ZAHÁJENO: Výzva k zapojení se do pokusů v termínu 2023-2028!

Vědecké pozadí projektu MyGardenOfTrees

MyGardenOfTrees je velkoplošný pokus, který se zakládá na dobrovolné účasti. Kombinace pozorování v rámci tohoto experimentu a genotypových dat jsou použity k vytvoření evropského prediktivního nástroje pro účely lesníků.

Princip projektu. Rationale

Lesníci prováděli pokusy původu (viz. Slovník) již po staletí. Cílem těchto pokusů bylo ověření a porovnání růstového výkonu jednotlivých druhů různého původu v daných lokalitách. Výsledky těchto pokusů používali lesníci při rozhodování o výsadbě a znovu zalesňování. Nicméně druhy a jejich původ jsou v těchto pokusech pozorované pouze v ideálních podmínkách, které jsou nepřenositelné do reálného lesa. A navíc jsou pokusy prováděny na semenech vypěstovaných ve školkách a proto nemůžou lesníkům poskytnout informace o přirozené regeneraci.

MyGardenOfTrees se snaží vyřešit tyto nedostatky realizací stovek malých pokusů na stovkách tzv. mikro-zahrad (viz Slovník pojmů). Hlavní výhodou tohoto přístupu je, že lze otestovat mnoho kombinací druhů různého původu (genetického původu) a podmínek na různých stanovištích (prostředí). Protože se vyhodnocuje výkon různých druhů různých původů v mnoha různých prostředích, lze výsledky generalizovat v měřítku velkého území.

Semena jednotlivých druhů budou vybrána z různých míst původu (zdroj semen) a poté rozeslané na stovky malých testovacích lokalit. Tento graf je pouze ilustrační nákres pro buky (Fagus spp) a nezobrazuje skutečné zdroje semen a testovacích lokalit.

Čtěte víc (pro vědeckou obec)

Proč potřebujeme nový přístup k transplantaci v širokém rozsahu druhů?

Jakým způsobem se organizmy přizpůsobují svému prostředí je základní otázka evoluční biologie a má nejvyšší důležitost když se díváme na hrozby klimatických změn. Identifikace klíčových rysů adaptace a pochopení jak interagují mezi sebou je obzvlášť urgentním úkolem pro zakládání a vytváření zdrojových druhů, jako například lesních stromů. Existující experimenty, které hodnotí lokální přizpůsobivost postrádají škálovatelnost a možnost předpovídání v přirozených prostředích zejména v druhovém rozpětí. Studie krajinné genomiky by mohly odhalit adaptivní místo napříč gradienty týkajících se prostředí, ale brání jim v tom předpoklady neutrálního modelu a vysoce polygenní podstata většiny rysů. Aby bylo možné překonat tyto nedostatky bude MyGradenOfTrees prvním pokusem transplantace široké druhové škály, který využije genomiku a vědu založenou na zapojení mnoha účastníků aby: (i) objevil hlavní vzorce a ovladače přizpůsobení se a (ii) vytvoření prediktivního modelu, aby bylo možné vybrat optimální skladbu zdrojů semen pro danou oblast, (model) který vysvětluje interakce na základě genetiky, prostředí a demografie. Síť účastníků hlavně z řad lesníků zakládá velké množství malých pozorovacích lokalit, kterým říkáme mikro-zahrady. K vyhodnocení výkonu sazenic v nových klimatických podmínkách budou lokality pokusných mikro-zahrad i mimo současná místa výskytu jednotlivých druhů, zejména ve vyšších nadmořských výškách. Účastníci počítají se zapojením na 5 let, takže se tento projekt zaměřuje na monitorování období raného (prvotního) přežití a růstu, období největšího tlaku na stromy z pohledu selekce. Nicméně účastníci budou povzbuzováni, aby si stromy ponechali a pozorovali je i nad rámec tohoto projektu.

Jak vypadá mikro-zahrada?

Mikro-zahrady jsou/budou zakládané ze semen přímo v lese, jedná se o tzv. přímé osázení. (viz Slovník). Každá mikro-zahrada obsahuje 100 tzv. "osévacích bodů", kdy každý z nich obsahuje 10 semen z pečlivě vybraných původních stanovišť na základě Each micro-garden contains 100 so-called "seeding spots" that contain 10 seeds from a carefully selected provenance based on a factorial experimental design. Semena jsou chráněná účelově navrženým ochranným košíkem, aby se předešlo jejich znehodnocení hlodavci, tudíž o ochraně pokusů a také aby se předešlo kontaminaci lesa kde pokusy probíhají cizími semeny.

Mikro zahrada ve Francii.

Proč věda založená na účasti všech?

Zvládnout spravování sítě stovek mikro-zahrad je mimo kapacitu každého vědeckého týmu. MyGardenOfTrees zvolilo přístup pokusů na základě zapojení všech, aby překonalo tuto překážku a zároveň dalo lesníkům možnost sledovat klíčení, přežití a růst různých provenancí (různých druhů různého původu) a také možnost zapojit se do bezprecedentního výzkumu, který má za cíl najít vhodné vzorky pro znovu zalesnění míst, které jsou ohrožené klimatickými změnami. Sběr dat od účastníků výzkumu se provádí použitím formulářů, které jsou zdarma implementované použitím nástrojem ODK Collect/Enketo, které máme napojené na naše databáze.

Přečtěte si víc (pro vědeckou obec)

Může vědecké zkoumání založené na principu zapojení dobrovolných účastníků (participativní věda) přinést dostatečně precizní pozorování?

Klíčem k úspěšné participativní vědě je nalezení správné shody mezi cílovou participativní skupinou a cílem. Podobný participativní vědecký přístup byl již úspěšně použit v zemědělství, kde farmáři testovali klimatickou odolnost odrůd plodin a zeleniny. Zemědělci byli požádáni, aby provedli zkušební testy plodin určených ke šlechtění pro scénáře změny klimatu, a využili tak znalosti a motivaci konkrétní cílové skupiny. Lesní stromy sdílejí vlastnosti plodin a divokých druhů, což z nich dělá ideální studijní organismy pro evoluční participativní vědecký projekt. Zatímco mnoho lesů je obhospodařováno nebo vysazováno, většinu populací lesních stromů lze z evolučního a ekologického hlediska považovat za přirozené. V celé Evropě pracuje mnoho zkušených lesníků, kteří se obávají o budoucnost našich lesů a pravděpodobně jsou motivováni k účasti na experimentálním projektu.

Dalším aspektem úspěšné participativní vědy je standardizovaný sběr dat. Díky dotazníkům vytvořeným naším týmem vědců a dostupným v uživatelsky přívětivé aplikaci (ODK Collect [Android] / Enketo [všechny platformy]) mají všechna data stejný formát a jsou uložena v databázích připravených k použití.

Další čtení:

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.

Proč zrovna tyto druhy?

MyGardenOfTrees studuje několik druhů jedle bělokoré (Abies alba Mill.) a buku lesního (Fagus sylvatica L.). Oba tyto druhy jsou v Evropě doma a hrajou klíčovou roly z hlediska ekologie i ekonomiky tamních lesních ekosystému. MyGardenOfTrees také zkoumá Středomořské a Orientální sesterské druhy, jako například Buk východní (Fagus sylvatica subsp. orientalis (Lipsky) Greuter & Burdet) a Jedle kavkazská (Abies nordmanniana). Pokud se jejich výkon ukáže být kvalitnějším, lesníci můžou zvážit zařazení těchto druhů do strategie zalesňování - též nazývané asistovaná migrace (viz SLOVNÍK).

Územní rozložení druhů jedle a buku v Evropě a na Blízkém Východě.

Přečtěte si víc (pro vědeckou obec)

Proč MyGardenOfTrees zkoumá právě tyto dva druhy?

Jak jedle tak i buk získali v poslední době víc pozornosti v kontextu klimatických změn protože jsou tolerantnější na sucho, než dominantní lesní druhy jako Smrk ztepilý (Picea abies). Nicméně oba druhy mají několik středomořských a orientálních sester a jejich poddruhů, které obsahují větší genetickou diverzitu, než naše evropské druhy. Genetická rozmanitost je základem pro přizpůsobivost a pružnost, takže zahrnutí těchto druhů do našeho pozorování přinese vzácné poznatky pro evropské programy asistované migrace. Především budeme zkoumat Buk východní (Fagus sylvatica subsp. orientalis (Lipsky) Greuter & Burdet), který se běžně kříží s Bukem lesním v jejich mnioha kontaktních zónách v Bulharsku a Řecku, ale také ve výsadbových zemích západní evropy. Viz víc.

Další čtení:

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).

Přečtěte si víc (pro vědeckou obec)

Genotypová data

MyGardenOfTrees vygeneruje stejnorodá (homogenní) genomická data pro dva druhy, které jsou předmětem zkoumání. Buk lesní má nevelký objem 542 Mb a kvalita (assembly) vzorků je vysoká. Jedle bělokorá má gigy-genom velikosti 18,16 Gb, a adekvátně tomu je kvalita složení nízká. S přihlédnutím k těmto rozdílům bude rozdílný i přístup k jednotlivým druhům. U Buku lesního provedeme kompletní genotypové sekvenční zpracování výběru mateřských stromů. U Jedle bělokoré bude zařazen pln přepis 10ti bio-geograficky reprezentativních jednotlivců a poté bude následovat 80 tisíc záchytných pokusů a testování na bio-geografickém podvzorku 100-150 kusů od každé druhové skupiny. Poté bude vybráno, přibližně 40 tisíc cílových oblastí, které obsahují SNP široký rozsah pro genotypizaci výběru mateřských stromů.

Další 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)

Proč doplňujeme pozorování z pokusů o genotypová data?

Semena různého původu, nebo populace, v rámci druhů sdílejí společnou historii: jsou všechny potomky původních populací, které žili v nějakou dobu v minulosti. Počas kolonizace jejich současných stanovišť se jednotlivé populace od sebe odlišily, což zanechalo v jejich genetických informacích svoji stopu. Některé rozdíly mezi populacemi jsou neutrální (nebo nahodilé) s ohledem na to, že pouze určitý počet jedinců v každé generaci se reprodukoval, zatímco ostatní rozdíly jsou výsledkem přirozeného výběru. MyGardenOfTrees sbírá genetická data za účelem oddělení těchto dvou procesů, protože je nutné aby byla interpretována u pozorování v mikro-zahradách.

Nástroj pro předpovídání vytvořený naším vědeckým týmem pro lesníky.

Pozorování ze stovek zahrad po celé Evropě budou zkombinovány a spolu s genetickými informacemi použity k vytvoření obecných závěrů ohledně klimatické přizpůsobivosti jednotlivých druhů. MyGardenOfTrees také vytvoří prediktivní nástroj, ve formátu webové aplikace, pro pomoc lesníkům při výběru semen k osázení jejich lokalit. Pro tým MyGardenOfTrees je důležité poskytnout účastníkům ucelené výhody projektu.

Přečtěte si víc /(pro vědeckou obec)

Integrace interakcí geno-prostředí do predikčního nástroje

Bezprecedentní transplantační data s téměř úplným faktoriálním designem získaná ze zkoušek MyGardenOfTrees budou použita v modelu genomické predikce (GP), který využívá genetickou podobnost mezi populacemi a environmentální podobnost mezi lokalitami zahrad. Nový nástroj lze použít k predikci výkonnosti populací v netestovaných, včetně budoucích, prostředí a k predikci výkonnosti nových (ale genotypovaných) populací, které nebyly testovány v žádném prostředí. Nový nástroj překoná dvě hlavní omezení stávajících modelů. Za prvé, existující předpovědní rámce/systémy pro hodnocení rizik souvisejících se změnou klimatu pro lesní stromy jsou založeny na klimatických datech, a tedy předpokládají místní adaptaci (modely distribuce druhů nebo funkce přenosu klimatu). Role historické nahodilosti je často ignorována, i když bylo běžně pozorováno, že různé linie mají různé fenotypy, například vzorce růstu. Za druhé, stávající modely jsou založeny na produkčních vlastnostech a ignorují rané vlastnosti. Nový nástroj tak bude vhodný pro rozhodování, zda je třeba zvážit asistovanou migraci nebo zda bude dostatečná přirozená obnova, a pomůže při rozhodování o obnově lesa pomocí přímého setí. Přímý výsev by mohl v budoucnu získat na významu vzhledem k rostoucímu nedostatku přirozené obnovy. Přímý výsev může být také účinným nástrojem pro zmírnění rizik souvisejících s extrémními jevy přeměnou čistých porostů na smíšené porosty, čímž se zvýší jejich diverzita a odolnost.

Další 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.

Financování

Report abuse