Die Wissenschaft hinter MyGardenOfTrees

Warum brauchen wir einen neuartigen, artenübergreifenden Transplantationsansatz?

Wie sich Organismen an ihre Umwelt anpassen, ist die grundlegendste Frage der Evolutionsbiologie und angesichts der Bedrohungen durch den Klimawandel von größter Bedeutung. Die Identifizierung von Schlüsselmerkmalen, die an Anpassungen beteiligt sind, und das Verständnis, wie sie miteinander und mit der Umwelt interagieren, ist eine besonders dringende Aufgabe für Basis- und Ressourcen produzierende Arten, wie z. B. Waldbäume. Bestehende Experimente zur Bewertung lokaler Anpassungen mangelt es an Skalierbarkeit und Vorhersagbarkeit in natürlichen Umgebungen, insbesondere an den Rändern des Verbreitungsgebiets von Arten. Landschaftsgenomische Studien könnten adaptive Loci über Umweltgradienten hinweg aufdecken, werden aber durch die Annahmen eines neutralen Modells und die hochgradig polygene Natur der meisten Merkmale behindert. Um diese Mängel zu beheben, wird MyGardenOfTrees das erste artenübergreifende Experiment sein, bei dem partizipative Wissenschaft und Genomik eingesetzt werden, um (i) wichtige Muster und Triebkräfte der Anpassung aufzudecken und (ii) ein Vorhersagemodell für die Auswahl optimaler Saatgutquellen für einen bestimmten Standort zu erstellen, das die Wechselwirkungen zwischen Genen und Umwelt sowie die Demografie berücksichtigt. Das partizipative Netzwerk von Förster_Innen richtet eine große Anzahl (etwa 500 in drei Jahren) kleiner Herkunftsversuche, so genannter Mikrogärten, ein. Um die Leistung der Pflanzen unter neuen Klimabedingungen zu bewerten, werden die Gärten auch außerhalb des derzeitigen Verbreitungsgebiets der Arten angelegt, insbesondere in höheren Lagen und Breitengraden. Die Teilnehmenden verpflichten sich für einen Zeitraum von fünf Jahren; das Projekt konzentriert sich daher hauptsächlich auf die Überwachung und Analyse der frühen Überlebens- und Wachstumsmerkmale, die bei Bäumen dem höchsten Selektionsdruck ausgesetzt sind. Dennoch werden die Teilnehmenden ermutigt, ihre Bäume über den Zeitrahmen dieses Projekts hinaus zu behalten und zu verfolgen.

Genomische Daten

MyGardenOfTrees wird homogene, genomische Daten für beide untersuchten Arten erzeugen. Die Rotbuche hat eine moderate Genomgröße von 542 Mb, und die Qualität des Assemblings ist hoch. Die Weißtanne hat ein Giga-Genom von 18,16 Gb und dementsprechend ist die Qualität des Assemblings gering. In Anbetracht dieser Unterschiede werden wir für die beiden Arten unterschiedliche Ansätze verwenden. Bei der Rotbuche werden wir die Sequenzierung des gesamten Genoms an einer Auswahl von Mutterbäumen durchführen. Bei der Weißtanne wird das vollständige Transkriptom von 10 biogeografisch repräsentativen Individuen sequenziert, anschließend werden 80K Capture-Sonden entworfen und an einer biogeografisch repräsentativen Untergruppe von 100-150 Individuen pro Artengruppe getestet. Anschließend werden etwa 40K Zielregionen mit SNPs aus dem gesamten Verbreitungsgebiet für die Genotypisierung einer Auswahl von Mutterbäumen ausgewählt.

Weiterführende Literatur:

• 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)