Проекты

Описание инициативы (проектной идеи)

Современные климатические тенденции и антропогенное давление вызывают серьезные опасения за будущее отдельных видов. Особенно уязвимы виды, которые обитают на периферии своего естественного ареала. Кедр сибирский (или сосна сибирская), произрастающий в ООПТ Республики Коми и Пермского края (на западной границе ареала), подвергается негативному воздействию нескольких факторов в совокупности: изменение климата, антропогенный стресс и конкуренция. Кроме того, автором настоящей заявки установлено, что большинство кедровых ООПТ характеризуются сниженными показателями гетерозиготности (Hср = 0,33), почти все изоляты имеют повышенные индексы инбридинга (FIS = 0,17) и низкие эффективные размеры популяций (Ne = 3-1500). Это указывает на дополнительный негативный фактор ‒ генетическую эрозию, которая означает постепенную утрату генетического разнообразия в популяциях. Без притока генов извне генетическая эрозия будет прогрессировать, поскольку это самоподдерживающийся процесс. Этот процесс приведет в конечном итоге к практически полной утрате генетического разнообразия и, как следствие, снижению жизнеспособности, потере локальной адаптации и неустойчивости к стрессовым воздействиям. Поэтому нужно выработать стратегию по предотвращению и преодолению генетической деградации периферийных изолятов кедра сибирского.
Тем не менее, осуществлять генетическое вливание путем простой посадки семян и саженцев нельзя, так как возникают следующие риски. 1) Взять материал из неродственной популяции и потерять локальную адаптацию. 2) Высадить в неподходящем месте и саженцы погибнут. 3) Выбрать участок, который ландшафтно изолирован ‒ и поток генов не закрепится. Я предлагаю системное решение: управляемое генетическое вливание, где каждый шаг обоснован генетическими, экологическими и ландшафтными данными.
Это особенно актуально на фоне климатических изменений. Меры по генетическому вливанию должны опираться на прогностические модели пригодности среды в условиях будущего климата. Учитывая конкуренцию со стороны других хвойных пород на западной границе ареала, модели необходимо строить как модели реализованной ниши ‒ с учетом динамики ареалов конкурентов, породного состава древостоев, ландшафта и почвенно‑гидрологического режима. В противном случае модель покажет фундаментальную нишу: где кедр может расти физиологически, но фактически будет вытеснен конкурентами в течение 15–30 лет. В настоящее время нет комплексной научно обоснованной методики выбора посадочного материала для предотвращения генетической эрозии, чтобы сохранять и восстанавливать кедровники. Для лесной отрасли РФ это проблема, и мой проект поможет решить ее.
В данном проекте я планирую построить карты посадок (генетические «мостки») для генетического вливания в изоляты кедра сибирского на западной границе ареала, которые станут основой для долгосрочной стратегии по предотвращению генетической эрозии. Это будет пространственный план, который объединит результаты моделирования экологической ниши и будущего ареала (ансамблевые модели: 10 алгоритмов), биотических взаимодействий (интеграция конкуренции в модель за счет совместного моделирования, конкуренция как предиктор, индекс топографической влажности, оценка остаточных корреляций между видами ‒ сигнал биотических взаимодействий), а также моделирования коридоров генного обмена на основе генетических данных и прогнозирования участков ландшафта, критичных для потока генов.
Общий план работы следующий:
1. Генетический анализ популяций-изолятов и доноров. 2. Сбор и подготовка данных о встречаемости видов (кедра сибирского и конкурирующих пород) и климатических предикторах. 3. Моделирование реализованной экологической ниши и будущего ареала с учетом конкуренции и индекса топографической влажности. 4. Анализ эколого-генетической связности территории с учетом ландшафтного сопротивления и проектирование генетических «мостков». 5. Интеграция климатических прогнозов с моделью генетических потоков. 6. Оптимизация размещения посадок. Для всех расчетов и анализов заявитель располагает личной рабочей станцией (2 socket Intel Xeon E5-2699 v4), навыками ГИС, R, генетического и экологического моделирования.
На выходе будет получена комбинированная карта экологического нишевого моделирования и анализа эколого-генетической связности территории с учетом ландшафтного сопротивления, которая поможет ответить на ряд следующих вопросов: 1) приоритетные места для охраны и мониторинга кедра сибирского, 2) влияние ландшафта на миграцию, 3) приоритет кедровых ООПТ для генетического вливания, 4) создание новых кедровых ООПТ и генетических резерватов. Таким образом, мой проект удовлетворит потребность в научно обоснованной практике восстановления кедровников в лесном хозяйстве РФ. Достижение результатов проекта (достоверность карты) будет подтверждено с помощью внутренней и кросс-валидации моделей между независимыми методами (ансамблевое моделирование) и прямым моделированием «с вливанием» и «без вливания».
На выполнение работы потребуется 1 год.