Zakulisje projekta MyGardenOfTrees
Projekt MyGardenOfTrees vključuje presaditveni poskus širšega razpona, ki uporablja participativni zanstveni pristop. Ugotovitve tega poskusa so združene s podatki s področja genomike za oblikovanje orodja za načrtovanje evropskih gozov.
Zakaj ta projekt?
Gozdarska stroka izvaja provenienčne poskuse (glej Slovarček) že stoletja. Cilj teh poskusov je testirati in primerjati rastno sposobnost različnih vrst dreves na določenem območju. The aim of these trials has been to test and compare the growth performance of species and provenances at a given location. Gozdarji uporabljajo ugotovitve teh poskusov kot smernice pri načrtovanju in pogozdovanju. V tem projektu so drevesne vrste in njihove provenience zgolj ovrednotene na podlagi specifičnih (idealnih) pogojev poskusnega rastišča in jih ni mogoče preslikati na gozdne razmere. Poleg tega se v poskusu uporablja sadike iz drevesnic, ki ne dajo podatkov o naravni regeneracijski sposobnosti.
Projekt MyGardenOfTrees želi podati rešitev za ta manko z vzpostavitvijo omrežja več manjših provenienčnih poskusov (mikrovrtov) (glej Slovarček). Glavna prednost takega pristopa je, da se da testirati kombinacije različnih provenienc (genetski izvor) in rastiščnih razmer (tipi okolja). Ugotovitve poskusa se sme generalizirati za širši geografski prostor, ker se učinkovitost provenienc ovrednoti na večjem številu okoljskih tipov.
Zgornji zemljevid prikazuje "Poskus razdeljenih provenienc". Semena bodo nabrana z različnih rastišč naravne razširjenosti drevesnih vrst (semenski viri) in nato prerazporejene na več manjših testnih rastišč. Pomnite, da gre le za shematski prikaz vrst bukve (Fagus spp.) in ne za dejanske lokacije semenskih virov in testnih rastišč.
Preberite si več (za znanstvene kroge)
Zakaj potrebujemo nov pristop setve s širšim naborom vrst?
Kako se organizmi prilagajajo na okolje, v katerem živijo, je osnovno vprašanje v evolucijski biologiji in je v času podnebnih sprememb še posebej pomembno. Prepoznavanje bistvenih lastnosti, ki omogočajo prilagoditev, in razumevanje njihovih medsebojnih interakcij in interakcij z okoljem je nujno za ključne in gospodarsko pomembne vrste dreves. Obstoječim eksperimentom, ki vrednotijo lokalno adaptacijo, primanjkuje možnost nadgradnje in predvidlijivosti v naravnem okolju, zlasti na robu naravne razširjenosti vrst. Študije s področja krajinske genomike bi lahko pojasnile adaptacijske lokuse skozi okoljske gradiente, vendar jih otežujejo predpostavke nevtralnega modela in poligenija večine lastnosti dreves. MyGardenOfTrees bo prvi presaditveni eksperiment s širšim naborom vrst, ki uporablja participativni pristop in genomiko, da se sooči z omenjenim mankom. To se odraža v: (1) razodevanju glavnih zakonitosti in gonilnikih adaptacije vrst in (2) izgradnji predvidljivega napovednega modela za izbor optimalnih semenskih virov za določeno lokacijo, ki upošteva demografijo in interakcije med geni in okoljem. Participativno omrežje gozdarjev je vzpostavitev večjega števila (približno 500 v roku treh let) manjših provenienčnih poskusov – mikrovrtov. Za ovrednotenje učinkovitosti rastlin v novih podnebnih razmerah bodo lokacije vrtov zajele tudi lokacije izven območja trenutne naravne razširjenosti vrst, zlasti tiste na višjih nadmorskih višinah in zemljepisnih širinah. Udeleženci sklenejo 5-letno vključenost; ta projekt se bo tako prvenstveno osredotočal na monitoring in analiziranje zgodnjih preživetvenih in rastnih lastnosti, ki so pri drevesih izpostavljene največjim pritiskom. Udeležence bomo spodbujali, da spremljajo drevesa tudi, ko se projekt zaključi.
Kako izgleda mikrovrt?
Mikrovrtovi bodo vzpostavljeni iz semen neposredno v gozdu. Takemu pristopu pravimo neposredno sajenje (glej Slovarček). Vsak mikrovrt vsebuje 100 t. i. "saditvenih mest", ki vsebujejo 10 semen iz skrbno izbranih provenienc, ki bazirajo na faktorskem eksperimentalnem designu. Semena so pred objedanjem ustrezno zavarovana s posebnimi zaščitnimi mrežicami, kar pa hkrati preprečuje kontaminacijo tujimi semeni.
Primer mikrovrta v Franciji.
Preberite si več (za znanstvene kroge)
Shematski prikaz mikrovrta
Zakaj participativni pristop?
Upravljanje omrežja z veliko mikrovrtovi presega zmožnosti vsake znanstvene ekipe. MyGardenOfTrees uporablja participativni pristop, da se sooči s tovrstno težavnostjo , pri čemer gozdarjem zagotavlja možnost opazovanja kalitve, preživetja in rasti različnih provenienc z vključevanjem edinstevenega raziskovalnega truda, ki stremi k iskanju ustreznih provenienc za pogozdovanj na rastiščih, ki so občutljiva na podnebne spremembe. Podatke zbirajo naši udeleženci projekta, ki uporabljajo predloge z brezplačnim orodjem ODK Collect/Enketo, ki je povezano z našimi podatkovnimi bazami.
Preberite si več (za znanstvene kroge)
Lahko participativni pristop zagotovi dovolj natančna opazovanja?
Ključ do uspešnega participativnega pristopa je najti ustrezno ciljno participativno skupino. Podoben pristop se že uspešno uporablja v poljedelstvu, kjer kmetje testirajo odpornost poljščin in zelenjave na podnebne spremembe. Testni poskusi križanja poljščin za scenarij podnebnih sprememb so kapitalizirali znanje in motivacijo določene ciljne skupine. Drevesne vrste si s poljščinami in divjimi vrstami delijo lastnosti, zaradi česar so idealni organizmi za proučevanje v evolucijskem participativnem projektu. Medtem ko je veliko gozdov upravljanih ali nasajenih, je z vidika evolucije in ekologije večina populacij gozdnih dreves naravnega nastanka. Številne usposobljene gozdarje v Evropi skrbi prihodnost naših gozdov in so motivirani za sodelovanje v tem projektu.
Dodaten vidik uspešnega participativnega projekta je standardizirano zbiranje podatkov. Zahvaljujoč anketam, ki jih je ustvarila naša znanstvena ekipa in so dostopne v uporabniku prijazni aplikaciji (ODK Collect [Android] / Enketo [all platforms]), so vsi podatki enakega formata in so shranjeni v podatkovnih bazah, pripravljeni za uporabo.
Dodatna literatura:
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.
Zakaj prav te vrste?
MyGardenOfTrees proučuje številne provenience navadne jelke (Abies alba Mill.) in navadne bukve (Fagus sylvatica L.). Obe vrsti sta samonikli v Evropi in sta z gospodarskega ter ekološkega vidika ključni vrsti. MyGardenOfTrees proučuje tudi sestrske vrste omenjenih taksonov v Sredozemlju in na Bližnjem vzhodu, kot sta vzhodna bukev (Fagus sylvatica subsp. orientalis (Lipsky) Greuter & Burdet) in kavkaška jelka (Abies nordmanniana). Če se učinkovitost teh vrst izkaže za superiorno, lahko gozdarji uvozijo te vrste z nadzirano strategijo, ki ji pravimo asistirana migracija (glej Slovarček).
Območje naravne razširjenosti različnih vrst jelke in bukve v Evropi in na Bližnjem vzhodu
Preberite si več (za znanstvene kroge)
Zakaj MyGardenOfTrees proučuje te dve vrsti?
Tako jelka kot bukev sta nedavno v kontekstu podnebnih sprememb pritegnili zanimanje, ker sta za razliko od drugih dominantnih drevesnih vrst, denimo, nvadna smreka (Picea abies), odpornejši na sušo. Obe vrsti imata nekaj sredozemskih in orientalskih sestrskih vrst in podvrst, ki hranijo večjo genetsko pestrost kot naši evropski vrsti. Genetska pestrost je osnova za adaptacijo in odpornost na spremembe, zato bo vključevanje teh sestrskih taksonov v naš poskus prineslo dragoceno znanje za oblikovanje programov asistiranih migracijv Evropi. Natančneje bomo proučili vzhodno bukev (Fagus sylvatica subsp. orientalis (Lipsky) Greuter & Burdet), ki se pogosto križa z navadno bukvijo v njunih stičnih območjih: npr. v Bulgariji in Grčiji, a tudi v nasadih vzhodne bukve v zahodnoevropskih državah. Preberite si več.
Dodatna literatura:
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).
Zakaj dopolnjujemo ugotovitve poskusa z genomskimi podatki?
Različne provenience ali populacije vrst imajo skupen izvor: vse so potomke ene populacije, ki je bila določen čas razširjena v preteklosti. Tekom kolonizacije trenutnih habitatov so si populacije potomke postale vedno bolj različne, kar se je možno razbrati iz njihovih genomov. Nekatere razlike med njimi so nevtralne (naključne), saj se samo določeno število posameznih osebkov med sabo razmnožuje v vsaki generaciji, ostale razlike pa ro rezultat naravnega izbora. MyGardenOfTrees zbira genomske podatke, da bi med seboj ta procesa razklenila, ker bosta pomembna za obrazložitev rezultatov poskusa z mikrovrtovi.
Preberite si več (za znanstvene kroge)
Genomski podatki
MyGardenOfTrees bo generiral homogene genomske podatke za obe proučevani vrsti. Bukev ima srednj velik genom, velikosti 542 Mb, kakovost nabor pa je visoka. Jelka ima ogromen genom, velikosti 18,16 Gb, temu ustrezno pa je kakovost nizka. Upoštevajoč to razliko, bodo za omenjeni vrsti uporabljeni različni pristopi. Za bukev bomo opravili sekvencioniranje celotnega genoma z izbranih straševskih dreves. Za jelko bo senkvencionirana celotna transkripcija 10 bio-geografsko reprezentativnih posameznikov, kateri bo sledil design 80K lovilnih sond in bo testiran na bio-geografsko reprezentativni podskupini 100-150 posameznikov po skupinah drevesnih vrst. Nato bo približno 40 000 ciljnih regij, ki vsebujejo SNP v širšem razponu, izbranih za genotipiziranje izbora starševskih dreves.
Dodatna literatura:
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)
Ugotovitve s številnih mikrovrtov širom Evrope bodo združene skupaj s podatki s področja genomike za oblikovanje splošnih sklepov o prilagodljivosti provenienc na podnebne spremembe. MyGardenOfTrees bo ustvaril orodje za napovedovanje, ki bo v obliki aplikacije, namenjeno gozdarjem pri izbiri najboljših semen za sejanje v lokalnem okolju. Naloga ekipe MyGardenOfTrees je udeležencem predstaviti vse koristi projekta.
Preberite si več (za znanstvene kroge)
Združavanje interakcij med geni in okoljem v orodje za napovedovanje
Edinstvena transplantacija podatkov s skoraj popolnim faktorskim disignom, pridobljena iz poskusa The MyGardenOfTrees, bo uporabljena v genomskem napovednem modelu (GP-model), ki izkorišča genetsko podobnost med populacijami in podobnost okolja med lokacijami vrtov. Novo orodje lahko napoveduje učinkovitost populacij v netestiranih, vključno z bodočimi, okoljih in za napovedovanje učinkovitost novih genotipskih populacij, ki še niso bile testirane v nobenem okolju. To orodje bo odpravilo dve veliki omejitvi obstoječih modelov. Trenutn orodja za ovrednotenje tveganja zaradi podnebnih sprememb za drevesa so osnovana na klimatskih podatkih in tako predvidijo lokalno prilagojenost (distribucijski modeli vrst oz. funkcija prenosa klime). Vloga zgodovinske naključnosti je pogosto zanemarjena, čeprav je znano, da imajo različne lnije različne fenotipe, na primer rastni tip. Obstoječi modeli so osnovani na produkcijskih lastnostih in zanemarjajo zgodnje lastnosti. Zaradi omenjenih dejstev bo novo orodje ustrezno za odločanje med asistirano migracijo in naravno obnovo, poleg tega pa bo pripomogla pri smernicah za obnovo gozda z neposrednim sajenjem. Neposredno sajenje bi lahko dobilo na veljavi v prihodnosti zaradi vedno večjega primanjkljaja naravne obnove. Hkrati je lahko učinkovito orodje za lajšanje tveganja, povezanega z ekstrenimi dogodki, s pretvarjanjem čistih v mešane sestoje, s čimer se poveča njihova pestrost in odpornost.
Dodatna literatura:
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.
Financiranje projekta
