A 2023-2028 vizsgálati időszak résztvevőinek: a tavaszi monitorozás kezdete április 1!

A MyGardenOfTrees tudományos háttere

A MyGardenOfTrees egy nagy területre kiterjedő, önkéntes részvételen alapuló növénytelepítési kísérlet. A megfigyelésekből származó növekedési adatokat genomikai adatokkal kombinálva egy olyan becsléshez használható eszközt hozunk létre az erdészek számára, ami Európa összes országában alkalmazható.

Összefoglalás

Az erdészek évszázadok óta végeznek származásvizsgálatokat (lásd a Szójegyzéket). A kísérletek során ugyanazon élőhelyen elültetett, különböző eredetű magok növekedését hasonlítják össze. Az erdészek a kísérletek eredményeit az erdőtelepítések megtervezéséhez használják. Azonban ezekben a kísérletekben a fafajokat és azok származási helyeit csak a kísérleti hely sajátos (gyakran ideális) körülményei között vizsgálják és értékelik, ezek nem relevánsak valós erdei körülmények esetén. Ezenkívül a származásvizsgálatokat faiskolában nevelt csemetékkel végzik, ezért az erdészek nem kapnak információt a természetes felújulásról.

A MyGardenOfTrees ezeket a hiányosságokat próbálja pótolni úgy, hogy több száz kisméretű származásvizsgálatból, úgynevezett mikro-kertekből álló hálózatot hoz létre (lásd a Szójegyzéket). Ennek a megközelítésnek az az előnye, hogy az egyes származások (genetikai eredet), illetve a termőhelyi feltételek (környezeti feltételek) sokféle kombinációja tesztelhető. Mivel a különböző származások teljesítményét a különböző környezeti feltétételek alapján értékelik, az eredmények nagy térbeli léptékben általánosíthatók.

A MyGardenOfTrees "származásvizsgálati kísérletének" kialakítási tervezete. A magokat a fajok elterjedési területének több pontjáról (magforrások) gyűjtik be, és több száz kisebb kísérleti helyszínre juttatják el. Megjegyzés: az ábra a bükkfajok (Fagus spp.) sematikus ábrázolása, nem a magforrások és a kísérleti területek konkrét helyét mutatja.

További információk (tudományos érdeklődésű szakemberek számára)

Miért van szükségünk egy új, a fajok elterjedési területére kiterjedő ültetési kísérletre?

Az evolúcióbiológia alapvető kérdése, hogy az élőlények hogyan alkalmazkodnak a környezetükhöz. Ez jelenleg a klímaváltozást tekintve kifejezetten fontos. Különösen sürgető feladat az alapvető fontosságú és erőforrást biztosító fajok, például az erdei fák esetében a sikeres alkalmazkodáshoz szükséges kulcsfontosságú tulajdonságok beazonosítása, valamint annak megértése, hogy ezek milyen kölcsönhatásban állnak egymással és a környezettel. Az adott helyhez történő alkalmazkodást vizsgáló kísérletek figyelmen kívül hagyják a természetes környezetben történő mérés és predikció fontosságát, különösen a fajok elterjedési területének peremén. A genetikai állomány tájegységekre vonatkozó kutatásai révén az adaptív allélokat a környezeti tényezőkre vonatkozóan be lehetne azonosítani, azonban ezt a semleges modell feltételezései és a legtöbb tulajdonság erősen poligénes jellege nem teszi lehetővé. Ezen akadályok kiküszöbölése érdekében egy, az adott faj egész elterjedési területére kiterjedő ültetési kísérletet fogunk végezni a MyGardenOfTrees önkéntes részvételen alapuló közösségi kutatás és a genomika alkalmazásával, hogy (i) feltárjuk az adaptációt befolyásoló főbb mintázatokat és hajtóerőket, illetve (ii) egy olyan becslési módszert hozzunk létre az adott hely optimális magforrásainak kiválasztásához, ami figyelembe veszi a gén-környezet közötti kölcsönhatásokat és a demográfiai változásokat. Egy önkéntes részvételen alapuló közösségi hálózatot alakítunk ki, melyhez erdészek és magánemberek egyaránt csatlakozhatnak, ők fognak kialakítani több (három év alatt körülbelül 500) mikro-kertet. A növények új éghajlati viszonyok közötti növekedésének vizsgálata érdekében a fajok jelenlegi elterjedési területén kívüli helyeken is létesülnek kertek. Különösen fontosnak tartjuk, hogy létesüljenek mikro-kertek a magasabb tengerszint feletti magasságú és északabbra lévő területeken. A résztvevők 5 évre vállalnak kötelezettséget; ez a projekt tehát elsősorban a korai életszakasz túlélési és növekedési tulajdonságainak megfigyelésére és elemzésére összpontosít, amelyek a fák esetében a legnagyobb szelekciós nyomásnak vannak kitéve. Mindazonáltal a résztvevőket arra biztatjuk, hogy a projekt időtartamán túl is tartsák meg a fákat és továbbra is figyeljék őket.

Hogy néz ki egy mikro-kert?

A mikro-kerteket közvetlenül az erdőben kell létrehozni magvetéssel. Ezt a módszert közvetlen vetésnek nevezik (lásd a Szójegyzéket). Minden egyes mikro-kert 100 db "vetési pontból" áll, amelyek mindegyikébe 10 db mag kerül. A magok különböző származási helyekről érkeznek és egy faktoriális, előre megtervezett mintázatban kerülnek elültetésre. A magokat speciálisan kialakított magvédő kupolákkal védjük a rágcsálók kártételétől, továbbá így azt is elkerüljük, hogy az erdőben, ahol a kísérleteket létrehozzuk, idegen magok szóródjanak szét.

Egy franciaországi mikro-kert.

További információk (tudományos érdeklődésű szakemberek számára)

Egy mikro-kert sematikus ábrázolása

Miért önkéntes részvételen alapul a kutatás?

Egy több száz mikro-kertből álló hálózat felügyelete meghaladja bármilyen tudományos csoport kapacitását. Éppen ezért a MyGardenOfTrees önkéntes részvételen alapuló megközelítést alkalmaz. Így lehetőséget biztosít az erdészek számára, hogy megfigyeljék a különböző származási helyekről érkezett magok csírázását, túlélését és növekedését. Továbbá a részvevők csatlakozhatnak egy Európában újszerű kutatási módszerhez, aminek az a célja, hogy az erdészek az éghajlatváltozás által veszélyeztetett területeken létesített erdőtelepítéshez megtalálják, hogy számukra melyik a legmegfelelőbb származási hely. A résztvevők az ODK Collect/Enketo ingyenes informatikai eszközök használatával kitöltött űrlapok segítségével gyűjtik az adatokat, amik az adatbázisainkba továbbítódnak.

További információk (tudományos érdeklődésű szakemberek számára)

Pontos megfigyeléseket kapunk-e az önkéntes részvételen alapuló kutatás során?

Ahhoz, hogy az önkéntes részvételen alapuló kutatás sikeres legyen, fontos az, hogy megtaláljuk a célcsoport és a kitűzött cél között a kapcsolódási pontot. Hasonló, önkéntes részvételen alapuló kutatást már sikeresen végeztek a mezőgazdaság területén, ahol a gazdálkodókat arra kérték, hogy a gabona- és zöldségfajták éghajlatváltozáshoz való alkalmazkodóképességét teszteljék. A gazdálkodók az éghajlatváltozásra vonatkozó forgatókönyv alapján tesztelték az általuk termesztett növényeket, így használták fel a kutatók az adott célcsoport tudását és motivációját. Az erdei fáknak hasonló tulajdonságai vannak, mint a termesztett és vadon élő lágyszárú növényeknek, így ideális vizsgálati alanyai lehetnek egy evolúciós folyamatokkal foglalkozó önkéntes részvételen alapuló közösségi kutatásnak. Habár sok erdő az ember által kezelt, telepített, a legtöbb erdei fafaj populációja evolúciós és ökológiai szempontból egyaránt természetesnek tekinthető. Európa-szerte számos olyan hozzáértő erdész dolgozik, akik számára fontos az erdők jövője, és motivációt éreznek ahhoz, hogy részt vegyenek egy kísérleti projektben.

Az önkéntes részvételen alapuló kutatás másik lényeges eleme a standard adatgyűjtés. A kutatócsoportunk által készített űrlapok és egy felhasználóbarát alkalmazás (ODK Collect [Android] / Enketo [minden platform]) használatának köszönhetően minden adat azonos formátumú, amiket felhasználásra kész adatbázisokban tárolunk.

Ajánlott irodalom:

van Etten, J. et al. 2019. Crop variety management for climate adaptation supported by citizen science. (Termeszett növények változatainak kezelése az éghajlathoz történő alkalmazkodás érdekében magánszemélyek bevonásával) 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.(Adatok gyűjtése termesztett növények jellegeiről önkéntes részvétel segítségével) Scientific Reports 9, 1–8.

Miért pont ezek a fajok?

A MyGardenOfTrees a jegenyefenyő (Abies alba Mill.) és az európai bükk (Fagus sylvatica L.) több származási helyét vizsgálja. Mindkét faj őshonos Európában, ökológiai és gazdasági szempontból kulcsfontosságúak az európai erdei ökoszisztémák szempontjából. A MyGardenOfTrees mediterrán és keleti rokon taxonokat is vizsgál: a keleti bükköt (Fagus sylvatica subsp. orientalis (Lipsky) Greuter & Burdet) és a Nordmann fenyőt (Abies nordmanniana (Steven) Spach). Ha a megfigyelések azt támasztják alá, hogy ezeknek a fajoknak jobb a csírázása és a fejlődése, az erdészek fontolóra vehetik a behozatalukat, mely az úgynevezett támogatott fajvándorlás (lásd a Szójegyzéket).

A fenyő- és bükkfajok elterjedési területe Európában és a Közel-Keleten.

További információk (tudományos érdeklődésű szakemberek számára)

Miért pont ezt a két fajt tanulmányozza a MyGardenOfTrees?

Mind a fenyő, mind a bükk az érdeklődés középpontjába került az éghajlatváltozással összefüggésben, mivel szárazságtűrőbbek, mint más uralkodó erdei fafajok, pl. a lucfenyő (Picea abies). Továbbá, mindkét fajnak számos mediterrán és keleti rokonfaja és alfaja van, amelyek nagyobb genetikai változatossággal rendelkeznek, mint a mi európai fafajaink. A genetikai sokféleség az alkalmazkodó- és az ellenállóképesség alapja, ezért az, hogy a rokonfajokat bevonjuk a kísérleteinkbe, értékes információkat fog nyújtani a támogatott fajvándorlási programok megtervezéséhez Európában. Különös figyelemmel kísérjük a keleti bükköt (Fagus sylvatica subsp. orientalis (Lipsky) Greuter & Burdet), ami gyakran hibridizálódik az európai bükkel a számos helyen átfedő elterjedési területük határainál, pl. Bulgáriában és Görögországban, vagy akár a nyugat-európai országokban ültetett keleti bükkösökben is.

Ajánlott irodalom:

Vitali, V., Büntgen, U. & Bauhus, J. Silver fir and Douglas fir are more tolerant to extreme droughts than Norway spruce in south-western Germany. (A jegenyefenyő és a duglászfenyő jobban tűri a szélsőséges szárazságot, mint a lucfenyő Németország délnyugati részén.) 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. (Öt jelentős európai fafaj szélsőséges szárazsággal és késő tavaszi fagyokkal szembeni ellenállóképessége és alkalmazkodóképessége.) Global Change Biology 25, 3781–3792 (2019).

Miért egészítjük ki a terepi megfigyeléseket genomikai adatokkal?

A különböző származási helyeken, vagyis a faj elterjedési területén élő különböző populációknak közös a történetük: mindannyian egy hajdan élt őspopuláció leszármazottai. A jelenlegi élőhelyeik benépesítésének folyamata során a populációk eltérővé váltak, ami nyomot hagyott a genomjukban is. A populációk közötti különbségek egy része semleges (vagy véletlenszerű), mivel minden generációban csak véges számú egyed szaporodik, illetve a természetes szelekció egyéb különbségeket eredményez. A MyGardenOfTrees a két folyamat szétválasztásához genomikai adatokat gyűjt, ezek szükségesek a mikro-kertekből származó megfigyelések értelmezéséhez.

További információk (tudományos érdeklődésű szakemberek számára)

Genomikai adatok

A MyGardenOfTrees homogén genomikai adatokat hoz létre a két vizsgált fajra vonatkozóan. Az európai bükk közepes, 542 Mb méretű genommal rendelkezik, és komplex az összetétele. A jegenyefenyő nagyméretű, 18,16 Gb-os a genomja, és ennek megfelelően egyszerű az összetétele. Ezeket a különbségeket figyelembe vesszük, és a két faj esetében eltérő megközelítéseket fogunk alkalmazni. Az európai bükk esetében egy kiválasztott anyafa teljes genom-szekvenálását fogjuk elvégezni. A jegenyefenyő esetében 10 biogeográfiailag reprezentatív egyed teljes transzkriptomját szekvenáljuk, majd 80K befogó próbát készítünk, és fajcsoportonként 100-150 egyedből álló, biogeográfiailag reprezentatív részhalmazon teszteljük. Ezután körülbelül 40K, az egész tartományra kiterjedő SNP-ket tartalmazó célterületet választanak ki egy kiválasztott anyafa genotipizálásához.

Ajánlott olvasmány:

Mishra, B. et al. A reference genome of the European beech (Fagus sylvatica L.) (Az európai bükk (Fagus sylvatica L.) referencia genomja) 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. (A közönséges jegenyefenyő (Abies alba Mill.) referencia genomszekvenciája: Közösségi kezdeményezésen alapuló genomikai erőforrás.) G3: Genes, Genomes, Genetics 9, 2039–2049 (2019)

A becslési eszköz, amit kutatócsoportunk készít az erdészek számára

Az Európában létesített több száz mikro-kertből származó megfigyeléseket a genomikai adatokkal kombináljuk, hogy következtetéseket vonhassunk le a különböző származási helyekről érkezett fák magjainak éghajlathoz történő alkalmazkodási képességéről. A MyGardenOfTrees ki fog fejleszteni egy becslési eszközt, egy webes alkalmazást az erdészek számára, ami segít majd nekik kiválasztani a helyi környezeti viszonyokhoz legmegfelelőbb vetőmagokat. Összességében véve a MyGardenOfTrees kutatócsoportja a projekt valamennyi eleredményét elérhetővé teszi a résztvevők számára.

További információk (tudományos érdeklődésű szakemberek számára)

Gén-környezet kölcsönhatások felhasználása a becslési eszközhöz

A MyGardenOfTrees kísérletekből származó, közel teljes faktoriális elrendezésű ültetési adatokat egy olyan genomikai becslési (genomic prediction - GP) modellben használjuk fel, amelyik figyelembe veszi a populációk közötti genetikai hasonlóságot és a mikro-kertek helyeinek környezeti hasonlóságait. Ezt az új eszközt arra lehet használni, hogy nem tesztelt - beleértve a jövőben esetlegesen megváltozott - környezetben élő populációk növekedését előre meg tudjuk jósolni, valamint a még környezetben nem tesztelt új (de genotipizált) populációk növekedését meg tudjuk becsülni. A már létező modellek két fő korlátozó tényezőjén fog túllépni az új módszer. Az egyik korlátozó tényező az, hogy a meglévő predikciós eljárások az erdei fák éghajlatváltozással kapcsolatos kockázati tényezőinek elemzéséhez éghajlati adatokat vesznek alapul, vagyis feltételezik az adott helyen történő adaptációt (fajeloszlási modellek, klímaeltolódási tényezők). A folyamatban esetlegesen bekövetkező véletlenek szerepét gyakran annak ellenére is figyelmen kívül hagyják, hogy megfigyelésen alapuló általános jelenség az, hogy a különböző utódgenerációk eltérő fenotípusokkal (például eltérő növekedési mintázattal) rendelkeznek. A másik akadály az, hogy a meglévő modellek növekedési jellemzőkön alapulnak, és figyelmen kívül hagyják a korai életszakasz tulajdonságait. Az új módszer segítségével azonban el lehet majd dönteni azt, hogy a támogatott fajvándorlást célszerű alkalmazni, vagy megfelelő lesz a természetes felújulás, illetve az erdőfelújítással kapcsolatos döntések esetén a közvetlen vetést érdemes-e alkalmazni. A közvetlen vetés alkalmazása a közeljövőben egyre fontosabbá válhat, mivel a természetes felújulás egyre kisebb mértékben történik meg. A közvetlen vetés hatékony módszer lehet az extrém események okozta kockázatok csökkentéséhez is, mivel az egységes állományok vegyes állományokká alakulnak át, így növekszik az állományok sokfélesége és ellenálló képessége.

Ajánlott olvasmány:

Crossa, J. et al. 2017. Genomic selection in plant breeding: methods, models, and perspectives. (Genomikai szelekció a növénynemesítésben: módszerek, modellek és távlati kilátások.) Trends in Plant Science 22, 961–975.
Resende, R.T. et al. 2021. Enviromics in breeding: applications and perspectives on envirotypic-assisted selection. (A környezet szerepe a szaporodásban: alkalmazások és távlati kilátások a környezet befolyásolta szelekció esetében.) Theoretical and Applied Genetics 134, 95–112.

Támogatóink

Report abuse