Разрушители. Грибки и грядущая пандемия
Шрифт:
Самыми большими соснами в мире считаются сахарные, а две самые крупные представительницы этого вида растут в районе озера Тахо в Калифорнии3. Их можно было бы уложить вдоль футбольного поля, и они лишь немного не дотянули бы до его длины. А чтобы обхватить одно такое дерево, потребовалось бы, чтобы пять или шесть взрослых людей взялись за руки. Очевидно, что, имея такие размеры, сахарные сосны должны были привлечь внимание поселенцев середины и конца XIX века, чьи фабрики делали из деревьев товар. Это внимание вызвало то, что один писатель назвал «вихрем разрушения»4. Во время золотой лихорадки из древесины сахарной сосны строили дома и шахты, шлюзы и желоба, по которым текла вода, окрашенная золотой пылью. В начале XX века Лесная служба США подсчитала, что в лесах Калифорнии произрастало около 39 миллиардов «дощатых футов» сахарной сосны5. Лесники и лесозаготовители и представить себе не могли, что споры пузырчатой ржавчины в этот момент уже пробираются из Британской Колумбии через Каскадные горы, чтобы подвергнуть всеми любимые деревья смертельной
В свое время лесопатолог Ричард Бингхэм был младшим сотрудником программы по борьбе с пузырчатой ржавчиной, которая проводилась в Спокане, штат Вашингтон. В его обязанности входило обследование поврежденных ржавчиной сосновых лесов. В 1946 году он наткнулся на удивительную находку: 60-летнюю здоровую западную белую сосну высотой 30 метров. А в течение следующих нескольких лет ему удалось обнаружить еще 14 деревьев, не подвергшихся заражению, хотя их окружали десятки погибших от ржавчины великанов. По мнению Бингхэма, найденные деревья были способны противостоять или переносить ржавчину. Он знал, что ученые из восточных штатов экспериментировали с устойчивыми к ржавчине восточными белыми соснами, и результат их работы показал, что способность противостоять грибку, по-видимому, находится под генетическим контролем. Другими словами, если деревья удастся успешно размножить, устойчивый родитель7 должен передать потомству все гены, обеспечивающие необходимую защиту. В дальнейшем Бингхэм возглавил программу по выведению устойчивых к пузырчатой ржавчине западных белых сосен. Без каких-либо иллюзий относительно времени и предстоящих трудностей селекционная работа была просчитана на пять десятилетий вперед8.
Программа борьбы с пузырчатой ржавчиной охватила территории от северных Скалистых гор до юго-запада Тихого океана. К ней присоединились другие ученые, генетики, лесоводы и селекционеры и распространили усилия и на другие восприимчивые к пузырчатой ржавчине виды сосен, например сахарную. Никто точно не знал, как деревьям удается выжить и как долго они могут противостоять болезни, но многие саженцы, выращенные из семян устойчивых деревьев, действительно передавали устойчивость по наследству, по крайней мере в течение определенного времени9. Дерево могло сначала устоять перед заражением, но через десять или двадцать лет погибнуть. Или грибок мог эволюционировать, чтобы противостоять особой устойчивости дерева, сводя на нет десятилетия работы. Этот процесс был сложным, с какой стороны ни взгляни, а на первых порах еще и опасным для жизни. Шишки у западных белых и сахарных сосен растут рядом с кронами, иногда на высоте более 30 метров над землей. Для разведения этих деревьев лесникам приходилось вручную опылять семенные шишки и после созревания собирать их.
Уже появлявшийся на страницах этой книги Джеральд Барнс – тот самый подросток, который бродил по лесам, вытаскивая кустарники Ribes, – присоединился к программе разведения деревьев Лесной службы США в 1962 году10. Одним из его первых заданий, вспоминает он, было взобраться на сахарную сосну – он сопровождал регионального генетика программы Тома Грейтхауса, который был занят опылением деревьев. Они остановились перед одним особенно высоким деревом, и Барнс наблюдал в бинокль, как генетик взбирается первые десять метров, которые отделяли нижние зеленые ветви от земли. Грейтхаус использовал приспособление, называемое швейцарскими древесными захватами, или древесным велосипедом. Оно позволяет альпинистам подниматься по гладким стволам, на которых нет сучьев, не повреждая при этом кору, что важно, когда приходится неоднократно взбираться на одно и то же дерево. Барнс наблюдал, как Грейтхаус свободно поднимается на большую высоту – в зелень. Когда он спустился, настала очередь Барнса. Его задачей было достать красную ленту, которую Грейтхаус привязал к самой верхушке дерева. Очень волнуясь, Барнс все-таки достал ленту и следующие 20 лет лазил по самым высоким соснам на Западе, опыляя и собирая сосновые шишки, проверяя деревья на наличие ржавчины. Однажды он оказался на верхушке дерева во время землетрясения, а в другой раз дельтакрылый самолет пронесся так низко над головой, что этого оказалось достаточно, чтобы дерево закачалось. Барнс лазил на огромную высоту и в холод, и в снег, а однажды чуть не погиб, когда, приблизившись к кроне 50-метрового дерева, вынужден был спрыгнуть на ветку, которая под ним обломилась. Он смог спуститься, получив лишь перелом ключицы. Впоследствии Барнс и Грейтхаус написали первое неофициальное руководство по лазанию по деревьям. За прошедшие годы рискованная работа претерпела некоторые изменения, но сбор шишек и сегодня остается таким же важным делом для разведения деревьев, как и в первые дни работы программы.
Веками деревья оставались частью дикой природы и соответствовали своим генетическим корням. Поэтому, если бы люди, жившие много столетий назад, вдруг оказались в нашем времени, они без труда узнали бы сосны – сахарную и западную белую. Чего не скажешь о продовольственных культурах. На протяжении тысячелетий фермеры формировали облик и вкус того, что мы едим, – от пшеницы до бананов, от картофеля до капусты, – даже если они не до конца понимали, как устроен принцип наследуемости.
Активное использование возможностей генетики и отбор генов для улучшения вкуса, ускорения роста, развития устойчивости к засухе и болезням охватили наш мир сравнительно недавно. Тесная связь между селекцией растений и наследственностью была открыта в середине XIX века благодаря биологу Грегору Менделю, который также являлся монахом-августинцем. Мендель выводил горох с такими признаками, как зеленый или желтый цвет, морщинистые
Работа Менделя была революционной и гораздо раньше дала бы селекционерам знания, позволяющие направлять их усилия на достижение нужного результата, но мало кто из ученых, живших в одно с ним время, обратил внимание на сделанное им открытие. Мы же знакомимся с законами Менделя о генетическом наследовании в школе. Смотрим на своих родителей и понимаем, почему у двух голубоглазых людей все дети рождаются с таким же цветом глаз, а у детей двух кареглазых родителей могут быть и карие, и голубые, и с ореховым оттенком. Несмотря на то что генетика становится все более сложной, работа Менделя в области наследования отдельных генов выдержала испытание временем и дает нам фундаментальное понимание наследственности и доминирования генов. Законы, выведенные биологом, который жил более двухсот лет назад, вручили селекционерам мощный набор инструментов.
В XX веке ученые обнаружили, что признаки кодируются генами, которые находятся в хромосомах и состоят из генетического материала, называемого ДНК. Все эти открытия позволили глубже понять наследственность и то, как генетический материал передается от одного поколения к другому. Ученые также обнаружили, что если некоторые признаки контролируются различными версиями одного гена, то большинство признаков контролируется многими генами, что усложняет понимание наследования определенных признаков. Менделю повезло, что он работал с горохом, который обладал простыми эффектами одного гена. Если бы он выбрал другое садовое растение, разобраться с наследованием было бы гораздо сложнее. По меньшей мере 50 генов и различные области человеческого генома на 80 % определяют рост11. В 1950-х годах, когда проводились исследования по изучению пузырчатой ржавчины, никто не знал, сколько генов участвует в формировании устойчивости. Был ли это один доминантный ген или множество генов, действующих согласованно? Что было лучше? Опыт селекции продовольственных культур показал, что устойчивость к болезням, которая обусловлена одним или несколькими генами, легче уловить, она обладает высокой степенью защиты, но может быть недолговечной12. Если существует всего несколько препятствий, грибок или другой патоген может быстро развиться и обойти устойчивость, сведя на нет годы или десятилетия усилий. Вывести мультигенную устойчивость гораздо сложнее, к тому же она скорее будет не настолько эффективна, хотя и прослужит гораздо дольше.
Один из первых больших прорывов в селекции сосен, направленной на выработку устойчивости к болезням, произошел в 1970 году, когда генетик из Лесной службы США Бохун Кинлох и его коллеги сообщили, что нашли главный ген, защищающий сахарные сосны13. Результаты их труда совпадали с учением Менделя и соответствовали закономерностям доминантных и рецессивных генов. Хотя лесоводы не были уверены, как долго продлится такой иммунитет, у них, по крайней мере, появилось то, от чего можно оттолкнуться, – конкретный ген. Позднее Кинлох обнаружил и множественную генную резистентность, ну а пока открытие его команды получило название Cr1. Данный ген запускал процесс уничтожения клеток хвои вокруг новой инфекции, то есть реакцию клеточного самоубийства, которая предотвращает распространение ржавчины. Еще один ген устойчивости, названный Cr2, был обнаружен у западной белой сосны. Как и предполагалось, успех оказался недолговечным – уже давно появились штаммы ржавчины, которые преодолели устойчивость этих одиночных генов14.
Селекционные программы, начатые во многом благодаря Ричарду Бингхэму, продолжаются уже более 70 лет. Сегодня перед селекционерами стоит задача – найти деревья, защищенные и основными, и несколькими генами, потому что такая защита является более сложным препятствием для пузырчатой ржавчины15.
На протяжении 1900-х годов пузырчатая ржавчина поражала не только западную белую и сахарную сосны, но и убивала белокорую. Однако лесозаготовительная промышленность не видела в этом виде особой ценности, поэтому он остался за бортом программы по восстановлению популяций сосен. Но полагаться на природу в надежде, что этот важный для экологии вид возродится сам по себе, было авантюрой, и это понимали эколог Диана Томбек и ее коллега Роберт Кин, работавшие в то время в Лесной службе США. Поэтому в середине 1980-х годов они и другие ученые, включая Кинлоха, вошли в исследовательскую группу по спасению белокорых сосен. Сосредоточившись на определении всех причин, которые вызывали вымирание популяции, они окончательно подтвердили, что главным виновником является пузырчатая ржавчина. Так что к концу 1990-х годов все согласились с тем, что белокорой сосне нужен тот же шанс, который был предоставлен ее пятихвойным сестрам – западной белой и сахарной соснам. Движимые большим неравнодушием и желанием сохранить видовое многообразие на планете, ученые и их коллеги призвали общественность к разработке новых селекционных программ. Ричард Снежко, генетик, работающий в Центре генетических ресурсов Дорена при Министерстве сельского хозяйства США, самостоятельно присоединился к усилиям по борьбе с болезнями. Совместная работа позволила выйти за рамки спасения деревьев ради коммерческой выгоды, потому что сосны, какого бы они ни были вида, ценны сами по себе и являются природным достоянием.