Pollen Competition as a Target for Sexual Selection in Plants

Abstract

According to the theory of sexual selection, traits can evolve because they confer a mating advantage in competition with members from the same sex. In animals, sexual selection is considered as an important evolutionary force. In this thesis I have investigated the potential for sexual selection in plants. I have concentrated on the phase of reproduction that occurs after pollinators have deposited pollen on the stigma. At this stage, pollen competition can take place between individual pollen donors with the goal to fertilise a high proportion of the ovules. In greenhouse studies of Viola tricolor, pollen tube growth rate of donors was important for siring ability in competitive situations. Other pollen traits, such as pollen germination ability, pollen grain size and the ability to inhibit pollen from other donors was of less significance. Pollen tube growth rate was further heritable, which indicates that this trait can respond to selection. Genotype by environment interactions influenced pollen tube growth rate and sporophytic traits in V. tricolor. A theoretical model where both life phases were affected by genotype by environment interactions, showed that a balance between diversifying selection and pollen flow can maintain variation in pollen competitive ability despite strong selection. Pollen tube growth rate may not only be of importance for male reproductive success, but could also function as a cue for female choice. In V. tricolor, pollen donors with a high pollen tube growth rate showed a superior sporophytic quality, and sired offspring with enhanced fitness. Female traits that increase the probability to be fertilised by highly competitive pollen (e.g. a long pistil) may thus be selected. A theoretical analysis of both male and female interests during pollen competition indicated that pollen tube growth rate and pistil length can co-evolve in response to each other, though the response of both traits is not always positively correlated.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Hos djur är det vanligt att hannarna slåss om att få para sig med honorna, medan honorna är mer kräsna i sitt val av partner. Är det möjligt att växter gör på samma sätt? I min avhandling har jag visat hur pollen tävlar om att få befrukta de honliga fröämnena i pistillen hos styvmorsvioler (Viola tricolor). Det ligger även i honans intresse att välja en partner som producerar konkurrenskraftigt pollen, eftersom detta kan öka kvaliteten på avkomman. Generellt sett kan man förklara skillnader i könens parningsbeteende med teorin om det sexuella urvalet. Eftersom det oftast är honorna som lägger ner mest energi och tid på fortplantningen (tex i samband med graviditet och ungomvårdnad), får de fler överlevande ungar genom att satsa på att höja kvaliteten på sin avkomma. En hanne däremot får fler ungar ju större antal honor han parar sig med. Denna underliggande konflikt mellan hannar och honor leder till en situation där individer av samma kön konkurrerar med varandra i samband med parningen. Egenskaper som ger en konkurrensfördel gynnas och det kommer därför att ske ett urval av individer med dessa egenskaper, dvs de gener som ger upphov till egenskaperna kommer att spridas mer effektivt i populationen. Hos blomväxter sker reproduktionen genom att pollenkorn befruktar fröämnen i pistillen. Pollenkornen transporteras till andra blommors pistiller med hjälp av tex nektarätande insekter från blomman där de tillverkades. När pollenkornen har hamnat på en pistill måste de förflytta sina könsceller till pistillens andra ända där fröämnena finns. Detta sker genom att pollenkornen utvecklar pollenslangar som växer ner till fröämnena. Under denna process finns det möjlighet att individer som producerar mer konkurrensbenägna pollenkorn kan befrukta en större del av fröämnena. I min avhandling har jag undersökt det sexuella urvalets betydelse för evolution av egenskaper under pollenkonkurrensen i pistillen. Hos styvmorsvioler var pollenslangens tillväxthastighet av stor betydelse för den hanliga befruktningsframgången när pollen från flera individer konkurrerade. Andra egenskaper, som pollenkornens grobarhet, storlek eller genetiska blandning, var inte lika viktiga. Pollenslangens tillväxthastighet visade sig också vara ärftlig, så att fäder påverkade egenskapen hos sina söner. Detta indikerar att ett sexuellt urval av individer med snabbt växande pollenslangar verkligen kan påverka den genetiska sammansättningen av framtida populationer. Jag fann en individuell skillnad i hur pollenslangens tillväxthastighet påverkades av variation i miljöfaktorer hos styvmorsvioler. Denna skillnad mellan individer var inte bara begränsad till växtens pollenkorn utan påverkade även andra karaktärsdrag på liknande sätt. Dessa resultat öppnade möjligheten att försöka svara på en svår fråga inom evolutionsbiologin; nämligen hur det kan komma sig att man finner variation i egenskaper trots att de är viktiga för en individs överlevnad eller reproduktion. I en teoretisk modell visade det sig att variationen i pollenkorns konkurrensförmåga kan bibehållas trots att denna egenskap ständigt gynnas av det sexuella urvalet. Detta kan ske när växter skiljer sig i hur anpassade de är till en viss miljö både vad gäller livsduglighet och pollenkvalitet, förutsatt att pollen hela tiden transporteras mellan de olika miljöerna. Det är vidare möjligt att pollenslangens tillväxthastighet inte bara har betydelse för den hanliga reproduktionsframgången. Om denna egenskap speglar hur generna kommer att påverka livskraften hos avkomman, kan det löna sig för den honliga reproduktionsframgången att välja att bli befruktad av snabbväxande pollenslangar. Hos styvmorsvioler skulle detta kunna vara fallet eftersom en studie visade att individer som producerade snabbt växande pollenslangar var bättre även på andra sätt. Den avkomma de gav upphov till var också av högre kvalitet. Man skulle därför förvänta sig att egenskaper som ökar sannolikheten att bli befruktad av snabba pollenslangar, tex längre pistiller, gynnas hos denna arten. Här är det alltså det honliga inflytandet som direkt påverkar urvalet av pollenslangens tillväxthastighet. En teoretisk analys av könens olika intressen under pollenkonkurrensen i pistillen visade att pollenslangens tillväxthastighet och pistillens längd kan samevolvera. Båda egenskaperna ökar dock inte alltid i respons till varandra utan ibland tjänar könen på att producera egenskaper av motsatt storlek.

• author: Lankinen, Åsa
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof Armbruster, W. Scott, Norge
• organization: Department of Biology
• publishing date: 2000
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Ecology
• keywords: Sexual selection, Pollen tube growth rate, Pollen selection models, Pollen interactions, Pollen competition, Plants, Phenotypic plasticity, Non-random mating, Genotype by environment interactions, Mate choice, Viola tricolor., Plant ecology, Växtekologi
• pages: 158 pages
• defense location: Blue lecture hall, Ecology Building, Sölvegatan 37, Lund
• defense date: 2000-11-17 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: SE-LUNBDS/NBTE-00/1011+158pp
• ISBN: 91-7105-143-0
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Theoretical ecology (Closed 2011) (011006011), Department of Ecology (Closed 2011) (011006010)
• id: 11cb9b55-d7e5-4ee2-8184-6bad4c9cf791 (old id 40950)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:25:50
• date last changed: 2018-12-11 08:40:42