Știința din spatele MyGardenOfTrees
MyGardenOfTrees implică un experiment de transplantare la scară largă folosind știința participatorie. Observațiile din acest experiment sunt combinate cu date genomice pentru a construi un mecanism de predicție pentru silvicultorii din Europa.
Rațiunea studiului
Silvicultorii au folosit culturile comparative de proveniență (vezi Gllosar) de-a lungul secolelor. Scopul acestora a fost să testeze și compare permormanțele de creștere a proveniențelor într-o anumită locație/stațiune . Silvicultorii au folosit rezultatele acestor studii pentru a selecta cele mai valoroase proveniențe pentru activitățile de plantare și reîmpădurire. Totuși în cadrul acestor studii, speciile și proveniențele sunt evaluate predominant în condiții specifice (adesea ideale) privind condițiile staționale testate și sunt greu de transferat în condiții reale ale pădurii. De asemenea, culturile comparative de proveniențe sunt instalate cu puieți de obicei într-o pepinieră și, prin rumare, nu pot oferi informații silvicultorilor despre regenerarea naturală.
MyGardenOfTrees încearcă să ofere o soluție pentru aceste dificultăți prin stabilirea a sute de teste de mici culturi comparative de proveniență, numite micro-grădini (vezi Glosar). Principalul avantaj acestei abordări este posibilitatea testării a numeroase combinații de proveniențe (origini genetice diferite) și de condiții staționale de mediu diferite. Dat fiind faptul că performanțele diferitelor proveniențe sunt evaluate în numeroase condiții staționale diferite, rezultatele pot fi generalizate la o scară mai mare.
"Distribuția geografică a testului de proveniență" elaborat în cadrul proiectului MyGardenOfTrees. Semințele vor fi colectate din mai multe populații (arborete surse de semințe) din cadrul arealului natura de distribuție a speciei și distrubuite către sute de teste de mici dimensiuni. Această imagine este o ilustrare schematică pentru fag (Fagus spp.) și nu reprezintă locațile arboretelor surse de semințe și a siturilor de instalare a testelor.
Citește mai multe (pentru audiența din domeniu)
De ce este nevoie de o nouă abordare de transplantare la nivelul întregii specii?
Modul în care diferite organisme se adaptează mediului este una dintre cele mai importante întrebări din cadrul biologiei evoluționare și are prioritate primară din perspectiva schimbărilor climatice. Identificarea trăsăturilor cheie implicate în adaptări și înțelegerea modului în care acestea interacționează între ele și cu mediul înconjurător reprezintă o sarcină deosebit de urgentă pentru speciile de bază și pentru speciile valoroase, din punct de vedere economic. Experimentele existente de evaluare a adaptării locale nu sunt suficient de scalabile și previzibile în mediile naturale, în special la limitele arealului speciei. Studiile de genomică a peisajului ar putea dezvălui loci adaptativi de-a lungul gradienților de mediu, dar acestea sunt împiedicate de ipotezele unui model neutru și de natura puternic poligenică a majorității trăsăturilor. Pentru a remedia aceste deficiențe, MyGardenOfTrees va fi primul experiment de transplantare la nivelul întregului areal al speciilor, care utilizează știința participativă și genomica pentru: (i) a dezvălui modelele majore și factorii de adaptare și (ii) a construi un model predictiv pentru selectarea surselor optime de semințe pentru o anumită locație, care să țină cont de interacțiunile genă-mediu și demografie. Rețeaua participativă de silvicultori stabilește un număr mare (aproximativ 500 pe parcursul a trei ani) de mici teste de proveniență, numite micro-grădini. Pentru a evalua performanța plantelor în condiții climatice noi, locațiile grădinilor vor acoperi, de asemenea, locații aflate dincolo de arealul actual al speciilor, în special spre altitudini și latitudini mai mari. Participanții acceptă un angajament pe o perioadă de 5 ani; astfel, acest proiect se va concentra în principal pe monitorizarea și analiza trăsăturilor de supraviețuire și creștere timpurie, care sunt supuse celei mai mari presiuni de selecție la arbori. Cu toate acestea, participanții vor fi încurajați să își păstreze și să își urmărească arborii dincolo de perioada de desfășurare a acestui proiect.
Cum arată o micro-grădină?
Micro-grădinile vor fi instalate cu semințele recoltate, direct din siturile selectate în diverse păduri, o abordare numită Însămânțare directă (vezi Glosar). Fiecare micro-grădină va conține 100 așa numite "locuri de însămânțare" care conțin 10 semințe a căror proveniență a fost atent selecționată bazată pe un model experimental factorial. Semințele sunt protejate de animalele erbivore cu protectoare de semințe special concepute pentru a evita distrugerea semințișului, prin urmare protejând testele și se evită introducerea proveniențelor străine în pădurile unde sunt instalate micro-grădinile.
Micro-grădină în Franța.
Citește mai multe (pentru audiența din domeniu)
Schema de plantare a unei micro-grădini.
De ce știință participativă?
Gestionarea unei rețele de sute de micro-grădini depășește capacitatea oricărei echipe de cercetare. MyGardenOfTrees folosește metoda științei participative pentru a depăși această dificultate, în același timp oferă oportunitatea silvicultorilor din teren să observe germinarea, supraviețuirea și creșterea diferitelor proveniențe și se pot alătura unui efort de cercetare fără precedent pentru a identifica proveniențele cele mai adaptate pentru reîmpădurirea siturilor vulnerabile schimbărilor climatice. Datele vor fi colectate de către participanți prin încărcarea unor formulare cu ajutorul unei aplicații gratuite numită ODK COllect/Enketo, care sunt conectate cu baza noastră de date.
Citește mai multe (pentru audiența din domeniu)
Poate știința participativă să furnizeze observații suficient de riguroase?
Cheia succesului științei participative constă în găsirea potrivirii corecte între grupul participativ țintă și obiectiv. O abordare similară a științei participative a fost deja utilizată cu succes în agricultură, unde fermierii au testat rezistența la schimbările climatice a soiurilor de culturi și legume. Fermierii au fost invitați să efectueze probe de testare a culturilor pentru a le selecta în funcție de scenariile de schimbare climatică, valorificând astfel cunoștințele și motivația unui anumit grup țintă. Arborii forestieri au caracteristici comune cu culturile și speciile sălbatice, ceea ce îi face să fie organisme de studiu ideale pentru un proiect științific participativ evoluționist. Deși multe păduri sunt manageriate sau plantate, majoritatea populațiilor de arbori din pădure pot fi considerate naturale din punct de vedere evoluționist și ecologic. Există numeroși silvicultori bine informați care lucrează în Europa, care sunt preocupați de viitorul pădurilor noastre și care sunt probabil motivați să participe la un proiect experimental.
Un alt aspect al unei științe participative de succes este colectarea standard a datelor. Datorită formularelor de sondaj create de echipa noastră de cercetători, acestea sunt disponibile într-o aplicație ușor de utilizat (ODK Collect [Android] / Enketo [toate platformele]), toate datele au același format și sunt stocate în baze de date gata de utilizare.
Lecturi suplimentare:
van Etten, J. et al. 2019. Crop variety management for climate adaptation supported by citizen science. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 116, 4194–4199.
Isaac, M. E. & Martin, A. R. 2019. Accumulating crop functional trait data with citizen science. Scientific Reports 9, 1–8.
De ce aceste specii?
MyGardenOfTrees va studia numeroase proveniențe de brad (Abies alba Mill.) și fag (Fagus sylvatica L.). Ambele specii sunt indigene Europei și sunt considerate specii cheie din punct de vedere economic și ecologic pentru ecosistemele forestiere europene. MyGardenOfTrees investighează subspecii Mediteraniene și specii orientale cum ar fi fagul oriental (Fagus sylvatica subsp. orientalis (Lipsky) Greuter & Burdet) și bradul de caucaz (Abies nordmanniana). Daca performanța acestor specii este superioră, silvicultorii vor putea lua în considerare introducerea acestor specii, printr-o strategie de managementnumită migrație asistată (vezi Glosar).
Arealul de distribuție al speciilor de fag ți brad din Europa și Oreientul Mijlociu.
Citește mai multe (pentru audiența din domeniu)
De ce studiază MyGardenOfTrees aceste două specii?
Atât bradul, cât și fagul au atras recent interesul în contextul schimbărilor climatice, deoarece sunt mai toleranți la secetă decât alte specii de arbori dominanți, cum ar fi molidul (Picea abies). Cu toate acestea, ambele specii au mai multe specii și subspecii surori mediteraneene și orientale care adăpostesc o diversitate genetică mai mare decât speciile noastre europene. Diversitatea genetică stă la baza adaptării și a rezilienței, astfel încât includerea acestor specii surori în studiile noastre va aduce cunoștințe prețioase pentru elaborarea programelor de migrație asistată în Europa. În special, vom studia fagul oriental [Fagus sylvatica subsp. orientalis (Lipsky) Greuter & Burdet], care se hibridizează în mod obișnuit cu fagul european în multiplele lor zone de contact, cum ar fi în Bulgaria și Grecia, dar și în situri plantate cu fag oriental în țările din Europa de Vest. Vezi mai multe.
Lecturi suplimentare:
Vitali, V., Büntgen, U. & Bauhus, J. Silver fir and Douglas fir are more tolerant to extreme droughts than Norway spruce in south-western Germany. Global Change Biology 23, 5108–5119 (2017).
Vitasse, Y. et al. Contrasting resistance and resilience to extreme drought and late spring frost in five major European tree species. Global Change Biology 25, 3781–3792 (2019).
De ce completăm observațile fenotipice cu date genomice?
Proveniențele sau populațiile din arealul de distribuție a unei specii au aceeași origine ancestrală, dar în timpul procesului de colonizare a habitatelor lor actuale, populațiile s-au diferențiat genetic, iar acest proces a lăsat o amprentă în genomul proveniențelor/populațiilor. Unele dintre aceste diferențe genetice între populații sunt considerate neutre (sau aleatorii) datorită faptului că doar un număr finit de indivizi a contribuit la crearea generațiilor viitoare, în timp ce alte diferențe genetice sunt datorate procesului de selecție naturală. MyGardenOfTrees va colecta date genomice pentru a separa cele două procese de diferențiere genetică, care este necesar pentru a interpreta observațiile din micro-grădini.
Citește mai multe (pentru audiența din domeniu)
Date Genomice
MyGardenOfTrees va genera date genomice omogene pentru cele două specii studiate. Fagul european are o dimensiune moderată a genomului de 542 Mb, iar calitatea ansamblului genomului este ridicată. Bradul argintiu are un giga-genom de 18,16 Gb și, în consecință, calitatea ansamblului genomului este scăzută. Ținând cont de aceste diferențe, se vor utiliza abordări diferite pentru cele două specii. Pentru fagul european, vom efectua secvențierea întregului genom al unei selecții de arbori mamă. În cazul bradului argintiu, se va secvenția transcriptomul complet al 10 indivizi reprezentativi din punct de vedere biogeografic, după care se vor proiecta sonde de captură 80K și se vor testa pe un subset reprezentativ din punct de vedere biogeografic de 100-150 de indivizi pentru fiecare grup de specii. Apoi, vor fi selectate aproximativ 40K regiuni țintă care conțin SNP-uri la nivelul întregii zone de răspândire, pentru a fi genotipate într-o selecție de arbori mamă.
Lectură suplimentară:
Mishra, B. et al. A reference genome of the European beech (Fagus sylvatica L.) Gigascience 7, giy063 (2018)
Mosca, E. et al. A Reference Genome Sequence for the European Silver Fir (Abies alba Mill.): A Community-Generated Genomic Resource. G3: Genes, Genomes, Genetics 9, 2039–2049 (2019)
O platformă menită să ajute silvicultorii pentru selecția celor mai bune proveniențe/semințe, creată de echipa noastră de cercetători
Observațiile înregistrate din sutele de micro - grădini din întreaga Europă vor fi combinate cu datele genomice pentru a genera concluzii despre adaptarea proveniențelor la factorii climatici. MyGardenOfTrees va crea un instrument, prezentată sub forma unei platforme pentru silvicultori, cu scopul de a îi ajuta să aleagă cele mai bune proveniențe/semințe pentru împăduriri în condițiile specifice locale. Este esențial pentru echipa MyGardenOfTrees să ofere participanților săi toate rezultatele proiectului.
Citește mai multe (pentru audiența din domeniu)
Integrarea interacțiunilor genă-mediu într-un instrument de predicție.
Datele de transplant fără precedent, cu un design factorial aproape complet, obținute în urma testelor din MyGardenOfTrees vor fi utilizate într-un model de predicție genomică (GP) care exploatează similaritatea genetică dintre populații și similaritatea de mediu dintre locațiile micro - grădinilor. Noul instrument poate fi utilizat pentru a prezice performanța populațiilor în medii netestate, inclusiv în viitor, și pentru a prezice performanța populațiilor noi (genotipate) care nu au fost testate în niciun mediu. Noul instrument va depăși două limitări majore ale modelelor existente. În primul rând, cadrele de predicție existente pentru evaluarea riscurilor legate de schimbările climatice pentru arbori se bazează pe date climatice și, prin urmare, presupun o adaptare locală (modele de distribuție a speciilor sau funcții de transfer climatic). Rolul contingenței istorice este adesea ignorat, chiar dacă s-a observat în mod obișnuit că diferite linii genealogice au fenotipuri diferite, de exemplu modele de creștere. În al doilea rând, modelele existente se bazează pe trăsăturile de producție și ignoră trăsăturile timpurii. Astfel, noul instrument va fi potrivit pentru a decide dacă trebuie luată în considerare migrația asistată sau dacă regenerarea naturală va fi suficientă și va ajuta la orientarea deciziilor de restaurare a pădurilor prin însămânțare directă. Însămânțarea directă ar putea căpăta importanță în viitor, având în vedere lipsa tot mai mare a regenerării naturale. Însămânțarea directă poate fi, de asemenea, un instrument eficient de atenuare a riscurilor legate de evenimente extreme prin transformarea unor arborete pure în arborete mixte, sporind astfel diversitatea și rezistența acestora.
Lectură suplimentară:
Crossa, J. et al. 2017. Genomic selection in plant breeding: methods, models, and perspectives. Trends in Plant Science 22, 961–975.
Resende, R.T. et al. 2021. Enviromics in breeding: applications and perspectives on envirotypic-assisted selection. Theoretical and Applied Genetics 134, 95–112.
Finanțare
