Znanstveni aspekt projekta MyGardenOfTrees
Projekt MyGardenOfTrees predstavlja provedbu pokusa sjetve na širokom rasponu koji koristi participativni znanstveni pristup. Rezultati zapažanja ovog pokusa sjetve u kombinaciji s podacima iz područja genomike služit će za izradu alata za predviđanje koji će pomoći šumarskim stručnjacima diljem Europe u uzgajanju šuma.
Obrazloženje projekta
Šumarski stručnjaci već stoljećima provode testove provenijencija (vidjeti Rječnik pojmova ). Cilj takvih pokusa je testirati i usporediti rast različitih vrsta i provenijencija na određenoj lokaciji. Rezultati testiranja koriste se za pomoć pri odabiru prilikom sadnje i pošumljavanja. Međutim, u tim se testovima, vrste i provenijencije ocjenjuju samo u specifičnim (često idealnim) uvjetima i ne mogu se primijeniti na stvarne uvjete u šumi. Osim navedenog, testovi provenijencija često se provode sa sadnicama dobivenim iz rasadnika, stoga se ne mogu dobiti prave informacije vezane za prirodnu obnovu šuma.
Projekt MyGardenOfTrees pokušava pružiti rješenje za navedene nedostatke uspostavljanjem mreže od stotina malih testova provenijencija, tzv. mikro-vrtova (vidjeti Rječnik pojmova). Glavna prednost ovog pristupa je da se mogu testirati mnoge kombinacije porijekla (genetsko podrijetlo) i uvjeta u staništu (okolišu). Budući da se izvedba provenijencija procjenjuje u širokom rasponu okoliša, rezultati zapažanja se mogu generalizirati na velikim prostornim skalama.
Dizajn 'raspoređenih testova provenijencija' projekta MyGardenOfTrees. Sjeme će se sakupljati s nekoliko mjesta u arealu vrsta (izvori sjemena) i rasporediti na stotine malih testnih mjesta. Ova je slika shematski prikaz za bukvu (Fagus spp.), a ne stvarna lokacija izvora sjemena i mjesta ispitivanja.
Pročitajte više (namijenjeno znanstvenicima)
Zašto nam je potreban novi pristup sjetve sa širokim rasponom vrsta?
Kako se organizmi prilagođavaju svom okolišu najosnovnije je pitanje u evolucijskoj biologiji i od iznimne je važnosti s obzirom na prijetnje uzrokovane klimatskim promjenama. Identificiranje ključnih osobina uključenih u prilagodbu i razumijevanje njihove međusobne interakcije i interakcije s okolišem hitan je zadatak za ključne vrste i vrste iz kojih dobivamo vrijedne resurse, poput šumskog drveća. Postojeća istraživanja koja procjenjuju lokalnu prilagodbu organizama ne ispituju varijable skalabilnosti i predvidljivosti u prirodnom okruženju, osobito na rubnim dijelovima areala ispitivanih vrsta. Studije genomike krajobraza mogle bi otkriti adaptivne lokuse koristeći promjene abiotičkih čimbenika okoliša kroz različit prostor, ali ih u tome ometaju pretpostavke o neutralnom modelu i visoko poligenskoj prirodi većine osobina. Kako bismo nadvladali navedene prepreke, plan je provesti pokuse sjetve sjemena određenih vrsta služeći se participativnom znanošću i genomikom kako bismo (I) otkrili glavne obrasce i pokretače njihove prilagodbe te (II) izradili prediktivni model za odabir optimalnih izvora sjemena za određenu lokaciju uzevši u obzir njene karakteristike i interakciju između gena i okoliša. Razvit će se participativna mreža šumarskih stručnjaka koji će provesti velik broj (oko 500 kroz tri godine) testova provenijencija, nazvanih mikro-vrtovi. Kako bi se ispitala i procijenila učinkovitost rasta biljaka u novim klimatskim uvjetima, lokacije šumskih vrtova biti će distribuirane i izvan trenutnog areala vrsta, osobito na višim nadmorskim visinama. Sudionici će se angažirati na pet godina; stoga će se ovaj projekt prvenstveno usredotočiti na praćenje i analizu ranog preživljavanja i svojstava rasta, koja su pod najvećim pritiskom selekcije stabala. Ipak, sudionici će se poticati da čuvaju i prate svoja stabla izvan vremenskog okvira ovog projekta.
Kako izgledaju mikro-vrtovi?
Mikro-vrtovi bit će uspostavljeni iz sjemena sakupljenog izravno iz šume, takav pristup zove se izravna sjetva (vidjeti Rječnik pojmova). Svaki mikro-vrt sadrži 100 tzv.'sjetvenih mjesta (točaka)' koje sadrže po 10 sjemenki pomno odabranih provenijencija čiji se odabir temelji na faktorskom dizajnu eksperimenta. Sjeme je zaštićeno posebno kreiranim štitnicima sjemena kako bi se spriječio pristup grabežljivcima i kako bi se izbjegla kontaminacija šume stranim sjemenom.
Mikro-vrt u Francuskoj.
Pročitajte više (namijenjeno znanstvenicima)
Shematski prikaz mikro-vrta
Zašto participativni znanstveni pristup?
Ni jedan znanstveni tim nema kapacitet upravljanja mrežom od stotine mikro-vrtova diljem Europe. Stoga projekt MyGardenOfTrees koristi participativni znanstveni pristup, istovremeno dajući priliku šumarskim stručnjacima da promatraju klijanje, preživljenje i rast različitih provenijencija i da se pridruže neviđenim istraživačkim naporima u pronalaženju prikladnih provenijencija za pošumljavanje na mjestima koja su osjetljiva na klimatske promjene. Podaci se prikupljaju pomoću obrazaca, ugrađenih u besplatnu aplikaciju ODK Collect/Enketo, te su direktno povezani s našom bazom podataka.
Pročitajte više (namijenjeno znanstvenicima)
Može li participativni znanstveni pristup osigurati kvalitetne rezultate zapažanja?
Rješenje za uspješnu provedbu participativnog znanstvenog pristupa je pronaći odgovarajuću ciljanu skupinu koja će sudjelovati u projektu i ostvariti cilj. Slična metoda upotrijebila se u poljoprivrednom sektoru kada su poljoprivrednici testirali otpornost različitih sorti povrća i usjeva na klimatske promjene. Testni pokusi usjeva za uzgoj koje su proveli poljoprivrednici služili su za dobivanje scenarija klimatskih promjena, čime se kapitaliziralo znanje i motivacija ciljane skupine. Šumsko drveće ima obje karakterestike, karakteristike usjeva i divljih vrsta, što ih čini idealnim organizmima za projekt evolucijske prirode s participativnim znanstvenim pristupom. Velikim udjelom šuma se aktivno gospodari te su umjetno pomlađene, no većina populacija šumskog drveća smatra se prirodnim gledano s evolucijske i ekološke perspektive. U cijeloj Europi rade brojni obrazovani šumarski stručnjaci koji su zabrinuti za budućnost naših šuma i koji su motivirani za sudjelovanje u ovom eksperimentalnom projektu.
Osim odgovarajuće ciljane skupine koja će sudjelovati u ovom projektu, kvalitetne rezultate zapažanja osigurat će i standardizirano prikupljanje podataka. Zahvaljujući formalnom upitniku koji je zradio naš tim znanstvenika, prilagođen korisnicima, a dostupnim preko aplikacije (ODK Collect [Android] / Enketo [sve platforme]), svi podaci imaju isti format i spremljeni su bazu podataka spremnu za korištenje.
Više informacija:
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.
Zašto baš bukva i jela?
Projekt MyGardenOfTrees proučava nekoliko provenijencija obične jele (Abies alba Mill.) i obične bukve (Fagus sylvatica L.). Obje vrste su porijeklom iz Europe te su ekološki i ekonomski ključne za europske šumske ekosustave. Projekt MyGardenOfTrees također istražuje mediteranske i orijentalne srodne vrste, kao što su orijentalna bukva (Fagus sylvatica subsp. orientalis (Lipsky) Greuter & Burdet) i kavkaska jela (Abies nordmanniana). Ako se utvrdi da je njihov učinak bolji, šumarski stručnjaci mogu razmotriti unos ovih vrsta u planove upravljanja kroz potpomognutu migraciju (vidjeti Rječnik pojmova).
Areal obične jele i obične bukve u Europi i na Bliskom istoku.
Pročitajte više (namijenjeno znanstvenicima)
Dodatno o tome zašto proučavamo baš bukvu i jelu projektom MyGardenOfTrees?
I jela i bukva zanimljive su u kontekstu klimatskih promjena jer su otpornije na sušu od ostalih dominantnih šumskih vrsta drveća, poput smreke (Picea abies (L.)H.Karst.). Međutim, obje vrste imaju nekoliko mediteranskih i orijentalnih srodnih vrsta i podvrsta koje imaju veću genetsku raznolikost od naših europskih vrsta. Genetska raznolikost temelj je prilagodbe i otpornosti, pa će uključivanje ovih srodnih vrsta u naša ispitivanja donijeti dragocjeno znanje u svrhu osmišljavanja programa potpomognute migracije u Europi. Posebno ćemo proučavati orijentalnu bukvu (Fagus sylvatica subsp. orientalis (Lipsky) Greuter & Burdet), koja obično ima hibride s običnom bukvom u njihovim kontaktnim zonama, kao što su Bugarska i Grčka, ali i na umjetno zasađenim nalazištima orijentalne bukve na zapadu Europe.
Više o navedenoj temi:
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).
Zašto nadopunjujemo rezultate opažanja testova s podacima iz područja genomike?
Različite provenijencije, ili populacije, diljem areala određene vrste imaju zajedničku povijest: sve su potomci jedne populacije predaka koja je obitavala u prošlosti. Tijekom procesa kolonizacije njihovih sadašnjih staništa, populacije su se počele razlikovati jedna od druge, što se može iščitati u njihovim genomima. Neke od ovih razlika među populacijama su neutralne (ili slučajne) zbog činjenice da se u svakoj generaciji razmnožava samo konačan broj jedinki, dok su druge razlike rezultat prirodne selekcije. Projektom MyGardenOfTrees prikupljaju se genomski podaci kako bi se razdvojila ova dva procesa, koji će biti potrebni za tumačenje opažanja iz mikro-vrta.
Pročitajte više (namijenjeno znanstvenicima)
Područje genomike
Projekt MyGardenOfTrees će generirati homogene podatke iz područja genomike za dvije ispitivane vrste. Obična bukva ima umjerenu veličinu genoma od 542 Mb, a kvaliteta sklopa je visoka. Obična jela ima giga-genom od 18,16 Gb i, sukladno tome, kvaliteta sklopa je niska. Uzevši u obzir te razlike, za navedene dvije vrste koristit će se različiti pristupi. Za običnu bukvu izvršit ćemo sekvencioniranje cijelog genoma selekcije matičnih stabala. Za običnu jelu, biti će sekvencioniran puni transkriptom 10 bio-geografski reprezentativnih jedinki, nakon čega će slijediti kreiranje sondi za hvatanje od 80K i testiranje na bio-geografski reprezentativnoj podskupini od 100-150 jedinki po skupinama vrsta. Zatim će biti odabrano približno 40.000 ciljanih regija koje sadrže SNP-ove u cijelom rasponu za genotipizaciju selekcije matičnih stabala.
Više informacija:
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)
Zapažanja iz stotina mikro-vrtova diljem Europe kombinirat će se zajedno s podacima iz područja genomike kako bi se izvukli opći zaključci o prilagođenosti provenijencija na klimatske promjene. Projekt MyGardenOfTrees kreirati će i alat za predviđanje, u obliku web aplikacije za šumarske stručnjake kako bi im pomogla odabrati najbolje sjeme za sjetvu u njihovom lokalnom okruženju. Za tim projekta MyGardenOfTrees ključno je da projektom pružimo korist svim sudionicima.
Pročitajte više (namijenjeno znanstvenicima)
Integriranje genetsko–okolišnih interakcija u alat za predviđanje
Podaci o sadnicama s gotovo potpunim faktorskim dizajnom dobiveni s testnih ploha projekta MyGardenOfTrees koristit će se u modelu predviđanju genoma (PG) koji istražuje genetsku sličnost između populacija i sličnost uvjeta okoliša lokacija mikro-vrtova. Novi alat može se koristiti za predviđanje performansi populacija u netestiranom okolišu te za predviđanje performansi novih (ali genotipiziranih) populacija koje nisu testirane ni u jednom okolišu. Novi alat će prevladati dva glavna ograničenja postojećih modela. Prvo, postojeći okviri predviđanja za procjenu rizika povezanih s klimatskim promjenama za šumsko drveće temelje se na klimatskim podacima i stoga pretpostavljaju lokalnu prilagodbu (modeli distribucije vrsta ili funkcije prijenosa klime). Uloga nepredviđenih situacija često se zanemaruje, iako se uobičajeno uočava da različiti sojevi imaju različite fenotipove, na primjer obrasce rasta. Drugo, postojeći modeli temelje se na proizvodnim svojstvima i zanemaruju rana svojstva. Stoga će novi alat biti prikladan za donošenja odluka o tome treba li razmotriti potpomognutu migraciju ili će prirodno pomlađivanje biti dovoljno, a pomoći će u donošenju odluka o obnovi šuma izravnom sjetvom. U budućnosti izravna sjetva mogla bi dobiti sve više na važnosti, s obzirom na sve manju provedbu prirodne obnove šuma. Izravna sjetva također može biti učinkovit alat za ublažavanje rizika povezanih s ekstremnim procesima poput pretvaranja čistih sastojina u mješovite, čime se povećava njihova raznolikost i otpornost.
Više informacija:
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
