Estimating contemporary pollen-flow and - ETH E

 DISS. ETH Nr. 21034
Estimating contemporary pollen-flow and associated
outbreeding effects on herbaceous plant populations
along altitudinal gradients
A dissertation submitted to ETH ZURICH for the degree of Doctor of Sciences presented by Philippe Matter
Diplôme d’ingénieur agronome, grade de master, ENSA Toulouse (F)
born March 31th, 1983
citizen of
France
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Jaboury Ghazoul, Examiner
Dr. Andrea R. Plüss, Co-Examiner
Dr. Juan-Jose Robledo-Arnuncio, Co-Examiner
Prof. Dr. Markus Fischer, Co-Examiner
2013 Abstract ABSTRACT
Current rapid global warming is inducing changes in local environmental conditions. To cope with those changes plant populations might migrate, adapt genetically, or react with phenotypic plasticity. Genetic adaption requires that the genetic diversity available is large enough to undergo selection, or it may occur through outbreeding and integration of beneficial, adaptive alleles. For outbreeding to happen, gene‐flow must be able to connect populations. The effects of outbreeding on plant populations are difficult to predict because they depend on many factors, including the level of genetic differentiation, the possible occurrence of local adaptation, and the existence of adaptive alleles in the populations concerned. Depending on these factors, populations subject to outbreeding events can either experience outbreeding vigour, outbreeding depression, or remain unaffected. In mountainous ecosystems, because of the strong environmental gradients, plant populations are undergoing potentially divergent selection pressures which give rise to different local adaptations even within short distances. Altitude and the associated temperature change is one of the most important gradients in mountain ecosystems. Rising temperatures due to global warming have proven to induce a shift of plant species and communities towards higher altitudes. Species not able to migrate will have to rely on their plasticity or the possible integration of adaptive alleles from lower populations, enabling them to cope with e.g. warmer temperatures. In this research, I investigated both the extent of gene‐flow and the potential consequences of inter‐
population outbreeding on mountain plant populations. I used two common and perennial herbaceous species, the mountain clover Trifolium montanum L. and the bulbous buttercup Ranunculus bulbosus L.. In order to simulate the 3K temperature increase expected in the next century in the European Alps, I investigated plant populations located 600m elevation apart. I focused on pollen‐flow because it is more efficient to disperse genes between existing populations than seed‐flow. Outbreeding assessment was done with various populations from Switzerland located at 1200 and 1800m a.s.l.. Investigation of pollen‐flow was based on molecular genetic methods, for which I first had to develop the necessary tools for fingerprinting. For each of the study species I developed a set of microsatellite markers. Ranunculus bulbosus samples were genotyped with seven microsatellites while T. montanum samples were genotyped with eleven microsatellites. In the first part (Chapter 2) I used a paternity analysis to explore patterns of contemporary pollen dispersal in an experimental population. Although not realized in a natural population because of the 9 Abstract high density of conspecifics, this direct‐assignment method has the advantage of having a great resolution, and allows for investigating correlated paternity and mating system. I found that the majority of the dispersal occurred over very short distances, and that long distance dispersal events happened over 300m. Trifolium montanum proved to have slightly less extensive pollen dispersal than R. bulbosus even though R. bulbosus was displaying very variable and sometimes high selfing rates. Also, R. bulbosus proved to have higher level of correlated paternity compared to T. montanum. In the second part (Chapter 3), I used a pollen‐pool analysis, an indirect‐assignment method, which allows investigating pollen‐flow in large populations with limited sampling effort compared to a paternity analysis that would be realized at the same scale. This method was applied on a 1200 to 1800m a.s.l. altitudinal gradient, and the patterns of contemporary pollen dispersal were set in relation with flowering phenology along the gradient. Historic gene‐flow was also assessed and proved to be extensive, as revealed by very low Fst values; genetic diversity was similar along the gradient. In T. montanum, contemporary pollen flow proved to be extensive and able to connect higher and lower populations. In R. bulbosus, pollen‐flow appeared to be slightly less extensive, which was consistent with the decreasing density of individuals along the gradient and the smaller flowering overlap compared to T. montanum. In the third part (Chapter 4), I used several populations of R. bulbosus from 1200 and 1800m a.s.l. to investigate the effects of outbreeding in regard to altitudinal and geographical origin of pollen (relative to the recipient population). I realized controlled crosses among population arranged in three geographical replicates and assessed seed‐set, germination, growth, flowering phenology and fitness of the offspring over two growing seasons. Outbreeding effects in terms of fitness were mainly driven by geographical origin, while growth was partially affected by the altitudinal origin of pollen, however only in the higher populations. Higher and lower populations differed in several traits, which were attributed to a potential home effect of the lower vs. higher populations in the greenhouse conditions. Taken together, these findings suggest that R. bulbosus and T. montanum are likely to be resilient to climate change, owing to populations’ very low genetic differentiation, high genetic diversity, and to their connectivity. The lack of strong outbreeding effects due to altitudinal origin of pollen suggests that local adaptation is not occurring in those populations. I conclude that alleles from other populations can be integrated easily which increases the reaction potential of plant populations in the face of global warming. 10 Résumé RESUME
L’actuel réchauffement climatique entraine de profonds changements en termes de conditions environnementales. Pour faire face à ces changements, les populations végétales peuvent migrer vers de nouveaux milieux, développer des adaptations génétiques ou résister localement grâce à la plasticité phénotypique. Pour qu’une adaptation génétique puisse avoir lieu, la population concernée doit avoir une diversité génétique suffisamment importante afin de permettre l’action de la sélection naturelle. L’adaptation génétique d’une population peut également avoir lieu grâce à l’exogamie (outbreeding), permettant l’intégration d’allèles adaptifs provenant d’autres populations. Les effets de l’exogamie sur les populations sont difficilement prévisibles car ils dépendent d’un grand nombre de facteurs : la différentiation génétique entre les populations concernées, la possible adaptation locale ou l’existence préalable d’allèles adaptatifs. En fonction du degré de chacun de ces facteurs, les populations sujettes à l’exogamie peuvent soit montrer des signes d’hétérosis, soit de dépression génétique ; cependant il est aussi possible qu’elles ne soient pas affectées. Dans les écosystèmes de montagne, les forts gradients environnementaux à l’origine de pressions de sélection considérablement différentes peuvent induire l’apparition d’allèles adaptatifs même dans le cas où les populations sont géographiquement proches. L’altitude et les changements de température qui lui sont associés constituent l’un des gradients environnementaux les plus importants dans les écosystèmes de montagne. L’élévation des températures suite au changement climatique a déjà été identifiée comme une cause responsable de la migration d’espèces et de communautés végétales vers des altitudes plus élevées. Les espèces dans l’incapacité de migrer vers de plus hautes altitudes devront soit résister grâce à la plasticité phénotypique, soit intégrer des allèles adaptatifs provenant des populations de basse altitude pour leur permettre, par exemple, de faire face à des températures plus élevées. Ce projet de recherche examine l’étendue du flux de gènes entre populations de différentes altitudes et les conséquences possibles de l’exogamie chez ces populations. Pour ce faire, j’ai utilisé deux espèces communes pérennes : le trèfle des montagnes Trifolium montanum L. et la renoncule bulbeuse Ranunculus bulbosus L.. Afin de simuler l’élévation de température attendue au cours du siècle à venir, soit 3K dans les Alpes européennes, j’ai basé mon étude sur des populations végétales séparées par 600m d’altitude. Je me suis concentré sur le flux de pollen plutôt que sur le flux de graines, le premier étant plus efficace dans l’échange de gènes potentiel entre populations existantes. L’évaluation des effets de l’exogamie a été réalisée avec plusieurs populations de Suisse, localisées à 1200 et 1800m d’altitude. 11 Résumé L’étude du flux de pollen a fait appel à des méthodes de génétique moléculaire, pour lesquelles j’ai d’abord dû mettre au point les outils nécessaires pour le génotypage. Pour chacune des deux espèces d’étude, j’ai développé un kit de marqueurs microsatellites; les échantillons de R. bulbosus ont été génotypés à l’aide de sept marqueurs et ceux de T. montanum avec onze marqueurs. Dans la première partie (Chapitre 2), j’ai utilisé une analyse de paternité pour explorer les caractéristiques de la dispersion récente du pollen dans une population expérimentale. Bien que n’ayant pas été réalisée dans une population naturelle, à cause d’un trop grand nombre d’individus, cette méthode d’assignation directe présente l’avantage d’une grande résolution et permet d’examiner le degré de corrélation de paternité ainsi que le système de reproduction des espèces étudiées. Il est ressorti de cette expérience que la majorité du pollen se disperse sur de très courtes distances mais que la dispersion maximale peut s’étendre jusqu'à plus de 300m. La distance de dispersion du pollen chez T. montanum semble avoir été moins étendue que chez R. bulbosus, même si chez ce dernier l’autopollinisation était parfois très fréquente. Par ailleurs, le degré de corrélation de paternité était plus élevé chez R. bulbosus que chez T. montanum. Dans la deuxième partie (Chapitre 3), j’ai utilisé une analyse de type «pollen‐pool», méthode d’assignation indirecte permettant d’examiner les flux de pollen en populations naturelles avec un taux d’échantillonnage plus restreint comparé à une analyse de paternité réalisée à la même échelle. Cette méthode a été utilisée sur des populations de R. bulbosus et T. montanum situées le long d’un transect de 1200 à 1800m d’altitude, et les caractéristiques de la dispersion récente du pollen ont été mises en relation avec la phénologie de floraison des populations. Le flux de gènes historique a aussi été examiné; celui‐ci s’est révélé être important, comme indiqué par des valeurs de Fst très basses. La diversité génétique était également similaire le long de ce gradient. Chez T. montanum, le flux de pollen était très extensif et capable de connecter les populations de hautes et basses altitudes. Comparé à T. montanum, le flux de pollen était légèrement plus limité chez R. bulbosus, concordant avec une densité de population diminuant avec l’altitude et un plus faible degré de floraison simultanée entre populations. Dans la troisième partie (Chapitre 4), j’ai utilisé plusieurs populations de R. bulbosus de 1200 et 1800m d’altitude afin d’examiner les effets de l’exogamie, potentiellement différents selon l’altitude et la région d’origine du pollen (relativement à la population réceptrice). J’ai réalisé des croisements contrôlés entre les populations arrangées en trois réplicats géographiques et examiné la production de graines, la germination, la croissance, la floraison et la fitness des descendants pendant deux saisons. En termes de fitness, les effets de l’exogamie étaient principalement conditionnés par l’origine géographique du pollen, alors que la croissance était partiellement influencée par l’altitude 12 Résumé d’origine mais uniquement dans les populations de haute altitude. Les populations de haute et basse altitude se sont différenciées par plusieurs caractères, notamment de croissance, résultant d’un possible effet de l’altitude d’origine des populations réceptrices. L’ensemble de ces résultats suggère que R. bulbosus et T. montanum seront probablement peu affectés par le changement climatique, car leur populations disposent d’un faible degré de différentiation génétique, d’une grande diversité génétique et sont largement connectées génétiquement. Le fait que l’exogamie n’ait pas un impact très marqué entre populations de différentes altitudes suggère un très faible degré d’adaptation locale dans ces populations. J’en conclus que les allèles adaptatifs de populations de différentes altitudes peuvent être échangés facilement entre elles, augmentant le potentiel de réaction de ces populations face au réchauffement climatique actuel. 13