Advanced

Geographic Distribution of Intra-specific Variation in Widespread Eurasian boreo-nemoral Woodland Herbs

Tyler, Torbjörn LU (2002)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Geografisk fördelning av inomartsvariation i vittspridda Euroasiska skogsväxter



Torbjörn Tyler Sammanfattning av författaren's doktorsavhandling



Inledning Arter's utbredningar bestäm's inte bara av omvärldsfaktorer som klimat och jordmån utan även av de möjligheter det givit's dem att sprida sig. För att sprida sig över stora geografiska områden kräv's tid och i en värld där allt från storskaligt klimat till förekomsten av lämpliga växtlokaler hela tiden förändra's blir tidsfaktorn ofta av avgörande betydelse.. Detta gäller isynnerhet för växter som per definition är orörliga organismer. Med arter följer dera's gener. Liksom arter har geografiska utbredningar... (More)
Popular Abstract in Swedish

Geografisk fördelning av inomartsvariation i vittspridda Euroasiska skogsväxter



Torbjörn Tyler Sammanfattning av författaren's doktorsavhandling



Inledning Arter's utbredningar bestäm's inte bara av omvärldsfaktorer som klimat och jordmån utan även av de möjligheter det givit's dem att sprida sig. För att sprida sig över stora geografiska områden kräv's tid och i en värld där allt från storskaligt klimat till förekomsten av lämpliga växtlokaler hela tiden förändra's blir tidsfaktorn ofta av avgörande betydelse.. Detta gäller isynnerhet för växter som per definition är orörliga organismer. Med arter följer dera's gener. Liksom arter har geografiska utbredningar har olika genetiska varianter av samma art det. De olika genetiska varianterna's utbredning bestäm's i hög grad av effektiviteten i flödet av gener mellan geografiskt åtskilda populationer av samma art. Genetisk inomartsvariation är av avgörande betydelse för en art's förmåga att anpassa sig till nya klimat och miljöer som den kan stöta på under sin spridning eller under en pågående miljöförändring. Ho's växter sprid's gener främst med frön och pollen. Såväl frön som pollen kan vara av olika storlek, producera's i olika mängd och sprida's på olika vi's. Anpassningar för spridning med olika bärare, exempelvi's djur, vind eller vatten, är vanliga men dessa anpassningar's effektivitet vid spridning över olika stora avstånd är omdiskuterad. Detta till trot's har många skogsväxter utbredningsområden som sträcker sig över flera tusen kilometer och ofta är individer av samma art från olika delar av sådana stora utbredningsområden förvånansvärt lika, såväl till det yttre som genetiskt.



Eftersom olika historiska processer skapar olika mönster i den geografiska fördelningen av inomartsvariation kan denna använda's som ett verktyg för att förstå arter's spridning, dera's historiska utbredning och förändringar i densamma samt effektiviteten i flödet av gener på olika geografiska och temporala skalor. Det är detta jag studerat i min avhandling, och då särskilt ho's skogsväxter med en stor geografisk utbredning i de boreala och nemorala vegetationszonerna i Euroasien.



Historiska förändringar i klimat och vegetation Under de senaste årmiljonerna har klimatet på norra halvklotet genomgått cykler med en periodicitet av ungefär 100 000 år. Under merparten av varje cykel har klimatet varit mycket kallare än idag med glaciärbildning över stora delar av Nordeuropa, men dessa istider har avbrutit's av relativt korta perioder av klimat liknande dagen's. Ofta har klimatförändringarna varit ofattbart hastiga. Förändringar i året's medeltemperatur på upp till 14° inom några få årtionden har förekommit (Dansgaard m. fl. 1993), åtminstone i områden med glaciärtäcken. Den senaste istiden började för ungefär 75 000 år sedan och hade sitt maximum så sent som för ca 20 000 år sedan. Kort härefter blev klimatet, med vissa dramatiska återfall, hastigt varmare. Under istidsmaximum var hela Skandinavien, allt utom den sydvästligaste delen av de Brittiska öarna, Centraleuropa ned till en linje från södra Jylland till Berlin samt de Baltiska staterna och Östfennoskandien mer eller mindre helt täckt av i's. Samtidigt var havsnivåerna ungefär 100 m lägre än idag varför stora områden i Nordsjön liksom Engelska kanalen och de danska sunden periodvi's var land.



Under den kallaste perioden för ca. 20 000 år sedan fann's skogsvegetation i Eurasien endast i vissa mindre bergsområden i Sydeuropa och Centralasien, och det är egentligen endast på Balkan som man med säkerhet vet att det funnit's sluten skog under hela den senaste istiden (Bennet m. fl. 1991). Dagen's skogsarter torde sålede's ha överlevt istiden i mycket begränsade områden som dessutom sannolikt var starkt splittrade och föränderliga över tiden. Genetiska studier har visat att djur och växter som idag lever i Nordeuropa's skogar överlevde den senaste istiden i olika områden i Sydeuropa eller i några fall i Mindre Asien eller västra Sibirien (se Taberlet m. fl. 1998). Dessa arter måste sålede's efter istiden ha spridit sig över avstånd på upp till 4 000 km under några få tusen år. Europa's stora bergskedjor förefaller ha utgjort svåra hinder för spridningen av många studerade arter. Ho's merparten av de djurarter som hittill's studerat's och som överlevt istiden såväl i Spanien som i Italien och på Balkan har endast de populationer som överlevt på Balkan förmått sprida sig över norra Europa efter istiden (Hewitt 1999).



Skandinavien började bli isfritt för ca. 14 000 år sedan och då ungefär samtidigt i Sydsverige och i sydöstra Finland (Lundquist 1994). De sista stora glaciärerna i Skandinavien smälte för ca. 7000 år sedan. Men redan för ca. 9000 år sedan var klimatet som allra varmast och nyfunna fossil visar att det då växte värmekrävande lövträd som lind och klibbal långt norr om dessa arter's nuvarande utbredningsgränser (Kullman 1998). Även om man kan tänka sig att det inledningsvi's handlade om glest spridda träd så visar dessa fossil att träden's invandring gått mycket snabbare, och därmed att dera's spridning's-förmåga varit större, än vad man tidigare trott. Man kan samtidigt fråga sig om det inte kan ha funnit's spridda träd nära iskanten i Centraleuropa även under istiden's kallaste period trot's att tidigare studier av främst fossilt pollen inte kunnat visa detta (se Kullman 1998, Stewart & Lister 2001). Huruvida några arter kan ha överlevt istiden på små isfria områden i Skandinavien har länge diskuterat's flitigt (se t. ex. Sernader 1896, Nordal 1987, Dahl 1991). Det skulle i så fall gälla högalpina fjällväxter. Sentida genetiska studier har emellertid visat att om det överhuvud taget funnit's sådana övervintrande populationer så har de i vart fall intehaftnågon större betydelse för den senare spridningen av dessa arter i Nordeuropa (Tollefsrud m. fl. 1998, Gabrielsen m. fl. 1997). Av de arter som invandrat söderifrån och som studerat's genetiskt har man funnit att förvånansvärt många kommit till Norden från både öster och söder, och då ofta i genetiskt särpräglade populationer (t. ex. Taberlet m. fl. 1995, Johnk & Siegismund 1997, Nordal & Jonsell 1998, Jaarola m. fl. 1999).



Orsaker till genetiska variationsmönster Genetisk variation kan endast uppkomma genom mutationer, d.v.'s. slumpmässiga förändringar i arvsmassan som antingen orsaka's av kemisk påverkan eller av sällsynta fel i replikation's-processen vid celldelningen. Eftersom uppkomst av genetisk variation genom mutationer för de flesta gener är en mycket långsam proces's kan denna endast på mycket lång sikt påverka variationsmängden inom en art eller population. Av större betydelse är arten's eller populationen's förmåga att behålla den variation som uppkommit. Variation förlora's genom selektion mot mindre livsdugliga varianter av en art, men denna selektion verkar endast på delar av arvsmassan och är i princip oväsentlig för den typ av variation jag studerat. Denna 's. k. selektivt neutrala genetiska variation förlora's istället genom slumpprocesser orsakade av att varje ny generation utgör ett slumpmässigt urval av föregående generation. Om man i en skål har nio röda och en vit kula och man av dessa slumpmässigt väljer fem som lägg's i en ny skål är sannolikheten ganska stor att den nya skålen endast skall innehålla röda kulor. Denna liknelse blir tillämpbar på levande organismer om man tänker sig kulorna som individer, färgerna som genetiska varianter, skålarna som generationer och de utvalda kulorna som de individ som reproducerar sig i varje population. Ju mindre en population är och ju färre individ det är som reproducerar sig och bidrar till kommande generation desto större är sannolikheten att någon variant skall gå förlorad. Styrkan i denna proces's, som brukar kalla's ‘genetisk drift’, är sålede's beroende av populationen's storlek och hur stor andel av des's individ som bidrar till nästa generation. Det senare beror inte bara på hur många som reproducerar sig utan även på om alla individ, oavsett hur de är släkt med varandra, reproducerar sig lika mycket och om denna reproduktion innebär sexuellt utbyte mellan individer eller någon form av inavel. Man kan sammanfattningsvi's säga att arter och populationer som innehåller få individ, varav dessutom endast en liten andel reproducerar sig och där de som gör så dessutom är nära släkt och förökar sig genom någon form av inavel, över tiden kommer att förlora mer variation än arter och populationer med motsatta egenskaper. Att detta gäller inte bara i teorin utan även i praktiken har visat's genom jämförelser av variation's-mängden ho's ett mycket stort antal växtarter med olika egenskaper (Hamrick & Godt 1989) men sambandet är inte så strikt att det på förhand går att säkert förutsäga hur mycket variation en vis's ostuderad art skall ha.



Ho's populationer av en art, komplicera's bilden av att variation kan tillföra's från andra populationer och detsamma gäller i de fall det sker mer eller mindre sällsynt överföring av gener mellan arter. Effektiviteten i genflödet mellan populationer är av stor betydelse för mängden genetisk variation inom dem. Sålede's innehåller populationer av arter som har nästan kontinuerlig utbredning i landskapet och effektiv spridning av pollen och frön, som exempelvi's många vindpollinerade trädslag, i genomsnitt mer variation än populationer som är genetiskt isolerade från varandra och har varit så under lång tid (Hamrick & Godt 1989). Samtidigt har genetiskt isolerade populationer möjlighet att utveckla särdrag som skiljer dem från andra populationer. Sålede's tenderar en större andel av den totala variationsmängden att bero på skillnader mellan populationer ho's en art med mer isolerade populationer och populationer som varit begränsade till olika refugieområden under t. ex. en istid kommer att utveckla genetiska särdrag. När sådana populationer en dag sprider sig och kommer i kontakt med varandra består de genetiska särdrag som kan avslöja dera's ursprung och historia Med genetiska metoder har det varit möjligt att visa läng's vilka vägar åter-kolonisationen efter istiden skett för många europeiska skogsträd och däggdjur samt för vissa mycket sällsynta arter, men före mitt arbete fann's det inga motsvarande studier av vanliga och vittspridda skogsörter.



När en växtart sprider sig från en lokal till en annan är det vanligen ett fåtal individ som står för spridningen och dessa kommer att bära med sig endast ett litet urval av den variation som finn's i ursprungspopulationen. Många, men långt ifrån alla, studier av mängden genetisk variation i områden som koloniserat's efter istiden och sådana som aldrig har varit nedisade har visat att de senare innehåller signifikant mer variation än de förra. Beroende på hur spridningen till ytterligare nya lokaler sedan fortgår kan olika variationsmönster uppkomma. Om det hela tiden endast är de populationer som är närmast spridningsfronten som koloniserar nya lokaler så sker det ett upprepat urval ur samma variationsmängd och den genetiska variationen kommer snabbt att minska i spridningsriktningen. Samtidigt kommer det första urvalet, d.v.'s. den variation som fann's ho's den population som först började sprida sig, vara helt avgörande för vilka varianter som kommer att finna's i alla senare spridda populationer. Denna typ av spridning blir resultatet om spridningsavstånden är normal-fördelade, d.v.'s. om relativt många frön sprider sig medellånga avstånd men mycket få sprid's över mycket långa avstånd, och resultatet blir särskilt tydligt om växten's lokaler eller habitat är starkt fragmenterat. Detta är det traditionella sättet att se på spridning av frön och det rimliga resultatet om spridning över alla avstånd beror av en och samma proces's och sker med samma hjälpmedel, men som det är mycket svårt att i större skala studera fröspridning över stora avstånd har man nästan aldrig kunnat observera detta i naturen. Ju mer fragmenterad en art och des's livsmiljö är desto mer variation kommer att förlora's vid denna typ av spridningsproces's.



Ett alternativ till ovanstående är att tänka sig att spridningen fortgår så att nya lokaler på olika avstånd från ursprungsområdet hela tiden kolonisera's genom oberoende långspridning från en stor population i ursprungsområdet, och att de nya populationerna i sig endast sprider sig långsamt och över korta avstånd. Denna typ av spridning blir resultatet av en 's.k. leptokurtisk spridningsfunktion där nästan alla frön sprid's mycket korta avstånd men där de frön som sprid's längre än så har nästan lika stor sannolikhet att transportera's över alla, såväl medellånga som mycket långa avstånd. En sådan spridning's-funktion kan vara rimlig om man antar att spridning över olika avstånd sker med olika medel och styr's av helt olika processer – en tanke som på sistone blivit populär bland flera forskare för att förklara hur spridningen av växter efter istiden kan ha gått så snabbt som den uppenbarligen har gjort. Det genetiska resultatet av en leptokurtik spridningsproces's bör bli att enskilda populationer är distinkt genetiskt olika och var för sig hyser lite variation men att den sammanlagda variationsmängden inom alla populationer inom ett större geografiskt område kan vara relativt stor även inom områden dit arteren spridit sig relativt nydligen.



Huruvida och i vilken form genetiska variationsmönster efter spridningsförlopp bibehåll's över tiden beror sedan på hur mycket genflöde och spridning det sker inom det koloniserade området. Om spridningen är effektiv kan mönstren med tiden sudda's ut men om å andra sidan utbredningsområdet är stort i jämförelse med spridningsavstånden kan de geografiska mönstren istället förstärka's med tiden.



I min avhandling diskuterar jag även andra processer som påverkar mängden genetisk variation i olika områden och på olika geografiska skalor men som tidigare inte uppmärksammat's så mycket. Sådana processer kan bero på att populationer i utkanten av en art's utbredningsområde ofta är mindre och glesare samt lever under mindre optimala betingelser och därför förökar och sprider sig sämre än populationer mer centralt i arten's utbredning's-område. Teoretiskt bör det därför vara så att genetisk variation med tiden ansamla's i de centrala delarna av en art's utbredningsområde alldele's oavsett om det skett någon sentida ökning av utbredningen's storlek eller ej. Huruvida denna proces's, som förmodligen är mycket långsam, har någon praktisk betydelse i naturen återstår dock att klarlägga.



Genom att studera den genetiska inomart's-variationen's geografiska fördelning kan man sålede's få många ledtrådar till frågor om arter's tidigare utbredning och dera's spridning i såväl tid som rum och över såväl stora som små avstånd. Men eftersom det är många olika och delvi's motverkande processer som skapar geografiska variationsmönster och det i många fall är praktiskt omöjligt att genomföra realistiska empiriska experiment för att studera effekterna av de olika processerna blir resultaten i allmänhet mer av ledtrådar som ger idéer och olika tolkning's-möjligheter än av distinkta svar på bestämda frågor. Efterhand som allt fler arter studera's blir det dock möjligt att urskilja generella mönster och avvikelser möjliga att förklara eller som kan bli föremål för fortsatt och mer preciserad forskning. Viktigt att komma ihåg när man försöker tolka resultaten av geografisk-genetiska studier är att de mönster man ser är resultatet av processer som pågått över lång tid, och ännu pågår, och att de grundläggande förutsättningarna för dessa processer, exempelvi's arten's utbredning, klimatet och graden av mänsklig påverkan kan ha förändrat's upprepade gånger under den period som mönstren skapat's.



Metoder att studera geografisk inomartsvariation För att kunna studera geografiska variation's-mönster måste man först finna någon form av variation som är enkel att observera och kvantifiera och som helst har en välkänd genetisk bakgrund. Ibland finn's enkla morfologiska karaktärer, t. ex. färgvarianter som uppfyller dessa krav men oftast sakna's sådana karaktärer. Morfologiska varianter har dessutom ofta olika överlevnadsvärde, är sålede's utsatta för naturlig selektion och dera's fördelning kan därför inte enkelt tolka's som resultatet av slumpmässiga historiska processer. I min avhandling har jag främst använt variation i olika enzymer som markörer för genetisk variation, 's.k. allozymstudier. Enzymer är proteiner som fungerar som biologiska katalysatorer och deltar i omvandlingen av olika organiska ämnen i alla levande celler. Vad jag gjort är att jag studerat fördelningen av olika varianter av en rad olika enzymer mellan populationer från olika geografiska områden. Nedärvningsmönstren för dessa enzymer är i regel kända och enkla så att man lätt kan räkna om den enzymvariation man ser till ‘ren’ genetisk variation. De olika enzymvarianterna anta's dessutom i allmänhet vara selektivt neutrala. Rent praktiskt har jag själv, eller oftare med hjälp från kolleger och lokala botanister, insamlat levande plantor eller frön från ca. 25 individ i varje population som jag velat studera. Sedan har jag malt levande bladmaterial i en lösningsbuffert och dränkt in små pappersbitar med extraktet. Dessa pappersbitar med enzymer kan sedan förvara's frusna vid -80°C under många år. När man vill studera enzymvariationen placerar man sina pappersbitar med extrakt i en stärkelsegel över vilken man lägger ett elektriskt spänningsfält. Allt eftersom vilken elektrisk laddning, storlek och form enzymerna har kommer de att vandra olika snabt i spänningsfältet och gelen och härigenom kan man särskilja olika varianter av samma enzym. Denna metod kalla's enzymelektrofore's. Efter några timmar i gelen tillsätter man enzymet's substrat, låter det ‘arbeta’ en stund under lämpliga betingelser varefter gelen färga's med något som synliggör slutprodukten av enzymet's arbete. På så sätt kan man se hur långt de varianter av enzymet som varje växtprov innehöll har vandrat i gelen.



Andra vanliga metoder att studera genetisk variation är att studera variation i olika mer eller mindre preciserade delar av själva arvsmassan, DNA. Dessa metoder är i regel mer tid- och kostnadskrävande än enzymelektrofore's men kan i gengäld påvisa mer variation och därigenom ge mer data att analysera. För att kunna hinna studera och jämföra flera olika arter och kunna analysera ett stort antal populationer från ett stort utbredningsområde har jag valt att endast använda enzymelektrofore's i mitt avhandlingsarbete. En mycket populär metod att studera geografisk-genetisk inomartsvariation har på sistone varit att studera variation i kloroplasten's DNA. Detta nedärv's ho's de flesta växter endast på mödernet och de mönster man finner med denna metod speglar sålede's spridningen av frön oberoende av spridningsmönstret för pollen. En nackdel med metoden är att man studerar variation i något som är att betrakta som en enda gen och det är inte säkert att variationen i denna enda ‘karaktär’ ger en rättvisande bild av de processer som verkat på arten i des's helhet.



Att mäta genetiskt variation och des's fördelning är långt ifrån så okomplicerat som det kan låta. Antalet varianter (alleler) man hittar av en gen i en population är mycket beroende av hur och hur mycket material man samlat in för analy's och ger därför inte något direkt och säkert mått på mängden variation. Att bara studera förekomst/ avsaknad av varianter i en population kan dessutom vara olämpligt då även frekvensen av olika varianter kan innehålla viktig variation. Det finn's ett stort antal olika sätt att beräkna variationsmängder och dera's fördelning och detta är något som jag diskuterar utförligt i min avhandling. Här skall endast säga's att man brukar beräkna minst ett mått på mängden variation inom en population eller region, ett mått på hur stor del av den totala variationen inom en art eller region som finn's inom de enskilda populationerna samt någon form av mått på den genomsnittliga genetiska olikheten mellan populationer.



Resultat art för art De arter som jag valt att studera är alla växter knutna till lite näringsrikare skogar och med en stor utbredning i Central- och Östeuropa samt i flera fall även i västra Sibirien. Arterna's habitatkrav gör att de, trot's att de är relativt vanliga, oftast förekommer i distinkt avgränsade populationer på lokaler med lokalt rikare jordmån. Flera av arterna förekommer främst i branter och vid bergrötter med grön- eller kalksten och det är mycket vanligt att flera eller alla arterna förekommer tillsamman's. Att de förutom en likartade ekologiska krav även har snarlika totala utbredningar gör dem intressanta att jämföra.



I en av avhandlingen's studier prövade jag att använda utbredningen av apomiktiska småarter av skog's- och hagfibblor Hieracium sect. Hieracium & sect. Vulgata som markörer på genetisk variation inom dessa artkomplex i Norden. Tyvärr hade jag endast ganska grova utbredningsuppgifter att utgå ifrån varför analysen fick utföra's med hela landskap som geografiska enheter. Jag kunde dock visa att metoden fungerade och att de geografiska mönster jag fann i stort stämde med förväntningarna. För skogsfibblor tyckte's det främst vara områden med näringsfattiga jordar i sydvästra Götaland och södra Norrland som utgjort spridningshinder medan hagfibblorna, som är mindre krävande i detta avseende, hade varit mer hindrade av den Skandinaviska fjällkedjan i sin spridning. Relativt små öppna vattenytor som dem mellan de danska öarna och mellan Öland/ Gotland och fastlandet föreföll inte ha utgjort några stora spridningshinder för dessa arter. Däremot tyck's spridningen över stora vattenytor som Östersjön och Kattegatt ha varit begränsad.



Av vårärt Lathyru's vernu's studerade jag tillsamman's med kolleger enzymvariation inom 20 populationer från f.d. Tjeckoslovakien, Götaland och södra Norrland. Populationerna i Tjeckoslovakien ligger centralt i arten's utbredningsområde medan norrland's-populationerna däremot ligger på arten's absoluta nordgrän's. Dessutom studerade's populationer med olika storlek. Resultaten visar att det fann's tydliga genetiska skillnader mellan de tre regionerna och genflödet mellan dem har tydligen varit ganska litet. Arten var i sin helhet relativt variabel och ca. 20 % av variationen berodde på skillnader mellan populationer vilket är att betrakta som normalt för växter. Trot's att de tre regionerna var genetiskt differentierade fann's det inga tydliga skillnader mellan regionerna i mängden genetisk variation eller i des's fördelning. Vi fann inte heller någon skillnad i mängden variation i små jämfört med i stora populationer. Tydligen har det inte skett någon förlust av genetisk variation under invandringen till Sverige. En hypote's för att förklara detta kan vara att arten under värmetiden haft en mer sammanhängande utbredning och då spridit sig successivt i de då förhärskande lövskogarna samtidigt som pollenspridningen, som sker med humlor, varit effektiv. På det senare tyder även att vi inte fann några som helst tecken på inavel inom populationerna. Att små populationer, eller de isolerade norrländska populationerna, inte blivit genetiskt utarmade kan delvi's bero på arten's mycket långa generationstid samt att de populationer som idag är små kan ha varit stora relativt nydligen.



Av vispstarr Carex digitata studerade jag 66 populationer från hela des's utbredningsområde, d.v.'s. från nordvästra Wale's och Västnorge i väster till Volgabassängen och Turkiet i öster. Arten innehöll relativt många genvarianter men de flesta av dessa var mycket sällsynta så arten får ändå beteckna's som ovanligt lite variabel. Överaskande var att många av de sällsynta varianterna fann's spridda i populationer från helt olika delar av utbredningsområdet. Mängden variation var störst i de centrala delarna av arten's utbredningsområde, d.v.'s. i södra Skandinavien och i Östeuropa. Mer än 50% av den totala variationen berodde på skillnader mellan populationer och de genetiska likheterna mellan populationer var i allmänhet lika små oberoende av hur geografiskt närbelägna populationerna var. I många fall var populationer från helt olika delar av Europa mer genetiskt lika än populationer med bara några kilometer emellan. Sammanslog man däremot populationerna inom större geografiska regioner framträdde ett tydligare geografiskt mönster där regionerna i mellersta Fennoskandien var inbörde's snarlika och liknade dem i Wale's. Likaså var regionerna i Italien och på Balkan genetiskt lika medan däremot alla regioner i Central- och Östeuropa liksom den Skånska regionen var genetiskt relativt särpräglade. Det hela utmynnade i en hypote's om att vispstarr överlevt istiden i åtskilliga isolerade områden i Syd- och Central- och Östeuropa och att många av dessa refugiepopulationer genom lång-spridning bidragit till kolonisationen av Fennoskandien efter istiden. Medan arten förblivit relativt sällsynt med isolerade förekomster i Centraleuropa har den haft en effektivare spridning och jämnare utbredning i Fennoskandien. Dock tyck's denna spridning överallt i högsta grad varit leptokurtisk, d.v.'s. genflödet även mellan näraliggande populationer har varit mycket litet samtidigt som nya populationer ofta grundlagt's genom spridning över stora avstånd. Dessutom visade sig vispstarr ha en hög grad av inavel, något som sannolikt orsaka's av att den växer i täta men ofta relativt långt åtskilda tuvor där pollinationen till stor del kommer att ske inom tuvan. Kanske inte så märkligt i och för sig, men förvånande med tanke på att man alltid brukat anse att vindpollinerade växter som starrar har effektiv korspollination.



Främst för att studera huruvida genflöde mellan vispstarr och des's närmaste släktingar kunnat bidra till de variationsmönster jag funnit ho's den förra studerade jag i en senare studie även ett begränsat material av de övriga Europeiska arter som brukat föra's till Carex sect Digitatae. Av dessa är åsstarr Carex pallen's en relativt nybeskriven art om rent morfologiskt är svår att skilja från vispstarr. Åsstarr visade sig emellertid vara genetiskt distinkt från vispstarr och även om skillnaderna var relativt små och jag även hittade ett par klara hybrider så måste genflödet mellan dessa arter vara litet eller obefintligt. Dock tycker jag fortfarande efter att ha odlat arterna tillsamman's att de är besvärliga att skilja åt rent morfologiskt. Fågelstarr C. ornithopoda är morfologiskt och ekologiskt distinkt men visade sig vara helt oskiljbar från vispstarr i de genetiska markörer jag studerade. Detta visar att dessa arter har ett relativt sent gemensamt ursprung och jag kan inte utesluta att det sker ett konstant genflöde mellan dem. Frösöstarr C. pediformi's ssp. rhizoide's och den Centraleuropeiska C. humili's brukar också föra's till denna sektion men de visade sig vara genetiskt starkt avvikande och jag tror inte att de har någon nära släktskap med vispstarr. Däremot hade de vissa genetiska likheter inbörde's. En spännande detalj var att i de fyra Fennoskandiska populationer av frösöstarr jag studerade hittade jag bara två olika genotyper; alla individ från Jämtland var identiska och så var även alla individ från tre lokaler i Finland.



Av bergslok studerade jag 95 populationer utbredda från Nordnorge i norr till Bulgarien i söder och från Wale's till Bajkalsjön. Liksom ho's vispstarr var mängden variation ganska liten, en stor andel av variationen berodde på differentiering av enskilda populationer och många sällsynta alleler dök upp här och där i vitt åtskilda regioner. Mängden variation var störst i södra Skandinavien och i Östeuropa. Ett något tydligare geografiskt mönster än ho's vispstarr kunde dock urskilja's. Om man sammanförde populationerna till fyra grupper efter genetisk likhet så fick man en grupp omfattande populationer från Frankrike och östra Alperna, en grupp med spridda populationer i Östersjö-området och Centraleuropa, en stor grupp omfattande Sibiriska, Ryska, Walesiska och de flesta Syd- och Mellanfennoskandiska popu-lationerna, samt en grupp med populationer spridda över hela Europa och omfattande nästan alla populationer från norra Skandinavien. När jag grupperade populationerna till geografiska regioner fann jag att alla Nordiska regionala populationer utom den Skånska var inbörde's genetiskt snarlika och hade stora likheter med populationer österut i Ryssland och Sibirien. De Centraleuropeiska regionala populationerna var däremot alla inbörde's genetiskt differentierade. Resultaten utmynnade i en hypote's om att bergslok överlevde istiden på många isolerade lokaler i Centraleuropa och inom minst ett område i Ryssland eller Sibirien (troligast i södra Uralbergen). Invandringen till Skandinavien har sedan huvudsakligen skett från öster (möjligen med undantag för Skåne) även om det skett en vis's tillförsel av genetisk variation genom upprepad långspridning från Centraleuropa. Mönstret med en uppdelning av de Nordiska populationerna i en vittspridd grupp och en grupp bestående av populationer från Finland's kustområden och låglandsområden i norra Götaland och Mälardalen kan tolka's som att invandringen skett i två vågor, där en grupp emigranter från Östeuropa tidigt koloniserat isfria landområden medan en senare grupp emigranter med ursprung längre österut i Sibirien koloniserat de låglandsområden som reste sig ur havet senare. De Västnorska populationerna saknar nästan helt genetisk variation vilket kan bero antingen på att variation förlorat's vid spridning över fjällkedjan eller på att dessa populationer har sitt ursprung i en liten population som kan ha överlevt istiden på landområden som då fann's i Nordsjön. I Centraleuropa har populationerna varit isolerade under lång tid och spridningen har varit ringa varför alla populationer och regioner där har blivit lika genetiskt differentierade. De Brittiska populationerna uppvisade var för sig mer eller mindre nära släktskap med olika populationer i Skandinavien och Västeuropa och tyck's vara resultatet av upprepad långspridning från dessa områden.



Efter att ha arbetet med flera arter med ovanligt lite genetisk variation behövde jag en art med likartad ekologi men mer variation för att kunna studera variationsmönster på en mindre geografisk skala. Efter att ha pilotstuderat ett stort antal skogsväxter, varav majoriteten föreföll vara betydligt mindre variabla än vad växter är generellt, föll valet på hässlebrodd Milium effusum. Av denna art insamlade's drygt 20 populationer från södra Norrland och lika många från ett lika stort område i Götaland samt 25 populationer från andra delar av Europa och Asien. I södra Norrland förekommer denna och andra mer näringskrävande skogsväxter främst i de stora älvdalarna medan de i södra Götaland har en mer kontinuerlig utbredning i områden med bruten terräng på alla sidor av det fattiga Småländska höglandet. Medan skogarna i södra Sverige har en lång historia av mänsklig påverkan och människan kan tänka's ha bidragit avsevärt till spridningen av många växter är Norrland mer opåverkat och mänskliga transporter har främst skett läng's med de stora älvarna. Jag förväntade mig därför att finna större differentiering av enskilda populationer i Norrland än i Götaland och en tydlig geografisk struktur visande på genflöde läng's med älvdalarna. Större isolering av populationer i norr borde också kunna leda till förlust av mer variation men ett sådant resultat skulle också kunna bero på en längre invandringsväg till Norrland, förutsatt att invandringen till Norden efter istiden skett söderifrån. Resultatet blev något oväntat att jag trot's att arten var mycket variabel inte kunde finna några geografiska mönster i utbredningen av olika alleler varesig inom de svenska regionerna eller mellan dem och populationer från övriga världen. Däremot fann's det stora och tydliga skillnader i mängden och fördelningen av genetisk variation mellan Götaland och Norrland. Jag prövade i studien flera nya sätt att mäta variation och de visade alla på att variation's-mängden var större i Götaland men att de Norrländska populationerna var mycket mer inbörde's olika än de från Götaland. Uppenbarligen har genflödet mellan populationer preci's som jag förväntade mig generellt varit betydligt mindre i Norrland än i Götaland men det har inte varit så tydligt strukturerat att man kan urskilja resultatet av tydliga spridningsvägar i något av områdena. Troligen är det det begränsade genflödet som gjort att mycket mer variation gått förlorad i Norrland än i Götaland men eftersom det inte fann's några storskaliga geografiska mönster som kunde visa var arten överlevt istiden och hur den sedan spridit sig är det omöjligt att säkert säga om skillnaden i variationsmängd beror på invandringshistoria eller mer sentida processer på plat's. Även ho's denna art visade sig populationer från avlägsna delar av Sibirien vara förvånansvärt genetiskt snarlika material från Skandinavien. Mest avvikande var istället en population från Island vilken kanske har ett ursprung i Nordamerika där arten också finn's men varifrån jag inte lyckat's få något material.



Litteratur Bennet K.D., Tzedaki's P.C. & Willi's K.J. 1991. Quaternary refugia of north European tree's. Journal of Biogeography 18: 103-115. Dahl E. 1991. The nunatac theory III. Amphiatlant's and disjunct's. Blyttia 49: 17-33. Dansgaard W., Johnsen S.J. & Clausen H.B. 1993. Evidence for general instability of past climate from a 250-kyr ice-core record. Nature 364: 218-220. Gabrielsen T.M., Bachmann K., Jacobsen K.S. & Brochmann C. 1997. Glacial survival doe's not matter: RAPD phylogeography of Nordic Saxifraga oppositifolia. Molecular Ecology 6: 831-842. Hamrick J.L. & Godt M.J.W. 1989. Allozyme diversity in plant specie's. I: Brown A. D. H., Clegg M. T., Kahler A. L., Weir B. S. (red.) Plant population Genetic's, Breeding and Genetic Variation in Plant's. Sinauer Associate's Inc., Sunderland, pp. 43-63. Hewitt G.M. 1999. Post-glacial re-colonization of European biota. Biological Journal of the Linnean Society 68: 87-112. Jaarola M., Tegelström H. & Fredga K. 1999. Colonization history in Fennoscandian rodent's. Biological Journal of the Linnean Society 68: 113-127. Johnk N. & Siegismund H.R. 1997. Population structure and post-glacial migration route's of Quercu's robur and Quercu's petraea in Denmark, based on chloroplast DNA analysi's. Scandinavian Journal of Forest Research 12: 130-137. Kullman L. 1998. Non-analogou's tree flora in the Scande's Mountain's, Sweden, during the early Holocene: Macrofossil evidence of rapid geographic spread and response to palaeoclimate. Borea's 27: 153-161. Lundquist J. 1994. Inlandsisen's avsmältning. I: Fredén C. (red.). Sverige's Nationalatla's, Berg och Jord. Bra Böcker, Höganä's. Nordal I. 1987. Tabula rasa after all? Botanical evidence for ice-free refugia in Scandinavia reviewed. Journal of Biogeography 14: 377-388. Nordal I. & Jonsell B. 1998. Phylogeographic analysi's of Viola rupestri's: three post glacial immigration route's into the Nordic area? Botanical Journal of the Linnean Society 128: 105-123. Sernander R. 1896. Några ord med anledning of Gunnar Andersson, Svenska Växtvärlden's historia. Botaniska Notiser (1896): 114-128. Stewart J.R. & Lister A.M. 2001. Cryptic northern refugia and the origin of the modern biota. Trend's in Ecology and Evolution 16: 608-613. Taberlet P., Swenson J.E., Sandegren F. & Bjärvall A. 1995. Localization of a contact zone between two highly divergent mitochondrial DNA lineage's of the brown bear (Ursu's arcto's) in Scandinavia. Conservation Biology 9: 1255-1261. Taberlet P., Fumagalli L., Wust-Saucy A.-G. & Cosson's J.-F. 1998. Comparative phylogeography and postglacial colonisation route's in Europe. Molecular Ecology 7: 453-464. Tollefsrud M., Bachmann K., Jakobsen K.S. & Brochmann C. 1998. Glacial survival doe's not matter – II: RAPD phylogeography of Nordic Saxifraga cespitosa. Molecular Ecology 7: 1217-1232. (Less)
Abstract
Many woodland plant species have huge distribution areas covering large parts of the Eurasian continent including areas that were glaciated during the last glacial period. In the present thesis, the geographic distribution of variation within such species is investigated and discussed in relation to glacial survival and post-glacial migration, dispersal ability, breeding system and levels of gene-flow between populations and related species, and various methods to measure and analyse genetic variation. The included studies concentrate on 1) the distribution of apomictic micro-species of Hieracium in the Nordic countries, 2) the distribution of allozyme variation throughout the Eurasian range of Carex digitata and Melica nutans, 3) the... (More)
Many woodland plant species have huge distribution areas covering large parts of the Eurasian continent including areas that were glaciated during the last glacial period. In the present thesis, the geographic distribution of variation within such species is investigated and discussed in relation to glacial survival and post-glacial migration, dispersal ability, breeding system and levels of gene-flow between populations and related species, and various methods to measure and analyse genetic variation. The included studies concentrate on 1) the distribution of apomictic micro-species of Hieracium in the Nordic countries, 2) the distribution of allozyme variation throughout the Eurasian range of Carex digitata and Melica nutans, 3) the distribution of allozyme variation among closely related species of Carex sect. Digitatae, and 4) the distribution of allozyme variation in Milium effusum in two Swedish regions with contrasting history and geomorphology. It is concluded that: 1) Morphologically defined taxa within apomictic complexes may be useful tools when addressing phylogeographic questions. 2) Contrary to what has generally been assumed, levels of genetic variation are not always higher in unglaciated areas of southernmost Europe than in glaciated areas of northern Europe and there are several processes that may cause such patterns. 3) Geographically patchy distributions of genetic variation appear to be common in woodland plants and may be best explained by a leptokurtic mode of dispersal. 4) In both Carex digitata and Melica nutans, northern Europe appears to have been colonized through many independent long-distance dispersals from different extra-Fennoscandian populations, although these dispersals may have come mainly from the south in Carex digitata and mainly from the east in Melica nutans. 5) Although morphologically very similar, Carex pallens is genetically distinct from Carex digitata, whereas the morphologically and ecologically distinct Carex ornithopoda is not. Carex pediformis and C. humilis are not closely related to any of these species but may be related to each other. The rare C. pediformis is represented by a very limited number of genotypes in Fennoscandia.6) Although introgression with allied species is likely to have contributed a few alleles to the gene pool of C. digitata, this factor can only explain a fraction of the patchy distribution of rare alleles found in the species.7) Different measures of variation and mean population differentiation based on genetic diversity as well as on allelic richness shows the same general pattern in Milium effusum and indicate that populations are more differentiated in northern than in southern Sweden. This finding is congruent with a scenario in which different geomorphological conditions of the two regions have created different patterns in the distribution of suitable habitat and possibly also different levels and patterns of anthropogenic dispersal. 8) Increased levels of variation in the central parts of a species’ distribution may be caused by deterministic processes causing variation to accumulate over time owing to random patterns of gene-flow. Such effects may be enhanced by processes caused by the fact that geographically central areas are generally more optimal for a species than are marginal areas. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
opponent
  • Brochmann, Christian, Oslo University
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
kemotaxonomi. Växters fysiologi (inte kärlväxter)., Plant genetics, Växtgenetik, morfologi, chemotaxonomy. Physiology of nonvascular plants, Systematisk botanik, taxonomi, phytogeography, morphology, taxonomy, historical biogeography, Systematic botany, allozymes, population differentiation, postglacial migration, genetic variation, geographic variation
pages
112 pages
publisher
Torbjörn Tyler, Department of Ecology, Systematic Botany, Sölvegatan 37, SE-223 62 Lund, Sweden,
defense location
Blå Hallen, Ecology Building, Sölvegatan 37
defense date
2002-09-27 10:15
external identifiers
  • Other:ISRN: SE-LUNBDS/NBBE-02/1068+112
ISBN
91-7105-176-7
language
Other
LU publication?
yes
id
4abeadb0-d76f-4bbe-b91f-424e32a29f77 (old id 464910)
date added to LUP
2007-09-07 11:20:06
date last changed
2016-09-19 08:45:02
@phdthesis{4abeadb0-d76f-4bbe-b91f-424e32a29f77,
  abstract     = {Many woodland plant species have huge distribution areas covering large parts of the Eurasian continent including areas that were glaciated during the last glacial period. In the present thesis, the geographic distribution of variation within such species is investigated and discussed in relation to glacial survival and post-glacial migration, dispersal ability, breeding system and levels of gene-flow between populations and related species, and various methods to measure and analyse genetic variation. The included studies concentrate on 1) the distribution of apomictic micro-species of Hieracium in the Nordic countries, 2) the distribution of allozyme variation throughout the Eurasian range of Carex digitata and Melica nutans, 3) the distribution of allozyme variation among closely related species of Carex sect. Digitatae, and 4) the distribution of allozyme variation in Milium effusum in two Swedish regions with contrasting history and geomorphology. It is concluded that: 1) Morphologically defined taxa within apomictic complexes may be useful tools when addressing phylogeographic questions. 2) Contrary to what has generally been assumed, levels of genetic variation are not always higher in unglaciated areas of southernmost Europe than in glaciated areas of northern Europe and there are several processes that may cause such patterns. 3) Geographically patchy distributions of genetic variation appear to be common in woodland plants and may be best explained by a leptokurtic mode of dispersal. 4) In both Carex digitata and Melica nutans, northern Europe appears to have been colonized through many independent long-distance dispersals from different extra-Fennoscandian populations, although these dispersals may have come mainly from the south in Carex digitata and mainly from the east in Melica nutans. 5) Although morphologically very similar, Carex pallens is genetically distinct from Carex digitata, whereas the morphologically and ecologically distinct Carex ornithopoda is not. Carex pediformis and C. humilis are not closely related to any of these species but may be related to each other. The rare C. pediformis is represented by a very limited number of genotypes in Fennoscandia.6) Although introgression with allied species is likely to have contributed a few alleles to the gene pool of C. digitata, this factor can only explain a fraction of the patchy distribution of rare alleles found in the species.7) Different measures of variation and mean population differentiation based on genetic diversity as well as on allelic richness shows the same general pattern in Milium effusum and indicate that populations are more differentiated in northern than in southern Sweden. This finding is congruent with a scenario in which different geomorphological conditions of the two regions have created different patterns in the distribution of suitable habitat and possibly also different levels and patterns of anthropogenic dispersal. 8) Increased levels of variation in the central parts of a species’ distribution may be caused by deterministic processes causing variation to accumulate over time owing to random patterns of gene-flow. Such effects may be enhanced by processes caused by the fact that geographically central areas are generally more optimal for a species than are marginal areas.},
  author       = {Tyler, Torbjörn},
  isbn         = {91-7105-176-7},
  keyword      = {kemotaxonomi. Växters fysiologi (inte kärlväxter).,Plant genetics,Växtgenetik,morfologi,chemotaxonomy. Physiology of nonvascular plants,Systematisk botanik,taxonomi,phytogeography,morphology,taxonomy,historical biogeography,Systematic botany,allozymes,population differentiation,postglacial migration,genetic variation,geographic variation},
  language     = {mis},
  pages        = {112},
  publisher    = {Torbjörn Tyler, Department of Ecology, Systematic Botany, Sölvegatan 37, SE-223 62 Lund, Sweden,},
  school       = {Lund University},
  title        = {Geographic Distribution of Intra-specific Variation in Widespread Eurasian boreo-nemoral Woodland Herbs},
  year         = {2002},
}