2023-2028 участници в проучването: наблюденията започват на 1 април

Науката зад MyGardenOfTrees

MyGardenOfTrees включва експеримент за пресаждане на дървета в целия район, като се използва наука с широко гражданско участие. Наблюденията от този експеримент се комбинират с геномни данни, за да се създаде инструмент за прогнозиране, за целите на лесовъдите в цяла Европа.

Основание

Лесовъдите от векове извършват проучвания за произхода. Целта на тези опити е била да се проверят и сравнят растежните характеристики на видовете и произходите на дадено място. Лесовъдите са използвали резултатите от тези опити, за да се ръководят от избора си при засаждането и възстановяването на горите. При тези опити обаче видовете и сортовете се оценяват само при специфичните (често идеални) условия на опитното място и не могат да бъдат пренесени в реалните условия на гората. Освен това опитите за произход се извършват с разсад, отгледан в разсадник, и следователно не могат да дадат информация за естественото възобновяване.

MyGardenOfTrees се опитва да намери решение на тези недостатъци, като създава мрежа от стотици малки опити площадки, наречени микроградини. Основното предимство на този подход е, че могат да се тестват много комбинации от произходи (генетичен произход) и условия на място (среда). Тъй като представянето на различните произходи се оценява в широк диапазон от среди, констатациите могат да бъдат обобщени в големи пространствени мащаби.

Дизайнът на MyGardenOfTrees за "разпределена пробни площи за произхода". Семената ще бъдат събрани от няколко места в ареала на видовете (източници на семена) и ще бъдат разпределени в стотици малки тестови места. Обърнете внимание, че тази фигура е схематична илюстрация за видовете бук (Fagus spp.), а не действителното местоположение на източниците на семена и тестовите площадки.

Защо се нуждаем от нов подход за присаждане в рамките на целия вид?

Начинът, по който организмите се приспособяват към средата, е най-фундаменталният въпрос в еволюционната биология и е от изключителна важност предвид заплахите, свързани с изменението на климата. Идентифицирането на ключовите признаци, участващи в адаптациите, и разбирането на начина, по който те си взаимодействат помежду си и с околната среда, е особено спешна задача за видовете, които са в основата и произвеждат ресурси, като например горските дървета. Съществуващите експерименти, оценяващи местната адаптация, нямат мащабируемост и предвидимост в естествена среда, особено в границите на ареала на видовете. Проучванията на ландшафтната геномика биха могли да разкрият адаптивни локуси в градиентите на околната среда, но те са възпрепятствани от предположенията за неутрален модел и силно полигенния характер на повечето признаци. За да се справят с тези недостатъци, MyGardenOfTrees ще бъде първият експеримент за засаждане на дървета в целия обхват на вида, който използва гражданска наука и генетика, за да: (i) разкрие основните модели и фактори за адаптация и (ii) изгради прогнозен модел за избор на оптимални източници на семена за дадено място, който отчита взаимодействията между гените и околната среда и демографията. Мрежата от лесовъди с широко участие създава голям брой (приблизително 500 за три години) малки опити за произход, наречени микроградини. За да се оцени представянето на растенията при нови климатични условия, градините ще обхващат и места извън настоящия ареал на разпространение на видовете, особено на по-големи надморски височини и географски ширини. Участниците приемат ангажимент за 5 години; по този начин този проект ще се съсредоточи основно върху наблюдението и анализа на ранните характеристики на оцеляване и растеж, които са подложени на най-голям селекционен натиск при дърветата. Въпреки това участниците ще бъдат насърчавани да запазят и проследяват своите дървета и след изтичането на срока на проекта.

What does a micro-garden look like?

Микроградините ще бъдат създадени от семена директно в гората - подход, наречен директно засяване. Всяка микроградина съдържа 100 така наречени "места за засяване", които съдържат 10 семена от внимателно подбран произход въз основа на експериментален план. Семената са защитени с нарочно разработени протектори, за да се избегне хищничеството на семената, като по този начин се защитят нашите опити и се избегне замърсяването на гората, в която са създадени опитите, с чужди семена.

Микроградина във Франция.

Схематичен изглед на микроградина

Защо практическа наука?

Управлението на мрежа от стотици микроградини не е по силите на нито един научен екип. MyGardenOfTrees използва научен подход, основан на участието, за да преодолее тази трудност, като същевременно дава възможност на лесовъдите да наблюдават покълването, оцеляването и растежа на различните видове и да се включат в безпрецедентни изследователски усилия за намиране на подходящи видове за залесяване на места, които са уязвими от изменението на климата. Данните се събират от участниците с помощта на формуляри, реализирани с безплатния инструмент ODK Collect/Enketo, които са свързани с нашите бази данни.

Може ли да осигури достатъчно строги наблюдения?

Ключът към успешната пркатическа наука е да се намери правилното съчетание между целевата група на участниците и целта. Подобен подход вече е използван успешно в селското стопанство, където земеделските стопани са тествали устойчивостта на климатичните промени на сортове култури и зеленчуци. От земеделските стопани е поискано да проведат тестови изпитания на културите, за да ги отгледат за сценариите на климатичните промени, като по този начин се възползват от знанията и мотивацията на определена целева група. Горските дървета имат общи характеристики с културите и дивите видове, което ги прави идеални организми за изследване на еволюционен научен проект с участието на хората. Въпреки че много гори се управляват или засаждат, повечето популации на горските дървета могат да се считат за естествени от еволюционна и екологична гледна точка. В цяла Европа работят множество компетентни лесовъди, които са загрижени за бъдещето на нашите гори и вероятно са мотивирани да участват в експериментален проект.

Друг аспект на успешната наука с участие е стандартното събиране на данни. Благодарение на формулярите за проучване, създадени от нашия екип от учени и достъпни в удобно за ползване приложение (ODK Collect [Android] / Enketo [всички платформи]), всички данни имат един и същ формат и се съхраняват в готови за използване бази данни.

Литература:

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.

Защо тези видове?

MyGardenOfTrees проучва няколко произхода на обикновена ела (Abies alba Mill.) и обикновен бук (Fagus sylvatica L.). И двата вида произхождат от Европа и са от екологично и икономическо значение за европейските горски екосистеми. MyGardenOfTrees изследва също средиземноморски и ориенталски родствени видове, като Fagus sylvatica subsp. orientalis (Lipsky) Greuter & Burdet и Abies nordmanniana. Ако се установи, че техните показатели са по-добри, лесовъдите могат да обмислят внасянето на тези видове в рамките на стратегия за управление, наречена асистирана миграция (виж Речник на термините).

Район на разпространение на видовете ела и бук в Европа и Близкия изток.

Защо MyGardenOfTrees изучава тези два вида?

Елата и букът напоследък привличат интерес в контекста на изменението на климата, тъй като са по-устойчиви на засушаване от други доминиращи горски дървесни видове, като смърча (Picea abies). И двата вида обаче имат няколко средиземноморски и ориенталски родствени видове и подвидове, които са с по-голямо генетично разнообразие от нашите европейски видове. Генетичното разнообразие е в основата на адаптацията и устойчивостта, така че включването на тези сестрински видове в нашите опити ще допринесе за разработването на програми за асистирана миграция в Европа. По-специално, ще изследваме Fagus sylvatica subsp. orientalis (Lipsky) Greuter & Burdet, който често се хибридизира с обикновения бук в многобройните им контактни зони, като например в България и Гърция, но също и в засадените с източен бук места в западноевропейските страни

Литература:

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).

Защо допълваме наблюденията на признаците с геномни данни?

Различните произходи или популации в ареала на вида имат обща история: всички те са потомци на прародителска популация, живяла някога в миналото. По време на процеса на колонизиране на настоящите им местообитания популациите са се различавали една от друга, което е оставило отпечатък в геномите им. Някои от тези различия между популациите са неутрални (или случайни) поради факта, че при всяко поколение се възпроизвеждат само краен брой индивиди, докато други различия са резултат от естествения подбор. MyGardenOfTrees събира геномни данни, за да разграничи тези два процеса, които ще са необходими за интерпретиране на наблюденията от микроградината.

Геномни данни

MyGardenOfTrees ще генерира хомогенни геномни данни за двата изследвани вида. Геномът на европейския бук е с умерен размер от 542 Mb, а качеството на асемблито е високо. Сребристата ела има гигагеном с размер 18,16 Gb и съответно качеството на асемблито е ниско. Като се вземат предвид тези различия, за двата вида ще бъдат използвани различни подходи. За европейския бук ще извършим секвениране на целия геном на избрани майчини дървета. За сребристата ела ще бъде секвениран пълният транскриптом на 10 биогеографски представителни индивида, след което ще бъдат проектирани 80К улавящи сонди и тествани върху биогеографски представителна подгрупа от 100-150 индивида за всяка група видове. След това ще бъдат избрани приблизително 40 хил. целеви области, съдържащи SNP в целия ареал, за генотипиране на селекция от майчини дървета.

Литература:

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)

Инструмент за прогнозиране за лесовъди, разработен от нашия научен екип

Наблюденията от стотици градини в цяла Европа ще бъдат комбинирани заедно и с геномни данни, за да се направят общи изводи за климатичната адаптивност на сортовете. MyGardenOfTrees ще създаде и инструмент за прогнозиране, представен като уеб базирано приложение, за лесовъдите, който да им помогне да изберат най-добрите семена за засяване в тяхната местна среда. От съществено значение за екипа на MyGardenOfTrees е да предостави на своите участници ползите от проекта като цяло.

Интегриране на взаимодействията между гените и околната среда в инструмент за прогнозиране

Безпрецедентните данни, получени от опитите на MyGardenOfTrees, ще бъдат използвани в модел за геномно прогнозиране (GP), който използва генетичното сходство между популациите и сходството на околната среда между местата в градината. Новият инструмент може да се използва за прогнозиране на представянето на популации в неизпитани, включително бъдещи, среди, както и за прогнозиране на представянето на нови (но генотипирани) популации, които не са били изпитвани в никаква среда. Новият инструмент ще преодолее две основни ограничения на съществуващите модели. Първо, съществуващите рамки за прогнозиране за оценка на рисковете, свързани с изменението на климата, за горските дървета се основават на климатични данни и по този начин предполагат локална адаптация (модели на разпространение на видовете или функции за прехвърляне на климата). Ролята на историческата случайност често се пренебрегва, въпреки че често се наблюдава, че различните линии имат различни фенотипове, например модели на растеж. Второ, съществуващите модели се основават на производствените признаци и пренебрегват ранните признаци. По този начин новият инструмент ще бъде подходящ за вземане на решение дали трябва да се обмисли асистирана миграция или дали естественото възобновяване ще бъде достатъчно, и ще помогне за насочване на решенията за възстановяване на горите. Директното засяване може да придобие значение в бъдеще, като се има предвид нарастващата липса на естествено възобновяване. Директните сечи могат също така да бъдат ефикасен инструмент за намаляване на рисковете, свързани с екстремни събития, чрез превръщане на чистите насаждения в смесени, като по този начин се увеличава тяхното разнообразие и устойчивост.

Литература:

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.