La ciencia detrás de MyGardenOfTrees
MyGardenOfTrees consiste en un experimento de trasplante en toda el área de distribución utilizando ciencia participativa. Las observaciones de este experimento se combinan con datos genómicos para crear una herramienta de predicción para silvicultores de toda Europa.
Justificación
En silvicultura se lleva siglos realizando ensayos de procedencias (véase el Glosario). El objetivo de estos ensayos es probar y comparar el rendimiento del crecimiento de las especies y las procedencias en un lugar determinado. Los resultados de estos ensayos se emplean para orientar decisiones de plantación y reforestación. Sin embargo, en estos ensayos, las especies y las procedencias sólo se evalúan en las condiciones específicas (a menudo ideales) del lugar del ensayo, y no pueden trasladarse a las condiciones forestales reales. Además, los ensayos de procedencia se llevan a cabo con plántulas cultivadas en un vivero, por lo que no pueden aportar información a los silvicultores sobre la regeneración natural.
MyGardenOfTrees intenta dar solución a estas deficiencias estableciendo una red de cientos de pequeños ensayos de procedencias, llamados micro-jardines (véase el Glosario). La principal ventaja de este enfoque es que se pueden probar muchas combinaciones de procedencias (orígenes genéticos) y condiciones de emplazamiento (ambientes). Dado que el rendimiento de las distintas procedencias se evalúa en una amplia gama de ambientes, los resultados pueden generalizarse a grandes escalas espaciales.
Diseño del "ensayo de procedencias distribuidas" de MyGardenOfTrees. Las semillas se recogerán en varios lugares del área de distribución de las especies (fuentes de semillas) y se distribuirán en cientos de pequeños lugares de prueba. Obsérvese que esta figura es una ilustración esquemática de las especies de haya (Fagus spp.) y no la localización real de las fuentes de semillas y los lugares de prueba.
¿Cómo es un micro-jardín?
Los micro-jardines se establecerán en el bosque directamente a partir de semillas, enfoque que se denomina siembra directa (véase el Glosario). Cada micro-jardín contiene 100 de los denominados "puntos de siembra", cada uno de los cuales contiene 10 semillas de una procedencia cuidadosamente seleccionada según un diseño experimental factorial. Las semillas se resguardan con protectores de semillas diseñados expresamente para evitar su depredación, protegiendo así nuestros ensayos, y evitar contaminar con semillas foráneas el bosque donde se establecen los ensayos.
Micro-jardín en Francia.
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Vista esquemática de un micro-jardín
¿Por qué ciencia participativa?
La gestión de una red de cientos de micro-jardines supera la capacidad de cualquier equipo científico. MyGardenOfTrees utiliza un enfoque de ciencia participativa para superar esta dificultad, a la vez que ofrece a silvicultores y silvicultoras la oportunidad de observar la germinación, la supervivencia y el crecimiento de diversas procedencias y de unirse a un esfuerzo de investigación sin precedentes para encontrar procedencias adecuadas para la reforestación en lugares vulnerables al cambio climático. Los datos son recogidos por los y las participantes mediante formularios, gracias a las herramientas gratuitas ODK Collect/Enketo, que están conectados a nuestras bases de datos.
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¿Puede la ciencia participativa proporcionar observaciones suficientemente rigurosas?
La clave del éxito de la ciencia participativa es encontrar la concordancia adecuada entre el grupo participante al que se dirige y el objetivo. Un enfoque científico participativo similar ya se ha utilizado con éxito en agricultura, donde los productores y productoras han probado la resistencia al clima de variedades de hortalizas. Se solicitó a agricultores y agricultoras que realizaran ensayos de cultivos para adaptarlos a los escenarios del cambio climático, y con ello se aprovecharon los conocimientos y la motivación de un grupo objetivo concreto. Los árboles forestales reúnen características de cultivos y de especies silvestres, lo que los convierte en organismos de estudio ideales para un proyecto de ciencia participativa evolutiva. Aunque muchos sistemas forestales se gestionan o proceden de plantaciones, la mayoría de las poblaciones de árboles forestales pueden considerarse naturales desde una perspectiva evolutiva y ecológica. En toda Europa hay numerosos silvicultores y silvicultoras expertas que se preocupan por el futuro de nuestros bosques y por ello con motivación para participar en un proyecto experimental.
Otro aspecto de la ciencia participativa exitosa es la recogida de datos estándar. Gracias a los formularios de encuesta creados por nuestro equipo científico y disponibles en una app de fácil manejo (ODK Collect [Android] / Enketo [todas las plataformas]), todos los datos tienen el mismo formato y se almacenan en bases de datos listas para ser utilizadas.
Para saber más:
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.
¿Por qué estas especies?
MyGardenOfTrees incorpora en su estudio varias procedencias de abeto (Abies alba Mill.) y haya europea (Fagus sylvatica L.). Ambas especies son nativas de Europa y son tanto ecológica como económicamente clave para los ecosistemas forestales europeos.
MyGardenOfTrees también está investigando especies hermanas mediterráneas y orientales, como el haya oriental (Fagus sylvatica subsp. orientalis (Lipsky) Greuter & Burdet) y el abeto Nordmann (Abies nordmanniana). Si se comprueba que su rendimiento es superior, en silvicultura se podría considerar la importación de estas especies en una estrategia de gestión denominada migración asistida (véase el Glosario).
Área de distribución de las especies de abetos y hayas en Europa y Oriente Medio.
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¿Por qué MyGardenOfTrees estudia estas dos especies?
Tanto el abeto como el haya han suscitado recientemente interés en el contexto del cambio climático porque son más tolerantes a la sequía que otras especies forestales dominantes, como la pícea (Picea abies). Sin embargo, ambas especies tienen varias especies y subespecies hermanas mediterráneas y orientales que albergan una mayor diversidad genética que nuestras especies europeas. La diversidad genética es la base de la adaptación y la resiliencia, por lo que la inclusión de estas especies hermanas en nuestros ensayos aportará valiosos conocimientos al diseño de programas de migración asistida en Europa. En concreto, estudiaremos el haya oriental (Fagus sylvatica subsp. orientalis (Lipsky) Greuter & Burdet), que suele hibridarse con el haya europea en sus múltiples zonas de contacto, como en Bulgaria y Grecia, pero también en lugares de plantación de haya oriental en países de Europa occidental. Ver más.
Para saber más:
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).
¿Por qué complementamos las observaciones de los rasgos con datos genómicos?
Las diferentes procedencias, o poblaciones, comparten una historia común a lo largo del área de distribución de la especie: todas son descendientes de una población ancestral que vivió en algún momento del pasado. Durante el proceso de colonización de sus hábitats actuales, las poblaciones se han ido diferenciando unas de otras, lo que ha dejado una huella en sus genomas. Algunas de estas diferencias entre poblaciones son neutras (o aleatorias) debido a que sólo se reproduce un número finito de individuos en cada generación, mientras que otras diferencias son el resultado de la selección natural. MyGardenOfTrees recoge datos genómicos para separar estos dos procesos, que serán necesarios para interpretar las observaciones del micro-jardín.
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Datos genómicos
MyGardenOfTrees generará datos genómicos homogéneos para las dos especies de estudio. El haya europea tiene un genoma moderado de 542 Mb y la calidad del ensamblaje es alta. El abeto tiene un giga-genoma de 18,16 Gb y, en consecuencia, la calidad del ensamblaje es baja. Teniendo en cuenta estas diferencias, se utilizarán enfoques diferentes para las dos especies. Para el haya europea, realizaremos la secuenciación del genoma completo de una selección de árboles madre. En el caso del abeto, se secuenciará el transcriptoma completo de 10 individuos biogeográficamente representativos, y a continuación se diseñarán 80.000 sondas de captura y se probarán en un subconjunto biogeográficamente representativo de 100-150 individuos por grupo de especies. A continuación, se seleccionarán aproximadamente 40.000 regiones objetivo que contengan SNPs de todo el rango para el genotipado de una selección de árboles madre.
Para saber más:
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).
Las observaciones de cientos de jardines de toda Europa se combinarán entre sí y también con datos genómicos para obtener conclusiones generales sobre la adaptación al clima de las procedencias. MyGardenOfTrees también creará una herramienta de predicción, presentada como una aplicación web, para que silvicultoras y silvicultores puedan elegir las mejores semillas para sembrar en su entorno local. Para el equipo de MyGardenOfTrees es fundamental proporcionar a sus participantes los beneficios del proyecto en su conjunto.
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Integración de las interacciones gen-ambiente en una herramienta de predicción
Los datos de trasplante con un diseño factorial casi completo, obtenidos a partir de los ensayos de MyGardenOfTrees no tienen precedente y se utilizarán en un modelo de predicción genómica (PG) que aprovecha la similitud genética entre las poblaciones y la similitud ambiental entre las ubicaciones de los jardines. La nueva herramienta podrá emplearse para predecir tanto el rendimiento de poblaciones en ambientes no probados, incluso futuros, como para predecir el rendimiento de poblaciones nuevas (pero genotipadas) que no hayan sido probadas en ningún ambiente. La nueva herramienta permitirá suplir dos importantes limitaciones de los modelos actuales. En primer lugar, los marcos de predicción existentes para evaluar en arbolado forestal los riesgos relacionados con el cambio climático, se basan en datos climáticos y, por tanto, asumen una adaptación local (modelos de distribución de especies o funciones de transferencia climática). Además, el papel de la contingencia histórica se ignora a menudo, a pesar de que se haya observado con frecuencia que los distintos linajes tienen fenotipos diferentes (por ejemplo, patrones de crecimiento). En segundo lugar, los modelos existentes se basan en rasgos de producción e ignoran rasgos tempranos. Por lo tanto, la nueva herramienta será adecuada para decidir si debe considerarse la migración asistida o si la regeneración natural será suficiente, y ayudará a orientar decisiones de restauración forestal mediante siembra directa, que podría ganar importancia en el futuro, dada la creciente falta de regeneración natural. La siembra directa también puede ser una herramienta eficaz para mitigar los riesgos relacionados con eventos extremos mediante la conversión de rodales puros en rodales mixtos, aumentando así su diversidad y resiliencia.
Para sabas más:
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.
Financiación
