02/06/2022
0Один из старейших буков в Германии по имени Бхага вызвал интерес исследователей. Фото: Мартин Эгберт
Исследования образцов одного из старейших буков в Германии показали, что лишь несколько генетических характеристик определяют, сможет ли дерево противостоять жаре и засухе. Ученые хотят использовать новые знания, чтобы помочь лесам адаптироваться к климатическому кризису – Клаус Зиг
Последние несколько метров до бука Бхаги, растущего на территории национального парка Келлервальд-Эдерзее на севере Гессена, ведут по узкому гребню. После получасового подъема Марко Тинес и его коллега Штефан Вётцель, наконец, стоят перед одним из старейших буков в Германии. , чьи широко разветвленные корни вонзаются в скалы Хаса. Дерево больше похоже на куст. Вместо массивного основного ствола , как это обычно бывает у буков такого преклонного возраста, у него развито множество стволов и ветвей, большинство из которых лопнувшие и чешуйчатые, поросшие грибами и мхом. Бук можно спутать с пробковым дубом.
Вид сквозь разноцветные осенние листья на озеро Эдерзее великолепен. Однако взгляд на землю показывает крайнюю бесплодность этого места. Питательные вещества може трудно найти на крутом и каменистом склоне. Дождевая вода практически не задерживается на нем, она сразу же стекает в долину. «На этой почве действительно мало что можно вырастить», — говорит Марко Тайнс, глядя себе под ноги, обутые в пару черных уличных ботинок.
«Если я смогу сделать это там, я сделаю это где угодно», — пел однажды Фрэнк Синатра, имея в виду Нью-Йорк. Он не знал этой каменной скалы в Келлервальде, за которую древний бук цепляется уже не менее 350 лет.
Именно поэтому ученые приехали сюда в шестой раз. Два исследователя из Центра исследования биоразнообразия и климата Общества исследований природы Зенкенберга во Франкфурте хотят выяснить, почему Бхага так долго выживал в этом месте. Они хотят использовать информацию из ДНК древнего бука, чтобы обеспечить будущее лесов в Европе, некоторые из которых сильно страдают от жары и засухи.
Дерево, названное учеными в честь индоевропейского слова, обозначающего бук, также страдало на протяжении веков. Но не так много, как другие европейские буки на этом участке, многие из которых находятся на исходе своих энергетических ресурсов из-за засушливых и жарких последних лет. Марко Тинес показывает экземпляры с очень маленькими листьями или без развитых буковых орехов. Ему даже не приходится долго искать мертвые деревья уже не имеющие коры. Почему на одном и том же участке, при одинаковом возрасте некоторые деревья все еще относительно здоровы, в то время как другие плохо себя чувствуют?
Геном Бхаги должен предоставить информацию об этом. «Эта труднодоступная часть леса, вероятно, никогда не управлялась», — объясняет Марко Тайнс. Таким образом, на рост Бхаги вряд ли влиял человек, а значит его геном может позволить угубить знания о генетической составляющей возможностей дерева адаптироваться к чрезвычайно негостеприимной среде.
Геном Бхаги также служит отправной точкой для ряда различных исследований европейских буковых деревьев. Ученые сравнивают его с генетическими характеристиками экземпляров, произрастающих в очень теплых местах на юго-западе Германии, в зонах с умеренным климатом или в очень сухих и холодных регионах Польши. Они т хотят исследовать генетические свойства молодых буков здесь, в Келлервальде. Отреагировали ли они на климатический кризис? Происходит ли поток генов из южной Европы через распространение пыльцы, что приводит к медленной адаптации буков к жаре и засухе?
Марко Тайнес и Штефан Ветцель осторожно пробираются по крутому склону, фотографируют листья и стволы деревьев, проверяют состояние почвы, болтают о делах и тут и там с помощью секатора на телескопической штанге берут образцы почек, которые помещаются в пробирки. Почки уже содержат полностью сформировавшиеся листья и общее количество всех генов. В отличие от листьев или ветвей, они окружены внешним слоем чешуи. Она защищает листья, формирующиеся внутри, от грибков и других загрязнений. Тайнс и Ветцель помещают пробирки в холодильник. Затем они снова спускаются, чтобы вернуться во Франкфурт на машине.
Исследовательский центр Общества Зенкенберга находится на окраине банковского района. Здесь небоскребы вырастают как грибы из лесной подстилки. В лаборатории Штефан Вётцель пинцетом снимает с шишек чешуйки. Затем с помощью экстремального холода, механического дробления, химикатов и центрифуги отдельные клетки расщепляются до минимально возможного размера и выделяется их ДНК. Затем компьютерная программа собирает геном таким образом, чтобы наши глаза могли его распознать. «Программа реконструирует корову из мясного фарша», — объясняет Ветцель. Затем вторая программа определяет различия в образцах. «Нас интересуют различия, — говорит ученый. Результат мелькает за его спиной красочными буквами на экране. То, что звучит как быстрый процесс, требует времени. В настоящее время ученые все еще анализируют образцы 2020 года. Необходимо обработать большие объемы данных. 400 образцов возвращаются после секвенирования в виде 15 терабайт данных.
У бука более 60 000 генов. Это значительно больше, чем 23 000 генов, которые имеет человек. Однако это не обязательно означает большую адаптивность. Марко Тайнс смог опубликовать очень важное открытие в специализированном журнале «eLife» в рамках исследовательского проекта с другими учеными, в том числе из Швейцарии.
Только 90 позиций из 500 миллионов во всем геноме определяют, переживет ли бук стресс от засухи и жары. Если дерево имеет их в правильной форме, у него есть хорошие шансы пережить климатический кризис. Лесное хозяйство могло бы воспользоваться этим, усилив эволюционный отбор.
Команда научно-исследовательского центра Общества Зенкенберга в настоящее время работает над созданием экспресс-теста, который может использовать лесник, чтобы выяснить, обладает ли дерево необходимыми 90 генетическими характеристиками. С помощью удобного тестового устройства, которое должно быть готово через два-три года, он может исследовать образцы деревьев и сравнивать их с базой данных. Всего за несколько минут он узнает, защищены ли отдельные буки в его лесу от засухи и жары и принять решение о перспективах их выращивания. Если у них есть желаемые генетические признаки, он оставляет деревья такими, какие они есть, и таким образом способствует распространению их генетического материала в своем лесу. Знание генетического ключа устойчивости к засухе также можно использовать при выращивании рассады. «Прежде чем будут введены неместные виды, вы можете помочь буку адаптироваться самостоятельно», — говорит Марко Тайнс. Ученые также предполагают, что их открытие может быть перенесено и на другие виды деревьев. Стоимость такого экспресс-теста должна составлять всего несколько евро.
Гибель елей из-за жаркого и сухого лета последних лет была предсказуема. Однако долгое время буки считались маяком надежды на преобразование лесов. Известие о гибели бука на юге Бадена или в национальном парке Хайних, крупнейшем сплошном лиственном лесу в Германии, стало еще более шокирующим ‒ точно так же, как национальный парк Келлервальд-Эдерзее этот парк является частью Всемирного наследия ЮНЕСКО. Хотя считается что буки хорошо адаптируются, их возможности не безграничны. 100-летнему буку требуется несколько тысяч литров воды в день. Таким образом, климатический кризис уже вызывает массовую гибель буков. Марко Тайнс уверен, что то, через что пришлось пройти деревьям за последние годы, ничто по сравнению с тем, что их ждет. Но он также предполагает, что бук имеет достаточно изменчивый генофонд, чтобы адаптироваться к климатическому кризису.
Климатический кризис значимо влияет на леса в Швейцарии. Поэтому эксперты считают полезными генетические тесты на устойчивость к засухе. «В будущем их можно будет использовать для управления лесами таким образом, чтобы они лучше подходили для более засушливого и более теплого климата будущего», — говорит Кристиан Реллштаб из Швейцарского федерального исследовательского института WSL, который сам занимается адаптацией и генетикой лесных деревьев, таких как дубы и пихты. Однако он также видит ограничения в исследовании, опубликованном в специализированном журнале «eLife», отчасти потому, что оно проводилось на очень маленьком пространстве. «Исследования, проведенные нами с другими видами растений, показывают, что генетическая адаптация к климату может быть очень локальной.Кроме того, в исследовании игнорируются ассоциированные и симбиотические организмы, такие как микоризные грибы, связанные с корнями растений. Однако они могут быть очень важны для засухоустойчивости. «Может быть, именно генотип симбионта, а не только дерева, определяет устойчивость».
