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.
Центр генетических ресурсов Дорена находится в живописнейшем месте: на востоке располагается национальный заповедник «Уилламетт», на юге простираются леса «Ампква» – рай из сосен и елей, чистых озер и заснеженных гор. Страсть Снежко – спасение деревьев путем создания устойчивых к ржавчине популяций с помощью селекции. Большая часть его работы направлена на выявление подходящих под этот запрос экземпляров, подтверждение их устойчивости, а затем обеспечение достаточного генетического разнообразия в восстановленных популяциях. Когда он впервые оказался в Центре генетических ресурсов Дорена в начале 1990-х годов, программа исследований пузырчатой ржавчины была сосредоточена на восстановлении сахарной и западной белой сосен и нуждалась в продуманной стратегии. По его словам, найти устойчивые деревья (так называемые материнские) относительно легко, но что делать дальше? Можно собирать их семена ведрами и сажать везде где придется, что, конечно, будет иметь результат, но в долгосрочной перспективе генетического разнообразия может не хватить, чтобы эти новые популяции смогли пережить будущие болезни или экологические проблемы. И это не учитывая того факта, что саженцы, выращенные из устойчивого к ржавчине материнского дерева с севера, могут не прижиться на юге, а те, что росли на одной высоте относительно уровня моря, на другой вряд ли будут чувствовать себя так же хорошо. Играет роль и климат: некоторые деревья приспособлены к более влажной среде и наоборот. Если учитывать, по какому вектору идет изменение климата, со временем деревья, выращенные на юге, могут понадобиться на заметно теплеющем севере. Таким образом, деревья, с которых собирают семена, должны обладать устойчивостью и подходить к каждому региону16: от севера до юга, для высоко– и низкогорных территорий.
В настоящее время центр оценивает материнские деревья нескольких видов белых сосен, в том числе белокорую, на устойчивость к ржавчине. У белокорых сосен, как и у других, шишки растут высоко над землей, а это значит, что опытные альпинисты должны в течение сезона подниматься к кроне множество раз. При этом, в отличие от западной белой и сахарной, высота белокорой сосны гораздо меньше, поэтому процесс сбора шишек дается несколько легче. Сначала альпинисты поднимаются на деревья в июне, чтобы определить наиболее подходящие для селекционной посадки шишки, и заключают их в специальные клетки, которые должны защитить их от животных, ищущих богатые жиром семена. В конце лета происходят оценивание отобранных экземпляров и их сбор. Белокорые сосны опыляются ветром, то есть их семенные шишки оплодотворяются, когда созревают более мелкие пыльцевые шишки, напоминающие гроздь красных или фиолетовых ягод. Если рядом с вашим домом растут сосны, вы наверняка видели, какое огромное количество пыльцы выбрасывается в воздух в ветреный день. Большая ее часть прилипнет к лобовому стеклу, проникнет в наши дома, разлетится по полям и лесам, но меньшая все-таки выполнит основное предназначение. При этом семенные шишки одного материнского дерева, скорее всего, будут оплодотворены пыльцой нескольких других деревьев.
В первый год семенные шишки, как и пыльцевые, выглядят маленькими и красными. Они располагаются гораздо выше в кроне, и это обычная стратегия деревьев, направленная на то, чтобы уменьшить вероятность самооплодотворения. После оплодотворения для полного созревания шишкам и их семенам требуется 14 месяцев. Селекционеры разрезают несколько образцов от верхушки и вдоль стержня, чтобы найти семена со здоровыми зародышами17. Иногда шишка выглядит подходящей, но при детальном осмотре выясняется, что семена были съедены насекомыми или не опылены, а значит, в них нет здорового зародыша. В Центре генетических ресурсов Дорена шишки обрабатываются, сушатся, после чего можно извлекать семена, что может быть непростым делом, поскольку эволюционный процесс сделал их прочными и наиболее подходящими для клюва ореховки. Чтобы разбить шишки на части и не повредить семена, в ход идут резиновые мячики. Затем семена необходимо отделить от остатков шишки и просветить рентгеном, который покажет, в каких находятся здоровые зародыши белокорых сосен, а в каких – поврежденные или недоразвитые. Из хорошей шишки обычно извлекается несколько десятков семян.
