Οι εγγραφές για τις δοκιμές 2023-2028 είναι σε εξέλιξη!

Η επιστημονική προσέγγιση πίσω από το MyGardenOfTrees

Το MyGardenOfTrees περιλαμβάνει ένα πείραμα μεταφύτευσης ευρείας κλίμακας, με τη χρήση της συμμετοχικής επιστήμης. Οι παρατηρήσεις από αυτό το πείραμα συνδυάζονται με γονιδιωματικά δεδομένα, με στόχο τη δημιουργία ενός εργαλείου πρόβλεψης για τους δασολόγους σε όλη την Ευρώπη.

Αιτιολογική βάση

Οι δασολόγοι διεξάγουν δοκιμές προελεύεσεων (βλ. Γλωσσάρι) εδώ και αιώνες. Στόχος αυτών των δοκιμών ήταν να εξεταστούν και να συγκριθούν οι αυξητικές επιδόσεις των ειδών και των προελεύεσεων, σε μια δεδομένη τοποθεσία. Οι δασολόγοι χρησιμοποίησαν τα ευρήματα αυτών των δοκιμών, για να κατευθύνουν τις επιλογές τους στις φυτεύσεις και τις αναδασώσεις. Στις δοκιμές αυτές, ωστόσο, τα είδη και οι προελεύσεις αξιολογούνται μόνο υπό τις συγκεκριμένες (συχνά ιδανικές) συνθήκες της πειραματικής περιοχής και δεν μπορούν να μεταφερθούν σε πραγματικές δασικές συνθήκες. Επιπλέον, οι δοκιμές προέλευσης διεξάγονται με δενδρύλλια που καλλιεργούνται σε φυτώριο και, επομένως, δεν μπορούν να κατατοπίσουν τους δασολόγους σχετικά με τη φυσική αναγέννηση.

Το MyGardenOfTrees επιχειρεί να δώσει λύση σε αυτές τις ελλείψεις, δημιουργώντας ένα δίκτυο εκατοντάδων μικρών δοκιμών προέλευσης, που ονομάζονται μικρο-κήποι (βλ. Γλωσσάρι). Το κύριο πλεονέκτημα αυτής της προσέγγισης είναι ότι, μπορούν να δοκιμαστούν πολλοί συνδυασμοί προελεύσεων (γενετικές προελεύσεις) και τοπικών συνθηκών (περιβάλλοντα). Δεδομένου ότι η απόδοση των διαφόρων προελεύσεων αξιολογείται σε ένα ευρύ φάσμα περιβαλλόντων, τα ευρήματα μπορούν να γενικευτούν σε μεγάλες χωρικές κλίμακες.

Ο σχεδιασμός της "κατανεμημένης δοκιμής προέλευσης" του MyGardenOfTrees. Οι σπόροι θα συλλεχθούν από διάφορες τοποθεσίες, σε όλες τις περιοχές εξάπλωσης των ειδών (πηγές σπόρων) και θα διανεμηθούν σε εκατοντάδες μικρές δοκιμαστικές τοποθεσίες. Επισημαίνεται ότι, αυτό το σχήμα είναι μια σχηματική απεικόνιση για τα είδη οξιάς (Fagus spp.) και όχι η πραγματική θέση των πηγών σπόρων και των περιοχών δοκιμής.

Διαβάστε περισσότερα (για επιστημονικό κοινό)

Γιατί χρειαζόμαστε μια νέα προσέγγιση μεταφύτευσης στο συνολικό εύρος των ειδών;

Ο τρόπος με τον οποίο οι οργανισμοί προσαρμόζονται στο περιβάλλον τους είναι το πιο θεμελιώδες ερώτημα στην εξελικτική βιολογία και έχει ύψιστη σημασία, δεδομένων των απειλών της κλιματικής αλλαγής. Ο προσδιορισμός των βασικότερων γνωρισμάτων που εμπλέκονται στις προσαρμογές και η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο αλληλεπιδρούν μεταξύ τους και με το περιβάλλον, αποτελεί ιδιαίτερα επείγον καθήκον, για τα είδη που αποτελούν τη βάση και την παραγωγή πόρων, όπως τα δασικά δέντρα. Τα υπάρχοντα πειράματα, που αξιολογούν την τοπική προσαρμογή, στερούνται επεκτασιμότητας και προβλεψιμότητας σε φυσικά περιβάλλοντα, ιδίως στα όρια του εύρους εξάπλωσης των ειδών. Οι μελέτες γονιδιωματικής του τοπίου θα μπορούσαν να αποκαλύψουν προσαρμοστικούς τόπους σε όλες τις περιβαλλοντικές κλίσεις, αλλά παρεμποδίζονται από τις υποθέσεις ενός ουδέτερου μοντέλου και την ιδιαίτερα πολυγονιδιακή φύση των περισσότερων χαρακτηριστικών. Για να αντιμετωπιστούν αυτές οι ελλείψεις, το MyGardenOfTrees θα είναι το πρώτο πείραμα μεταφύτευσης, σε όλη την έκταση του είδους, που χρησιμοποιεί τη συμμετοχική επιστήμη και τη γονιδιωματική για: (i) να αποκαλύψει σημαντικά μοτίβα και παράγοντες προσαρμογής και (ii) να δημιουργήσει ένα προγνωστικό μοντέλο, για την επιλογή των βέλτιστων πηγών σπόρων, για μια δεδομένη τοποθεσία, το οποίο λαμβάνει υπόψη τις αλληλεπιδράσεις γονιδίων-περιβάλλοντος και τη δημογραφία. Το συμμετοχικό δίκτυο δασολόγων δημιουργεί μεγάλο αριθμό (περίπου 500 σε τρία χρόνια) μικρών δοκιμών προέλευσης, που ονομάζονται μικρο-κήποι. Για να αξιολογηθεί η απόδοση των φυτών σε πρωτόγνωρες κλιματικές συνθήκες, οι τοποθεσίες των κήπων θα καλύπτουν επίσης τοποθεσίες πέραν της τρέχουσας περιοχής εξάπλωσης των ειδών, ιδίως προς μεγαλύτερα υψόμετρα και γεωγραφικά πλάτη. Οι συμμετέχοντες αποδέχονται μια δέσμευση για 5 έτη -επομένως, το έργο αυτό θα επικεντρωθεί, κυρίως στην παρακολούθηση και ανάλυση των πρώιμων χαρακτηριστικών επιβίωσης και ανάπτυξης, τα οποία υφίστανται την υψηλότερη πίεση επιλογής στα δέντρα. Ωστόσο, οι συμμετέχοντες θα ενθαρρυνθούν να διατηρήσουν και να παρακολουθήσουν τα δέντρα τους πέραν του χρονικού πλαισίου αυτού του έργου.

Πώς μοιάζει ένας μικρο-κήπος;

Οι μικρο-κήποι θα δημιουργηθούν από σπόρους, απευθείας στο δάσος, μια προσέγγιση που ονομάζεται άμεση σπορά (see Γλωσσάρι). Κάθε μικρο-κήπος περιέχει 100 επονομαζόμενα "σημεία σποράς", που περιέχουν 10 σπόρους από μια προσεκτικά επιλεγμένη προέλευση, βάσει ενός παραγοντικού πειραματικού σχεδίου. Οι σπόροι προστατεύονται με ειδικά σχεδιασμένα προστατευτικά σπόρων, προκειμένου να αποφευχθεί η αρπαγή των σπόρων, προστατεύοντας, έτσι, τις δοκιμές μας, και για να αποφευχθεί η επιμόλυνση του δάσους όπου εγκαθίστανται οι δοκιμές με ξενικούς σπόρους.

Ένας μικροκήπος στη Γαλλία.

Διαβάστε περισσότερα (για επιστημονικό κοινό)

Σχηματική απεικόνιση ενός μικρο-κήπου

Γιατί συμμετοχική επιστήμη;

Η διαχείριση ενός δικτύου εκατοντάδων μικρο-κηπίων ξεπερνά τις δυνατότητες οποιασδήποτε επιστημονικής ομάδας. Το MyGardenOfTrees χρησιμοποιεί μια συμμετοχική επιστημονική προσέγγιση, ώστε να ξεπεράσει αυτή τη δυσκολία, ενώ παράλληλα, δίνει στους δασολόγους την ευκαιρία να παρατηρήσουν τη φύτρωση, την επιβίωση και την ανάπτυξη διαφόρων προελεύσεων και να συμμετάσχουν σε μια πρωτοφανή ερευνητική προσπάθεια, για την ανεύρεση κατάλληλων προελεύσεων προς αναδάσωσημ σε θέσεις που είναι ευάλωτες στην κλιματική αλλαγή. Τα δεδομένα συλλέγονται από τους συμμετέχοντες με τη χρήση εντύπων, που υλοποιούνται με το δωρεάν εργαλείο ODK Collect/Enketo, και τα οποία συνδέονται με τις βάσεις δεδομένων μας.

Διαβάστε περισσότερα (για επιστημονικό κοινό)

Μπορεί η συμμετοχική επιστήμη να παρέχει επαρκώς ενδελεχείς παρατηρήσεις;

Το κλειδί για μια επιτυχημένη συμμετοχική επιστήμη είναι η εύρεση της σωστής αντιστοιχίας μεταξύ της συμμετοχικής ομάδας-στόχου και του επιδιωκόμενου σκοπού. Μια παρόμοια προσέγγιση της συμμετοχικής επιστήμης έχει ήδη χρησιμοποιηθεί με επιτυχία στη γεωργία, όπου οι αγρότες έχουν δοκιμάσει την ανθεκτικότητα ποικιλιών καλλιεργειών και λαχανικών στις κλιματικές συνθήκες. Ζητήθηκε από τους αγρότες να εκτελέσουν δοκιμαστικές δοκιμές καλλιεργειών, για την αναπαραγωγή, σε σενάρια κλιματικής αλλαγής, αξιοποιώντας έτσι τις γνώσεις και τα κίνητρα μιας συγκεκριμένης ομάδας-στόχου. Τα δασικά δέντρα μοιράζονται χαρακτηριστικά καλλιεργειών και άγριων ειδών, γεγονός που τα καθιστά ιδανικούς οργανισμούς μελέτης για ένα εξελικτικό συμμετοχικό επιστημονικό έργο. Μολονότι πολλά δάση διαχειρίζονται ή φυτεύονται, οι περισσότεροι πληθυσμοί δασικών δέντρων μπορούν να θεωρηθούν φυσικοί από εξελικτική και οικολογική άποψη. Υπάρχουν πολυάριθμοι καταρτισμένοι δασολόγοι, που εργάζονται σε όλη την Ευρώπη και οι οποίοι ανησυχούν για το μέλλον των δασών μας και πιθανώς έχουν κίνητρο να συμμετάσχουν σε ένα πειραματικό πρόγραμμα.

Μια άλλη πτυχή της επιτυχημένης συμμετοχικής επιστήμης είναι η τυπική συλλογή δεδομένων. Χάρη στις φόρμες έρευνας που δημιουργήθηκαν από την ομάδα επιστημόνων μας και είναι διαθέσιμες σε μια φιλική προς το χρήστη εφαρμογή (ODK Collect [Android] / Enketo [όλες οι πλατφόρμες]), όλα τα δεδομένα έχουν την ίδια μορφή και αποθηκεύονται σε βάσεις δεδομένων έτοιμες προς χρήση.

Πρόσθετη βιβλιογραφία:

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.

Γιατί αυτά τα είδη;

Το MyGardenOfTrees μελετά διάφορες προελεύσεις ελάτης (Abies alba Mill.) και ευρωπαΪκής οξιάς (Fagus sylvatica L.). Και τα δύο είδη είναι ενδημικά στην Ευρώπη και έχουν οικολογική και οικονομική αξία-κλειδί, για τα ευρωπαϊκά δασικά οικοσυστήματα. Το MyGardenOfTrees ερευνά επίσης μεσογειακά και ανατολίτικα αδελφά είδη, όπως η οξιά της Ανατολής (Fagus sylvatica subsp. orientalis (Lipsky) Greuter & Burdet) και η καυκάσια ελάτη (Abies nordmanniana). Εάν διαπιστωθεί ότι οι επιδόσεις τους είναι ανώτερες, οι δασολόγοι μπορούν να εξετάσουν το ενδεχόμενο εισαγωγής αυτών των ειδών, στο πλαίσιο μιας στρατηγικής διαχείρισης , ονόματι υποβοηθούμενη μετανάστευση (βλ. Γλωσσάρι).

Η περιοχή εξάπλωσης των ειδών ελάτης και οξιάς στην Ευρώπη και τη Μέση Ανατολή.

Διαβάστε περισσότερα (για επιστημονικό κοινό)

Γιατί το MyGardenOfTrees μελετά αυτά τα δύο είδη;

Τόσο η ελάτη όσο και η οξιά έχουν προσελκύσει πρόσφατα το ενδιαφέρον στο πλαίσιο της κλιματικής αλλαγής, καθώς είναι περισσότερο ανθεκτικά στην ξηρασία από άλλα κυρίαρχα δασικά είδη δέντρων, όπως η ερυθρελάτη (Picea abies). Ωστόσο, και τα δύο είδη έχουν πολλά μεσογειακά και ανατολικά αδελφά είδη και υποείδη, τα οποία διαθέτουν μεγαλύτερη γενετική ποικιλομορφία από τα ευρωπαϊκά μας είδη. Η γενετική ποικιλομορφία είναι η βάση της προσαρμογής και της ανθεκτικότητας, οπότε η συμπερίληψη αυτών των αδελφών ειδών στις δοκιμές μας θα προσφέρει πολύτιμες γνώσεις για το σχεδιασμό προγραμμάτων υποβοηθούμενης μετανάστευσης στην Ευρώπη. Ειδικότερα, θα μελετήσουμε την ανατολική οξιά (Fagus sylvatica subsp. orientalis (Lipsky) Greuter & Burdet), η οποία συνήθως υβριδοποιείται με την ευρωπαϊκή οξιά στις πολλαπλές ζώνες επαφής τους, όπως στη Βουλγαρία και την Ελλάδα, αλλά και σε φυτεμένες θέσεις ανατολικής οξιάς σε χώρες της δυτικής Ευρώπης.

Πρόσθετη βιβλιογραφία:

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).

Γιατί συμπληρώνουμε τις φαινοτυπικές παρατηρήσεις με γονιδιωματικά δεδομένα;

Οι διαφορετικές προελεύσεις ή πληθυσμοί, σε όλη την έκταση του είδους, μοιράζονται μια κοινή ιστορία: είναι όλοι απόγονοι ενός προγονικού πληθυσμού που έζησε κάποια στιγμή στο παρελθόν. Κατά τη διαδικασία εποικισμού των σημερινών ενδιαιτημάτων τους, οι πληθυσμοί διαφοροποιήθηκαν μεταξύ τους, γεγονός που άφησε μια υπογραφή στο γονιδίωμά τους. Ορισμένες από αυτές τις διαφορές μεταξύ των πληθυσμών είναι ουδέτερες (ή τυχαίες), λόγω του γεγονότος ότι μόνο ένας πεπερασμένος αριθμός ατόμων αναπαράγεται σε κάθε γενιά, ενώ άλλες διαφορές είναι αποτέλεσμα της φυσικής επιλογής. Το MyGardenOfTrees συλλέγει γονιδιωματικά δεδομένα για να διαχωρίσει αυτές τις δύο διαδικασίες, οι οποίες θα είναι απαραίτητες για την ερμηνεία των παρατηρήσεων από τον μικρο-κήπο.

Διαβάστε περισσότερα (για επιστημονικό κοινό)

Γονιδιωματικά δεδομένα

Το MyGardenOfTrees θα δημιουργήσει ομοιογενή γονιδιωματικά δεδομένα για τα δύο υπό μελέτη είδη. Η ευρωπαϊκή οξιά έχει μέτριο μέγεθος γονιδιώματος της τάξεως των 542 Mb και η ποιότητα της συναρμολόγησης είναι υψηλή. Η λευκή ελάτη έχει ένα γιγαντιαίο γονιδίωμα μεγέθους 18,16 Gb και, κατά συνέπεια, η ποιότητα της συναρμολόγησης είναι χαμηλή. Λαμβάνοντας υπόψη αυτές τις διαφορές, θα χρησιμοποιηθούν διαφορετικές προσεγγίσεις για τα δύο είδη. Για την ευρωπαϊκή οξιά, θα εκτελέσουμε αλληλούχιση ολόκληρου του γονιδιώματος μιας επιλογής μητρικών δέντρων. Για την ελάτη, θα ακολουθήσει αλληλούχιση του πλήρους μεταγραφώματος 10 βιο-γεωγραφικά αντιπροσωπευτικών ατόμων, και στη συνέχεια ο σχεδιασμός 80Κ ανιχνευτών σύλληψης και η δοκιμή τους σε ένα βιο-γεωγραφικά αντιπροσωπευτικό υποσύνολο 100-150 ατόμων ανά ομάδα ειδών. Στη συνέχεια, θα επιλεγούν περίπου 40Κ περιοχές-στόχοι που περιέχουν SNPs σε όλο το εύρος της περιοχής για τη γονοτυπική ανάλυση μιας επιλογής μητρικών δέντρων.

Πρόσθετη βιβλιογραφία:

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)

Ένα εργαλείο πρόβλεψης για δασολόγους, σχεδιασμένο από την επιστημονική μας ομάδα

Οι παρατηρήσεις, από εκατοντάδες κήπους σε όλη την Ευρώπη, θα συνδυαστούν μεταξύ τους, αλλά και μαζί με γονιδιωματικά δεδομένα, προς εξαγωγή γενικών συμπερασμάτων, σχετικά με την προσαρμοστικότητα των ποικιλιών στις κλιματικές συνθήκες. Το MyGardenOfTrees θα δημιουργήσει, επίσης, ένα εργαλείο πρόβλεψης, το οποίο θα παρουσιαστεί ως διαδικτυακή εφαρμογή για τους δασολόγους, ώστε να τους βοηθήσει να επιλέξουν τους καλύτερους σπόρους, για σπορά στο τοπικό τους περιβάλλον. Είναι σημαντικό για την ομάδα MyGardenOfTrees να παρέχει στους συμμετέχοντες τα οφέλη του έργου στο σύνολό του.

Διαβάστε περισσότερα (για επιστημονικό κοινό)

Ενσωμάτωση αλληλεπιδράσεων γονιδίου-περιβάλλοντος σε ένα εργαλείο πρόβλεψης

Τα πρωτοφανή δεδομένα μεταφύτευσης με σχεδόν πλήρη παραγοντικό σχεδιασμό, που προέκυψαν από τις δοκιμές του MyGardenOfTrees θα χρησιμοποιηθούν σε ένα μοντέλο γονιδιωματικής πρόβλεψης (GP = genomic prediction), που εκμεταλλεύεται τη γενετική ομοιότητα μεταξύ των πληθυσμών και την περιβαλλοντική ομοιότητα μεταξύ των τοποθεσιών των κήπων. Το νέο εργαλείο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την πρόβλεψη της απόδοσης πληθυσμών σε μη δοκιμασμένα -συμπεριλαμβανομένων μελλοντικών- περιβάλλοντα και για την πρόβλεψη της απόδοσης νέων (αλλά γονοτυπημένων) πληθυσμών που δεν έχουν δοκιμαστεί σε κανένα περιβάλλον. Το νέο εργαλείο θα ξεπεράσει δύο σημαντικούς περιορισμούς των υφιστάμενων μοντέλων. F

Πρώτον, τα υφιστάμενα πλαίσια πρόβλεψης για την αξιολόγηση των κινδύνων που σχετίζονται με την κλιματική αλλαγή για τα δασικά δέντρα βασίζονται σε κλιματικά δεδομένα και, ως εκ τούτου, υποθέτουν τοπική προσαρμογή (μοντέλα κατανομής ειδών ή συναρτήσεις μεταφοράς του κλίματος). Ο ρόλος της ιστορικής συγκυρίας συχνά αγνοείται, παρόλο που έχει παρατηρηθεί συνήθως ότι διαφορετικές γενεαλογικές σειρές έχουν διαφορετικούς φαινότυπους, για παράδειγμα πρότυπα ανάπτυξης.Δεύτερον, τα υπάρχοντα μοντέλα βασίζονται σε χαρακτηριστικά παραγωγής και αγνοούν τα πρώιμα χαρακτηριστικά. Έτσι, το νέο εργαλείο θα είναι κατάλληλο για να αποφασιστεί αν θα πρέπει να εξεταστεί η υποβοηθούμενη μετανάστευση ή αν η φυσική αναγέννηση θα επαρκέσει, και θα βοηθήσει στην καθοδήγηση των αποφάσεων δασικής αποκατάστασης, με τη χρήση άμεσης σποράς. Η άμεση σπορά θα μπορούσε να αποκτήσει σημασία στο μέλλον, δεδομένης της αυξανόμενης έλλειψης φυσικής αναγέννησης. Η άμεση σπορά μπορεί επίσης να αποδειχθεί αποτελεσματικό εργαλείο για τον μετριασμό των κινδύνων που σχετίζονται με ακραία γεγονότα, μετατρέποντας αμιγείς συστάδες σε μικτές συστάδες, αυξάνοντας έτσι την ποικιλομορφία και την ανθεκτικότητά τους.

Πρόσθετη βιβλιογραφία:

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.

Χρηματοδότηση

Report abuse