Test 2023-2028: comincia la germinazione nei microgiardini!

La scienza dietro MyGardenOfTrees

MyGardenOfTrees consiste in un esperimento di trapianto esteso all'intero areale della specie e si basa sull'approccio di scienza partecipata.

Le osservazioni ottenute dagli esperimenti vengono combinate ai dati genomici per sviluppare un modello predittivo utile ai forestali di tutta Europa.

Razionale

Per secoli i forestali hanno condotto test di provenienza (provenance trials, vedi il Glossario). L'obiettivo di questi test è di testare e confrontare la capacità di crescita delle specie e della loro provenienza in un dato luogo. I forestali hanno usato i risultati di questi test per elaborare le loro strategie di semina e rimboschimento. In questi test, tuttavia, specie e provenienze sono valutate soltanto in alcuni siti, in condizioni specifiche e spesso ideali, che non corrispondono alle reali condizioni della foresta. Inoltre, nei test di provenienza classici, le piantine vengono cresciute nei vivai prima di essere trapiantate al sito sperimentale. Ciò non permette di studiare la rinnovazione naturale delle piante.

MyGardenOfTrees cerca di superare questi limiti attraverso la costruzione di una rete di centinaia di piccoli test di provenienza, chiamati micro-giardini (vedi il Glossario). Il vantaggio di questo approccio è che vengono testate molte combinazioni di provenienze (origini genetiche) e condizioni ambientali specifiche del sito del micro-giardino (ambienti). Poiché le performance delle provenienze sono valutate in una vasta gamma di ambienti, i risultati possono essere generalizzati a grandi scale spaziali.

Un esempio della possibile distribuzione dei test di provenienza di MyGardenOfTrees. I semi verranno raccolti da diversi siti su tutta l'estensione dell'areale della specie (origine dei semi) e distribuiti su centinaia di siti sperimentali. La figura illustra schematicamemte la distribuzione del faggio (Fagus spp.) e non l'effettiva posizione delle fonti dei semi e dei siti test.

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Perchè c'è bisogno di un nuovo approccio a livello di areale della specie?

La domanda fondamentale in biologia evoluzionistica è come gli organismi si adattano all'ambiente in cui vivono. Date le minacce del cambiamento climatico, trovare la risposta è di massima importanza. È sempre più urgente la necessità di identificare i tratti chiave alla base dell'adattamento e capire come questi interagiscono tra loro e con l'ambiente circostante, soprattutto per specie fondatrici e produttrici di risorse, come gli alberi delle foreste. Gli esperimenti classici che valutano l'adattamento locale non sono generalizzabili all'ambiente naturale e per questo mancano di capacità predittiva.

Studi di genomica del paesaggio possono portare a identificare i loci responsabili dell'adattamento ai gradienti ambientali, il processo è però complicato dalle assunzioni del modello neutrale dell'evoluzione e dalla natura altamente poligenica della maggior parte dei tratti. Per superare queste limitazioni, MyGardenOfTrees sarà il primo esperimento di trapianto a livello di specie basato su un approccio di scienza partecipativa. Gli obiettivi sono: (i) identificare i pattern più evidenti di adattamento e i fattori influenti e (ii) costruire un modello predittivo per selezionare le origini di semi ottimali per un dato luogo, tenendo in conto delle interazioni genotipo-ambiente e del fattore demografico. Il network collaborativo di forestali che MyGardenOftrees sta costruendo sta installando un numero elevato (circa 500 in tre anni) di piccoli test di provenienza, detti micro-giardini.

Per valutare le performance della pianta in nuove condizioni climatiche, i micro-giardini verranno installati anche oltre l'areale di distribuzione attuale della specie, in particolare ad altitudini e latitudini più elevate.

I partecipanti al progetto vengono coinvolti per 5 anni, durante i quali verranno monitorati e analizzati i tratti per la sopravvivenza e la crescita, che negli alberi sono sottoposti a elevata pressione selettiva. I partecipanti verranno comunque incoraggiati a mantenere e monitorare i loro micro-giardini anche oltre le tempistiche del progetto.

Come è fatto un micro-giardino?

I micro-giardini sono installati piantando i semi direttamente sul suolo forestale, secondo un approccio chiamato semina diretta (vedi il Glossario). Ogni micro-giardino consiste di 100 "punti di semina" (seeding spots), dove vengono piantati circa 10 semi di provenienza accuratamente selezionata sulla base di un disegno sperimentale fattoriale. I semi sono protetti da una protezione appositamente ideata per prevenirne la predazione, evitando così di contaminare la foresta con semi che provengono da regioni diverse.

Un micro-giardino in un sito francese.

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Visione schematica di un micro-giardino

Perchè scienza partecipativa?

Gestire un network di centinaia di micro-giardini va oltre le capacità di qualsiasi team di ricerca. MyGardenOfTrees usa un approccio di scienza partecipativa per superare questa difficoltà, e allo stesso tempo dà ai forestali l'opportunità di osservare in prima persona la germinazione, la sopravvivenza e la crescita di alberi di diversa provenienza nei loro boschi. Gli operatori forestali possono così partecipare a un esperimento senza precedenti per identificare quali provenienze sono piú adatte per il rimboschimento dei siti vulnerabili al cambiamento climatico. I dati vengono raccolti dai partecipanti tramite formulari implementati con ODK Collect/Enketo e connessi ai nostri database.

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La scienza partecipativa può garantire osservazioni sufficientemente rigorose?

La chiave per il successo della scienza partecipativa è trovare la giusta corrispondenza tra il gruppo target di partecipanti e l'obiettivo del progetto di ricerca. Un simile approccio collaborativo è già stato utilizzato con successo nell'agricoltura, in cui gli agricoltori hanno testato la resilienza al clima di diverse varietà di coltivazioni e ortaggi. Agli agricoltori è stato chiesto di eseguire prove sperimentali su specie da coltivare in uno scenario di cambiamento climatico, sfruttando quindi la conoscenza e la motivazione di un preciso gruppo target. Gli alberi delle foreste hanno caratteristiche in comune con le specie coltivate e quelle selvatiche, il che le rende soggetti di studio ideali per un progetto di scienza evoluzionistica partecipativa. Mentre molte foreste sono gestite o piantate, la maggior parte delle popolazioni di alberi di foresta sono da considerarsi naturali sotto il punto di vista evolutivo ed ecologico. In tutta Europa, non mancano certo gli operatori forestali preoccupati per il futuro delle foreste, e probabilmente motivati a partecipare a un progetto sperimentale.

Un altro aspetto fondamentale per una scienza partecipativa di successo è una raccolta dati standardizzata. Grazie ai formulari creati dal nostro gruppo di ricercatori e disponibili attraverso un'app user-friendly (ODK Collect [Android] / Enketo [all platforms]), tutti i dati hanno lo stesso formato e sono raccolti in un database centrale, pronti per essere utilizzati.

Letture di approfondimento:

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.

Perchè queste specie?

MyGardenOfTrees studia abeti biachi (Abies alba Mill.) e faggi europei (Fagus sylvatica L.) di provenienza diversa. Entrambe le specie sono native in Europa e sono ecologicamente ed economicamente essenziali per gli ecosistemi forestali europei. MyGardenOfTrees studia anche specie sorelle, come il faggio orientale (Fagus sylvatica subsp. orientalis (Lipsky) Greuter & Burdet) e l'abete del Caucaso (Abies nordmanniana). Se la loro capacità di adattamento risulterà superiore, i forestali potrebbero valutare l'importazione di queste specie secondo una strategia di gestione chiamata migrazione assistita (vedi il Glossario).

Area di distribuzione dell'abete e del faggio in Europa e in Medio Oriente.

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Perchè MyGardenOfTrees studia proprio queste due specie?

L'abete e il faggio stanno suscitando un grande interesse nel contesto del cambiamento climatico poichè riescono a tollerare la siccità meglio di altre specie dominanti di alberi, quali ad esempio l'abete norvegese (Picea abies). Inoltre, entrambe le specie hanno diverse specie sorelle e sottospecie mediterranee e orientali con una maggiore diversità genetica rispetto alle nostre specie europee. La diversità genetica è la base dell'adattamento e della resilienza, pertanto includere queste specie sorelle nei nostri test apporterà conoscenze preziose per la pianificazione di programmi di migrazione assistita in Europa. In particolare, studieremo il faggio orientale (Fagus sylvatica subsp. orientalis (Lipsky) Greuter & Burdet), che ibrida frequentemente con il faggio europeo nelle molteplici zone di contatto, come in Bulgaria e in Grecia, ma anche nelle piantagioni di faggio orientale nei paesi dell'Europa dell'Ovest.

Letture di approfondimento:

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).

Perchè complementare le osservazioni dei tratti fenotipici con i dati genomici?

Provenienze o popolazioni diverse attraverso tutto l'areale di distribuzione condividono una storia comune: sono tutte discendenti di una popolazione ancestrale vissuta in unepoca passata specifica. Durante il processo di colonizzazione degli habitat attuali, le popolazioni si sono differenziate tra loro, e ciò ha lasciato dei segni nei loro genomi. Alcune di queste differenze tra le popolazioni sono neutrali (o casuali) poichè per ogni generazione soltanto un numero finito di individui si riproduce, mentre altre differenze sono il risultato della selezione naturale. MyGardenOfTrees raccoglie dati genomici per separare questi due processi, e ciò è necessario per interpretare le osservazioni condotte nei micro-giardini.

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Dati genomici

MyGardenOfTrees genererà dati genomici omogenei per le due specie di studio. Il faggio europeo ha un genoma di dimensioni moderate (542 Mb) e la qualità del processo di assemblaggio è elevata. L'abete bianco ha un genoma gigante di 18.16 Gb, e di conseguenza la qualità del processo di assemblaggio è relativamente bassa. Tenendo in considerazione queste differenze, verranno usati approcci diversi per le due specie. Per il faggio europeo eseguiremo un Sequenziamento dell'intero Genoma (Whole Genome Sequencing) di una selezione di alberi madre. Per l'abete bianco verrà sequenziato l'intero trascrittoma di 10 individui rappresentativi dal punto di vista biogeografico. Successivamente, verranno progettate sonde di cattura (capture probes) di 80K che verranno poi testate su un sottogruppo di 100-150 individui rappresentativi dal punto di vista biogeografico per ogni specie. Regioni target di circa 40K contenenti SNPs verranno quindi selezionate per genotipizzare una selezione di alberi madre.

Letture di approfondimento:

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)

Un metodo predittivo per i forestali ideato dal nostro team di ricerca

Le osservazioni eseguite su centinaia di giardini in tutta Europa verranno combinate ai dati genomici per trarre conclusioni generali sulla capacità di adattamento al clima delle diverse provenienze. MyGardenOfTrees creerà uno strumento di predizione, sotto forma di web-based app, dedicato ai forestali per scegliere i semi più adatti da piantare nell'ambiente locale. Per il team di MyGardenOfTrees è essenziale che i partecipanti ottengano i massimi benefici dal progetto per il loro sito.

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Integrare le interazioni gene–ambiente in un metodo predittivo

I dati di questo approccio innovativo con un design quasi totalmente fattoriale ottenuto dai test di MyGardenOfTrees sarà usato in un modello di previsione genomica (genomic prediction model) che sfrutta la similarità genetica tra le popolazioni e la somiglianza di condizioni ambientali tra i siti dei giardini. Il modello, implementato in una web-based app, potrà essere usato per prevedere la performance delle popolazioni non ancora testate in un qualsiasi ambiente. Permetterà inoltre di superare due limiti importanti dei modelli esistenti. 1) I modelli esistenti per valutare i rischi per le foreste relativi al cambiamento climatico si basano su dati climatici, perciò assumono l'adattamento locale (species distribution models o climate transfer functions). Il ruolo della contingenza storica viene spesso ignorato, anche se è stato osservato frequentemente che diverse linee evolutive hanno diversi fenotipi, per esempio diversi pattern di crescita. 2) I modelli esistenti si basano sui tratti produttivi, ed ignorano i tratti precoci.

Pertanto, il nuovo strumento sarà adatto a decidere se è necessario considerare la migrazione assistita o se è sufficiente la rigenerazione naturale. Aiuterà quindi a guidare le decisioni di ripristino delle foreste utilizzando la semina diretta, che potrebbe guadagnare in importanza nel futuro, data la crescente carenza di rigenerazione naturale. La semina diretta può inoltre essere uno strumento utile per mitigare il rischio relativo a eventi estremi attraverso la conversione di zone pure (in cui almeno l'80% degli alberi appartengono a un'unica specie) in zone miste, aumentando così la loro diversità e resilienza.

Letture di approfondimento:

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.

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