美國(guó)栗樹(shù)“起死回生”，基因研究指明恢復(fù)之路

栗樹(shù)在美國(guó)文化中扮演重要角色，既是經(jīng)濟(jì)作物和食品資源的重要來(lái)源，也象征著堅(jiān)韌與復(fù)蘇精神。比如至今，美國(guó)很多地名（如街道）還在以“栗樹(shù)”命名。不過(guò)，20世紀(jì)初，栗疫?。ㄓ烧婢鸬募膊。┰诒泵览鯓?shù)種群中造成了巨大破壞，導(dǎo)致數(shù)十億棵栗樹(shù)死亡。這種疾病使得栗樹(shù)無(wú)法繁殖、遷移或適應(yīng)氣候變化，對(duì)其種群產(chǎn)生了長(zhǎng)期的影響。

“海洋與濕地”（OceanWetlands）小編注意到，美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)自然資源與環(huán)境學(xué)院的研究人員與美國(guó)栗樹(shù)基金會(huì)合作，2024年7月22日在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上發(fā)表了一項(xiàng)重要研究成果。該研究通過(guò)對(duì)美國(guó)東部阿巴拉契亞山脈范圍內(nèi)的美國(guó)栗樹(shù)（American chestnut）進(jìn)行基因組分析，揭示了該物種對(duì)不同環(huán)境條件的遺傳適應(yīng)性，并為恢復(fù)該物種種群和調(diào)整育種策略提供了重要指導(dǎo)。

上圖：前景中是一棵美國(guó)栗樹(shù)。圖片來(lái)源：美國(guó)栗樹(shù)基金會(huì)

美國(guó)栗樹(shù)曾是阿巴拉契亞山脈地區(qū)重要的生態(tài)組成部分，為當(dāng)?shù)氐纳稚鷳B(tài)系統(tǒng)提供了重要的食物來(lái)源和棲息地。然而，20世紀(jì)初，一種致命的真菌病害——栗疫?。–ryphonectria parasitica）席卷了整個(gè)美國(guó)東部，導(dǎo)致數(shù)十億棵美國(guó)栗樹(shù)死亡，該物種的野生種群數(shù)量急劇下降，幾近滅絕。具體來(lái)說(shuō)，這場(chǎng)災(zāi)難性的疫病導(dǎo)致數(shù)十億棵栗樹(shù)死亡，留下的大部分個(gè)體僅為樹(shù)冠基部的萌芽，很少能夠在遭受疫病侵襲前長(zhǎng)大成樹(shù)，使得栗樹(shù)在野外幾乎已經(jīng)功能性滅絕。盡管如此，約有4億棵栗樹(shù)個(gè)體仍分布在其原生地區(qū)域，但缺乏廣泛的自然繁殖使得其種群持續(xù)面臨威脅。

為了恢復(fù)美國(guó)栗樹(shù)種群，美國(guó)栗樹(shù)基金會(huì)（TACF）開(kāi)展了長(zhǎng)達(dá)40年的育種工作，培育出了一系列抗病害的轉(zhuǎn)基因栗樹(shù)。TACF通過(guò)把美國(guó)栗樹(shù)與中國(guó)板栗樹(shù)（Castanea mollissima）雜交、并將后代回交到美國(guó)栗樹(shù)中，同時(shí)在“美國(guó)栗樹(shù)研究與恢復(fù)項(xiàng)目”（ACRRP）中嘗試插入氧化物氧化酶（OxO）基因，研發(fā)出了更耐病的栗樹(shù)品種，希望能廣泛用于恢復(fù)栽植。但是，對(duì)于這些基因改良品種，由于缺乏足夠的遺傳和適應(yīng)多樣性，采取雜交策略以增加種群數(shù)量，并確保其在當(dāng)?shù)貧夂驐l件下生長(zhǎng)的適應(yīng)性，顯得尤為關(guān)鍵。雖然通過(guò)后代回交育種計(jì)劃已經(jīng)引入了部分野生栗樹(shù)的適應(yīng)性變異，但這些品種中適應(yīng)性變異的真正程度尚不為人所知。

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將野生適應(yīng)多樣性引入回交育種種群中至關(guān)重要，因?yàn)檫@可以幫助增強(qiáng)栗樹(shù)在不同環(huán)境下的生存能力和適應(yīng)性。通過(guò)引入野生栗樹(shù)的適應(yīng)性變異，可以擴(kuò)大基因池，增加抗病性和氣候適應(yīng)性，從而提高栗樹(shù)在未來(lái)面臨的各種挑戰(zhàn)中的生存成功率。

為了更好地了解美國(guó)栗樹(shù)的遺傳多樣性，美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)的研究人員與美國(guó)栗樹(shù)基金會(huì)合作，對(duì)來(lái)自阿巴拉契亞山脈不同地區(qū)的美國(guó)栗樹(shù)進(jìn)行了基因組測(cè)序。研究結(jié)果表明，美國(guó)栗樹(shù)對(duì)不同環(huán)境條件表現(xiàn)出顯著的遺傳適應(yīng)性。例如，來(lái)自北部地區(qū)的栗樹(shù)基因組中含有更多的與耐寒相關(guān)的基因，而來(lái)自南部地區(qū)的栗樹(shù)基因組中則含有更多的與耐熱相關(guān)的基因。

該研究成果為美國(guó)栗樹(shù)的恢復(fù)和育種提供了重要的科學(xué)依據(jù)。研究人員建議，美國(guó)栗樹(shù)基金會(huì)在未來(lái)的恢復(fù)工作中應(yīng)充分考慮栗樹(shù)的遺傳適應(yīng)多樣性，根據(jù)不同地區(qū)的環(huán)境條件選擇合適的栗樹(shù)種群進(jìn)行種植。此外，研究人員還建議在育種過(guò)程中應(yīng)注意保護(hù)栗樹(shù)的遺傳多樣性，避免因過(guò)度育種而降低該物種的適應(yīng)能力。

這項(xiàng)研究為恢復(fù)和保護(hù)生物多樣性提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也為應(yīng)對(duì)氣候變化等環(huán)境挑戰(zhàn)提供了重要的參考。

海洋與濕地·小百科

栗疫病（Cryphonectria parasitica）是一種由真菌引起的疾病，主要侵害栗樹(shù)。這種真菌是引起歐洲栗樹(shù)（Castanea sativa）和美洲栗樹(shù)（Castanea dentata）等栗樹(shù)種類(lèi)的重要病原體之一。栗疫病的病原真菌會(huì)侵入栗樹(shù)的表皮組織，導(dǎo)致樹(shù)皮潰爛、樹(shù)干腐朽，最終導(dǎo)致樹(shù)木死亡。這種病害對(duì)于栗樹(shù)種植業(yè)具有嚴(yán)重的破壞性，曾經(jīng)在20世紀(jì)初對(duì)北美的美洲栗樹(shù)種群造成了極大的破壞，引起了被稱為“栗樹(shù)大滅絕”的事件。為了對(duì)抗栗疫病，科學(xué)家們進(jìn)行了大量研究，包括開(kāi)發(fā)抗病品種和嘗試生物防治方法。

適應(yīng)多樣性（Adaptive Diversity）是指在自然環(huán)境中，不同個(gè)體或種群通過(guò)遺傳變異適應(yīng)不同的生態(tài)條件和壓力的能力。這種多樣性使得物種能夠在面對(duì)環(huán)境變化時(shí)保持生存和繁衍的能力，是生物多樣性中一個(gè)重要的方面。適應(yīng)多樣性不僅關(guān)注基因組水平上的遺傳變異，還涉及到這些變異如何影響個(gè)體或種群的生存和繁殖成功。

野生基因（wild genes）通常指的是自然界中野生動(dòng)植物物種所持有的基因，這些基因在物種長(zhǎng)期演化過(guò)程中逐漸積累并適應(yīng)了其所處的環(huán)境條件。野生基因通過(guò)自然選擇和遺傳漂變的過(guò)程，使得物種能夠在面對(duì)各種生態(tài)壓力和環(huán)境變化時(shí)，保持適應(yīng)性和生存能力。這些基因編碼了種種特性，如抗病性、耐旱性、抗寒性等，對(duì)保持種群健康和物種生存至關(guān)重要。

在本研究中可以看出，野生的基因?qū)τ诒Ｗo(hù)栗樹(shù)至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈儼死鯓?shù)在自然環(huán)境中長(zhǎng)期適應(yīng)和生存的關(guān)鍵遺傳特性。栗樹(shù)曾經(jīng)在北美東部廣泛分布，根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂?、土壤和其他生態(tài)條件發(fā)展出多樣的適應(yīng)策略。這些野生基因攜帶了對(duì)病害、氣候變化和其他環(huán)境壓力的不同響應(yīng)方式，可以幫助新興的抗病栗樹(shù)品種更好地應(yīng)對(duì)復(fù)雜的生態(tài)挑戰(zhàn)。因此，保護(hù)和引入野生基因可以增加栗樹(shù)種群的遺傳多樣性，提高其長(zhǎng)期生存和適應(yīng)性的潛力，是恢復(fù)和保護(hù)這一重要樹(shù)種的關(guān)鍵策略之一。

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編譯 | 王芊佳
審核｜Samantha
排版 | 綠葉

參考資料略