Genetic variation and sexual reproduction in a moss with dwarf males, Homalothecium lutescens

Abstract

Dwarf males occur in many unrelated groups of organisms. Among land plants they are unique to mosses. Moss dwarf males originate from male spores that land and germinate on the female where their final size is restricted to a few mm. Fertilization in mosses occur over short distances with swimming spermatozoids. Having the males growing as tiny epiphytes on the females facilitates fertilization, as the male and female sexual organs are positioned more closely together. Many things are unknown about the moss dwarf males. In this thesis we investigate dispersal and establishment of dwarf males and female shoots within populations of a moss with dwarf males, Homalothecium lutescens. We also investigate regulation of spore germination on the female shoots. Finally, we investigate population genetic variation and structure as well as gene flow and levels of inbreeding in populations with high abundance of dwarf males. Our results confirm that the presence of dwarf males increase the level of fertilization. Dwarf males are often more closely related to their host shoot, which indicates that spores are mostly dispersed locally. In accordance, we showed that inbreeding levels were generally high. However, polyandry together with sporadic fertilization of dwarf males originating from non-host females appears to maintain the genetic variation on relatively high levels. We could not find any mechanisms that prevent or limit inbreeding, but as the significance of inbreeding depression in mosses is unclear, it is difficult to draw any conclusions regarding potential consequences. Dwarf males and females appear to follow two different recruitment models. Female shoots follow a repeated recruitment model where new females are rarely but continuously recruited from spores. Dwarf males on the other hand, follow a metapopulation or source-sink dynamics. Local dwarf male populations may occasionally go extinct (as a result of their individual short life span and drought sensitivity), but the high dispersal potential of spores and the ability of dwarf males to establish in high numbers in mature colonies, enables re-colonization when conditions improve. We also showed that spores from the moss Isothecium alopecuroides (another moss with dwarf males) could not develop into dwarf males on shoots of H. lutescens. Prevention of spore germination in mature colonies has been shown before and could be a mechanism to prevent hybridization or reduce competition. In contrast, spores from the sister species Homalothecium sericeum were able to develop into fertile dwarf males on shoots of H. lutescens. This result suggests a previously unexplored hybridization pathway between closely related species and could alter the way we view reproductive isolation in mosses.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

GENETISK VARIATION OCH SEXUELL REPRODUKTION I EN MOSSA MED DVÄRGHANNAR, KALKLOCKMOSSA

Mycket små hannar (dvs. dvärghannar) finns i flera olika djurgrupper men inom landväxterna bara hos mossor. Hos mossor uppstår dvärghannarna ifrån hansporer som landar och gror på honskottet där de inte blir större än några millimeter. Sporerna bildas inuti sporkapseln, som växer ut ifrån honskottet efter att det har blivit befruktat av en hanne. Det finns flera fördelar med att ha små hannar växandes på honorna, en av dem är antagligen att befruktningen går mycket lättare. Mossors befruktning sker med simmande spermier, vilket betyder att det i princip bara kan ske om de honliga och hanliga könsorganen kopplas samman via en vattenfilm, eller om spermierna transporteras med hjälp av vattendroppar. Hos de arter där honorna och hannarna är separata individer behöver skotten därför växa mycket nära varandra för att spermierna ska kunna nå fram till honan. Genom att ha hannarna växande på honorna kommer könsorganen så nära varandra som det bara är möjligt. Mellan 10 och 20 % av alla mossarter uppskattas ha dvärghannar.

Det finns flera saker som är okända med mossdvärghannarna. Till exempel kan mängden dvärghannar vara väldigt olika på olika platser, ibland kan de till och med saknas helt. Varför är det så? Dvärghannarna skiljer sig dessutom från honskotten på flera olika sätt. Eftersom de sannolikt inte lever länge än 1-2 år, behöver dvärghannarna rekryteras på nytt varje år från sporer. Honorna däremot, kan växa klonalt i åratal och gror antagligen ganska sällan från sporer, åtminstone i redan etablerade kolonier där det sällan uppstår luckor på marken. Dvärghannar sprids troligtvis uteslutande via sporer, medan honorna kan spridas via skottdelar som bryts av. Eftersom det inte finns några populationsgenetiska studier av mossor som inkluderar dvärghannar vet vi inte hur dessa ganska stora skillnader påverkar den genetiska variationen och strukturen inom populationer.

Det är även oklart om det finns någon funktion för att förhindra inavel i de arter som har dvärghannar. Moss-sporer kan visserligen spridas långt med vinden, men majoriteten av sporerna landar sannolikt i närheten av sporkapseln. Detta betyder att många dvärghannar antagligen kommer från sporer som är producerade av det egna värdskottet. För att inte bli befruktad av sina egna söner skulle man kunna tänka sig att honskottet på något sätt kan förhindra groning av närbesläktade sporer, eller förhindra befruktning av närbesläktade dvärghannar. Man kan också fråga sig varför ingen någonsin har hittat dvärghannar som växer på skott av en annan art, är det bara sporer av den egna arten som kan gro på honskotten?

Generellt finns det få som har forskat på dvärghannar hos mossor. När det gäller genetiska studier så saknas de nästan helt, vilket gäller alla organismer med dvärghannar. Syftet med denna avhandling har varit att fördjupa kunskapen om detta oerhört spännande system men också att bidra med en pusselbit till de generella teorierna om hur sexuell selektion kan leda till storleksskillnader mellan hannar och honor. Mossor har varit dåligt studerade när det gäller detta område och för att förstå övergripande mönster behövs exempel från alla organismgrupper.

I våra studier har vi valt att fokusera på en art, kalklockmossan. Det är en mossa som är ganska vanlig på kalkrik mark i områden som hålls öppna av till exempel betesdjur eller mänsklig aktivitet. Stora hannar är sällsynta hos kalklockmossan, de flesta hannarna sitter som dvärghannar på honskotten. I extrema fall kan en enda hona ha flera hundra dvärghannar på sig. Avhandlingen består i grova drag av fyra delprojekt. I det första delprojektet tittade vi på genetisk variation och sexuell reproduktion i ett betesmarkskomplex på Öland där det fanns ganska få dvärghannar. I det andra delprojektet försökte vi reda ut vad som påverkar dvärghannarnas och sporkapslarnas utbredning inom tre populationer i Skåne. I det tredje delprojektet tittade vi på hur sporer av tre olika arter med dvärghannar kunde gro och utvecklas på skott av kalklockmossan. I det fjärde delprojektet tittade vi på genetisk struktur, genflöde och inavel i fyra populationer i Skåne där det fanns ganska mycket dvärghannar.

I princip kan man säga att honorna och dvärghannarna uppvisade helt olika dynamik i hur de sprider och etablerar sig. Vi kunde se att honornas genetiska variation var högre i betesmarker som antingen var gamla eller hade en hög andel gamla betesmarker omkring sig. Detta tyder på att rekryteringen av nya honor sker långsamt men kontinuerligt, vilket medför att genetisk variation ansamlas i de gamla betesmarkerna. Lokalt kunde det vara en ganska hög blandning av olika kloner, vilket tyder på att honskotten också sprider sig vegetativt. Detta kan förklara hur gamla betesmarker ökar variationen i andra, närliggande betesmarker. Som slutsats kan man säga att sammansättningen av honor på en specifik plats är beroende av hur miljön har sett ut under väldigt många år.

Etableringen av dvärghannar är däremot mer beroende av hur den lokala miljön ser ut just nu. Till exempel kunde vi se att det fanns fler dvärghannar i kolonier med högre fuktighet. I de torra betesmarkerna på Öland, kunde vi bara hitta dvärghannar på några få ställen, under buskar där det var skuggigt och fuktigt (men ändå betat). Vi kunde också se att där det fanns mycket dvärghannar fanns det också mycket sporkapslar, vilket bekräftar att de underlättar för befruktningen. Att dvärghannarna har en så kort livslängd i kombination med att de behöver fuktighet, gör att dvärghannepopulationen som helhet blir känslig för förändringar i miljön. Om något händer så att sporproduktionen misslyckas eller att majoriteten av alla dvärghannar dör, kan populationen vara helt utan dvärghannar följande år. Eftersom sporer kan spridas väldigt långt är det dock ganska troligt att dvärghannarna så småningom kan komma tillbaka (om inte miljön har förändrats radikalt). Att sporerna har en hög spridningspotential tillsammans med det faktum att dvärghannarna kan etablera sig väldigt många på en liten yta underlättar generellt spridningen mellan populationer. Följaktligen kunde vi också se att dvärghannarna var mer genetiskt lika mellan olika populationer än vad honorna var.

Överlag var dvärghannarna på ett skott mer genetiskt lika sitt eget värdskott och sin egen koloni än resten av skotten i populationen. Detta tyder på att de flesta sporer ändå sprids lokalt. Dessutom visade den genetiska analysen av sporkapslarna att det skedde ganska mycket inavel, kanske som ett resultat av upprepad befruktning mellan honorna och deras egna söner. Dock kunde vi se att ett enda honskott ofta blev befruktat av flera dvärghannar; i genomsnitt hade 59 % av alla sporkapslar på ett skott olika fädrar. En liten andel av alla fädrar var ganska olika honskottet, vilket tyder på att vissa sporer som landar på ett honskott har sitt ursprung i en annan koloni eller till och med en annan population. Denna sporadiska utkorsning verkar resultera i en sammantaget relativt hög genetisk variation i populationerna samtidigt som det förhindrar svår inavel.

Vidare kunde vi visa att sporer från en närbesläktad art kunde utvecklas till fertila dvärghannar på kalklockmossan, medan en mer avlägsen släkting inte kunde det. Att kunna begränsa sporgroningen i en mosskoloni kan ha flera fördelar. Dels handlar det om att hindra etableringen av svampar som skulle kunna göra mossan sjuk, men också att hindra andra mossarter från att ta över kolonin. Den art som faktiskt kunde gro och bilda dvärghannar på kalklockmossan heter guldlockmossa. Dessa två arter har tidigare misstänkts hybridisera (dvs. korsa sig över artgränsen) eftersom man ibland hittar individer som ser ut lite som en blandning av arterna på platser där de växer tillsammans. Om det är så att mossdvärghannar generellt kan växa på skott av närbesläktade arter, skulle detta utgöra en hittills outforskad hybridiseringsmöjlighet. Att honskottet saknar möjlighet att skilja mellan egna sporer och sporer från en närbesläktad art tyder på att det inte heller skulle kunna skilja på sporer inom arten som är mer eller mindre nära släkt, t.ex. för att förhindra inavel. Vi kunde inte heller se tecken på att honskott gynnade sporkapslar som var mindre inavlade. Dock är det ganska dålig utrett vad för negativa följder inavel kan ha hos mossor, så det är svårt att spekulera i vad detta skulle kunna innebära.

Sammanfattningsvis visar resultaten i avhandlingen att dvärghannesystemet verkar fungera. Ju fler dvärghannar det finns i en mosskoloni, desto högre befruktning. Visserligen förekommer inavel, men den vägs upp av sporadisk utkorsning. Att dvärghannarna saknas på vissa ställen är antagligen inte kritiskt då en population bestående av bara honor kan klara sig i åratal utan sexuell reproduktion. När miljön blir bättre, kan dvärghannarna förmodligen komma tillbaka via vindspridda sporer. Vidare har vi visat en möjlig hybridiseringsväg för närbesläktade arter som potentiellt kan förändra vår syn på korsningsbarriärer och artbildning hos mossor. Trots att dvärghannar finns i ett betydande antal mossarter har de blivit dåligt studerade. Inom detta avhandlingsprojekt har vi inte bara fyllt i några av de existerande kunskapsluckorna, utan förhoppningsvis också öppnat upp forskningsfältet genom att föreslå en rad olika möjligheter för hur man kan arbeta vidare med detta fascinerande system.

• author: Rosengren, Frida
• supervisor: Nils Cronberg; Bengt Hansson; Åsa Lankinen
• opponent: Vanderpoorten, Alain, Institute of Botany, University of Liège, Liège, Belgium
• organization: Biodiversity
• publishing date: 2015
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Ecology
• keywords: bryophytes, mosses, dwarf males, sexual reproduction, genetic variation, genetic structure, inbreeding, isozymes, allozymes, SNP, sporophytes, spore, fertilization, fertility
• pages: 142 pages
• defense location: Blå Hallen, Ekologihuset, Sölvegatan 37, Lund
• defense date: 2015-04-24 10:00:00
• ISBN: 978-91-7623-264-4
• project: Genetic variation and sexual reproduction in a moss with dwarf males, Homalothecium lutescens
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 77e3e3f8-2b00-4eb7-bd93-c407e9e6db76 (old id 5205151)
• date added to LUP: 2016-04-04 12:23:01
• date last changed: 2020-03-06 02:30:02