Advanced

Insights from experimental hybridization on floral trait inheritance and reproductive isolation in self-compatible and self-incompatible Arabis alpina L. (Brassicaceae)

Thosteman, Hanna (2019) BION03 20182
Degree Projects in Biology
Abstract
One of the main challenges in evolutionary ecology is to identify the factors and agents that drive diversification. Two of the most diverse groups of organisms on earth are plants and insects, and evidence strongly suggests that the diversification of both groups is driven by the interactions between them. One fruitful way for understanding how these interactions evolve and diversify is to identify systems of closely related species, or different intraspecific populations, where it is possible to investigate the same traits subject to different types of selection pressure. In the present study I measured flower size, anther orientation and herkogamy as well as floral scent emission rate and composition of alpine rock-cress Arabis alpina... (More)
One of the main challenges in evolutionary ecology is to identify the factors and agents that drive diversification. Two of the most diverse groups of organisms on earth are plants and insects, and evidence strongly suggests that the diversification of both groups is driven by the interactions between them. One fruitful way for understanding how these interactions evolve and diversify is to identify systems of closely related species, or different intraspecific populations, where it is possible to investigate the same traits subject to different types of selection pressure. In the present study I measured flower size, anther orientation and herkogamy as well as floral scent emission rate and composition of alpine rock-cress Arabis alpina L. (Brassicaceae) to identify in what way they are affected by inbreeding and hybridization between self-compatible (SC) and self-incompatible (SI) populations. These populations differ from being completely depending on pollinator attraction for reproduction (SI-populations) to being almost autogamous (SC-populations with the ability to self-pollinate). A germination test revealed strong reproductive isolation between populations of different mating systems, with less than 10% of seeds produced in crosses between mating systems germinating, whereas 80-90% of seeds produced by crosses within-mating systems germinated. I found an effect of cross direction on flower size and floral scent composition, suggesting a potential presence of cytonuclear incompatibility between SC and SI populations. Furthermore, I discovered a loss of co-inheritance between flower size and total scent emission rate as individuals of different mating systems are crossed, suggesting that the two traits are not genetically connected. My findings constitute a foundation for future studies targeted to unravel the genetic background of floral trait variation in A. alpina. However, the discovery of strong reproductive isolation between SC and SI A. alpina indicate a potential need for reconsideration of the species classification and a necessity to split this species into two taxa. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Hur ärvs blomdoft?

Att lukta gott är inte bara viktigt för oss människor. I växternas värld är doft, eller de kemiska doftsignalerna, livsviktigt för att kunna locka till sig pollinatörer eller avskräcka fiender. Vi vet redan mycket om hur insekter reagerar på kemiska signaler från växter och hur doft varierar mellan olika växtarter, men fortfarande väldigt lite om hur blomdoft ärvs inom växtpopulationer av samma art. I det här experimentet undersökte jag hur blomdoft, blomstorlek och utseende på ståndare och pistiller förändrades när individer av olika populationer av fjälltrav (Arabis alpina L. Brassicaceae) korsades med varandra.

Fjälltrav är en liten flerårig ört som växter vilt över stora delar av norra halvklotet. Vad som gör... (More)
Hur ärvs blomdoft?

Att lukta gott är inte bara viktigt för oss människor. I växternas värld är doft, eller de kemiska doftsignalerna, livsviktigt för att kunna locka till sig pollinatörer eller avskräcka fiender. Vi vet redan mycket om hur insekter reagerar på kemiska signaler från växter och hur doft varierar mellan olika växtarter, men fortfarande väldigt lite om hur blomdoft ärvs inom växtpopulationer av samma art. I det här experimentet undersökte jag hur blomdoft, blomstorlek och utseende på ståndare och pistiller förändrades när individer av olika populationer av fjälltrav (Arabis alpina L. Brassicaceae) korsades med varandra.

Fjälltrav är en liten flerårig ört som växter vilt över stora delar av norra halvklotet. Vad som gör den så speciell är att den har en enorm variation i hur den doftar – de som växer i Italien doftar inte alls likadant som de i Sverige. Den uppvisar också stor variation i parningssystem - en del populationer är själv-kompatibla (”SK”, det vill säga de kan para sig med sig själva) och andra är själv-inkompatibla (”SI”, det vill säga de kan inte para sig med sig själva). SK-individer har ofta små blommor och doftar lite, medan SI-individer har stora blommor och doftar mycket. Detta beror på att SI-individer måste locka till sig insekter för att bli pollinerade, vilket SK-individer inte behöver i lika stor utsträckning. Detta gör att fjälltrav är en utmärkt växt att studera när man vill ta reda på hur olika blomkaraktärer nedärvs, och vad det är som påverkar vilka karaktärer som ärvs och utvecklas i olika ekologiska omgivningar.

I mitt experiment undersökte jag individer från sex populationer i Europa, tre SI och tre SK, som korsats med varandra eller inavlats genom självbefruktning. Jag tittade först på hur bra frön från de olika korsningarna grodde, och från de korsningar som överlevde samlade jag in blomdoft samt mätte blomstorlek, ståndare och pistiller.

Ser ut som pappa men doftar som mamma
Det visade sig att frön som bildats genom korsningar mellan SI- och SK-individer grodde i mycket lägre utsträckning än korsningar inom de olika parningssystemen. De som överlevde uppvisade däremot ett väldigt speciellt mönster; blomstorleken liknade pappan men doften var mer lik mamman. Detta kan ha en genetisk förklaring som innebär att individer med olika parningssystem är så genetiskt olika att de inte är kompatibla med varandra vid parning, och att specifika gener från den ena individen blir dominerande i en korsning. En annan intressant upptäckt jag gjorde var att det inte verkar finnas någon genetisk koppling (det vill säga att de inte ärvs tillsammans) mellan storlek på blomman och hur mycket doft som utsöndras när man korsar individer av olika parningssystem. Jag kunde alltså hitta individer med små blommor som utsöndrade mycket doft, och vice versa, trots att dessa karaktärer typiskt samvarierar i naturen.

Mina upptäckter pekar på att det finns så stora genetiska skillnader mellan SK- och SI-populationer att fjälltraven antagligen innehåller två olika arter, men mer djupgående genetiska studier behövs för att bekräfta detta. Jag kunde också visa att både doft och utseende förändras när populationer av olika parningssystem korsas. Detta ger en viktig genetisk ledtråd till hur karaktärer som är viktiga för interaktioner mellan växter och pollinerare utvecklas. I en värld där klimatet förändras och växter dör ut eller flyttar längre norrut är det viktigt att veta hur dessa interaktioner kan förändras om nya närbesläktade arter parar sig med inhemska och bildar helt nya individer som doftar annorlunda än vad pollinerande insekter är vana vid.

Masterexamensprojekt i Biologi 60 hp 2019
Biologiska institutionen, Lunds universitet

Handledare: Magne Friberg & Hampus Petrén
Biodiversitetsenheten, Biologiska institutionen (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Thosteman, Hanna
supervisor
organization
course
BION03 20182
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
language
English
id
8974989
date added to LUP
2019-05-03 11:13:18
date last changed
2019-05-03 11:13:18
@misc{8974989,
  abstract     = {One of the main challenges in evolutionary ecology is to identify the factors and agents that drive diversification. Two of the most diverse groups of organisms on earth are plants and insects, and evidence strongly suggests that the diversification of both groups is driven by the interactions between them. One fruitful way for understanding how these interactions evolve and diversify is to identify systems of closely related species, or different intraspecific populations, where it is possible to investigate the same traits subject to different types of selection pressure. In the present study I measured flower size, anther orientation and herkogamy as well as floral scent emission rate and composition of alpine rock-cress Arabis alpina L. (Brassicaceae) to identify in what way they are affected by inbreeding and hybridization between self-compatible (SC) and self-incompatible (SI) populations. These populations differ from being completely depending on pollinator attraction for reproduction (SI-populations) to being almost autogamous (SC-populations with the ability to self-pollinate). A germination test revealed strong reproductive isolation between populations of different mating systems, with less than 10% of seeds produced in crosses between mating systems germinating, whereas 80-90% of seeds produced by crosses within-mating systems germinated. I found an effect of cross direction on flower size and floral scent composition, suggesting a potential presence of cytonuclear incompatibility between SC and SI populations. Furthermore, I discovered a loss of co-inheritance between flower size and total scent emission rate as individuals of different mating systems are crossed, suggesting that the two traits are not genetically connected. My findings constitute a foundation for future studies targeted to unravel the genetic background of floral trait variation in A. alpina. However, the discovery of strong reproductive isolation between SC and SI A. alpina indicate a potential need for reconsideration of the species classification and a necessity to split this species into two taxa.},
  author       = {Thosteman, Hanna},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Insights from experimental hybridization on floral trait inheritance and reproductive isolation in self-compatible and self-incompatible Arabis alpina L. (Brassicaceae)},
  year         = {2019},
}