Essais 2023-2028 : les observations continuent à l'automne !
Chaque icône en forme d'arbre indique la provenance des graines d'Abies ou de Fagus. Le nom de la provenance est composé de l'espèce (AA = Abies alba, AN = Abies nordmanniana, FS = Fagus sylvatica et FC = Fagus caspica), du pays (par exemple, DE = Allemagne, PL = Pologne, etc.) et d'un numéro dans le cas de provenances multiples d'un même pays. Les icônes en forme de losange indiquent l'emplacement des micro-jardins pilotes. En arrière-plan, la répartition naturelle des espèces Abies (orange) et Fagus (bleu).
Au cours de notre phase pilote (2021-2023), nous avons développé et testé les protocoles pour la création des tout premiers micro-jardins. 18 forestiers pionniers à travers l'Europe y ont participé, jetant ainsi les bases du réseau que nous avons aujourd'hui.
La carte ci-dessous montre les emplacements des origines des graines et des micro-jardins, de la France au Caucase. Au cours de cette phase initiale, nous avons acheté (et non collecté) 12 provenances d'Abies alba, 9 de Fagus sylvatica, ainsi qu'une provenance de chacune de leurs espèces orientales, Abies nordmanniana et Fagus caspica. En raison de son caractère unique et de sa disponibilité en quantité suffisante, la provenance Fagus caspica d'Iran est la seule source de graines utilisée à la fois dans la phase pilote et dans les essais actuels 2023-2028.
Pour comprendre les facteurs qui favorisent la germination, nous avons testé des graines dans des conditions contrôlées et naturelles. Nous avons d'abord mené des expériences en chambre climatique dans des conditions standardisées de température, de lumière et d'humidité (figure 3). Ensuite, les mêmes provenances ont été semées directement dans des micro-jardins forestiers dans des conditions naturelles, selon un protocole très similaire à celui que vous utilisez. Cette approche nous a permis de répondre à une question cruciale : les tests en laboratoire permettent-ils de prédire les performances dans le monde réel ?
Chambre climatique. Panneau de gauche : vue d'ensemble d'une des chambres climatiques contenant plusieurs plateaux ensemencés avec des graines provenant de différentes provenances et familles. Panneau de droite : gros plan d'un plateau pris lors d'un protocole d'observation. Certaines graines de Fagus, comme celles des rangées J et K, sont déjà en train de germer.
Cartes thermiques montrant le taux de germination des graines dans les micro-jardins. Le panneau de gauche correspond à Abies et celui de droite à Fagus. Les colonnes représentent les sources des graines (provenances) et les lignes représentent les micro-jardins testés. Les couleurs plus foncées indiquent un taux de germination plus élevé. Les lignes et les colonnes sont classées par ordre croissant de taux de germination. Les cellules hachurées indiquent les combinaisons qui n'ont pas été testées, et les marques X indiquent l'absence de germination. Les barres grises en marge indiquent la germination moyenne par source de graines (en haut) et par jardin (à droite). Le site 21 apparaît deux fois car les graines ont été plantées dans deux environnements contrastés, traités comme des jardins distincts avec deux blocs chacun.
Abies spp
Pour le sapin, nous avons constaté une corrélation modeste entre les performances en laboratoire et sur le terrain, bien que la germination sur le terrain n'ait atteint en moyenne que 21 % des taux observés en laboratoire. Plus surprenant encore : certaines provenances qui ont connu des difficultés dans des conditions contrôlées (taux de germination inférieur à 10 %) ont rebondi pour atteindre des taux respectables dans certaines forêts. Les cartes thermiques (figure 4, panneau de gauche) révèlent des variations importantes d'un site à l'autre, avec des taux de germination allant de près de zéro à plus de 50 % pour une même provenance, selon l'emplacement du jardin.
Fagus spp
Pour le hêtre, les résultats de germination en laboratoire et sur le terrain divergeaient fortement. Le hêtre caspien d'Iran a obtenu les meilleurs résultats lors des tests en laboratoire avec un taux de germination de 60 %, mais n'a atteint qu'une moyenne de 4,6 % sur le terrain. Parallèlement, le hêtre italien, qui a à peine germé en laboratoire (<1 %), a atteint plus de 30 % dans certaines forêts (figure 4, panneau de droite).
L'environnement forestier est tout aussi important que l'origine des semences. Les tests en laboratoire fournissent des informations utiles sur la viabilité des semences, mais ils ne permettent pas de prédire de manière fiable le succès de la régénération dans des sites forestiers spécifiques. Une même provenance peut donner des résultats très différents selon les conditions locales.
Pour les deux espèces, la mortalité a atteint son pic au cours du premier été (figure 5), avec des pertes supplémentaires au cours du premier hiver. Les semis qui ont survécu à la deuxième saison de croissance ont généralement persisté jusqu'à la troisième année, ce qui suggère que la phase d'établissement précoce est la plus critique. À l'automne 2024, 55 semis de sapin et 42 semis de hêtre étaient encore en vie dans tous les micro-jardins, ce qui souligne à quel point la régénération naturelle peut être difficile dans des conditions forestières réelles.
Des différences nettes entre les espèces sont apparues. Plusieurs provenances de sapins ont montré une germination initiale modérée mais une excellente persistance, ce qui signifie qu'elles ont démarré lentement mais qu'elles se sont révélées résistantes une fois établies. Pour le hêtre, une provenance slovène s'est distinguée, combinant une germination initiale élevée et une survie supérieure à la moyenne après trois ans, une combinaison gagnante rare.
Il est important de noter qu'un taux de germination élevé ne garantit pas la survie des plants. Certaines provenances de sapins à forte germination ont connu une mortalité dramatique au cours du premier été, perdant la plupart des semis malgré des débuts prometteurs. D'autres, dont les taux de germination initiaux étaient plus faibles, ont montré une meilleure survie à long terme, ce qui suggère des stratégies de cycle de vie différentes. L'environnement a dominé cette première phase : les précipitations printanières dans les jardins ont considérablement favorisé la germination, mais la survie au cours du premier été dépendait fortement de la disponibilité locale en humidité et des conditions du microsite.
Les essais pilotes montrent que le succès de la régénération dépend fortement des interactions entre l'origine des graines et les conditions forestières locales, des schémas qui ne peuvent être fiablement appréhendés par des tests en laboratoire seuls.
Les tests en laboratoire sont instructifs, mais ne permettent pas de faire des prévisions. Les expériences en chambre climatique évaluent de manière fiable la viabilité des graines et révèlent les différences génétiques entre les provenances, mais la correspondance avec l'établissement sur le terrain était faible, en particulier pour le hêtre. Les performances sur le terrain dépendaient en grande partie des conditions spécifiques au site, absentes dans les environnements contrôlés.
Les conditions locales sont aussi importantes que la provenance. Les variations de germination et de survie entre les micro-jardins étaient comparables aux variations entre les sources de graines. Une même provenance a donné des résultats très différents d'un site à l'autre, ce qui indique de fortes interactions entre la provenance et l'environnement et l'absence de source de graines universellement supérieure.
Les premiers stades de vie constituent le principal goulot d'étranglement. La plupart des décès sont survenus pendant la germination et le premier été. Sur environ 18 000 graines semées, seuls 97 plants étaient encore en vie après trois ans. Une germination élevée ne garantissait pas l'établissement, tandis que certaines provenances avec une germination initiale plus faible ont montré une survie post-établissement plus élevée.
Une surveillance sur le terrain pendant plusieurs années est essentielle. Les performances des semis au cours de la première année ne permettaient pas de prédire leur survie à long terme. Seule une surveillance continue permet d'identifier les sources de graines qui combinent une germination adéquate et une survie durable dans les conditions forestières locales.
Ces résultats démontrent que vos observations dans diverses conditions réelles génèrent des informations que les expériences contrôlées seules ne peuvent fournir. Votre surveillance continue permet de constituer la base de données dont nous avons besoin pour comprendre le potentiel d'adaptation dans des conditions climatiques changeantes.
Lorsque nous parlons de science citoyenne, nous faisons référence à la recherche qui s'appuie sur des données collectées par des personnes extérieures aux institutions scientifiques traditionnelles. Il s'agit d'une manière d'ouvrir la science à la société, tout en atteignant des niveaux d'observation qui seraient impossibles à atteindre pour les chercheurs seuls.
La science citoyenne a des racines profondes. Dans certains pays, ces efforts ont commencé il y a plus de deux cents ans. Par exemple, le réseau d'observation des coccinelles en Belgique a été créé en 1800 et a accumulé plus de 80 000 enregistrements depuis lors ! De même, le réseau d'observation phénologique en Autriche est actif de manière intermittente depuis 1851. Dans ces premiers projets, les citoyens suivaient des protocoles exigeants, répétaient des observations ou manipulaient même des équipements spécialisés. Cependant, la portée géographique de leurs observations restait limitée.
Au fil du temps, les progrès technologiques tels qu'Internet et les smartphones ont transformé ce que la science citoyenne peut accomplir. Aujourd'hui, de nombreux projets touchent des milliers de personnes à travers les pays, voire les continents, en demandant des données plus simples, voire simplement des photographies – pensez au célèbre réseau iNaturalist.
À partir de projets locaux impliquant une poignée de bénévoles engagés, la science citoyenne a évolué vers des initiatives à grande échelle qui recueillent des données précieuses mais simples auprès de milliers de participants à travers les pays et les professions, souvent avec rien de plus qu'un smartphone. Qu'en est-il de MyGardenOfTrees ?
MyGardenOfTrees est différent.
Qu'est-ce que la science citoyenne nouvelle génération ?
MyGardenOfTrees fait entrer la science citoyenne dans le domaine des expériences coordonnées distribuées (CDE), dans lesquelles des équipes collaboratrices mènent des expériences sur plusieurs sites tout en suivant le même protocole. Il est difficile d'atteindre une telle échelle temporelle et spatiale tout en gérant des expériences complexes, mais MyGardenOfTrees relève ce défi en faisant appel à des professionnels qui apportent une contribution significative à la recherche et aident à traduire les résultats en politiques et en actions. Cette approche collaborative repose sur plusieurs atouts clés :
La science citoyenne nouvelle génération : quand citoyens et scientifiques co-créent des solutions durables. NGCS propose aux citoyens des travaux très intéressants, en lien avec leur profession. Par exemple, dans MyGardenOfTrees, des forestiers et des scientifiques spécialisés dans les forêts coopèrent pour mener une expérience à l'échelle européenne afin de conseiller les décisions en matière de migration assistée.
Participation soutenue : les participants à MyGardenOfTrees retournent régulièrement dans leurs micro-jardins pour surveiller la germination, la survie et la croissance des graines au fil des saisons et des années.
Expérimentation active : les participants ne se contentent pas d'observer la nature, ils mènent des expériences en semant des graines provenant de différentes origines dans des conditions contrôlées.
Fidélité et complexité du protocole : les participants suivent des protocoles standardisés pour la collecte des données, garantissant ainsi que les résultats sont directement comparables entre des centaines de sites.
Diversité spatiale : grâce à des micro-jardins répartis dans toute l'Europe, le projet permet de suivre les réponses des plantes dans un large éventail de conditions climatiques et environnementales.
Profondeur temporelle : comme les observations sont répétées sur plusieurs années, les données offrent un aperçu rare de la dynamique précoce des forêts dans le contexte du changement climatique.
Tout cela est possible grâce à l'engagement d'un groupe de participants très particulier : les forestiers. Ils apportent à la fois leur expérience pratique et leurs connaissances professionnelles, ce qui leur permet de mener à bien des tâches expérimentales complexes tout en ayant un intérêt réel dans les résultats.
Cette collaboration place MyGardenOfTrees dans ce que nous appelons la science citoyenne de nouvelle génération (NGCS), des initiatives dans lesquelles les participants apportent leur expertise spécialisée et jouent un rôle actif dans des recherches structurées et fondées sur des hypothèses. Comme l'illustre la figure ci-dessus, MyGardenOfTrees se situe à l'interface entre la science citoyenne traditionnelle et les expériences distribuées coordonnées menées par des scientifiques, repoussant ainsi les limites de ce que la science participative peut accomplir.
Les scientifiques et les forestiers co-créent des solutions durables
La force des conclusions scientifiques dépend directement de la qualité et de la cohérence des données qui les sous-tendent.
Dans MyGardenOfTrees, chaque observation que vous enregistrez contribue à la constitution d'un ensemble unique de données à l'échelle du continent sur la germination des graines et la croissance des semis dans différentes conditions environnementales. Les observations issues du réseau coordonné de micro-jardins seront essentielles pour tester la façon dont le sapin blanc et le hêtre réagissent aux variations climatiques, informations qui permettront en fin de compte d'étayer les décisions relatives à l'adaptation des forêts et à la migration assistée.
Que pouvons-nous en retenir pour la science citoyenne en général ?
L'importance de la structure : des protocoles et des supports de formation clairs et standardisés garantissent la comparabilité des données collectées sur des centaines de sites.
L'importance de la communauté : les gens restent engagés lorsqu'ils ont le sentiment de participer à une aventure scientifique commune, et pas seulement lorsqu'ils soumettent une seule mesure.
Le retour d'information est important : le partage des mises à jour et des premières conclusions (comme dans ce blog ou dans la page des résultats de ce site web) renforce la motivation et rappelle aux participants que chaque observation a de la valeur
Ces principes montrent que la science citoyenne est plus efficace lorsqu'elle devient une collaboration entre les citoyens et les chercheurs, fondée sur un objectif commun et la confiance.
Votre engagement a déjà démontré que la science citoyenne peut atteindre un nouveau niveau de rigueur et d'engagement. À mesure que la collecte de données se poursuit, vos observations constitueront la base pour comprendre comment les arbres s'établissent, poussent et survivent sous différents climats.
Ces connaissances seront essentielles pour répondre à l'une des questions les plus pressantes de la foresterie moderne :
Comment pouvons-nous utiliser les résultats scientifiques pour guider la migration assistée et aider les forêts à s'adapter aux conditions futures ?
Ensemble, nous prouvons que la science citoyenne ne se résume pas à la participation, mais qu'il s'agit de co-créer la science qui contribuera à la préservation de nos forêts.
Le changement climatique rend la régénération naturelle de plus en plus incertaine. Dans nos expériences en chambre climatique – utilisant les mêmes lots de semences qui ont ensuite été envoyés aux participants –, nous avons testé deux facteurs de stress clés : des hivers plus courts et plus chauds qui réduisent la période de refroidissement des semences, et des printemps plus chauds et plus secs qui augmentent le stress évaporatif lors de la germination. Les analyses de notre chercheur postdoctoral, Leo Zeitler, montrent que les semis de sapin sont plus résistants dans ces conditions, tandis que le hêtre a du mal à s'établir lorsqu'il est confronté au stress climatique.
Dans les chambres climatiques, nous avons testé plus de 34 000 graines prélevées sur 32 populations de sapins et de hêtres à travers l'Europe, soit environ 10 familles de graines par population. Les graines ont été exposées à deux types de refroidissement hivernal ou de stratification (longue ou courte) et à deux conditions printanières (fraîche ou chaude/sèche). Nous avons ensuite suivi le développement des semis tous les quelques jours pendant trois mois, soit environ la durée d'une première saison de croissance naturelle. Nous avons observé les toutes premières étapes du développement des arbres, de la graine au jeune plant.
Une stratification courte a retardé la germination chez les deux espèces, tandis que des conditions de germination sèches et chaudes l'ont accélérée (voir figure ci-dessous). Fagus a présenté des taux de germination réduits (c'est-à-dire la proportion de graines qui ont germé) dans des conditions hivernales chaudes, tandis qu'Abies a maintenu des taux de germination élevés même dans des conditions printanières plus sèches et plus chaudes. Cependant, les effets de la stratification réduite sont apparus plus tard dans le développement : chez les deux espèces, les semis provenant de certaines provenances ont présenté un arrêt de croissance dans des conditions plus chaudes, révélant des interactions entre le patrimoine génétique des provenances et l'environnement dans lequel elles poussent. Le développement d'Abies a été davantage influencé par la provenance, ce qui suggère une divergence adaptative plus forte, tandis que Fagus a présenté une croissance plus régulière entre les provenances, indiquant un plus grand potentiel de colonisation.
Dans l'ensemble, les stratégies de cycle biologique diffèrent considérablement entre Abies et Fagus : alors que les graines d'Abies ont bien germé, tant en termes de capacité que de vitesse, nous avons observé une réponse plastique au stress plus tard dans le développement, sous la forme d'une réduction de la vitesse de développement sous stress. À l'inverse, Fagus a subi le stress dès la germination, produisant moins de semis qui poussent à un rythme régulier mais qui sont confrontés à une mortalité plus élevée par la suite.
Nos résultats montrent que le développement précoce des semis est influencé à la fois par le patrimoine génétique et les conditions environnementales, notamment le froid hivernal, l'eau disponible et l'accumulation de chaleur. L'utilisation d'autres provenances de sapins pourraient contribuer à maintenir les populations de sapins qui se régénèrent naturellement, même dans le contexte d'hivers plus courts et de printemps et d'étés plus chauds et plus secs prévus à l'avenir. En revanche, la régénération naturelle du hêtre pourrait être encore réduite dans les scénarios de changement climatique futurs, une conclusion largement confirmée par des recherches récentes sur les hêtres adultes.
Nous continuons à analyser les données des essais pilotes 2021-2023. Dans ces essais, 18 participants (situés de 100 à 1400 m d'altitude) de 7 pays différents ont planté des graines de 13 provenances d'Abies spp. et 10 provenances de Fagus spp. Les participants ont suivi la germination, la phénologie et la survie pendant la saison de croissance 2022. Les observations se poursuivent en 2023 et seront analysées après la fin des observations.
Nous résumons ici le succès et le rythme de la germination dans les chambres climatiques (au WSL) et dans les micro-jardins suivis par des forestiers de différents pays. Nous avons choisi de représenter le pourcentage cumulé de graines germées en fonction des degrés-jours, ou GDD, qui sont une mesure de l'accumulation de chaleur. En effet, pour que les graines germent et se développent en plantules saines, elles doivent être exposées au froid pendant l'hiver (chilling), puis à la chaleur et à l'humidité pendant la saison de croissance. Le GDD correspond à la somme des températures moyennes journalières supérieures à 5°C. L'utilisation du GDD, au lieu de la date, est significative d'un point de vue biologique, et permet également de comparer le développement des semis dans différents environnements. Les lignes indiquent la performance des différentes provenances et les points indiquent quand les observations ont été effectuées.
Des observations régulières sont précieuses et nécessaires. Le succès et le développement de différentes provenances dans différents environnements ne peuvent être analysés de manière robuste que grâce des observations régulières. Nous remercions tous les participants pour leur temps et leur travail ! Nous encourageons également les futurs participants à réaliser des observations même lorsque le taux de germination est faible, car ces données peuvent nous aider à identifier les conditions limitantes pour le développement des semis.
Des différences importantes sont notées entre les provenances et les micro-jardins. Les différences de croissance des arbres entre les provenances sont connues des forestiers. Cependant, il est moins connu que les provenances diffèrent également dans les premiers stades de croissance et de manière cohérente entre les environnements. Par exemple, le sapin de Nordmann de Géorgie et le hêtre de Slovénie ont donné de bons résultats dans la plupart des sites et dans les chambres climatiques. Pour certaines provenances, l'environnement a joué un rôle plus important : le hêtre d'Iran s'est très bien comporté dans les chambres climatiques, mais moins bien sur le terrain.
La germination sur le terrain peut être aussi élevée qu'en chambre climatique. Par exemple, le sapin de Corse et le hêtre du Massif armoricain ont montré une germination aussi élevée en chambre climatique que dans les micro-jardins, et le hêtre de Slovénie et le sapin de Roumanie ont eu une germination plus élevée en forêt qu'en chambre climatique.
Notre étudiant Mert Celik a poursuivi l'expérience en chambre climatique commencée par Johannes Alt (voir ci-dessous les résultats d'avril 2022) et a fini de tester toutes les provenances utilisées pour les essais 2021-2026. Cela inclut les provenances d'Abies alba, Abies nordmanniana, Fagus sylvatica et Fagus orientalis.
En utilisant le même cycle obscurité-lumière (16 h d'obscurité, 8 h de lumière), l'expérience a cette fois-ci été maintenue pendant 16 semaines pour déterminer si les taux de germination atteignaient un plateau. La température ambiante a été maintenue à 5-15°C pendant les neuf premières semaines, puis a été augmentée à 10-20°C pour le reste de la durée de l'expérience. Pour toutes les espèces et provenances, les taux de germination ont atteint un plateau entre 80 et 85 jours après le début de l'expérience.
En conclusion, Mert a combiné les résultats de la première et de la deuxième expérience et a montré que les taux de germination des espèces appartenant au genre Abies variaient entre 9% et 65% avec un taux de germination moyen de 33%. Le sapin de Nordmann (Abies nordmanniana) a surpassé toutes les autres provenances de sapin pectiné avec un taux de germination de 65%. Pour le genre Fagus, le hêtre oriental des montagnes iraniennes d'Alborz a atteint le taux de germination le plus élevé, soit 72 %. Pour toutes les provenances, les taux de germination variaient entre 0 et 72%, avec un taux moyen de 29%. Les hêtres de Roumanie (Carpates SE) et de Suisse (Salenstein) n'ont pas du tout germé pendant l'expérience.
Ces résultats reflètent en partie ce qui se passe dans les micro-jardins sur le terrain (voir les résultats préliminaires dans la section ci-dessous !).
Courbes de germination obtenues à partir des données de germination du sapin pectiné et du sapin de Nordmann (graphique du haut), et du hêtre européen et du hêtre oriental (graphique du bas) ; les lignes pointillées indiquent les traitements humides, les lignes pleines indiquent les traitements secs.
En fonction de la variable choisie, vous pouvez explorer :
le pourcentage de graines germées dans chaque jardin ("Micro-garden")
le nombre de graines germées à chaque stade de germination ("Germination stage")
le pourcentage de graines de chaque provenance ayant germé ("Provenances-Abies" ou "Provenances-Fagus")
l'évolution du pourcentage de graines germées par jardin ("Evolution-Abies" ou "Evolution-Fagus")
le nombre de graines germées pour chaque provenance et chaque micro-jardin ("Heatmap-Abies" ou "Heatmap-Fagus")
Une partie des provenances des semences utilisées dans les essais 2021-2026 ont été testées dans notre chambre climatique au WSL par Johannes Alt, étudiant en master. L'objectif de Johannes était d'évaluer le taux de germination des provenances sous un régime hydrique sec et humide. Le test de germination a été effectué dans une chambre climatique avec un cycle de 16h nuit et 8h jour à 5 - 15°C pendant huit semaines et 10 - 20°C pendant deux semaines supplémentaires.
Le hêtre européen a atteint un taux de germination moyen de 38,2% (allant de 29% à 59% selon les provenances) tandis que pour le sapin blanc, il était de 25,4% (9% à 39%). Les différents régimes hydriques n'ont pas eu d'effet significatif sur le taux de germination. Néanmoins, pour le hêtre européen et le sapin blanc, Johannes a trouvé un effet significatif de la provenance sur le taux de germination, indiquant que toutes les origines ne sont pas également adaptées aux conditions testées.
La deuxième expérience de germination avec le reste des provenances est actuellement en cours. Les résultats combinés de toutes les provenances fourniront une base de référence solide pour la comparaison avec la germination dans les micro-jardins. Cela nous aidera à générer des informations sur l'adéquation des différentes provenances et leur potentiel pour la migration assistée !
Courbes de germination obtenues à partir des données de germination pour le sapin blanc (A), et le hêtre européen (C) ; les lignes en pointillé indiquent le début du cycle de température plus élevées (10-20°C) ; les lignes pleines définissent la fin de l'expérience ; le jour 72 est utilisé pour calculer le taux de germination.
Des citoyens enthousiastes et des ONG d'Écosse, de France, d'Italie, de Suisse et de Hongrie nous ont aidés à développer différentes étapes du projet. Ensemble, nous avons testé la première version du plan expérimental et notamment l'effet de la prédation des graines par les rongeurs (à l'aide de cages à mailles) et de la concurrence (à l'aide de feuilles d'exclusion des mauvaises herbes).
Alors que la concurrence des autres plantules ne semblait pas avoir un effet important, la prédation des graines et des plantules par les souris et les limaces était un problème évident. Au vu de ces résultats, nous avons conçu un nouveau type de protecteur de graines que nous avons utilisé pour les essais suivants.
La science citoyenne est une belle façon de mener des recherches qui profitent à la fois à la communauté scientifique et au public. Grâce à nos premiers participants, nous avons pu passer en revue les différentes étapes de l'engagement et du travail avec les citoyens et nous préparer à la participation à grande échelle des prochains essais !
Jetez un oeil à cette vidéo de nos participants en Ecosse pour en savoir plus sur les essais de l'été 2021 !