Разрушители. Грибки и грядущая пандемия

Спустя годы ученые узнали, что некоторые гены устойчивости могут быть связаны с другими генами – теми, что расположены рядом на хромосоме. Во время размножения, когда гены распределяются по дочерним клеткам, такие сцепленные друг с другом «парочки», как правило, «путешествуют вместе», и потомство получает все признаки, за которые они ответственны, или большинство из них. У человека связаны между собой гены цвета волос и глаз: каштановые волосы – с карими глазами, светлые волосы – со светлым цветом глаз. Генетическая связь могла бы объяснить, почему признак устойчивости к каштановой чуме и признак, определяющий структуру ветвей, воспроизводятся в потомстве одновременно. Возможно, именно из-за этого выведение высоких и устойчивых к заболеванию деревьев является более сложной задачей, чем предполагал Грейвс⁹.

В то время как Грейвс подбирал и скрещивал деревья, его современники из Министерства сельского хозяйства США также искали правильное сочетание формы и функциональности, высаживая десятки тысяч гибридов в более чем дюжине штатов. Одно из этих деревьев, полученное в 1946 году исследователем Расселом Клэппером, работавшим в штате Коннектикут, подало определенные надежды. Дерево стало известно как «дерево Клэппера». Оно оказалось результатом обратного скрещивания китайско-американского потомка с родителем – американским каштаном. После первоначального скрещивания саженцы имели примерно равное количество генов от каждого родителя, при этом дерево Клэппера получило более американский вид с большой дозой устойчивости к чуме, доставшейся от китайского прародителя. Этот каштан рос в течение двух десятилетий и сохранял устойчивость, но на 25-й год появились симптомы заболевания, и еще через пять лет дерево погибло¹⁰. Сотни скрещиваний, тысячи деревьев, десятки тысяч плодов, посаженных и выращенных в течение десятилетий, и такой итог – принцип наследуемости признаков стал для исследователей задачей, которая оказалась им не по силам. Разочарованным селекционерам могло показаться, что самое время уйти в отставку. Но, как всегда, нашелся еще один мечтатель, готовый рискнуть всем.

Чарльз Бернхэм был генетиком и агрономом из Университета Миннесоты. Он вышел на пенсию, зная все о том, как создать растение с помощью селекции. Первые годы в профессии он провел рядом со светилами этой науки, среди которых были лауреат Нобелевской премии Барбара Мак-Клинток, открывшая, что гены могут перемещаться, меняя свое местоположение в геноме, и Джордж Бидл, получивший премию за то, что обнаружил связь между генами и генными продуктами, такими как ферменты. Бернхэм потратил 50 лет на изучение генетических особенностей таких культурных растений, как кукуруза, фасоль, ячмень и пшеница, выясняя, какие гены что делают и где они расположены в геноме растений. Он знал, как развивать полезные характеристики, такие как устойчивость к болезням, и выводить менее желательные, чтобы они не наследовались.

В начале 1980-х годов Бернхэм нашел для себя новое поле для деятельности, обещавшее интересные задачи, – американский каштан. Он рассудил, что прошлые селекционные проекты провалились, потому что просто не зашли достаточно далеко. Они довольствовались разовым скрещиванием дерева азиатского происхождения и дерева из США, получив гибрид первого поколения, F1, который поровну наследовал признаки обоих родителей. Но наряду с генами устойчивости к внешним воздействиям есть и множество других, определяющих форму и размер листьев, структуру ветвей и размер каштана, и гибрид получал их некое сочетание. Дерево Клэппера с одним обратным скрещиванием шагнуло немного дальше, но все же недостаточно далеко. Бернхэм считал, что характеристики американского каштана можно вернуть в смесь с помощью более тщательного процесса обратного скрещивания – стратегии, которая первоначально применялась в отношении таких культурных растений, как пшеница и ячмень. При работе с самоопыляющимися растениями, которые производят более генетически однородное потомство, и с растениями, созревающими в течение одного вегетационного сезона, результативность подобных экспериментов можно было бы проверить относительно быстро. И если бы деревья соответствовали этим характеристикам, работа велась бы на совершенно другой скорости, не десятилетиями.

Как и дерево Клэппера, Бернхэм скрестил F1 с американским каштаном, получив первое поколение обратного скрещивания – BC1. Потомство от этого скрещивания следовало снова скрестить с еще одним американским деревом, а потом проверить BC2 на устойчивость к каштановой чуме. Теоретически к третьему обратному скрещиванию¹¹, или BC3, писал Бернхэм, потомство будет на 15–16 % соответствовать американскому каштану. Он предположил, что где-то в этих 16 % генов будут те, что отвечают за устойчивость. Далее BC3 следовало скрещивать между собой в течение трех поколений, и последнее – BC3F3 – должно стать устойчивым к чуме, настоящим селекционным американским каштаном. План Бэрхнэма был расписан на 30 лет вперед и руками сотен помощников, отвечающих за посадку, измерения и выбраковку, должен был помочь пронести гены каштана через пять поколений деревьев и десятки тысяч саженцев. Помня о генетическом разнообразии, следовало стремиться вывести не одну линию устойчивых каштанов, а несколько – чтобы они были способны выдержать и тепло южноамериканского лета, и снег беркширской зимы. В программу должны были войти каштаны из высокогорных и низменных районов Джорджии, Теннесси, Северной Каролины и Массачусетса. Бернхэм знал¹², что не доживет до реализации этого плана, но организация могла бы продолжить его и обеспечить успех проекта. С этой целью в 1983 году Бернхэм вместе с агрономом Норманом Борлоугом, который смог вывести устойчивую к ржавчине пшеницу, и другими учеными основал Американский фонд спасения каштанов. С годами вокруг идеи Бернхэма сплотились генетики, фитопатологи, частные фермеры, лесники и ученые, создав сообщество романтиков, ведомых мечтой восстановить дерево, которое большинство никогда не видело в дикой природе и вряд ли сможет увидеть хотя бы потому, что не доживет до того дня, когда селекционная программа даст положительный результат. Однако фонд и его волонтеры возрождают не только американский каштан – они возрождают надежду.

* * *

Когда Бернхэм разрабатывал свою программу, он считал, что устойчивость происходит от двух генов, это значительно усложняло процесс селекции, по сравнению с тем, в котором следовало бы вывести один желательный ген. Но нет ничего такого, чего нельзя было бы достичь с помощью прямых и обратных скрещиваний. Учитывая это, план Бернхэма выглядел очень хорошо, но оказалось, что генетика устойчивости не так проста.

В 1990-х годах считалось, что в устойчивости участвуют три гена. Теперь мы знаем, что их гораздо больше¹³. Как и в программе по выведению устойчивости к пузырчатой ржавчине сосны, каждое поколение каштана необходимо проверять на устойчивость к грибковым заболеваниям, и программа фонда предполагает выращивание саженцев до тех пор, пока они не станут достаточно взрослыми, чтобы подвергнуться воздействию грибка. Эколог Пол Ветцель руководит полевой станцией Маклиша в колледже Смита и ухаживает за фруктовым садом, полным саженцев, принадлежащих Американскому фонду спасения каштанов, – колледж предоставил фонду доступ к саду на 30 лет. Многие студенты участвовали в посадке саженцев, и хотя никто из них никогда не видел этот вид во всей его красе, они могут за ним наблюдать, хотя бы просто проходя мимо.

Сад окружен забором, который находится под напряжением, – это сделано для того, чтобы олени не вредили деревьям. Самые старые из них были посажены около девяти лет назад и уже плодоносят. Все они близки к последнему этапу процесса скрещивания Бернхэма, то есть являются BC3F2. Более низкие и молодые деревья находятся в глубине участка, отдельные отличаются по своим характеристикам: у некоторых листья длиннее и обладают более выраженными зубцами, некоторые выше или ниже, чем другие, и прочее. Сад был спроектирован с учетом вероятности обнаружения нескольких устойчивых деревьев, поэтому они растут в тесноте, на расстоянии полуметра друг от друга, и в каждом из девяти сегментов насчитывается около 150 растений от одной родительской линии (новые сады высаживаются на большем расстоянии друг от друга, чтобы повысить шансы на выживание). Среди деревьев встречаются чистые китайские каштаны – это контрольные деревья. Охраняемые условия позволяют сберечь популяцию от излишней тени, нашествия енотов или оленей, но все равно не могут исключить влияние засухи, дождей и ветра, и иногда деревья просто погибают от самых разных причин, которые невозможно предупредить. Однако тот факт, что сад является экспериментальным, означает, что в нем высажено гораздо больше деревьев, чем запланировано, – лишь бы достаточное количество выжило и доросло до зрелости.

Когда саженцам исполняется два года, их проверяют на устойчивость. В этом случае грибок наносится непосредственно на каждое дерево. Ветцель и добровольцы из фонда проделывают небольшое отверстие в коре каждого ствола, берут пробу грибка из чашки Петри, вставляют ее в отверстие и закрывают рану. Они контролируют появление язв и измеряют их, а потом инфицируют выжившие деревья еще одной порцией вирулентного грибка. Цель Ветцеля – выявить 20 устойчивых деревьев, вырезать остальные, чтобы дать оставшимся немного пространства, а затем позволить выжившим деревьям перекрестно опыляться и приносить плоды, которые теоретически дадут устойчивые к каштановой чуме семена для новых посадок. К сожалению, несмотря на все усилия, большинство молодых деревьев в саду Ветцеля не имеют правильной комбинации генов. За последние десятилетия прорыва так и не произошло.

С 2002 по 2018 год на исследовательской ферме фонда в Мидоувью, штат Вирджиния, было высажено около 70 тысяч деревьев BC3F3, то есть находящихся на заключительном этапе селекционной программы Бернхэма. Согласно математическим расчетам, если всего несколько генов отвечают за большую часть устойчивости, должно было получиться около 18 деревьев, способных противостоять болезням, как их китайский предок. При этом они должны проявлять признаки американского каштана – вырастать высокими и выпускать длинные зубчатые листья. Однако к 2018 году стало ясно, что сопротивляемость в лучшем случае средняя, а при заражении грибком, вызывающим заболевание, образуются язвы, которые носят менее разрушительный характер, чем те, что свойственны американским предкам, и более – чем те, что появлялись вне программы на китайских деревьях. Полученный результат позволил предположить, что устойчивость зависит от более чем трех генов и какая бы их конфигурация ни обеспечивала устойчивость, она не попала в линии эксперимента по обратному скрещиванию. Фонд приспосабливается к этой новой реальности по мере продолжения селекционной программы.

В 2019 году консорциум из 31 ученого опубликовал геном китайского каштана¹⁴. Это дерево – продукт около 40 тысяч генов. По словам количественного генетика Джареда Уэстбрука¹⁵, который является научным директором Американского фонда по спасению каштанов, устойчивость контролируется не двумя, тремя или шестью генами, а многими, распределенными по всем двенадцати хромосомам каштана. Оказывается, устойчивость гораздо сложнее, чем Бернхэм мог себе представить. Где находятся эти гены устойчивости на каждой хромосоме и что именно они делают, сказать сложно. «Подобно экосистемам, – объясняет Уэстбрук, – гены функционируют в сетях». Это означает, что не все они напрямую связаны с таким результатом, как устойчивость, а могут контролировать другие гены, которые включаются или выключаются и таким образом косвенно влияют на результат. Эта сложность наделила китайские каштаны устойчивостью, которую грибку еще предстоит преодолеть. И это объясняет, почему усилия по созданию устойчивого гибрида, который наращивает оболочку из крепкой, прямой, ровной и устойчивой к гниению древесины, формирует сладкие плоды, не сработали так, как планировалось. Последнее поколение гибридов, BC3F3¹⁶, выращенное в рамках программы фонда в Мидоувью, имеют схожесть с американским каштаном от 65 до 90 %, в среднем – около 83 %. «Это не совсем те 93,75 %, к которым стремился Бернхэм, – признает Уэстбрук. – Они также не настолько устойчивы, как он планировал».

* * *

В то время как фонд занимался разведением, выращиванием и скрещиванием деревьев, Уильям Пауэлл и Чарльз Мейнард, работающие в Государственном университете Нью-Йоркского колледжа экологических наук и лесного хозяйства в Сиракузах, выбрали другой путь для спасения каштанов – генную инженерию. Их работа, которую фонд поддержал, может стать ключом к возрождению вида.

Уильям Пауэлл увлекся идеей спасения американских каштанов 30 лет назад. Он начал с изучения явления, называемого гиповирулентностью¹⁷. Оно основывается на представлении, что гиповирулентный грибок менее способен заражать хозяина и разрастаться на нем, а значит, менее способен вызывать болезнь. В начале XX века, когда каштановая чума охватила Аппалачи, европейцы готовились к аналогичным потерям, тем более что местные каштаны также оказались заражены болезнью, завезенной, предположительно, из Азии. Но массового уничтожения европейских садов так и не произошло. В 1950-х годах итальянский фитопатолог отметил, что каштаны в Генуе выжили, но не смог объяснить, каким образом. Десятилетие спустя один французский агроном и его коллеги обнаружили, что у местных каштанов протекание болезни отличалось от того, которое наблюдали в Соединенных Штатах, и причина этого кроется в грибке – в некоторых случаях он был менее вирулентным, или гиповирулентным. Когда агроном распространил его на другие зараженные каштаны, на них начали образовываться язвы, указывающие на инфекцию, но затем они зажили, оставив луковицеобразные струпья. Европейцы выращивали каштаны преимущественно в садах¹⁸, что способствовало распространению грибка, но деревья все равно выживали, а все потому, что он сам был заражен вирусом, о чем ученые, конечно же, не знали. Все дело в том, что вирусы поражают практически все живые существа на планете – от микробов до растений и животных. Есть вирусы, которые заражают другие вирусы, а есть те, которые заражают грибки и бактерии. Некоторые из них способны убить своего хозяина, а другие не причиняют вреда; конкретно этот поразил грибок, вызывающий каштановую чуму, и сделал его бессильным.