Under den senaste istiden, som nådde sin topp kring 21, 500 år sedan, glaciärer täckte stora delar av Nordamerika, inklusive hela området kring de stora sjöarna. När isen väl drog sig tillbaka, marken återbefolkades gradvis av träd som så småningom bildade täta skogar.

Men vad var källan till träden som utförde denna enorma postglaciala rekolonisering? Att identifiera den exakta platsen för dessa så kallade glaciala refugier – de platser där förfäder till dagens skogsarter överlevde den senaste istiden – har visat sig svårt och är ämnet för en pågående debatt bland biologer.

Nu, Forskare vid University of Michigan rapporterar att de använder en nyligen utvecklad genetisk teknik för att uppskatta den exakta longituden och latituden för istidsrefugia för två brett spridda hickoryarter, bitternöten och shagbarken.

Deras resultat stöder den kontroversiella idén att vissa träd sannolikt överlevde mycket längre norrut och närmare inlandsisen än vad man allmänt tror. Studien är planerad att publiceras veckan den 8 april Proceedings of the National Academy of Sciences .

Forskarna letade efter signaturerna från tidigare geografiska migrationer i trädens DNA. Deras resultat för bitternötshickory stödjer idén om nordlig mikrorefugia, platser där lokala klimatförhållanden kan ha tillåtit att isolerade trädpopulationer bevarats inom en region med allmänt ogästvänligt klimat.

"Den traditionella uppfattningen är att dessa trädslag bara överlevde i större refugier som ligger längre söderut, där det regionala klimatet var mycket varmare, sade Jordan Bemmels, första författare till PNAS papper.

"Våra resultat för bitternötshickory ger några av de starkaste bevisen hittills på att nordlig mikrorefugia existerade och var viktiga för överlevnaden för vissa tempererade trädarter under hela istiden, sa Bemmels, som genomförde studien för sin doktorsavhandling vid U-M Institutionen för ekologi och evolutionsbiologi.

Den antagna platsen för den norra mikrorefugiet är nära sammanflödet av floderna Mississippi och Ohio, i en region som idag omfattar sydligaste Illinois, sydöstra Missouri, nordöstra Arkansas och västligaste Kentucky.

När det händer, den platsen är bara 160 miles från en plats i sydvästra Tennessee, nära Memphis, där sällsynta bevarade rester av istidshickories hittades för decennier sedan.

Bemmels är nu postdoktor vid University of Georgia. Hans medförfattare på PNAS Christopher Dick och Lacey Knowles från UM Department of Ecology and Evolutionary Biology.

Att identifiera platserna för glacial refugia är viktigt för biologer av flera skäl. Förutom att hjälpa dem att förstå grundläggande skogshistoria, informationen gör det möjligt för dem att fastställa en baslinje som visar hur snabbt och hur långt trädarter kan migrera som svar på klimatförändringar.

Också, lokalisering av refugia hjälper biologer att identifiera trädpopulationer som kan vara genetiskt unika och viktiga för bevarandeinsatser. Nordliga trädpopulationer som nyligen återkoloniserades anses ofta vara oviktiga för bevarande av genetisk mångfald och långsiktig artöverlevnad i förhållande till sydliga populationer som tros vara reservoarer av unik genetisk mångfald.

Men Bemmels och hans kollegor drar slutsatsen att "ökande bevis på expansion från norra mikrorefugia tyder på att konventionell visdom om hantering av genetisk mångfald kan behöva revideras."

Många tillflyktsorter har föreslagits i östra Nordamerika, inklusive Gulf Coast, Atlantkustslätten, Lower Mississippi River Valley, södra Appalacherna, Floridahalvön och centrala Texas.

Olika forskningsverktyg har använts på problemet under åren, men alla har begränsningar. Klimatbaserade modeller identifierar endast breda områden av potentiella livsmiljöer, och traditionella studier av den geografiska fördelningen av genealogiska linjer ger dålig rumslig upplösning. Fossila pollenregister ger några ledtrådar om refugier, men dessa uppgifter är ofullständiga för större delen av östra Nordamerika vid tiden för den senaste istiden och har varit svåra att tolka.

I den aktuella studien, Bemmels och hans kollegor utnyttjade signaler om räckviddsexpansion från stora genomiska datamängder, med hjälp av ett simuleringsbaserat ramverk för att sluta sig till den exakta latitud och longitud för nordamerikansk glacial refugia för två hickoryarter.

Tekniken de tillämpade, en dataanalyspipeline som heter X-Origin, utvecklades i laboratoriet av medförfattaren Lacey Knowles vid University of Michigan. Det användes ursprungligen för att studera expansion av pikapopulationer i Alaska men har breda tillämpningar för att förstå geografin för utbyggnad av utbredning hos markbundna arter.

Forskarna undersökte mer än 1, 000 genetiska markörer spridda över arvsmassan av bitternöt och shagbark hickories, från datamängder som Bemmels genererade för en annan del av sin doktorsavhandling. Det genetiska materialet samlades in från cirka 150 individer i varje art, över hela spektrumet av båda arterna.

Riktningen och avståndet som träden migrerade från sin ursprungliga källpopulation lämnade efter sig distinkta mönster i deras DNA - fotspår som kunde spåras tillbaka till den geografiska källan.

Forskarna använde en datorsimuleringsteknik för att modellera räckviddsexpansion från olika tillflyktsorter och för att skapa förväntningar på de genetiska mönster som sannolikt skulle uppstå från dessa olika "expansionsursprung".

Sedan jämförde de de simulerade genetiska mönstren med de verkliga genetiska mönstren som extraherats från hickory tree DNA för att identifiera de mest sannolika scenarierna. Genom att upprepa processen miljontals gånger, de kunde statistiskt uppskatta latitud och longitud där förfäderna till moderna befolkningar överlevde den senaste istiden – något som inte tidigare gjorts för tempererade träd.

Den antagna platsen för glacial refugium för de andra studiearterna, shagbark hickory, ligger i östra Gulf Coastal Plain och omfattar större delen av Alabama, Mississippi och sydöstra Louisiana. Den placeringen motsvarar mer traditionella förslag om en tillflyktsort i söder.

"Förmågan att extrahera detaljer från populationsgenomiska data om var arter tog sin tillflykt när förändrade klimatförhållanden drev förändringar i deras utbredning innebär att forskarens verktygslåda nu har ett kraftfullt sätt att identifiera de geografiska koordinaterna för en sådan refugia i vilken art som helst, " sa Knowles.

Medförfattaren Dick tillade:"Även om den antagna nordliga fristaden i Mississippidalen i allmänhet var hård och ogästvänlig under istiden, det fanns förmodligen mildare förhållanden nära glaciärsmältvattensjöar - kända som mikroklimat - där vissa tempererade trädarter kunde bestå."

De PNAS papper har titeln "Genomiska bevis på överlevnad nära inlandskanter för vissa, men inte allt, Nordamerikanska träd."