美國(guó)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(dá)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(zhǎng)大。它們?yōu)橐吧鷦?dòng)物提供棲息地和肥料作物，為人類提供營(yíng)養(yǎng)豐富的堅(jiān)果作物，并提供有價(jià)值的木材來源。由于它們的快速生長(zhǎng)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(gè)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(guó)板栗樹中，只剩下一個(gè)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(gè)世紀(jì)以前，當(dāng)人們開始進(jìn)口亞洲栗子時(shí)，這種真菌被意外地引入美國(guó)。它將美國(guó)板栗從東部森林中的優(yōu)勢(shì)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(zhēng)超過一個(gè)世紀(jì)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(zhǎng)的病毒，并直接進(jìn)行遺傳修飾以使美國(guó)栗子恢復(fù)其關(guān)鍵位置在我們的森林里。要恢復(fù)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(gè)由100多名大學(xué)科學(xué)家和學(xué)生組成的團(tuán)隊(duì)在非營(yíng)利性的美國(guó)板栗研究和恢復(fù)項(xiàng)目中進(jìn)行了研究，但我們終于開發(fā)了一種無害的，抗枯萎的美國(guó)板栗樹。

一個(gè)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(xué)環(huán)境科學(xué)與林業(yè)學(xué)院(ESF)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)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(jī)構(gòu)和志愿者的同事。我們的工作重點(diǎn)是直接基因改造或基因工程，作為恢復(fù)美國(guó)板栗的一種方式。

抗枯萎美國(guó)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(guó)農(nóng)業(yè)部，環(huán)境保護(hù)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(jì)劃是在完成收集必要數(shù)據(jù)后提交這些申請(qǐng); 我們預(yù)計(jì)這個(gè)過程需要三到五年。一旦我們收到(預(yù)期)批準(zhǔn)，我們將迅速向公眾提供樹木。

該項(xiàng)目是獨(dú)一無二的，因?yàn)樗堑谝粋€(gè)尋求批準(zhǔn)轉(zhuǎn)基因植物以幫助拯救物種和恢復(fù)森林生態(tài)的項(xiàng)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(guó)栗子可以作為保護(hù)森林健康的模范系統(tǒng)。

直接遺傳修飾可能不會(huì)孤立使用。整合可能會(huì)改善美國(guó)板栗基金會(huì)的傳統(tǒng)雜交/回交育種計(jì)劃和我們的基因工程計(jì)劃的成果。允許來自兩個(gè)程序的最佳樹之間的雜交將允許基因堆疊 - 在單個(gè)樹中具有多個(gè)和多樣的抗性基因 - 每個(gè)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(jī)會(huì)。這兩個(gè)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(dǎo)致栗子南部嚴(yán)重的根腐病。并且結(jié)合方法增加了抗性持久和可靠的機(jī)會(huì)，這對(duì)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(guó)板栗樹的一個(gè)獨(dú)特方面是它們能夠拯救美國(guó)板栗樹中存活的小群體的遺傳多樣性。當(dāng)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(jiān)果中種植并在果園中種植時(shí)，我們正在幫助保護(hù)剩余的野生基因。

產(chǎn)生的后代的一半將完全抗枯萎，同時(shí)還含有來自母樹的一半基因。通過進(jìn)行這些交叉，修復(fù)樹將在生態(tài)上適應(yīng)它們將生長(zhǎng)的各種環(huán)境。這些樹木也可用于增強(qiáng)雜交/回交育種計(jì)劃的遺傳多樣性，或直接用于恢復(fù)和自我保護(hù)，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(guó)板栗走上康復(fù)之路的重要一步。

我們測(cè)試了30多種來自不同植物物種的基因，這些基因可能會(huì)增強(qiáng)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(hù)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(dòng)物每天消耗的其他常見食物中，并且與谷蛋白無關(guān)。

我們?cè)诶踝踊蚪M中添加了OxO基因(和一個(gè)標(biāo)記基因，以幫助我們確?？剐栽鰪?qiáng)基因存在)，其中包含大約40,000個(gè)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(shù)，其中添加了數(shù)萬個(gè)基因，以及突變育種，其中誘導(dǎo)了未知突變?；蚬こ淌刮覀兡軌蛏a(chǎn)抗枯萎的美國(guó)板栗，其遺傳度超過99.999%，與野生型美國(guó)栗子完全相同。

基因轉(zhuǎn)移一直在發(fā)生

對(duì)于一些人來說，這提出了一個(gè)問題：不是物種間的基因移動(dòng)不自然嗎?簡(jiǎn)而言之：沒有。這種運(yùn)動(dòng)對(duì)所有物種的進(jìn)化至關(guān)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(shí)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(chǎng)上的所有甘薯品種都是在大約8000年前由這種細(xì)菌進(jìn)行基因改造的。還有另一個(gè)合乎邏輯的問題：意外后果會(huì)怎樣?當(dāng)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(yīng)該具有最少的意外后果。我們沒有觀察到非目標(biāo)轉(zhuǎn)基因效應(yīng) - 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(guān)。

無論如何，意想不到的后果并不局限于遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)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(gè)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(gè)未知相互作用的基因，偶爾會(huì)出現(xiàn)不相容的組合或誘導(dǎo)突變，導(dǎo)致IKB或雄性不育等意外結(jié)果。

基因工程的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是它對(duì)原始栗子基因組的破壞性要小得多 - 因此對(duì)其生態(tài)學(xué)上重要的特征也是如此。樹木更加真實(shí)，不可預(yù)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(huì)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(jī)會(huì)轉(zhuǎn)移到其他物種，而不是已經(jīng)在板栗中的大約40,000個(gè)基因中的任何一個(gè)。