Tijdens de laatste ijstijd, die piekte rond de 21, 500 jaar geleden, gletsjers bedekten grote delen van Noord-Amerika, inclusief het hele gebied van de Grote Meren. Toen het ijs zich terugtrok, het land werd geleidelijk opnieuw bevolkt door bomen die uiteindelijk dichte bossen vormden.

Maar wat was de bron van de bomen die deze enorme postglaciale herkolonisatie uitvoerden? Het identificeren van de exacte locatie van deze zogenaamde glaciale refugia - de plaatsen waar voorouders van de huidige bossoorten de laatste ijstijd hebben overleefd - is moeilijk gebleken en is het onderwerp van een voortdurend debat onder biologen.

Nutsvoorzieningen, Onderzoekers van de Universiteit van Michigan rapporteren dat ze een recent ontwikkelde genetische techniek gebruiken om de exacte lengte- en breedtegraad van ijstijdrefugia te schatten voor twee wijdverspreide hickory-soorten, de bitternoot en de shagbark.

Hun resultaten ondersteunen het controversiële idee dat sommige bomen waarschijnlijk veel verder naar het noorden en dichter bij de ijskap hebben overleefd dan algemeen wordt aangenomen. Het onderzoek staat gepland voor publicatie in de week van 8 april in Proceedings van de National Academy of Sciences .

De onderzoekers zochten naar de handtekeningen van eerdere geografische migraties in het DNA van de bomen. Hun resultaten voor de bitternoot hickory ondersteunen het idee van noordelijke microrefugia, plaatsen waar lokale klimatologische omstandigheden het voortbestaan ​​van geïsoleerde boompopulaties mogelijk hebben gemaakt in een regio met een algemeen onherbergzaam klimaat.

"De traditionele opvatting is dat deze boomsoorten alleen overleefden in grotere refugia's die verder naar het zuiden liggen, waar het regionale klimaat veel warmer was, " zei Jordan Bemmels, eerste auteur van de PNAS papier.

"Onze resultaten voor bitternoot hickory leveren een van de sterkste bewijzen tot nu toe dat noordelijke microrefugia bestond en belangrijk waren voor het overleven van sommige gematigde boomsoorten gedurende de ijstijd, zei Bemels, die de studie uitvoerde voor zijn proefschrift bij de afdeling Ecologie en Evolutionaire Biologie van de UM.

De afgeleide locatie van het noordelijke microrefugium is nabij de samenvloeiing van de rivieren Mississippi en Ohio, in een regio die tegenwoordig het meest zuidelijke Illinois omvat, zuidoosten van Missouri, noordoosten van Arkansas en meest westelijke Kentucky.

Zoals het gebeurt, die locatie is slechts 160 mijl verwijderd van een locatie in het zuidwesten van Tennessee, in de buurt van Memphis, waar decennia geleden zeldzame bewaarde overblijfselen van hickories uit de ijstijd werden gevonden.

Bemmels is nu postdoctoraal onderzoeksmedewerker aan de University of Georgia. Zijn co-auteurs op de PNAS paper zijn Christopher Dick en Lacey Knowles van de U-M Department of Ecology and Evolutionary Biology.

Het identificeren van de locaties van glaciale refugia is om verschillende redenen belangrijk voor biologen. Naast het helpen begrijpen van de fundamentele bosgeschiedenis, de informatie stelt hen in staat om een ​​basislijn vast te stellen die laat zien hoe snel en hoe ver boomsoorten kunnen migreren als reactie op klimaatverandering.

Ook, het lokaliseren van refugia helpt biologen bij het identificeren van boompopulaties die genetisch uniek kunnen zijn en belangrijk voor inspanningen voor natuurbehoud. Noordelijke boompopulaties die recentelijk opnieuw zijn gekoloniseerd, worden vaak als onbelangrijk beschouwd voor het behoud van de genetische diversiteit en de overleving van soorten op de lange termijn in vergelijking met zuidelijke populaties waarvan wordt aangenomen dat ze reservoirs van unieke genetische diversiteit zijn.

Maar Bemmels en zijn collega's concluderen dat "toenemend bewijs van expansie uit noordelijke microrefugia suggereert dat de conventionele wijsheid over het beheer van genetische diversiteit mogelijk moet worden herzien."

In het oosten van Noord-Amerika zijn talrijke vluchtelingengebieden voorgesteld, inclusief de Golfkust, de Atlantische kustvlaktes, de Lower Mississippi River Valley, de zuidelijke Appalachen, het schiereiland van Florida en centraal Texas.

Er zijn in de loop der jaren verschillende onderzoeksinstrumenten op het probleem toegepast, maar ze hebben allemaal beperkingen. Op klimaat gebaseerde modellen identificeren alleen brede gebieden van potentiële habitat, en traditionele studies van de geografische spreiding van genealogische lijnen leveren een slechte ruimtelijke resolutie op. Fossiele pollenrecords bieden enkele aanwijzingen over refugia-locaties, maar die gegevens zijn onvolledig voor het grootste deel van Oost-Noord-Amerika ten tijde van de laatste ijstijd en waren moeilijk te interpreteren.

In de huidige studie, Bemmels en zijn collega's gebruikten signalen van bereikuitbreiding van grote genomische datasets, met behulp van een op simulatie gebaseerd raamwerk om de precieze breedte- en lengtegraad van Noord-Amerikaanse glaciale refugia af te leiden voor twee hickory-soorten.

De techniek die ze toepasten, een data-analyse pijplijn genaamd X-Origin, werd ontwikkeld in het laboratorium van co-auteur Lacey Knowles aan de Universiteit van Michigan. Het werd oorspronkelijk gebruikt om de uitbreiding van pika-populaties in Alaska te bestuderen, maar heeft brede toepassingen voor het begrijpen van de geografie van bereikuitbreiding bij terrestrische soorten.

De onderzoekers onderzochten meer dan 1, 000 genetische markers verspreid over de genomen van bitternoot en shagbark hickories, uit datasets die Bemmels maakte voor een ander deel van zijn proefschrift. Het genetische materiaal werd verzameld van ongeveer 150 individuen in elke soort, over het volledige spectrum van beide soorten.

De richting en afstand die de bomen migreerden van hun oorspronkelijke bronpopulatie, lieten kenmerkende patronen achter in hun DNA - voetafdrukken die terug te voeren waren op de geografische bron.

De onderzoekers gebruikten een computersimulatietechniek om de uitbreiding van het bereik van verschillende refugia te modelleren en om verwachtingen te creëren voor de genetische patronen die waarschijnlijk zouden voortvloeien uit deze verschillende 'uitbreidingsoorsprongen'.

Vervolgens vergeleken ze de gesimuleerde genetische patronen met de echte genetische patronen die zijn geëxtraheerd uit hickoryboom-DNA om de meest waarschijnlijke scenario's te identificeren. Door het proces miljoenen keren te herhalen, ze waren in staat om statistisch de breedte- en lengtegraad te schatten waar de voorouders van moderne populaties de laatste ijstijd hebben overleefd - iets wat nog niet eerder is gedaan voor gematigde bomen.

De afgeleide locatie van het glaciale refugium voor de andere studiesoorten, shagbark hickory, ligt in de oostelijke Golfkustvlakte en omvat het grootste deel van Alabama, Mississippi en het zuidoosten van Louisiana. Die locatie komt overeen met meer traditionele voorstellen van een zuidelijke toevluchtsoord.

"De mogelijkheid om details te extraheren uit genomische populatiegegevens over waar soorten hun toevlucht zochten toen veranderende klimaatomstandigheden verschuivingen in hun verspreiding veroorzaakten, betekent dat de gereedschapskist van de onderzoeker nu een krachtige manier heeft om de geografische coördinaten van dergelijke refugia bij elke soort te identificeren, ' zei Knowles.

Co-auteur Dick voegde toe:"Hoewel de afgeleide noordelijke toevluchtsoord in de Mississippi-vallei over het algemeen hard en onherbergzaam was tijdens de ijstijd, er waren waarschijnlijk mildere omstandigheden in de buurt van gletsjermeren met smeltwater - bekend als microklimaten - waarin sommige gematigde boomsoorten konden voortbestaan."

De PNAS paper is getiteld "Genomisch bewijs van overleving in de buurt van ijskapmarges voor sommigen, maar niet alles, Noord-Amerikaanse bomen."