基因技术让美洲板栗“复活”

科普中国—科技前沿大师谈 2016-10-11

　　撰文威廉·鲍威尔（William Powell）

　　翻译郑奕宸

　　威廉·鲍威尔是美国纽约州立大学环境科学与林业学院美洲板栗树研究及重建项目的联合负责人之一。

　　1876年，塞缪尔·B·帕森斯收到了一船来自日本的板栗种子。帕森斯打算将它们种成板栗树并卖给果园，但他万万没有想到，这艘船上的一个不速之客引起了北美洲东部有史以来最严重的生态灾难之一。

　　这些种子可能携带一种叫做寄生隐丛赤壳菌的致病性真菌的孢子。亚洲的板栗树已经进化出了对这种真菌的抵抗性，而它们的美洲“亲戚”却对此毫无招架之力。寄生隐丛赤壳菌能在树皮上引起一圈圈凹陷的溃疡（死亡的植物组织形成的凹陷），切断树根与枝叶之间传送水分和养分的通道，轻易地将受到感染的板栗树“扼死”。短短50年内，寄生隐丛赤壳菌就杀死了超过30亿株美洲板栗树。

　　全盛时期的美洲板栗树曾是生态系统中的关键物种，对周围多种生物的健康起到了至关重要的作用。各种鸟类、昆虫和小型哺乳类动物将美洲板栗树作为栖息场所，个大且营养丰富的板栗亦曾是熊、鹿、松鼠等多种动物的食物。美洲板栗树具有巨大的经济价值。板栗既可以食用，也可用来生产乙醇燃料；它生长迅速、木质坚硬、木纹笔直且不易腐烂，是上好木料的来源。美洲板栗树也特别受人喜爱，它的名字在诗歌、歌曲、书籍中广为流传，全美各地也有许多用它命名的道路、学校、宾馆和公园。

　　对大多数人来说，美洲板栗已经渐渐成为一段遥远的记忆。然而，科学可以将美洲板栗树以及它曾提供给人类和野生动物的所有资源带回我们身边。科学家现在找到了两种初见成效的方法。第一是杂交，首先用体型小得多并具有真菌抗性的中国板栗树与美洲板栗树杂交，再尽可能地将杂交种与其他美洲板栗树进行“回交”。但回交育种法不仅不够准确，而且需要栽种数以千计的树木，进行很多代的杂交和选择，才能找到用于重建的树苗。

　　因此，本文作者威廉·鲍威尔和其他同事开始将精力集中在第二个方案上，即通过远比传统育种更加精准的方法改变板栗树的DNA。科学家们从小麦、中国板栗树和其他植物中借取基因并插入美洲板栗的基因组中，培养出了数百棵转基因美洲板栗树。其中一些树木防御寄生隐丛赤壳菌的能力丝毫不逊色于它们的亚洲“亲戚”。相较于其他试图用基因工程和相关生物技术拯救濒危物种的项目，重建板栗树面临的障碍较小，益处也十分明显。作为一个能为其他多种生物提供家园的大型物种，美洲板栗树对维系森林健康有着巨大帮助。

　　复兴的种子

　　1989年，在鲍威尔来到纽约州立大学环境科学与林业学院时，美洲板栗树基金会给了他和同事查尔斯·梅纳德一个提案，计划用一个以基因工程为主的重建项目作为基金会正在进行的板栗树杂交项目的补充。基因工程是当时的前沿技术，可以更快、更精准地培育抗菌的美洲板栗树。鲍威尔的任务之一是找到一个可以让树木抵抗寄生隐丛赤壳菌的基因，而梅纳德和佐治亚大学的斯科特·梅克莱则负责研究将基因转入板栗树的胚胎（快速分裂、最终发育成树木的小细胞团）。

　　那时候，还没有人尝试过用基因工程技术对抗危害树木的致病真菌。但在此之前的数年里，研究人员已在关于寄生隐丛赤壳菌破坏板栗的现象研究中发现了一些重要细节。鲍威尔从一本书上看到了一项研究，该研究报道了一个编码草酸氧化酶的小麦基因OXO正好可以分解寄生隐丛赤壳菌制造的腐蚀性物质。鉴于当时研究人员还不能测试以上方法对于板栗树的效果，便决定先在研究得较为透彻的杂交白杨上检验这一原理是否可行。运用这一方法，研究人员成功地让树木获得了抵抗真菌的能力。

　　与此同时，另一名研究生则在研究如何在实验室中将一个板栗胚胎培养成板栗树。2006年，研究人员终于在专门划出的实验森林里成功种出了第一批转基因美洲板栗树。但这一批树种不能抵抗真菌，最终还是败给了疾病。

　　到了2012年，研究人员为OXO基因设计出了一个新的启动子（一种基因开关），将OXO基因和一个启动子连在一起，使得植物制造草酸氧化酶。这一次，这些新树种抵抗疫病的能力几乎与自然进化出抗病机制的中国板栗树相差无几。2013年，他们种下了一批最新的树苗，这些树的所有组织都能产生草酸氧化酶，它们均表现出了比中国板栗树更好的抗病能力。至少在目前看来，研究人员向小麦“借”来的基因的表现已经超乎他们的预期。

　　常常有人问，为什么不干脆找出中国板栗树的抗菌基因来代替小麦的基因呢？在这一研究开始时，还没有人透彻地研究过中国板栗树的基因组。板栗树的抗病性状非常复杂，要找出这一性状背后的众多基因需要耗费难以估量的时间和资源。不过时至今日，科学家已经找到了27个可能与中国板栗树的抗病能力有关的基因。目前看来，其中的两个基因都能单独赋予板栗树中等程度的抗病能力，研究人员尚在对其他候选基因进行测试。

　　开创先河

　　如今，超过1000株转基因板栗树正在试验田里生长。与普通树种相比，这些经过遗传改造的板栗树没有任何意料之外的差别。初步的测试也表明，转基因板栗树的树根也和普通板栗树的树根一样能够与同样的有益真菌建立共生关系，两者所能荫庇的小型植物族群也差不多。此外，普通板栗树与转基因板栗树可以吸引相同种类的昆虫，所结板栗的营养成分也没有区别。

　　很多人也高兴地发现，重建美洲板栗树所带来的环境风险小到可以忽略不计。转基因板栗树几乎不可能通过花粉，把新的基因带到其他植物身上。一种树的花粉只能给它的同类或亲缘关系非常接近的物种受精。在美洲板栗树的自然分布区域的北部，它们没有任何亲缘较近的物种；而在南部，美洲板栗树偶尔会和锥栗（chinquapin）杂交。尽管锥栗也会受到寄生隐丛赤壳菌的侵害，但如果能让它们获得对真菌的抵抗力，未尝不是一件好事。理想的情况是，一些转基因板栗树的花粉能够扩散到一部分尚能勉强开花的美洲板栗残木上，尽可能拯救其原有的基因多样性。如果这些残树能够被救活，几个世纪之后或许就能重现东部森林中这一关键物种昔日的繁荣。

　　如今，我们比以往任何时候都需要基因工程技术来维持森林的多样性和健康。中国有句古话说得好：“前人栽树，后人乘凉”。也许在研究人员数百年的努力之后，美洲板栗树将重登当年“森林之王”的宝座。

　　本文由《环球科学》（《科学美国人》中文版）供稿，编者有删改。

责任编辑：lijia

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