29/06/2021
0На фото: Удивительная пара: соседние буки в Келькхайме-Эппенхайне, Гессен. В то время как одно из деревьев полностью здорово (справа), другое сильно пострадало от засухи (слева). | Фото: М. Пфеннингер.
Какие деревья переживают засушливое жаркое лето, а какие серьезно повреждаются или усыхают? Для бука на этот вопрос теперь можно ответить с помощью анализа генома. Это доказано в ходе исследований реакции на засуху буковых лесов земли Гессен.
Всякий, кто бродит летом по лесу, вновь и вновь видит засохшие коричневые листья и мертвые ветви. Продолжительные засушливые периоды в 2018 и 2019 годах оставили свой след. Их следы наблюдал и проф. Маркус Пфеннингер из центра LOEWE. В частности, его внимание привлекло то, что в буковых лесах не все деревья повреждаются одинаково. Совершенно здоровые деревья стоят рядом с сильно поврежденными. Такие контрастирующие пары можно найти по всему Гессену. Но как подобное может быть? Как показывает исследование Пфеннингера и его коллег, проведенное примерно на 200 парах деревьев, ответ кроется в их геноме.
Устойчивость к засухе заложена в генах
Команда ученых из Центра трансляционной геномики биоразнообразия LOEWE и Центра исследований биоразнообразия и климата Зенкенберга изучила поврежденные и здоровые буковые деревья в Гессене и определила области в их геноме, ответственные за устойчивость к засухе. Используя эти сегменты ДНК, для каждого отдельного дерева можно определить, насколько хорошо оно переживает более длительные периоды засухи. Благодаря целевым тестам ДНК можно отобрать устойчивые к засухе особи для их дальнейшего размножения и использования при создании буковых лесов, приспособленных к росту в более засушливом климате. Исследование опубликовано в специализированном журнале «eLife».
Строительные блоки ДНК разные
Геном буков, то есть вся их генетическая информация в форме ДНК, состоит из 542 миллионов строительных блоков. Некоторые из этих строительных блоков идентичны для всех европейских буков. Другие, однако, различаются от дерева к дереву. Как показывает анализ генома, именно они отличают здоровые и сильно поврежденные буки. Выделено около 100 сегментов ДНК, которые имеют решающее значение для устойчивости деревьев к засухе. В здоровых деревьях эти секции содержат гены, известные от других растений, и обеспечивают реакцию на стресс, вызванный засухой.
«Индивидуальная генетическая структура определяет, сможет ли бук пережить более длительные периоды засухи», – говорит Пфеннингер. Молекулярный эколог д-р. Барбара Фельдмайер из Центра исследований биоразнообразия и климата Зенкенберга объясняет: «Если мы классифицируем отдельные засухоустойчивые деревья, то лесники смогут сосредоточиться на их отборе и использовании при лесовосстановлении. Таким образом, создаваемые сегодня буковые леса будут подготовлены к будущему изменению климата ». Чтобы добиться этого, исследователи разработали тест на основе своих результатов, который можно использовать для определения устойчивости к засухе в геноме бука – даже по семенам деревьев. В исследовании также принимают участие исследователи из Университета Юстуса Либиха в Гиссене, Университета Иоганна Вольфганга Гете во Франкфурте, Технического университета Дармштадта и Университета Hochschule Geisenheim.
«С помощью нашего исследования мы заложили научную основу для устойчивого управления буковыми лесами, которая поддерживает естественный отбор устойчивых деревьев», – говорит Пфеннингер. «Теперь речь идет о применении полученных результатов на практике, например, при мониторинге естественных лесов или выборочной вырубки и лесовозобновления. Таким образом, мы можем помочь сохранить уникальную экосистему, которая уже чувствует последствия изменения климата. Потому что следующее жаркое лето рано или поздно наступит ».
Задний план:
Бук обыкновенный (Fagus sylvatica) широко распространен в Европе и является наиболее распространенным лиственным деревом в лесах Германии. В Гессене лиственные деревья занимают примерно треть площади лесов. Буки могут произрастать в различных частях ландшафта и играют все более важную роль в выращивании лесов близких к естественным. Они обеспечивают среду обитания для нескольких тысяч видов: од разнообразных жуков до дятлов и других птиц, гнездящихся в дуплах деревьев. В рамках исследования анализировались деревья отобранные по всему Гессену в 2019 и 2020 годах, от Таунуса до района Рейн-Майн и от Оденвальда до Вестервальда и северного Гессена. В каждом из примерно 200 местоположений отбиралось для анализа дерево здорового вида и рядом (не более 5 м) расположенное дерево с усыхающими или частично уже отсутствующими листьями. ДНК извлекались в лаборатории из живых листьев. На основе данных генома был разработан и проверен тест с молекулярными маркерами генов засухоустойчивости примерно на 90 деревьях бука. Уровень успеха составил 99%.
