasitica были созданы для преодоления этой системы несовместимости. Потенциально это может быть использовано в качестве метода биологического контроля. [38]
Как упоминалось выше, некоторые почвенные микроорганизмы подавляют C. parasitica . Его можно использовать для лечения язв, используя почвенный компресс, прижимая некоторое количество почвы к самому стволу полиэтиленовой пленкой и обмотав ее липкой лентой . [4]
Помимо биоконтроля, с фитофторозом каштана можно также бороться с помощью санитарных мер и химического контроля; однако такие стратегии управления осуществимы только в небольших масштабах, например, в фруктовом саду. Санитарные меры, такие как обрезка ветвей с симптомами и удаление зараженных деревьев, могут помочь устранить источники инокулята и ограничить распространение патогена. [33]
Кроме того, некоторые фунгициды могут быть эффективными в борьбе с этим грибковым заболеванием. Исследование химического контроля фитофтороза каштана Castanea sativa , возможно, показало, что наружное применение как оксихлорида меди , так и карбендазима может снизить уровень заболевания почти на 50%. [39]
Около Западного Салема, штат Висконсин, на площади 60 акров (24 га) растет около 2500 каштанов , которые являются крупнейшими в мире сохранившимися насаждениями американских каштанов. Эти деревья являются потомками деревьев, посаженных 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 фитофторозом каштана, но в 1987 году ученые обнаружили фитофтороз и в этом насаждении. Существует программа по возвращению американского каштана в восточные леса, финансируемая Американским фондом каштанов , Департаментом природных ресурсов штата Висконсин , Лесной службой Министерства сельского хозяйства США , Университетом Западной Вирджинии , Университетом штата Мичиган и Корнеллским университетом . [40]
Удаление пораженных деревьев для борьбы с болезнью была впервые предпринята после обнаружения болезни, но это оказалось неэффективным решением. Затем ученые решили внедрить гиперпаразитарный гиповирус в грибок каштана. Деревья, зараженные обработанным вирусом грибком, немедленно отреагировали и начали заживлять язвы. Однако вирус настолько эффективно подавлял рост грибков, что предотвращал распространение вируса от зараженного гриба, растущего на одном дереве, к грибу, растущему на другом дереве. Выздоровели только обработанные вирусом деревья. Научные мнения относительно будущего стенда разнятся. [40]
В настоящее время в рамках Инициативы по здоровью леса предпринимаются усилия по использованию современных методов селекции и генной инженерии для создания устойчивых сортов деревьев при участии Колледжа экологических наук и лесного хозяйства 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 определили два или три гена, которые обеспечивают устойчивость к фитофторозу, и сосредоточились на том, чтобы дать гибридам американского каштана только те гены, которые взяты из китайского или японского каштана. [41]
Эти два вида сначала скрещивались 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 состоит в том, чтобы отобрать гены устойчивости к фитофторозу во время обратного скрещивания, сохраняя при этом более дикие черты американского каштана в качестве доминирующего фенотипа . Таким образом, вновь выведенные гибридные каштаны должны достичь той же высоты, что и оригинальный американский каштан. Многие из этих гибридов американского каштана 15/16 были посажены вдоль восточного побережья, в том числе в Национальном лесу Джефферсона и на Национальном мемориале рейса 93 . На некоторых из этих участков исследователи проверяли посаженные саженцы, чтобы оценить их приживаемость. Чтобы гибриды хорошо себя чувствовали, им нужны участки с хорошим дренажем и обильным солнечным светом. [42] Удовлетворить эти потребности может быть сложно, поэтому не во всех регионах восстановления удалось добиться успеха в выживании гибридов.
Исследование гиповирулентности , проведенное в 1983 году , показало, что фитофтороз каштана, инфицированный гиповирусом, производит меньше щавелевой кислоты при поражении камбия . [43] [44] Тем временем патолог растений , доктор Уильям Пауэлл, пытался выяснить, как передать всю генетику устойчивости азиатского каштана его американским родственникам. В 1990-е годы ему пришла в голову идея отказаться от более сложной и масштабной работы и вместо этого поискать один-единственный ген в другом месте. [45] (В соответствующей работе в 2001 году Лян, Маярд, Аллен и Пауэлл успешно вставили ген оксалатоксидазы (OxO) из пшеницы в Populus × euramericana («Ogy») для устойчивости к Septoria musiva . [46] Этот фермент разрушает щавелевая кислота , секретируемая грибом, превращается в углекислый газ и перекись водорода.) В 2007 году Уэлч, Стипанович, Мейнард и Пауэлл показали, что трансгенный C. dentata , экспрессирующий OxO пшеницы, действительно имеет меньшую деградацию лигнина под действием щавелевой кислоты, и предположили, что это путь, который нужно пройти. [47] [44]
Несколько лет спустя это направление исследований достигло кульминации в конечном продукте: Пауэлл [48] [49] [50] и другой патолог растений, доктор Чарльз Мейнард, работающие в Колледже экологических наук и лесного хозяйства Государственного университета Нью-Йорка, разработали американские каштаны , обладающие повышенной устойчивостью к фитофторозу . Повышенная устойчивость была достигнута за счет введения гена OxO пшеницы в геном американского каштана. (Поскольку был перенесен несвязанный ген, это не привело к тому, что каштаны начали производить глютен , и орехи остались без глютена .) [51] Устойчивость к фитофторозу у трансгенных деревьев равна или превосходит устойчивость Castanea mollissima , китайских каштанов. [52] В 2013 году SUNY ESF провел тестирование более 100 отдельных событий, из которых более 400 планируется провести в полевых условиях или в лаборатории для различных аналитических испытаний в ближайшие несколько лет. К 2014 году на нескольких полевых участках росло более 1000 деревьев. [53] Прежде чем возвращать любое из этих устойчивых к фитофторозу деревьев в дикую природу, потребуется одобрение правительства. [54] Ботанический сад Нью-Йорка посадил несколько трансгенных деревьев для всеобщего обозрения. [55] Вначале таких искусственных каштанов было немного. Для размножения семенами можно использовать прививку . [49] Для нормального роста дерева требуется 6, 7 или даже 8 лет, прежде чем каштан зацветет. [49] Однако управление садами может ускорить производство пыльцы до 2-3 лет (хотя все еще без плодоношения). [49] Лаборатории Пауэлла удалось использовать камеры выращивания с более высоким уровнем освещенности, чтобы сократить продолжительность производства пыльцы до менее чем года. [49]
Фонд американского каштана (TACF) когда-то тесно сотрудничал с SUNY ESF, чтобы использовать Darling 58 в своей миссии по возвращению американского каштана в его естественный ареал на востоке Соединенных Штатов. [56] Однако в декабре 2023 года производство Darling 58 было прекращено из-за плохой производительности и высокой смертности саженцев. В результате TACF отозвал свою петицию об использовании в качестве восстановительного средства. [57]
Менее чем через пятьдесят лет после своего появления C. parasitica практически уничтожила американский каштан как вид полога леса на площади 8,8 миллиона акров (3,6 × 10 6 га). [58] Плоды каштана были основным источником пищи для животных в низменных лесах Аппалачей. Эта потеря привела к резкому сокращению популяции белок, исчезновению семи местных видов бабочек и замедлению восстановления популяций оленей, ястреба Купера, пумы и рыси. [59] Последствия этого заболевания также распространились по всей экосистеме, будучи связаны с уменьшением численности птиц, гнездящихся в дуплах, и с ухудшением качества речной воды, что отрицательно сказалось на популяциях водных беспозвоночных. [58]
В 1912 году стоимость древесины каштана всего в трех штатах оценивалась в 82,5 миллиона долларов (1,9 миллиарда долларов в текущих ценах). [58] Таким образом, помимо экологических последствий, C. parasitica потенциально вызвала разрушительные потери в экономическом благосостоянии сообществ, зависящих от каштана. Альпинистам, жителям горных 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 вызвала миграцию людей, которые больше не могли позволить себе жить за счет каштанов. Это также привело к снижению производства греческих каштанов на 40%. [60]