castaneda2009 modelamiento distribucion especies

45
Introducción al modelamiento de la distribución de especies Nora P. Castañeda [email protected] Biosafety in LAC, 10 Nov 2009 CIAT, Cali, Colombia © Neil Palmer (CIAT)

Upload: nora-castaneda

Post on 25-May-2015

991 views

Category:

Technology


1 download

TRANSCRIPT

Page 1: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

Introducción al modelamiento de la distribución de especies

Nora P. Castañ[email protected]

Biosafety in LAC, 10 Nov 2009CIAT, Cali, Colombia

© Neil Palmer (CIAT)

Page 2: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

Contenido

• Por qué modelar especies?• Requisitos• Software• Usos• Validación modelos

Distribución actual de Vasconcellea quercifolia en Bolivia Distribución potencial de Vasconcellea quercifolia en Bolivia Distribución potencial corregida de Vasconcellea quercifolia en Bolivia

Page 3: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

Modelos de distribución

� Estimar nicho ecológico de las especies de interés

� Ampliar áreas de presencia potencial de la especie para análisis en SIG

� Especies con pocos registros georreferenciados � mín.10 registros

© karenblixen @flickr.com

Distribución real de

Cordia trichotoma

Distribución potencial de Cordia trichotoma

Cordia trichotoma

Page 4: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

Requisitos

Softwaremodelamiento

Variablesambientales

Procesamiento en Software GIS

RegistrosGeorreferenciados

de la especie

Modelo de Dist. potencial

Page 5: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

Variables ambientales

� 19 variables bioclimáticas

http://worldclim.org/

Page 6: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

Variables ambientales

� Variables edafológicas

http://www.isric.org/UK/About+ISRIC/Projects/Track+Record/SOTERLAC.htm

Page 7: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

Variables ambientales

� Variables topográficas

http://srtm.csi.cgiar.org/

Page 8: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

Variables ambientales

� Otras variables (i.e. regiones ecológicas, suelos)

http://www.fao.org/geonetwork

Page 9: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

Registros especies

� IABIN– 4 redes temáticas con

vínculos a diversos tipos de información

– Énfasis: América– Acceso libre al público

�GBIF– 189.471.323 registros

biodiversidad (9 Nov 2009)

– Global– Acceso libre al público

http://www.gbif.org/http://www.iabin.net /

Page 10: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

Registros especies

�SINGER– Registros de

accesiones en bancos de germoplasma del CGIAR

– Acceso libre al público

�GapAnalysis– 13 acervos genéticos

(7 en camino)– Datos totalmente

georreferenciados– Acceso libre al público

http://gisweb.ciat.cgiar.org/gapanalysis/http://www.singer.cgiar.org/

Page 11: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

Registros especies

� Calidad de datos � crucial!!� Ej.: Bases de datos GBIF

CURRENT STATUS OFTHE Plantae RECORDS

Page 12: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

Registros especies

• How to make the terrestrial data reliable enough?

– Verify coordinates at different levels• Are the records where they say they are?• Are the records inside land areas (for terrestrial plant species only)• Are all the records within the environmental niche of the taxon?

– Correct wrong references

– Add coordinates to those that do not have

– Cross-check with curators and feedback to the database

Page 13: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

• Using a random sample of 950.000 occurrences with coordinates

Page 14: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

• Are the records where they say they are?: country-level verification

Records mostly locatedin country boundaries

Inaccuracies incoordinates

Records with null country: 58.051 � 6,11% of total Records with incorrect country: 6.918 � 0,72% of totalTotal excluded by country 64.969 ���� 6,83% of total

Page 15: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

• Are the terrestrial plant species in land?: Coastal verification

Errors, and more errors

Records in the ocean: 9.866 � 1,03% of total Records near land (range 5km): 34.347 � 3,61% of totalRecords outside of mask: 369 � 0,04% of totalTotal excluded by mask 44.582 ���� 4.69% of total

Page 16: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

Not so bad at all… stats

• 44’706.505 plant records• 33’340.008 (74,57%) with coordinates• From those

– 88.5% are geographically correct at two levels

– 6.8% have null or incorrect country (incl. sea plant species)

– 4.7% are near the coasts but not in-land

Summary of errors or misrepresented data

Page 17: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

TOTAL EVALUATED RECORDS: 950.000

Good records: 840.449 ���� 88.47% of total

RESULTING DATABASE

Page 18: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

Verificación de coordenadas

� Verificación de coordenadas / módulo en DIVA-GIS

Registros especies

Page 19: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

� Verificación de coordenadas

Points outside all polygons Points do not match relations

Registros especies

Page 20: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

� Georreferenciación: Asignación de coordenadas

Registros especies

http://bg.berkeley.edu/

Page 21: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

Software

Elith et al., 2006. Novel methods improve prediction of species’ distributions from occurrence data. Ecography 29: 129-151

Page 22: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

Barker et al., n.d. Modeling the South American Range of the Cerulean Warbler. Presented at the ESRI International User Conference

© Proaves

Page 23: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

Software

http://openmodeller.sourceforge.net/

ANN - Artificial Neural NetworksAquaMapsBioclimCSM - Climate Space ModelEnvelope ScoreEnvironmental DistanceGARP - Genetic Algorithm for Rule-set ProductionGARP Best SubsetsSVM - Support Vector Machines

Page 24: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

Modelo 1Modelo 4

Cas

o:A

nnon

ach

erim

ola

Modelos en acción!

Page 25: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

How likely is geneflow from GM crops to their wild relatives in

centres of origin and diversity?

Meike Andersson, Carmen de Vicente, Diego F. Alvarez, Andy Jarvis, Glenn Hyman, Ehsan Dulloo

http://gisweb.ciat.cgiar.org/geneflow/

Page 26: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

Study crops1. Wheat2. Rice3. Maize4. Soybean5. Barley6. Sorghum7. Finger Millet8. Pearl Millet9. Cotton10. Oilseed rape11. Common bean12. Groundnut13. Cassava14. Potato15. Oat16. Chickpea17. Cowpea18. Sweet potato19. Banana & plantain20. Pigeon pea

� Global importance;� Worldwide production area; � Advancement of transgenic

technology; and � Contribution to food security

(crop species listed in the Annex I of the ITPGRFA and CGIAR mandate crops)

Criteria for selection

Page 27: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

Tool to visualize likelihood of gene flow and introgression

Five categories:

� Very high

� High

� Moderate

� Low

� Very low

Page 28: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

Slide 27

ed1 Perhaps i can merge this slide with the barley one Ehsan Dulloo, 3/27/2008

Page 29: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

CASE STUDY

Barley(Hordeum vulgare ssp. vulgare)

Page 30: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

Barley (H. vulgare ssp. vulgare)

� Annual, cool season crop, highly autogamous (98%)� Seed dispersal: water, animals� Volunteers frequent, weedy, but not invasive

Biological information

Pollen Flow

GM technology

� Mainly wind-pollinated, pollen viability a few hours

� Outcrossing 50 m

� Transformation protocols available � GM traits: pest/disease; malting & brewing� Field trials in Australia, Canada, Finland, Germany,

Hungary, Iceland, N/Zealand, UK and USA� To date, no reported commercial production of GM barley

Page 31: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

Barley

� 30 annual species in 4 sections� Compatible wild relatives

� Wild progenitor ssp. spontaneum� Closest wild relative: H. bulbosum

� Most Hordeum have limited geographical distribution

� Some spp. widespread (H. bulbosum) and weedy in many parts of the world (e.g., H. murinum, H. marinum, and H. jubatum)

Wild relatives

Hybridization potential

� GP1: domesticated barley and its wild ancestor H. vulgare ssp. spontaneum

� GP2: H. bulbosum

� GP3: all other Hordeum species

Page 32: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

Likelihood of gene flow and introgression in Barley

Page 33: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

Barley: Management recommendations

� Barriers with male-sterile bait plants around the area planted with barley to capture any escaped pollen; separation distance for seed production:

• USA and Canada: 3 m; OECD and EU 25-50 m;

� Control volunteer cereals through crop rotation; perform shallow tilling of the soil surface several days post-harvest.

� Special measures should be taken when transporting barley seeds to avoid seed spill out of harvesting vehicles; control volunteer plants in road sides

� At regional scale, segregation of crop types may be implemented to avoid contamination of seed production fields

Page 34: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

Barley

Conclusions� Introgression within barley crop-wild-

weedy complex possible

� Probability of introgression between barley and H. bulbosum is low

� Spontaneous hybridisation with other wild relatives is unlikely

� Dynamics of barley pollen flow; frequencies of outcrossing at various distances

Research gaps

Page 35: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

Book Publication

Page 36: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

Targeting Cassava Pest and Disease ProblemsTargeting Cassava Pest and Disease Problems

Climate change

EnvironmentCharacterization

Page 37: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

GapAnalysis

� 13 crop genepools analyzed, 7 analyses in the pipeline� Recommendations on which taxa are priority to conserve� Maps indicating what and where to collect� Results publicly available at: http://gisweb.ciat.cgiar.org/GapAnalysis/

Page 38: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

Phaseolus acutifolius var. tenuifolius

Page 39: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

Phaseolus acutifolius var. acutifolius

Page 40: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies
Page 41: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

Modelos en acción!

• Identificación de vacíos de colección de bancos de germoplasma

• Análisis de cambios de riqueza bajo diferentes escenarios cambio climático

• Análisis estado de conservación y amenazas de especies silvestres

• Identificación ambientes para la prueba de nuevos materiales.

• Entre otros…

Page 42: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

Validación modelos• ¿Son las variables usadas para generar el modelo, las más

adecuadas?C

aso:

Ber

thol

letia

exce

lsa

Climático Climático + ecoregiones 1

Climático + suelos 1

Climático + suelos 2

Climático + ecoregiones 2

Climático + ecoregiones 3

Page 43: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

Validación modelos

• Parámetros estadísticos– Area under the receiver Operating

Characteristic curve (AUC)– Receiver Operating Characteristic curve

(ROC)

– Correlation (COR)– Kappa

Page 44: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

Validación modelos

• Modelo basado en conocimiento de expertos• Validación y re-parametrización• KMLs de Google Earth + plugin + encuesta electrónica

Page 45: Castaneda2009 Modelamiento Distribucion Especies

Gracias

Esta presentación está disponible en:

http://www.slideshare.net/laguanegna