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
9
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

Abstract
10
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.

Résumé
11
RESUME 
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.

Résumé
12
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