När hon går bland havet av gröna, gula och orangea löv i en fruktträdgård med kastanjeträd och försiktigt samlar kastanjebränder från träden, är Sara Fitzsimmons, chef för restaurering för American Chestnut Foundation, medveten om att hon inte kommer att vara i närheten för att se fulla frukter av hennes arbete. Ett träds livscykel är alldeles för lång för det.
I nästan två decennier har Fitzsimmons arbetat för att återuppliva den amerikanska kastanjen (Castanea dentata) , en grundläggande art som en gång dominerade de östra skogarna i USA och södra Ontario, Kanada. Men för mer än ett sekel sedan exponerades träden för kastanjebränna, en invasiv patogen som av misstag introducerades av importerade asiatiska trädarter, som främst används för prydnadsväxter och i fruktträdgårdar. Amerikanska kastanjeträd, sårbara för svampsjukdomen, förstördes av sjukdomen och lämnade efter sig skogar fulla av vältade träd eller stjälkar med kala, döda grenar. Nu är 84 procent av kastanjeträden i Amerika fortfarande små och kan inte bära frukt.
Vid ett tillfälle fanns det någonstans mellan tre och fem miljarder amerikanska kastanjer. Idag finns det som mest 435 miljoner som fortfarande lever. Organisationer som American Chestnut Foundation arbetar för att utveckla ett nytt, växtbeständigt kastanjeträd för att återinföra och hjälpa till att återuppliva befolkningen. Tidslinjen? "Det kommer att ta oss mellan 150 och 200 år att göra en ekologisk inverkan med miljontals plantor på landskapet," säger Fitzsimmons.
Före spöken var amerikanska kastanjer viktiga inte bara för ekosystemet, utan för människor och deras sätt att leva. När kastanjeträd fanns i överflöd kunde bönderna lita på sina nötter som näringskälla för sina grisar eller kalkoner. De letade också ofta efter nötterna att äta som sin egen mat eller till och med handla med. Träet från träden visade sig vara robust för att bygga strukturer och användes för bältros, balkar och golv i hemmen, såväl som för järnvägsband och telegraf- eller telefonstolpar.
”Träet var väldigt rötbeständigt, vi hade många användningsområden för det. Det är väldigt bra på kolbindning, vilket är viktigt i dessa dagar med klimatförändringar. Det är en riktigt trevlig livsmiljö för vilda djur. Och folk brukade skörda kastanjer den här tiden på året, säger William Powell, chef för American Chestnut Research and Restoration Project vid State University of New York College of Environmental Science and Forestry (SUNY-ESF).
Mogna kastanjer. Foto av karnavalfoto, Shutterstock.
Och de var förstås bra att steka. "Du hör den låten, 'kastanjer som rostar [på] öppen eld'", säger Powell och refererar till den klassiska jullåten skriven 1945 av Robert Wells och Mel Tormé. "Det är amerikanska kastanjer. Så det var allt förlorat.”
Stadsgator var en gång kantade av vagnar som serverade den söta, rostade semestergodisen. Även om kastanjers koppling till högtiderna kan spåras till 1500-talets Europa, var kastanjer som odlades i Nordamerika kända för att ha en rikare, sötare smak och passade särskilt som en varm behandling under vintermånaderna. Allt förändrades när säcken minskade antalet amerikanska kastanjer till nästan ingenting. Nu är alla kastanjer som steks över öppen eld troligen importerade, eftersom USA står för mindre än en procent av skördens totala världsproduktion.
Avla upp en bättre amerikansk kastanj
Trots den massiva förlusten är kastanjeträd inte tekniskt utrotade. Faktum är att de inte ens finns på en utrotningshotad lista. Svampen kan inte angripa trädens rotsystem på grund av mikroorganismer i jorden som fungerar som ett skydd. Detta resulterar i en unik förmåga för de amerikanska kastanjeträden att överleva vid rötterna.
Men dagens version av ett kastanjeträd bleknar i jämförelse med trädens höga förfäder, som brukade nå 80 till 100 fot höga med stamdiametrar som växer runt 10 fot. "Problemet är att 84 procent av dem är bara en tum i diameter i brösthöjd," säger Fitzsimmons. "Och de är bara cirka 15 fot långa. De tjänar inte de tjänster och ekosystem som arten ska. Så vi kallar dem funktionellt utdöda."
En man är överväldigad av en stor överlevande amerikansk kastanj i Kentucky. Foto med tillstånd från American Chestnut Foundation.
I sitt uppdrag att återställa den amerikanska kastanjen genom att skapa ett växtbeständigt träd, använder stiftelsen ett system som innehåller förädlingsteknik och bioteknik. En metod som används av American Chestnut Foundation är känd som backcross-avel. För denna metod väljer og flyttar forskare önskvärda egenskaper från en sort till en annan. Målet är att isolera blight-resistensgener från en annan art och införliva dem i den genetiska sammansättningen för amerikanska kastanjeträd. Leila Pinchot, en forskningsekolog för US Forest Service som specialiserat sig på att återinföra kastanjeträd i skogen, förklarar backcross-avel som en "metod för att införliva generna för resistens från kinesisk kastanj med den amerikanska kastanjen eftersom det vi vill ha är ett träd som ser ut och agerar amerikansk."
Pinchot förklarar att denna metod, som visades av genetikern Jared Westbrooks forskning för American Chestnut Foundation, visade sig inte vara lösningen i fallet med kastanjeträdet. Målet med backcross-avel är att isolera två eller tre gener, men i fallet med kastanjen "finns det så många gener för resistens i den kinesiska kastanjen att det helt enkelt inte är möjligt att kombinera dem med den amerikanska kastanjen och producera ett träd det är mestadels amerikanskt, men det innehåller fortfarande generna för system från kinesiska, säger Pinchot. Ändå har de tillbakakorsade träden högre tolerans mot röta än ett vilda träd och planteras fortfarande i skogar för att komplettera trädpopulationen för tillfället.
Att läsa vetegenerna
Backcross-avel är inte trädets enda hopp. I Powells labb vid SUNY-ESF använde han nyligen genteknik för att utveckla ett träd som är motståndskraftigt mot smuts genom att kombinera en enda sträng av vete-DNA med DNA från amerikansk kastanj. Powell, som har arbetat med projektet i mer än 30 år, isolerade en gen från vete och riktade den mot dess förmåga att hantera svampen. "Det fina med den här genen är att den motverkar hur svampen angriper trädet", säger han.
Powell förklarar att när smuts infekterar ett träd, börjar det göra syror och enzymer som verkar i dessa syror. Huvudsyran som den producerar, känd som oxalsyra, är ett toxin som dödar växtcellerna. Svampen livnär sig sedan på de döda cellerna och bildar en struktur som kallas kräfta som så småningom gör om ett träd och dödar allt ovanför infektionspunkten. "Vad den här [vete] genen kommer att göra är faktiskt att göra ett enzym som avgiftar den syran. Det bryter ner det till väteperoxid och koldioxid, två saker som växten använder ändå, säger Powell. "Så i princip tar vi bort vapnet från svampen." De genetiskt modifierade, eller transgena, träden är kända som Darling 58 och är de första i sitt slag. Och även om de nya träden fortfarande kan bli infekterade med samma kastanjebränna som dödade deras kusiner för mer än ett sekel sedan - och potentiellt till och med skadas något av det - kommer trädet att överleva.
Planterar transgena plantor i en fruktträdgård i New York. Foto med tillstånd från American Chestnut Foundation.
På grund av Darling 58:s status som en genetiskt modifierad växt, är nästa steg för att få in träden i skogarna en strikt regulatorisk process genom USDA, EPA och FDA. SUNY-ESF presenterade en petition till USDA 2020, som försökte avreglera träden för att plantera dem i naturen. Denna process hoppas Powell kommer att avslutas någon gång under 2023. Under tiden planteras mer än 2 000 av Darlings i högt reglerade fält, förbjudna att blomma eller sprida pollen i naturen. Medan de väntar på regler som behövs för att plantera träd i skogar, arbetar Powells labb och American Chestnut Foundation och korsar Darling-träden med vild kastanje-DNA, i hopp om att skapa starkare träd som kommer att växa över hela landet.
På detta sätt, även med sin funktionellt utdöda status, är vilda kastanjeträd av avgörande betydelse för processen att återställa den amerikanska kastanjen. De vilda träden, framträdande över regioner med mycket olika klimat - som sträcker sig från Georgia hela vägen upp till södra Kanada - har adaptiv mångfald som gör att de kan frodas inom sina ekosystem. "Darling 58 är en klon. Vi kan inte återställa den amerikanska kastanjen eller någon art med en klon, säger Fitzsimmons. "Trädet skulle inte kunna bestå i alla typer av miljöer. Säg att jag tar ett kastanjeträd från Alabama, och jag försöker plantera det i Maine, åtminstone i detta ögonblick, det trädet skulle inte överleva.” Utan adaptiv kyltolerans skulle kastanjeträdet inte vara livskraftigt i en kall region. Att korsa Darling 58-träden med vilda kastanjeträd ger den mångfald som arten behöver för att föryngras i hela landet.
Stiftelsen förlitar sig på passionerade individer eller medborgarforskare för att hitta vilda amerikanska kastanjer som de kan använda i avels- och bioteknikprogrammen.
Och för de nästa stegen i restaureringsprocessen, när det är dags att börja introducera träd som är motståndskraftiga mot svamp i de amerikanska skogarna, kommer processen inte att bli enklare än att utveckla det nya trädet. Pinchot noterar potentiella ekologiska utmaningar i nästa steg för att vitalisera arten. "Vi behöver veta hur mycket ljus träden behöver för att växa, och vilka typer av behandlingar som är lämpliga för kastanjer för att uppmuntra deras tillväxt utan att återigen ge konkurrensfördelar till andra arter. Det är verkligen där mina forskningsintressen ligger, säger hon. Logistiska utmaningar som att odla tillräckligt med plantor i plantskolor och sedan framgångsrikt överföra dem till skogarna är också i fokus. Liksom stövlar på marken-volontärer, som kommer att vara en del av att få tiotals miljoner träd planterade.
"Det kommer att ta massor av människor, mycket pengar, mycket energi, mycket tid. Du vet, med träd gör naturen det mycket bättre. Men naturen kan inte göra detta på egen hand, och vi kommer att behöva ge henne mycket hjälp, säger Fitzsimmons. "Det är verkligen poetiskt att jag hjälper till att arbeta med ett projekt som mina föreståndare startade för 100 år sedan och det kommer att ta min avkomma ytterligare 100 år plus att avsluta. Jag tycker att det är något riktigt coolt med det.”
