Ученые, изучающие ценный, но уязвимый вид тополя, определили генетический механизм, ответственный за неспособность этого вида противостоять всепроникающей и смертельной болезни. Их открытие, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, может привести к созданию более успешных гибридных сортов тополя для увеличения производства биотоплива и лесного хозяйства, а также для защиты местных деревьев от инфекций.
Исследовательская группа, возглавляемая Национальной лабораторией Министерства энергетики Ок-Риджа и Университетом штата Орегон в партнерстве с Объединенным институтом генома Министерства энергетики США и Университетом Джорджии, проанализировала генетический ответ чистопородных тополей черного дерева, зараженных вирусом возбудитель, известный как септориоз.
Септориоз вызывает неизлечимые язвы или раны на поверхности ствола и ветвей и убивает деревья в начале вегетационного цикла.
С 1900-х годов промышленность пыталась выращивать гибридные сорта тополя, в том числе полученные путем скрещивания восточного тополя и черного тополя, чтобы получить быстрорастущее дерево, и они были озадачены ранней гибелью гибридизированных тополей. тополя, выращиваемые во многих частях Соединенных Штатов», - сказал Веллингтон Мучеро, ведущий автор исследования из Центра инноваций в области биоэнергетики в ORNL.
Гибридные сорта экономически ценны, потому что они могут расти в три раза быстрее, чем чистые виды. Если гибридные тополя выживут, они могут резко увеличить производство ценных биоматериалов, биотоплива и продуктов лесного хозяйства, таких как целлюлоза и бумага, пиломатериалы и шпон..
Тополь черный тополь произрастает в естественных условиях в речных системах Тихоокеанского северо-западного региона США, где септориоз еще не представляет угрозы.
«То, что показало наше исследование, нанесло двойной удар по черным тополям», - сказал Мучеро, специалист по взаимодействию растительных микробов. «Поскольку патоген не распространен в своем родном регионе, эти деревья позволили своим генетическим механизмам устойчивости развалиться без каких-либо последствий».
«Удивительно, но мы обнаружили, что ген, вызывающий восприимчивость, широко распространен во всем ареале вида», - сказал Джаред М. ЛеБолдус, старший автор и доцент кафедры лесной патологии Университета штата Орегон. «Эта деградировавшая устойчивость и сохраняющаяся восприимчивость могут нанести ущерб экосистеме, если Septoria будет завезена на северо-запад Тихого океана».
Чтобы составить карту генетического поведения черного тополя, ученые штата Орегон оценили более 3 000 особей черного тополя, используя комбинацию цифровых изображений и измерений тяжести заболевания на предмет восприимчивости к раку Septoria.
Ученые ORNL использовали вычислительные ресурсы в сочетании с секвенированием генома и профилированием более тысячи геномов, предоставленных Объединенным институтом генома Министерства энергетики, что помогло определить ген устойчивости и восприимчивости в каждом отдельном тополе черном. Затем команда провела поиск связей между набором данных из 28 миллионов известных мутаций и генетическими профилями тополей, чтобы проверить, какие деревья совпадают с теми, которые, по прогнозам, будут устойчивыми или восприимчивыми к септориозу..
«Из этих миллиардов вычислений мы обнаружили мутации, которые постоянно коррелируют либо с устойчивостью, либо с восприимчивостью к болезни», - сказал Мучеро. «В ORNL мы можем показать, что наши результаты сохраняются в реальных полевых условиях и что большинство черных тополей с Западного побережья не переносят возбудитель септориоза».
Тем не менее, результаты также выявили отдельные деревья, которые устойчивы к заболеванию и могут быть использованы для создания устойчивых гибридов для коммерческого производства, а также для информирования о стратегиях вмешательства для защиты экосистем северо-запада Тихого океана от распространения септориоза.
Мучеро и ЛеБолдус заявили, что это исследование поддерживает задачу, поставленную специальным комитетом Национальной академии наук, инженерии и медицины, по изучению потенциала биотехнологии для улучшения здоровья лесов.
«Генетические исследования могут помочь ученым и экспертам в области лесного хозяйства подготовиться к ситуации, когда патоген проникает в экосистему без предупреждения, и применить методы для прививки и потенциального спасения видов, находящихся под угрозой исчезновения», - добавили они.