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Jun 14, 2023

Nennen wir es ein Comeback: Das Warnell-Labor entwickelt ein Verfahren, das Kastanien eine Chance zum Kampf gibt

Auf einem Stück Land im Zentrum von New York sammelten Forscher letztes Jahr mehr

Auf einem Stück Land im Zentrum von New York sammelten Forscher letztes Jahr mehr als 11.000 Kastanien.

Aber diese Nüsse werden auf keinen Fall über offenem Feuer geröstet. Stattdessen werden sie neu gepflanzt und auf das Vorhandensein eines bestimmten Gens, der Oxalatoxidase oder OxO, getestet, das den Bäumen Resistenz gegen Kastanienfäule verleiht.

Es ist noch ein langer Weg, die Milliarden von Kastanien wieder anzupflanzen, die in den letzten 100 Jahren verloren gegangen sind, als der Pilz mit einem asiatischen Kastanienbaum nach Nordamerika kam. Dank zellulärer Technologie, Forschungspartnerschaften und einer Technik zur Reproduktion genetisch identischer Kastanienembryonen, die von Wissenschaftlern der Warnell School of Forestry and Natural Resources der University of Georgia entwickelt wurde, sind die Fortschritte jedoch größer als seit Generationen.

Es stellt sich heraus, dass Kastanienbäume ein heikler Haufen sind.

Als sie Anfang des 20. Jahrhunderts der Seuche zu erliegen begannen, versuchten Wissenschaftler zunächst, den Erreger Cryphonectria parasitica zu bekämpfen. Wissenschaftler versuchten auch, einheimische Kastanien mit asiatischen Sorten zu kreuzen, aber diese Bäume überlebten nie im Wald, auch wenn sie eine gewisse Resistenz gegen die Knollenfäule zeigten.

Mit der Weiterentwicklung der Technologie erforschten Wissenschaftler neue Wege für den Kastanienanbau. In Warnell begann Professor Scott Merkle in den 1980er Jahren mit der Untersuchung der somatischen Embryogenese, um Proben von überlebenden, in freier Wildbahn entdeckten Bäumen zu klonen. Diese Bäume lebten lange genug, um Nüsse zu produzieren, die geerntet und zur Anzucht von Kulturen verwendet wurden. Um 1989 verfeinerte er den Prozess: Die somatische Embryogenese beginnt mit einem Samenembryo aus einer Nuss. Es wird geklont, um Tausende neuer, genetisch identischer Embryonen zu erzeugen, die sich vermehren, bis ihnen ein Signal gegeben wird, ihre Entwicklung zu reifen Embryonen abzuschließen. Es sind diese somatischen Embryonen, die zu Sämlingen keimen.

Damals wussten die Wissenschaftler noch nicht, welche Gene Kastanien bei der Bekämpfung der Seuche helfen könnten. Merkle glaubte, dass die Gewebekulturen, wenn sie auf diesen heiklen Bäumen perfektioniert würden, später helfen könnten.

„Er sah darin ein Werkzeug, um zwei Dinge zu tun“, sagte Dayton Wilde, Professor am UGA College of Agricultural and Environmental Sciences, der als Postdoktorand in Merkles Labor arbeitete. „Ein Ziel für die genetische Transformation – man weiß nicht einmal, welche Gene da draußen sein könnten, aber man weiß, dass es möglicherweise ein Resistenzgen gibt, das verfügbar werden könnte, und es musste einen Weg geben, es einzubauen – und zweitens, sobald man einen Baum hat Bei einer verbesserten Genetik muss man viele Kopien davon anfertigen. Durch die Embryogenese ist eine Massenvermehrung möglich.“

Etwa zur gleichen Zeit versuchten Wissenschaftler am College of Environmental Sciences and Forestry der State University of New York (SUNY-ESF), Gene in neues Wachstum an Trieben einzufügen. Es war, als ob die Labore Teile desselben Puzzles enthielten. Während Merkle daran arbeitete, somatische Embryonen als Vehikel für neue Gene zu Sämlingen heranwachsen zu lassen, experimentierten die SUNY-ESF-Forscher Bill Powell und Chuck Maynard mit neuen Genen, konnten diese jedoch nicht in den Pflanzen etablieren.

„Zu dieser Zeit verfügten wir über ein gutes genetisches Transformationssystem für die Arbeit mit embryogenen Kulturen von Gelbpappeln und passten es gewissermaßen für Kastanien an. Scott war tatsächlich der Erste, der ein somatisches Embryogenesesystem für Kastanien entwickelte“, sagte Wilde. „Zu dieser Zeit interessierte sich SUNY-ESF auch für die Wiederherstellung von Kastanienbäumen und wollte dabei mit Scott zusammenarbeiten.“

Maynard hatte den Postdoktoranden Zizhuo Xing rekrutiert, der dabei half, die Puzzleteile miteinander zu verbinden: Er wandte Merkles somatisches Protokoll an, um mit embryogenen Kulturen zu arbeiten.

In einem Interview, das Powell von SUNY-ESF 2019 für die Templeton World Charity Foundation gab, beschrieb er den Zusammenhang, den er zwischen Oxalsäure und Kastanienfäule herstellte – der Pilz nutzt Oxalsäure, um den Baum anzugreifen, aber wenn man einen Baum züchten kann, der Oxalsäure abbaut Säure ist es theoretisch nicht mehr anfällig für Fäulnis.

Mithilfe eines natürlichen bakteriellen Prozesses, bei dem das OxO-Gen in im Labor gezüchtete Zellen eingefügt wurde, gelang es ihnen, Kastanien mit einem ähnlichen Resistenzniveau wie asiatische Kastanien zu züchten.

„Sobald die Bakterien die DNA in Pflanzenzellen transportieren, vermehren wir diese Zellen und züchten letztendlich Bäume aus diesen Zellen. Scotts Arbeit war wirklich der Schlüssel zu diesem Prozess, von einer einzelnen Zelle zu einer ganzen Pflanze zu gelangen – insbesondere bei Kastanien“, sagte Andy Newhouse, Co-Direktor des American Chestnut Research and Restoration Project bei SUNY-ESF. „Ein Grund dafür, dass diese ganze Wiederherstellungsmaßnahme für Kastanien mithilfe von Gentechnik mehr als 30 Jahre gedauert hat, ist, dass jeder Schritt des Prozesses berücksichtigt werden muss. Aber Scotts Arbeit und die sich überschneidenden Arbeiten in unseren Labors haben es uns ermöglicht, dies zu erreichen.“

Im Laufe der Jahrzehnte trug der freundschaftliche Wettbewerb zwischen den Laboren dazu bei, neue Entdeckungen voranzutreiben. Das Sämlingsunternehmen ArborGen und in jüngerer Zeit auch die Forest Health Initiative stellten beiden Labors Mittel für die Arbeit an somatischer Embryogenese und Gentransfersystemen zur Verfügung.

Auch die American Chestnut Foundation war ein wichtiger Partner bei dieser Arbeit. Es hat dazu beigetragen, Forschungsarbeiten zu finanzieren, Prozesse zu formalisieren und ein Netzwerk von Kindergärten aufzubauen, die bereit sind, beim Wiederherstellungsprozess zu helfen.

Die Fortschritte, die gerade in den letzten Jahrzehnten erzielt wurden, seien erstaunlich, sagte Sara Fitzsimmons, Chief Conservation Officer der American Chestnut Foundation.

„Bis Mitte der 2010er Jahre arbeiteten viele Leute an verschiedenen Aspekten der Kastaniensanierung, und es gab eine Zusammenarbeit über eine Gruppe namens NE-1333 – wir kamen zusammen und schauten, wo es eine gegenseitige Zusammenarbeit gab“, sagte Fitzsimmons. „Scott hat sich hauptsächlich auf Gewebekultur und Kryokonservierung konzentriert und die Mechanismen zur Verbesserung der transgenen Pipeline herausgefunden. Bills Labor am ESF hat dies getan und dabei viel Input zu den Vorgängen in Scotts Labor gegeben.“

Es gibt jedoch noch eine weitere Hürde, bevor die Kastanien im Zentrum von New York in einer Baumschule in Ihrer Nähe gefunden werden können. Und das hat mit Genen und Vorschriften zu tun.

Als es Powells Labor gelang, eine New Yorker amerikanische Kastanie mit dem OxO-Gen zu transformieren, entstand eine neue Linie namens Darling 58. Anschließend produzierten sie somatische Embryonen aus dieser Linie und wurzelten die Triebe, um transgene Darling 58-Bäume zu erzeugen.

Wenn transgene Bäume in der Forschung verwendet werden, benötigen sie eine Feldtestgenehmigung von USDA-APHIS. Obwohl dies ein komplexer Prozess ist, ist er bei weitem nicht so aufwändig wie der „nicht regulierte Status“, der für die Verbreitung eines transgenen Baums an die Öffentlichkeit erforderlich ist. Dies erfordert die Genehmigung des USDA-APHIS, der EPA und der FDA. Es hat Jahre gedauert, aber eine Entscheidung wird in den nächsten Monaten erwartet.

Wenn es genehmigt wird, ist es ein großer Schritt für transgene Bäume. Bisher wird das Verfahren von der Landwirtschaft für die Zulassung transgener Pflanzen genutzt. Unternehmen stellen Teams ein, die die Anträge ausfüllen und betreuen.

„Uns wurde gesagt, dass das nicht machbar sei“, fügte Newhouse hinzu, der den Bundesantrag bis in die Endphase begleitet hat. „Und es hat jahrelange Treffen und Klärungen gedauert, aber hier sind wir. Wir haben Zusagen von allen drei Agenturen und erwarten bald eine Entscheidung.“

Merkle seufzt, als er sich an den Papierkram erinnert, der vor ein paar Jahren erforderlich war, um transgene Kastanienbäume im Whitehall Forest zu züchten oder sogar Kastanien auf der UGA Horticultural Farm zu bestäuben. Er verwendete Pollen von SUNY-ESF; Die Bäume produzierten Nüsse, die dann an SUNY-ESF, die Penn State University und die TACF-Forschungsfarm in Meadowview geschickt wurden, um sie auf Seuchenresistenz zu testen.

Was seine eigene Ernte transgener Bäume angeht, sagte Merkle, er sei mit den Feldtests fertig. Aber er arbeitet vollkommen gerne in seinem Labor und züchtet transgene Setzlinge, damit andere sie im Feld testen können. Und genau so hilft Merkle bei der nächsten Stufe der Kastanienentwicklung.

Während Kastanien von Maine bis Georgia wuchsen, führten die unterschiedlichen Klimazonen und Standorte im gesamten Verbreitungsgebiet zu unterschiedlichen Genotypen – leicht unterschiedliche Genetik als Reaktion auf die örtlichen Bedingungen. Da künftige Kastanien für das OxO-Gen ausgewählt werden, bedeutet dies, dass ein Block von Genen neben dem OxO-Gen auf dem Chromosom von Darling 58 wahrscheinlich mit jeder Generation weitergegeben wird und nicht im Laufe der Zeit verdünnt wird. „Es gibt also ein Stück unbekannter Größe dieses New Yorker Baums, das in allen OxO-Bäumen produziert wird, die wir hier in Georgia mit Darling 58-Pollen züchten“, sagte Merkle.

Er arbeitet nun daran, das OxO-Gen direkt in regionale Kastaniensorten einzuführen, die dann in ihrem heimischen Klima angebaut werden können, wenn Darling 58 die Bundesgenehmigung erhält. Diese von der American Chestnut Foundation und der Foundation for the Carolinas unterstützte Arbeit wird in Merkles Labor von dem Forschungsexperten Ryan Tull und der Postdoktorandin Heather Gladfelter durchgeführt. Der Forschungsexperte Paul Montello überwacht die Kryolagerung von Kopien der Kulturen für die zukünftige Verwendung.

„Diese Arbeit wird die Zukunft der amerikanischen Kastanie weiter stärken“, sagte Jared Westbrook, Wissenschaftsdirektor der American Chestnut Foundation.

„Scott arbeitet seit einigen Jahren mit uns daran, das OxO-Gen in andere Bäume einzubauen, nicht nur in Bäume aus New York, sodass wir keinen Engpass (bei den Genen) haben“, sagte Westbrook. „Scott ist der Pionier bei der Entwicklung dieser Methoden zur Kultivierung von Kastanienembryonen und führt einen Teil der Gentechnik durch – das Klonen von Kastanien auf eine Weise, die wir in das Genom des Baumes einbauen können verschiedene Gene.“

Das Ziel, sagte er, sei es, das OxO-Gen in 200 Bäumen aus dem gesamten Verbreitungsgebiet zu züchten. Jedes Jahr bestäuben Wissenschaftler einige tausend Bäume von Hand. Mit der Deregulierung könnten sie auf die Pflanzung von 10.000 Bäumen pro Jahr ausgeweitet werden.

Grobe Schätzungen gehen von einem ursprünglichen Kastanienbestand von 4 Milliarden aus. Das bedeutet, dass viele Bäume ersetzt werden müssen, und ein großes logistisches Problem für Fitzsimmons, der damit beauftragt ist, die Bäume wieder in den Wald zu bringen.

Aber die Zusammenarbeit mit Baumschulen in der Erwartung, später in diesem Jahr möglicherweise Setzlinge verteilen zu können, macht ihr Hoffnung. Es ist eine grundlegende Veränderung im Vergleich zu den Kastanien vor ein paar Jahrzehnten.

„Kastanien sind das, was wir eine widerspenstige Art nennen – die Samen sind nur ein Jahr haltbar, und es gibt all diese Dinge, die es schwierig machen, mit dieser Art zu arbeiten“, sagte sie. „Aber das sind einige der großen Fortschritte, die die Labore von Scott und Bill gemacht haben. Sie haben Wege gefunden, einige dieser Herausforderungen zu meistern.“

Diese Geschichte wurde erstmals von der Warnell School of Forestry & Natural Resources veröffentlicht und wird mit Genehmigung erneut veröffentlicht.