1876年，塞缪尔·B·帕森斯收到了一批来自日本的栗子种子，并决定种植和向果园出售树苗。他并不知道，他的货物可能藏匿着一个偷渡者，这个偷渡者引发了有史以来降临北美东部最严重的生态灾难之一。这些树木可能隐藏着病原真菌Cryphonectria parasitica的孢子，亚洲栗树对这种真菌进化出了抵抗力，但它们的美国同类却没有。C. parasitica通过在其树皮中形成溃疡——植物组织坏死的凹陷区域——来有效地扼杀易感树木，这些溃疡环绕树干，切断根和叶之间水分和养分的流动。在50年内，这种真菌就杀死了超过30亿棵美国栗树。
在20世纪初期之前，美国栗树约占美国东部落叶林及其在加拿大一小部分的范围内硬木树的25%。落叶林主要由秋季落叶的树木组成。如今，只剩下少数完全长成的栗树，以及数百万个树根桩。这些“活树桩”偶尔会设法长出一些嫩芽，这些嫩芽可能会存活10年或更长时间。但是，这些树木很少能活到结籽的时候，因为真菌几乎总是将它们击退。
在其鼎盛时期，美国栗树是一种关键物种，对其生态系统中众多生物的健康至关重要。许多不同的鸟类、昆虫和小型哺乳动物在它的树枝上筑巢，并在它的树皮中打洞。熊、鹿、火鸡、蓝松鸦、松鼠和其他动物吃营养丰富的大栗子。在失去了如此多的成熟栗树后，野生动物种群数量下降，多样性也降低。自那以后取代栗树的橡树无法支持那么多的动物；它们产生的橡子只有栗子一半的营养。而且，栗子曾经比今天的橡树产生更多的坚果，部分原因是它们在可能摧毁娇嫩花蕾的霜冻之后开花。
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美国栗树也具有巨大的经济价值。它的坚果可以用于食品或乙醇燃料。由于美国栗树生长迅速，木材质地坚固、纹理笔直且非常耐腐烂，因此它提供了优质的木材。事实上，如果栗树仍然丰富，那么大多数甲板很可能由其木材制成，而不是由经过压力处理的木材制成，后者通常含有重金属和其他防腐剂，当它们进入土壤和食物时，会危及环境和人们的健康。最后，美国栗树一直是一种特别受人喜爱的树木，在诗歌、歌曲、书籍、街道标志以及全国许多学校、酒店和公园的名称中被永垂不朽。
我们不必袖手旁观，眼睁睁地看着美国栗树成为大多数人遥远的记忆。数十年的研究成果表明，科学可以恢复这种树木及其曾经为人类和野生动物提供的所有资源。在一个世纪对抗栗疫病无效的努力之后，现在有两种方法正在取得一些成功。一种策略试图利用一种古老园艺技术：杂交，来创造抗病美国栗树。通过将美国栗树与小得多的、抗真菌的中国栗树杂交，研究人员将由此产生的杂交种与其他的美国栗树进行“回交”，以尽可能地使树木美国化，同时，希望保留所有负责抗病性的基因。然而，除了相当不精确之外，回交育种还需要许多代和数千棵树木才能产生适合恢复的个体。
由于这些原因，我和我的许多合作者正专注于第二种方法，这种方法比传统的育种方法更精确地改变栗树的DNA，并且有可能更快地产生更抗真菌的树木。通过从小麦和中国栗树等其他植物中借用基因，并将它们插入到美国栗树的基因组中，我们已经创造了数百棵转基因树木，其中一些树木对C. parasitica的防御能力与亚洲同类一样好，甚至更好。如果美国农业部、环境保护署和食品药品管理局批准我们的树木——这最早可能在五年后发生——它们将是第一个用于将其原生环境中的关键物种恢复的转基因生物。
与使用基因工程和相关生物技术恢复濒危或灭绝物种的其他努力——例如拟议的恢复旅鸽、袋狼和猛犸象——相比，恢复美国栗树的努力面临的障碍要少得多，并且提供的好处也更明确。与克隆的猛犸象和鸽子不同，树木不需要代孕母亲、育儿或社会化。而且，作为一种容纳许多其他生物的大型生物，美国栗树比任何一种动物都能更好地改善森林的健康。
救赎的种子
像今天美国的许多成年人一样，我小时候对栗树的了解都来自一首标志性的圣诞歌曲。然而，1983年，当我成为在犹他州立大学与植物病理学家尼尔·范·阿尔芬一起工作的研究生时，我开始对这种壮丽的栗树及其在异国病原体的魔爪——或者更确切地说是真菌之指——下的灭亡产生了深刻的欣赏和同情。
1989年，当我搬到纽约州立大学环境科学与林业学院时，美国栗树基金会的斯坦·维尔西格向我的同事查尔斯·梅纳德和我提出了一个建议。他希望用一个专注于基因工程的新恢复项目来补充基金会正在进行的栗树杂交项目，基因工程在当时是一项尖端技术，有望以更快、更精确的方式创造抗性美国栗树。我的任务之一是找到一种能够赋予树木抵抗C. parasitica的基因，而佐治亚大学的梅纳德和斯科特·默克尔则开发了允许我们将该基因引入栗树胚胎的技术——栗树胚胎是快速繁殖的细胞的微小束，最终会长成成年的树木。如果一切按计划进行，幼树将长成能够对抗真菌的健壮成树。
当时，没有人尝试过基因工程改造树木来对抗毒性真菌，但我们有一些关于如何入门的线索。多年来，研究人员已经了解了一些关于C. parasitica如何损害栗树的重要细节。这种病原体生长出羽毛状的真菌组织网格，称为菌丝扇，它产生草酸，草酸会腐蚀树木的树皮，为真菌入侵腾出空间。随着真菌楔入树木，溃疡会环绕树干。
最初，我们专注于寻找削弱菌丝扇的方法。我们知道，许多植物和动物的免疫系统都含有被称为抗菌肽（AMPs）的小氨基酸链，它们可以破坏真菌细胞。以非洲爪蟾的AMP基因为模型，我们从头合成了基因，以产生可以对抗C. parasitica的AMP肽。我们希望，如果我们能够通过基因工程改造栗树来产生即使是少量的这些AMPs，它们也会使菌丝扇变得松弛，从而使其变得良性。然而，这种肽是出了名的不稳定分子，所以我们需要一个备用计划。
大约在同一时间，当时的研究生金·卡梅伦顺道来我的办公室，放下了一本书，书中总结了最近举行的美国植物生物学家学会年会上提出的许多研究。当我读到奥萨马·扎格穆特和兰迪·艾伦（当时都在德克萨斯理工大学）进行的一项研究时，我有了顿悟时刻。这项研究描述了一种小麦基因，该基因编码一种名为草酸氧化酶（OxO）的酶，它可以分解草酸——正是栗疫病真菌产生的腐蚀性物质。更妙的是，研究人员已经找到了一种将这种基因引入其他植物的方法。他们将基因放入农杆菌中，农杆菌是一种可以将DNA注入植物细胞指挥中心的微生物，并将植物暴露于该微生物的克隆中。由此产生的转基因植物对一种喷酸真菌，即核盘菌产生了抗性。也许我们可以用美国栗树做类似的事情。
在当时，我们无法在栗树上测试这两种方法，因为我们仍在研究如何在实验室中种植挑剔的栗树。因此，我们决定在另一种树木——杂交杨树中实现原理验证，杂交杨树经过了充分的研究，并且经常用于实验。当时在环境科学与林业学院的研究生海英·梁将交付OXO基因和我们的AMP基因，当树木足够大时，我们将用Septoria musiva感染它们，Septoria musiva是一种产生大量草酸的真菌，并且可能导致杂交杨树的叶斑病和溃疡病。以这种方式处理的大多数树木都保持相对健康。我们已经通过基因工程改造出了一种抗真菌的树木。现在我们需要用正确的树木和正确的真菌来做到这一点。
在梁进行杨树实验时，当时也在学院读研究生的琳达·麦圭根开始着手研究如何从实验室的胚胎中培育栗树。有些植物，如胡萝卜和矮牵牛，在实验室中非常容易生长。只要提供足够的水、养分和某些激素，它们就可以从一片小小的叶子中长出新的芽和根，例如。美国栗树不是这些配合的植物之一。麦圭根在前人工作的基础上，花了两年半的时间学习如何成功地使用农杆菌将小麦基因引入栗树胚胎，以及随后如何在实验室中将胚胎引导成幼树。通常，构成栗树胚胎的快速分裂细胞簇在掉到地上的栗子种子的保护壳内生长，最终将根穿过种子并进入土壤，并将绿芽推向阳光。麦圭根学会了如何控制光照、湿度和温度，以模拟栗子种子内部通常会发生的情况，并微调在微型树木早期发育的不同阶段各种激素混合物的输送，以诱导根和芽的生长。
2006年，我们能够在从森林中划分出来的实验田中种植第一批转基因美国栗树。树木至少需要两到三年才能长到我们可以用栗疫病真菌挑战它们的大小。我们将OXO基因连接到一个启动子——一种控制细胞读取基因指令频率的基因开关——以限制OxO在某些组织中的产生。我们希望由此产生的低水平酶足以对抗真菌，而不会引起任何不良副作用。不幸的是，我们错了。第一批树木无法抵抗真菌；它们死亡的速度比通常情况慢一些，但最终还是屈服于疾病。
到2012年，我们为OXO基因设计了一个新的启动子，并设计了一个新的树木品系，该品系产生更多的酸降解酶。成功了！这些树木躲避疾病的能力几乎与自行进化出抗性的中国栗树一样好。我们现在已经开发出一种通过测试只有几个月大的栗树叶片来衡量抗病性的方法，因此我们不再需要等待三年才能看到我们的实验是否有效。在这个测试中，我们在叶片上切开小口，用真菌感染它们，然后等待坏死组织圈从伤口处扩散。死亡斑点越小，树木的抗性就越强。我们的一些最新树木，它们在所有组织中都产生OxO，并在2013年种植在田地里，似乎甚至比中国栗树更具抗性。我们需要随着树木年龄的增长来确认这一发现，但从小麦中借用的基因似乎已经超出了我们的预期。
人们经常问我们，为什么我们不简单地找到使中国栗树产生抗性的基因，并使用它们来代替小麦基因。当我们刚开始我们的研究时，没有人彻底研究过中国栗树的基因组，而且定位负责像抗病性这样复杂性状的众多不同基因将花费太多的时间和资源。这些基因中的每一个都只会贡献树木对抗真菌能力的一小部分，而且它们中的任何一个单独使用可能都无法有效地作为防御手段。
然而，在这一点上，科学家们已经确定了27个可能与中国栗树的抗病性有关的基因——这是最近在森林健康倡议下，由环境科学与林业学院、佐治亚大学、克莱姆森大学、宾夕法尼亚州立大学、美国林务局、北卡罗来纳州立大学、康涅狄格农业实验站和美国栗树基金会的许多研究人员共同努力的成果。到目前为止，其中两个基因似乎都赋予了树木中等水平的抗性。针对其他候选基因的测试正在进行中。佐治亚大学的约瑟夫·奈恩也给了我们另外两个基因的副本进行测试：一个用于葡萄酶，它可以帮助制造白藜芦醇，白藜芦醇对真菌有毒；另一个是辣椒基因，编码一种可以直接抑制真菌细胞生长的AMP。
最终，我们希望用许多不同的基因来强化美国栗树，这些基因以不同的方式赋予抗性。这样，即使真菌进化出对抗其中一种工程防御的新武器，树木也不会束手无策。
冒险一试
今天，超过1000棵转基因栗树在田间地块中生长，主要位于纽约州。美国栗树恢复的下一个障碍涉及联邦监管程序。在我们可以在森林中种植树木之前，FDA、USDA和EPA将希望确保转基因栗树在某些意想不到的方面与典型的树木没有显着差异。与杂交树木不同，杂交树木在基因上与美国栗树非常不同，因为它们具有大块的中国栗树DNA，而我们的转基因树木只有少数新基因。初步测试表明，典型栗树和工程树木的根与有益真菌形成相同类型的共生关系，并且在改良树木和未改良树木的树冠下生长着相似的小型植物群落。同样，相同的昆虫物种会访问转基因栗树和典型栗树，并且两种类型树木的坚果具有相同的营养成分。
一旦此类测试完成，我们将向USDA、EPA和FDA请愿，要求获得他们给予转基因作物的相同不受监管的地位。在这里，美国栗树将在通常的监管程序中引入一个新的难题。我们不是在农田上种植转基因生物以获取利润；相反，我们正在生产用于恢复的树木，而没有金钱收益。就像研究富含维生素A前体的黄金大米的研究人员一样，我们的动机是公共利益——以及森林的健康。EPA通常向种子公司颁发销售转基因种子的许可证，但在我们的案例中，我们没有人持有许可证，也没有任何东西可以出售。目前尚不清楚他们会给我们什么样的替代批准，但我们决心开创先例。
最后一个障碍是公众的接受度。令人鼓舞的是，许多通常反对基因改造的人都为美国栗树开了个例外。有些人认为，因为人类首先造成了栗树的灭亡，所以人类应该修复它。另一些人则接受，因为我们不寻求利润，也不为树木申请专利。
许多人也很高兴得知美国栗树恢复的环境风险微乎其微。转基因栗树花粉将引入的基因传播到其他植物物种的可能性非常小。一种树木的花粉只能使同一物种或近缘物种受精。美国栗树在其自然分布范围的北部没有近缘物种。在其分布范围的南部，锥栗偶尔会与美国栗树杂交。但是锥栗也感染了栗疫病，并将受益于一些基因抗性。理想情况下，一些转基因花粉会将抗性传播给至少一部分设法开花的剩余美国栗树树桩，从而尽可能地挽救它们的全部遗传多样性。如果树桩确实受益，它们可能会产生一个抗病种群，经过几个世纪，这个种群可能会使这个曾经高耸的关键物种恢复到其在东部森林中的昔日辉煌。
栗疫病不是基因工程可以根除的生物多样性的唯一敌人。我们正在输掉与许多其他外来害虫的战斗，例如铁杉绒球蚜虫——一种吸食铁杉树汁液的虫子——和翡翠灰螟——一种金属绿色的甲虫，其幼虫在梣树的树皮下蛀食——以及导致栎树猝死病和核桃千疮病病原体，仅举几例。为了扭转局面，我们必须迅速行动，而且在大多数情况下，传统的育种技术太慢而无法发挥作用。现在，我们比以往任何时候都更需要基因工程技术来维护多样化和健康的森林。
将美国栗树完全恢复到其以前作为森林之王的地位是一项长达数百年的努力。一旦栗树通过监管和公众批准，开始恢复的一个好地方是在复垦土地上。在森林健康倡议和杜克能源的帮助下，试验地块现在正在矿山复垦场地种植。其他区域可能包括废弃的农田和曾经有大量栗树的历史遗址。也许有些人会希望在自己的院子里种植这些标志性的树木。一句中国古老的谚语说：“前人栽树，后人乘凉。” 就美国栗树而言，我们就是第一代人。