Forskere bruger genomiske data til at kortlægge refugia, hvor nordamerikanske træer overlevede istiden

Under den sidste istid, som toppede omkring 21, 500 år siden, gletsjere dækkede store dele af Nordamerika, inklusive hele Great Lakes-regionen. Da isen trak sig tilbage, landet blev gradvist genbefolket af træer, der til sidst dannede tætte skove.

Men hvad var kilden til de træer, der udførte denne enorme postglaciale rekolonisering? At identificere den nøjagtige placering af disse såkaldte glaciale refugier – de steder, hvor forfædre til nutidens skovarter overlevede den sidste istid – har vist sig vanskeligt og er emnet for en igangværende debat blandt biologer.

Nu, Forskere fra University of Michigan rapporterer, at de bruger en nyligt udviklet genetisk teknik til at estimere den præcise længde- og breddegrad af istidsrefugia for to bredt udbredte hickoryarter, bitternødden og shagbarken.

Deres resultater understøtter den kontroversielle idé om, at nogle træer sandsynligvis overlevede meget længere nordpå og tættere på indlandsisen, end man generelt tror. Undersøgelsen er planlagt til offentliggørelse i ugen den 8. april Proceedings of the National Academy of Sciences .

Forskerne ledte efter signaturerne fra tidligere geografiske migrationer i træernes DNA. Deres resultater for bitternød-hickory understøtter ideen om nordlig mikrorefugia, steder, hvor de lokale klimatiske forhold kan have muliggjort persistensen af ​​isolerede træpopulationer i et område med generelt ugæstfrit klima.

"Den traditionelle opfattelse er, at disse træarter kun overlevede i større refugier, der ligger længere mod syd, hvor det regionale klima var meget varmere, sagde Jordan Bemmels, første forfatter til PNAS papir.

"Vores resultater for bitternød hickory giver nogle af de stærkeste beviser til dato på, at nordlig mikrorefugia eksisterede og var vigtige for overlevelse af nogle tempererede træarter gennem istiden, sagde Bemmels, som udførte undersøgelsen til sin doktorafhandling i U-M Institut for Økologi og Evolutionsbiologi.

Den udledte placering af det nordlige mikrorefugium er nær sammenløbet af floderne Mississippi og Ohio, i en region, der i dag omfatter det sydligste Illinois, sydøstlige Missouri, nordøstlige Arkansas og vestligste Kentucky.

Som det sker, denne placering er kun 160 miles fra et sted i det sydvestlige Tennessee, nær Memphis, hvor der blev fundet sjældne bevarede rester af istidens hickories for årtier siden.

Bemmels er nu postdoc-forsker ved University of Georgia. Hans medforfattere på PNAS papir er Christopher Dick og Lacey Knowles fra U-M Department of Ecology and Evolutionary Biology.

Det er vigtigt for biologer at identificere placeringen af ​​glacial refugia af flere årsager. Ud over at hjælpe dem med at forstå grundlæggende skovhistorie, oplysningerne giver dem mulighed for at etablere en baseline, der viser, hvor hurtigt og hvor langt træarter er i stand til at migrere som reaktion på klimaændringer.

Også, lokalisering af refugia hjælper biologer med at identificere træpopulationer, der kan være genetisk unikke og vigtige for bevaringsindsatsen. Nordlige træpopulationer, der for nylig blev rekoloniseret, menes ofte at være uvigtige for bevarelse af genetisk diversitet og langsigtet artsoverlevelse i forhold til sydlige populationer, der menes at være reservoirer af unik genetisk diversitet.

Men Bemmels og hans kolleger konkluderer, at "stigende beviser for ekspansion ud af den nordlige mikrorefugi tyder på, at konventionel visdom om håndtering af genetisk mangfoldighed muligvis skal revideres."

Talrige tilflugtsområder er blevet foreslået i det østlige Nordamerika, inklusive Gulf Coast, Atlanterhavets kystsletter, Lower Mississippi River Valley, de sydlige Appalacher, Florida-halvøen og det centrale Texas.

Forskellige forskningsværktøjer er blevet anvendt på problemet gennem årene, men alle har begrænsninger. Klimabaserede modeller identificerer kun brede områder af potentielle levesteder, og traditionelle undersøgelser af den geografiske fordeling af genealogiske slægter giver dårlig rumlig opløsning. Fossile pollenregistreringer giver nogle fingerpeg om tilflugtssteder, men disse optegnelser er ufuldstændige for det meste af det østlige Nordamerika på tidspunktet for den sidste istid og har været vanskelige at fortolke.

I den aktuelle undersøgelse, Bemmels og hans kolleger udnyttede signaler om rækkeviddeudvidelse fra store genomiske datasæt, ved hjælp af en simulationsbaseret ramme til at udlede den præcise bredde- og længdegrad af nordamerikanske istid for to hickoryarter.

Teknikken de anvendte, en dataanalysepipeline kaldet X-Origin, blev udviklet i laboratoriet af medforfatter Lacey Knowles ved University of Michigan. Det blev oprindeligt brugt til at studere ekspansion af pikapopulationer i Alaska, men har brede anvendelser til at forstå geografien for rækkeviddeudvidelse hos terrestriske arter.

Forskerne undersøgte mere end 1, 000 genetiske markører spredt over genomerne af bitternød og shagbark hickories, fra datasæt, som Bemmels genererede til et andet afsnit af sin doktorafhandling. Det genetiske materiale blev indsamlet fra omkring 150 individer i hver art, på tværs af hele spektret af begge arter.

Træernes retning og afstand vandrede fra deres oprindelige kildepopulation efterlod karakteristiske mønstre i deres DNA - fodaftryk, der kunne spores tilbage til den geografiske kilde.

Forskerne brugte en computersimuleringsteknik til at modellere rækkeviddeudvidelse fra forskellige refugier og til at skabe forventninger til de genetiske mønstre, der sandsynligvis ville opstå fra disse forskellige "udvidelsesoprindelse."

Derefter sammenlignede de de simulerede genetiske mønstre med de virkelige genetiske mønstre udvundet fra hickory tree DNA for at identificere de mest sandsynlige scenarier. Ved at gentage processen millioner af gange, de var i stand til statistisk at estimere bredde- og længdegraden, hvor forfædrene til moderne befolkninger overlevede den sidste istid – noget, der ikke tidligere er blevet gjort for tempererede træer.

Den udledte placering af glacial refugium for de andre undersøgelsesarter, shagbark hickory, er i den østlige Gulf Coastal Plain og omfatter det meste af Alabama, Mississippi og det sydøstlige Louisiana. Den placering svarer til mere traditionelle forslag om et sydligt refugium.

"Evnen til at udtrække detaljer fra populationsgenomiske data om, hvor arter søgte tilflugt, da skiftende klimaforhold førte til ændringer i deres udbredelse betyder, at forskerens værktøjskasse nu har en effektiv måde at identificere de geografiske koordinater for sådanne tilflugter i enhver art, " sagde Knowles.

Medforfatter Dick tilføjede:"Selvom det udledte nordlige tilflugtssted i Mississippi-dalen generelt var barsk og ugæstfri under istiden, der var sandsynligvis mildere forhold i nærheden af ​​glaciale smeltevandssøer - kendt som mikroklimaer - hvor nogle tempererede træarter kunne bestå."

Det PNAS papiret har titlen "Genomiske beviser på overlevelse nær indlandsiskanter for nogle, men ikke alle, nordamerikanske træer."