Podstawy naukowe MyGardenOfTrees

Why do we need a novel species-range-wide transplant approach?

How organisms adapt to their environments is the most fundamental question in evolutionary biology and is of utmost importance given climate change threats. Identifying key traits involved in adaptations and understanding how they interact with each other, and with the environment, is a particularly urgent task for foundation and resource-production species, such as forest trees. Existing experiments assessing local adaptation lack scalability and predictability in natural environments, especially at species range margins. Landscape genomics studies could reveal adaptive loci across environmental gradients, but they are hindered by the assumptions of a neutral model and the highly polygenic nature of most traits. To address these shortcomings, MyGardenOfTrees will be the first species-range-wide transplant experiment using participatory science and genomics to: (i) reveal major patterns and drivers of adaptation and (ii) build a predictive model for selecting optimal seed sources for a given location that accounts for gene–environment interactions and demography. The participatory network of foresters is establishing a large number (approximately 500 across three years) of small provenance trials, called micro-gardens. To evaluate plant performance in novel climate conditions, garden locations will also cover locations beyond the species’ current distribution range, especially towards higher elevations and latitudes. Participants accept an engagement for 5 years; this project thus will principally focus on monitoring and analysing early survival and growth traits, which are under the highest selection pressure in trees. Nevertheless, participants will be encouraged to keep and follow their trees beyond the time frame of this project.

Czy nauka uczestnicząca może zapewnić wystarczająco wiarygodne obserwacje?

Kluczem do sukcesu nauki partycypacyjnej jest znalezienie odpowiedniego połączenia między docelową grupą partycypacyjną a celem. Podobne podejście w ramach nauk partycypacyjnych zostało już z powodzeniem zastosowane w rolnictwie, gdzie testowano odporność różnych odmian roślin uprawnych i warzyw na zmiany klimatu. Rolnicy zostali poproszeni o przeprowadzenie badań poprzez założenie próbnych upraw w celu wyhodowania odmian dostosowanych do scenariuszy zmian klimatycznych, pozwoliło to wykorzystać wiedzę i motywację konkretnej grupy docelowej. Drzewa leśne mają te same cechy co rośliny uprawne i inne dzikie gatunki roślin, co czyni je idealnymi organizmami do badań w ramach ewolucyjnego projektu nauki uczestniczącej. Choć wiele lasów jest zagospodarowanych lub zasadzonych, większość populacji drzew leśnych można uznać za naturalne z ewolucyjnego i ekologicznego punktu widzenia. W całej Europie pracuje wielu doświadczonych leśników, którzy troszczą się o przyszłość naszych lasów i prawdopodobnie są zmotywowani do udziału w projekcie eksperymentalnym.

Innym aspektem efektywnej nauki uczestniczącej jest standardowe zbieranie danych. Dzięki formularzom stworzonym przez nasz zespół naukowców i przyjaznej dla użytkownika aplikacji (ODK Collect [Android] / Enketo [wszystkie platformy]) wszystkie dane mają ten sam format i są przechowywane w bazach danych gotowych do wykorzystania.

Więcej informacji:

• 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.

Dane genomowe

Program MyGardenOfTrees wygeneruje jednorodne dane genomowe dla dwóch badanych gatunków. Buk europejski ma genom o umiarkowanej wielkości 542 Mb, a jakość asemblacji jest wysoka. Jodła pospolita ma giga-genom o rozmiarze 18,16 Gb, a zatem jakość asemblacji jest niska. Biorąc pod uwagę te różnice, dla obu gatunków zastosowane zostaną różne metody. W przypadku buka europejskiego przeprowadzimy sekwencjonowanie całego genomu wybranych drzew matecznych. W przypadku jodły pospolitej przeprowadzimy sekwencjonowanie pełnego transkryptomu 10 osobników reprezentatywnych pod względem biogeograficznym, a następnie zaprojektujemy 80 tys. sond wychwytujących i przetestujemy je na reprezentatywnym pod względem biogeograficznym podzbiorze 100-150 osobników z każdej grupy gatunków. Następnie do genotypowania wybranych drzew matecznych zostanie wybranych około 40 tys. regionów docelowych zawierających SNP w całym zakresie.

Więcej informacji:

• 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)

Integracja interakcji gen-środowisko w narzędziu predykcyjnym

Dane uzyskane dzięki temu innowacyjnemu podejściu z niemal pełnym planem czynnikowym z prób MyGardenOfTrees, zostaną wykorzystane w modelu predykcji genomowej (GP), który wykorzystuje podobieństwo genetyczne między populacjami i podobieństwo środowiskowe między lokalizacjami ogrodów. Nowe narzędzie będzie można wykorzystać do przewidywania wydajności populacji w niesprawdzonych, w tym przyszłych środowiskach oraz do przewidywania wydajności nowych (ale genotypowanych) populacji, które nie były testowane w żadnym środowisku. Nowe narzędzie pozwoli przezwyciężyć dwa główne ograniczenia istniejących modeli. Po pierwsze, istniejące ramy prognostyczne do oceny ryzyka związanego ze zmianami klimatu dla drzew leśnych opierają się na danych klimatycznych, a więc zakładają lokalną adaptację (modele rozmieszczenia gatunków lub funkcje transferu klimatu). Rola uwarunkowań historycznych jest często ignorowana, mimo że powszechnie obserwuje się, iż różne linie mają różne fenotypy, na przykład wzorce wzrostu. Po drugie, istniejące modele są oparte na cechach produkcyjnych i ignorują cechy wczesne. Dlatego też nowe narzędzie będzie odpowiednie do podejmowania decyzji, czy należy rozważyć wspomaganą migrację, czy też wystarczy odnowienie naturalne, a także pomoże w podejmowaniu decyzji o odnowieniu lasu z wykorzystaniem siewu bezpośredniego. Siew bezpośredni może zyskać na znaczeniu w przyszłości, zważywszy na coraz mniejszą ilość odnowień naturalnych. Siew bezpośredni może być również skutecznym narzędziem łagodzenia ryzyka związanego z ekstremalnymi zjawiskami poprzez przekształcanie litych drzewostanów w mieszane, zwiększając w ten sposób ich różnorodność i odporność.

Więcej informacji:

• 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.