環境與生態

基因工程再造栗樹森林

在北美洲盛極一時的板栗林差點因為外來真菌而滅絕,藉由基因轉殖產生抵抗力,昔日森林之王可望重返榮景。

撰文/鮑威爾(William Powell)
翻譯/林慧珍

環境與生態

基因工程再造栗樹森林

在北美洲盛極一時的板栗林差點因為外來真菌而滅絕,藉由基因轉殖產生抵抗力,昔日森林之王可望重返榮景。

撰文/鮑威爾(William Powell)
翻譯/林慧珍

重點提要
■20世紀初是美國栗樹的全盛時期,它們在北美東部的森林中生長旺盛,提供許多生物棲地和食物。但是因人為引進的一種外來真菌,使栗樹在50年之內減少超過30億棵。
■為了使美國栗樹恢復生機,有些科學家把美國栗樹與具有抗真菌能力的中國栗樹近親進行雜交。而較精確且成功的方式,是把小麥及其他植物的基因導入美國栗樹,以產生能抵抗真菌的栗樹。
■如果研究人員能獲得美國聯邦政府的批准,可望在五年內於野外種植這些基因轉殖樹木,而這些美國栗樹將是在原生地上以基因轉殖方式進行復育的首例。

1876年,巴森斯收到一批來自日本的栗樹(chestnut)種子,他決定培育這些種子並把苗木賣給果園。但是他不知道,這批貨物可能窩藏著日後造成北美東部有史以來最大一場生態災難的元凶。這些苗木可能帶有栗疫病菌(Cryphonectria parasitica)的孢子,這種真菌會導致栗樹枯萎病,使樹木死亡,亞洲的栗樹已經產生抵抗力,但是美國栗樹(American chestnut)卻無力招架。栗疫病菌能使栗樹的樹皮潰瘍(壞死的植物組織形成的凹陷區域),潰瘍一旦環抱樹幹,阻斷根與葉之間的水和養份輸送,就會讓栗樹「窒息」而死。在50年內,這種真菌已經造成超過30億棵美國栗樹死亡。

美國栗樹分佈於美國東部和加拿大一小塊區域的落葉林(主要是由秋天會落葉的樹木所組成),在20世紀初之前,美國栗樹約佔該區域硬木林的25%,現在只剩下少數完全長成的栗樹以及數百萬株殘存樹樁。偶爾,這些「活樹樁」會努力冒出一些新生的芽,可能存活10年或稍久。但這些栗樹很少能活到足以產生種子的樹齡,因為這種真菌幾乎總是能夠再次擊倒它們。

美國栗樹在全盛時期是關鍵物種,對於當地生態系統中許多生物的健康相當重要。豐富多樣的鳥類、昆蟲和小型哺乳動物在它的枝幹上築巢,或藏匿在樹皮當中;熊、鹿、火雞、冠藍鴉、松鼠等動物則以又大又營養的栗子為食。成熟的栗樹大量死亡之後,野生動物數量減少,多樣性也下降。但是隨後取而代之的橡樹,卻無法供養這麼多的動物,橡實的營養成份只有栗子的一半,且現在的橡樹產量也不像過去栗樹那麼高,部份原因是它們在結霜後才開花,而霜卻可能破壞脆弱的嫩芽。

美國栗樹也有極高的經濟價值,栗子可以食用或製成乙醇燃料。由於美國栗樹生長迅速,能長出紋路筆直的堅硬木材,相當不易腐爛,是非常好的木料。事實上,如果栗樹數量仍然豐富,美國多數的書桌很可能都會以栗木製成,而不是那些含有重金屬及其他防腐劑的加壓防腐木;這些木材及添加的成份一旦進入土壤或經由土壤進入人的食物中,往往會危害環境和人體健康。最後,美國栗樹一直都是特別令人喜愛的一種樹,廣見於詩詞歌賦、書籍、路牌以及全美許多學校、飯店和公園的名稱之中。

幸好,我們不至於只能眼睜睜看著美國栗樹成為大多數人心中遙不可及的記憶而毫無對策。幾十年來持續的研究至今已有收穫,現代科技已可讓這些樹木重拾生機,過去這些樹木供給人類和野生動物的所有資源也能夠回復。歷經一個世紀努力對抗栗樹枯萎病卻徒勞無功之後,現在已找到兩種頗具成效的方法。其中一項方法是,試著利用雜交這種古老的園藝技術,來培育能抵抗枯萎病的美國栗樹。研究人員把美國栗樹與個頭小許多但能抵抗栗疫病菌的中國栗樹(Chinese chestnut)交配,而後把得到的雜交子代再與美國栗樹「回交」;讓這些栗樹盡可能保有美國栗樹的特徵,同時還帶有全部能抵抗枯萎病有關的基因。然而回交育種不但不精確,而且需要經過許多世代及長成成千上萬棵的樹,才能培育出適合用來復育樹林的栗樹。

因此我和許多同事主要採取第二種方法,用比傳統育種更精確的方式改變栗樹的DNA,且可能更快生產出更多能抵抗這種真菌的栗樹。我們借用小麥、中國栗樹等植物的基因,把它們嵌入美國栗樹的基因組,培育出數百棵基因轉殖栗樹,其中有些樹能抵抗栗疫病菌,且能力不輸亞洲的栗樹。如果我們的基因轉殖栗樹能順利通過美國農業部(USDA)、美國國家環境保護局(EPA)和美國食品及藥物管理局(FDA)核可(最快可能五年內),這將會是史上首度使用基因轉殖在關鍵物種的原生環境中進行復育。

相較於其他以基因工程或相關生物技術來復育瀕危或滅絕物種的計畫,例如研議中的旅鴿、袋狼及猛象復育計畫,復育美國栗樹所要面臨的障礙小得多,且有更多明確的好處。與複製猛象和旅鴿不同的是,樹木不需要代理孕母,也不用考慮養育或社會化問題。再者,美國栗樹是一種能供許多物種棲息的龐大生物,比起其他任何動物更能促進森林生態健康。

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2014年第146期4月號】