美國板栗樹曾是東部落葉林中最雄偉的硬木樹之一，其中許多樹高達80至120英尺，直徑8英尺或更高。Thoreau在瓦爾登(Walden)寫過的“無邊無際的板栗樹林”曾經(jīng)在阿巴拉契亞山脈中長大。它們?yōu)橐吧鷦游锾峁⒌睾头柿献魑?，為人類提供營養(yǎng)豐富的堅果作物，并提供有價值的木材來源。由于它們的快速生長速率和抗腐蝕木材，它們還具有顯著的碳固存潛力，這在氣候變化的這些日子里非常重要。

該物種有一個悲傷的故事要講述。在從緬因州到格魯吉亞的大約40億美國板栗樹中，只剩下一個殘余的生存。

該物種幾乎被栗樹枯萎病消滅，這是一種由外來真菌病原體Cryphonectria parasitica引起的毀滅性疾病。一個世紀以前，當人們開始進口亞洲栗子時，這種真菌被意外地引入美國。它將美國板栗從東部森林中的優(yōu)勢冠層物種減少到僅僅是一種罕見的灌木。

在與枯萎病作斗爭超過一個世紀之后，研究人員正在使用現(xiàn)代的育種工具，生物控制方法，這些方法依賴于抑制感染真菌生長的病毒，并直接進行遺傳修飾以使美國栗子恢復其關鍵位置在我們的森林里。要恢復這棵心愛的樹，我們需要所有可用的工具。經(jīng)過26年的研究，一個由100多名大學科學家和學生組成的團隊在非營利性的美國板栗研究和恢復項目中進行了研究，但我們終于開發(fā)了一種無害的，抗枯萎的美國板栗樹。

一個基因調(diào)整

我的研究合作伙伴Chuck Maynard博士和我在紐約州立大學環(huán)境科學與林業(yè)學院(ESF)的一個團隊合作，其中包括高中生，本科生和研究生，博士后研究員，其他機構和志愿者的同事。我們的工作重點是直接基因改造或基因工程，作為恢復美國板栗的一種方式。

抗枯萎美國板栗的下一步

任何其他遺傳修飾方法都沒有面臨的基因工程挑戰(zhàn)之一也可以起到保障作用。我們必須通過美國農(nóng)業(yè)部，環(huán)境保護局和食品和藥物管理局的聯(lián)邦監(jiān)管審查來牧養(yǎng)這些樹木。我們的計劃是在完成收集必要數(shù)據(jù)后提交這些申請; 我們預計這個過程需要三到五年。一旦我們收到(預期)批準，我們將迅速向公眾提供樹木。

該項目是獨一無二的，因為它是第一個尋求批準轉(zhuǎn)基因植物以幫助拯救物種和恢復森林生態(tài)的項目。我們的森林今天面臨許多挑戰(zhàn)，包括外來害蟲和病原體，如Emerald Ash Borer，Helmlock Wooly Adelgid，突然橡樹死亡，荷蘭榆樹病等等。美國栗子可以作為保護森林健康的模范系統(tǒng)。

直接遺傳修飾可能不會孤立使用。整合可能會改善美國板栗基金會的傳統(tǒng)雜交/回交育種計劃和我們的基因工程計劃的成果。允許來自兩個程序的最佳樹之間的雜交將允許基因堆疊 - 在單個樹中具有多個和多樣的抗性基因 - 每個以不同的方式工作以阻止枯萎病。這將顯著降低枯萎病可能克服阻力的機會。這兩個程序一起工作還可以為其他重要害蟲添加抗性基因，如疫霉菌(Phytophthora)，導致栗子南部嚴重的根腐病。并且結合方法增加了抗性持久和可靠的機會，這對于健康狀況可以存活數(shù)百年的樹非常重要。

轉(zhuǎn)基因美國板栗樹的一個獨特方面是它們能夠拯救美國板栗樹中存活的小群體的遺傳多樣性。當我們將抗枯萎病的轉(zhuǎn)基因樹木直接傳給這些幸存的“母親”樹木，直接在野外或從它們采集的堅果中種植并在果園中種植時，我們正在幫助保護剩余的野生基因。

產(chǎn)生的后代的一半將完全抗枯萎，同時還含有來自母樹的一半基因。通過進行這些交叉，修復樹將在生態(tài)上適應它們將生長的各種環(huán)境。這些樹木也可用于增強雜交/回交育種計劃的遺傳多樣性，或直接用于恢復和自我保護，允許自然選擇，以最終確定我們的努力的有效性。

美洲板栗是北美東部森林中最重要的硬木樹種之一，它可以再次出現(xiàn)?；蚪M中的微小變化有望成為美國板栗走上康復之路的重要一步。

我們測試了30多種來自不同植物物種的基因，這些基因可能會增強抗枯萎病性。到目前為止，從面包小麥的基因已經(jīng)被證明最有效的護樹由真菌引起的枯萎病。這種小麥基因產(chǎn)生一種名為草酸氧化酶(OxO)的酶，它可以解毒真菌所使用的草酸鹽，在莖上形成致命的潰瘍病。這種常見的防御酶存在于所有谷類作物以及香蕉，草莓，花生和數(shù)十億人類和動物每天消耗的其他常見食物中，并且與谷蛋白無關。

我們在栗子基因組中添加了OxO基因(和一個標記基因，以幫助我們確保抗性增強基因存在)，其中包含大約40,000個其他基因。與許多傳統(tǒng)育種方法的產(chǎn)品相比，這是微不足道的改變?？紤]物種雜交技術，其中添加了數(shù)萬個基因，以及突變育種，其中誘導了未知突變。基因工程使我們能夠生產(chǎn)抗枯萎的美國板栗，其遺傳度超過99.999%，與野生型美國栗子完全相同。

基因轉(zhuǎn)移一直在發(fā)生

對于一些人來說，這提出了一個問題：不是物種間的基因移動不自然嗎?簡而言之：沒有。這種運動對所有物種的進化至關重要。研究人員發(fā)現(xiàn)水平(種間)基因轉(zhuǎn)移發(fā)生在自然界甚至在我們自己的身體中。事實上，我們用于將抗枯萎病基因轉(zhuǎn)移到栗子中的同一生物(農(nóng)桿菌)也永久性地改變了野外的其他植物。例如，今天市場上的所有甘薯品種都是在大約8000年前由這種細菌進行基因改造的。還有另一個合乎邏輯的問題：意外后果會怎樣?當然，未定義的問題是不可能回答的，但從邏輯上講，產(chǎn)生最小變化的方法應該具有最少的意外后果。我們沒有觀察到非目標轉(zhuǎn)基因效應 - 也就是我們不想要的變化 - 在我們的樹木上或與我們的樹木相互作用的其他生物體上，例如與有益真菌相關。

無論如何，意想不到的后果并不局限于遺傳學實驗室。板栗種植者因其栗子雜交育種而產(chǎn)生了意想不到的后果。一個例子是在栗子雜交中看到的內(nèi)核破壞(IKB)，其是由雄性不育的歐洲/日本雜交種(“巨型”)與板栗交配引起的。通過傳統(tǒng)育種混合成千上萬個未知相互作用的基因，偶爾會出現(xiàn)不相容的組合或誘導突變，導致IKB或雄性不育等意外結果。

基因工程的一個關鍵優(yōu)勢是它對原始栗子基因組的破壞性要小得多 - 因此對其生態(tài)學上重要的特征也是如此。樹木更加真實，不可預見和不必要的副作用的可能性更小。一旦插入這些基因，它們就會成為樹木基因組的正常部分，并且就像任何其他基因一樣被遺傳。他們沒有機會轉(zhuǎn)移到其他物種，而不是已經(jīng)在板栗中的大約40,000個基因中的任何一個。