Advanced

Does phylogeographic history cause among-population variation in floral scent in Arabis alpina?

Svensson, Kajsa (2019) BION02 20182
Degree Projects in Biology
Abstract
Understanding the evolutionary processes behind intraspecific variation and population differentiation is an important topic in biology, since intraspecific variation is required for speciation. Angiosperms show fascinating diversity in flower designs. Since the flower is crucial for reproductive success and at the same time often involved in biotic interactions with pollinators and/or herbivores, floral signals are likely shaped by complex selection pressures. Indeed, co-evolution with pollinators is regarded as one of the major drivers for diversification among angiosperms. One floral signal increasingly appreciated during the last decades is floral scent, which consists of volatile chemicals emitted by the flower. These volatile... (More)
Understanding the evolutionary processes behind intraspecific variation and population differentiation is an important topic in biology, since intraspecific variation is required for speciation. Angiosperms show fascinating diversity in flower designs. Since the flower is crucial for reproductive success and at the same time often involved in biotic interactions with pollinators and/or herbivores, floral signals are likely shaped by complex selection pressures. Indeed, co-evolution with pollinators is regarded as one of the major drivers for diversification among angiosperms. One floral signal increasingly appreciated during the last decades is floral scent, which consists of volatile chemicals emitted by the flower. These volatile chemicals can function as both insect attractants and insect repellents. Floral scent can be highly variable at different taxonomic levels, and there are now many examples of dramatic intraspecific variation in scent profiles in different plant species. However, only few studies have investigated the evolutionary processes driving intraspecific variation in floral scent. In some of these studies, the variation has been linked to varying pollinator- or herbivore assemblies, driving local adaptation of a certain scent blend. In other cases, no such patterns are found, which has triggered alternative hypotheses, such as an impact of genetic drift and phylogenetic history. In the perennial arctic-alpine herb Arabis alpina (Brassicaceae), previous research show that different European populations vary strikingly in the composition of floral scent. In this study, I use whole genome data from six A. alpina populations distributed in Italy (4) and Greece (2). These populations have different scent profiles and I address if similarity in scent is explained by phylogenetic relationships. In addition to identifying the phylogeographic relationship among these six populations, I also examine population differentiation and population structure. All population pairs, except for the pair including the two Greek populations are genetically differentiated. Genetic differentiation was significantly correlated with, but did not fully explain similarity in scent. The phylogenetic and population structure analyses revealed that some populations with low similarity in scent are more closely related to each other than to other populations with a more similar scent profile. Taken together, my results suggest that the spatial pattern of scent variation among these populations only partly reflect phylogenetic relationships or genetic drift. Instead, the scent divergence between the closely related Italian populations may be a result of local adaptation, for example driven by plant-insect interactions. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Varierande likhet i blomdoft – beror det på släktskapsband?

De senaste decennierna har kunskapen om blomdoft och dess betydelse i interaktioner mellan växter och insekter ökat avsevärt. Det finns en stor mängd olika doftämnen i blommors doft och blomdoften kan vara högst variabel, inte bara mellan arter utan också mellan individer av samma art. Även om vissa doftämnen verkar sakna ekologisk funktion, är det många som visat sig vara attraherande för pollinatörer. Att locka till sig pollinatörer är livsavgörande för många sexuellt reproducerande växter och därför kan blomdoft ha stor betydelse för en växts reproduktiva framgång.

Inomartsvariation i blomdoft har föreslagits spela en roll i artbildning hos blomväxterna, om blommor av... (More)
Varierande likhet i blomdoft – beror det på släktskapsband?

De senaste decennierna har kunskapen om blomdoft och dess betydelse i interaktioner mellan växter och insekter ökat avsevärt. Det finns en stor mängd olika doftämnen i blommors doft och blomdoften kan vara högst variabel, inte bara mellan arter utan också mellan individer av samma art. Även om vissa doftämnen verkar sakna ekologisk funktion, är det många som visat sig vara attraherande för pollinatörer. Att locka till sig pollinatörer är livsavgörande för många sexuellt reproducerande växter och därför kan blomdoft ha stor betydelse för en växts reproduktiva framgång.

Inomartsvariation i blomdoft har föreslagits spela en roll i artbildning hos blomväxterna, om blommor av samma art som doftar på olika sätt attraherar olika pollinerare, vilket skapar så kallad reproduktiv isolering mellan populationer. Som ett led i att undersöka om artbildningen kan drivas av blomdoftsvariation, är en intressant fråga att ställa sig hur inomartsvariation av blomdoft uppstår. En hypotes är att variationen är adaptiv och att olika pollinerarsamhällen med olika doftpreferenser drivit växtpopulationer att dofta på olika sätt. En alternativ hypotes är att variationen inte är adaptiv utan snarare ett resultat av växtens spridningshistorik, och att populationer som är lika doftmässigt har ett närmare gemensamt ursprung än populationer som är doftmässigt olika. I min studie testar jag hypotesen att variation i blomdoft mellan populationer av fjältraven (Arabis alpina) är orsakad av spridningshistorik och släktskapsband.

I studien undersökte jag sex fjälltravspopulationer från Grekland och Italien som alla reproducerar sig med hjälp av pollinatörer. Dessa populationer varierar i hur lika de är varandra doftmässigt. Jag använde mig av helgenomsdata för att konstruera släktträd, undersöka populationsstruktur (med en PCA och Admixture analys) samt genetisk differentiering (FST) mellan populationerna.

Bevis för att doft kan variera oberoende av släktskap
Resultaten från den fylogenetiska analysen, PCAn och FST värdena överensstämde och visade att populationernas fylogenetiska band och genetiska likhet korresponderade till dess geografiska läge snarare än till hur lika de var doftmässigt. I Admixtureanalysen skilde sig den genetiska indelningen något från de andra analyserna, men även i detta resultat finns det vissa populationer som delades in i samma genetiska grupp även om de skiljde sig åt i blomdoft.

Variationen i blomdoft kunde inte helt förklaras av släktskapsband mellan populationerna. Även om några av populationerna var både genetiskt och doftmässigt lika så fanns det också vissa populationer som var lika i doft men geografiskt åtskilda, eller som tvärtom var olika i doft men geografiskt närbelägna. Variation i blomdoft mellan dessa populationer kan möjligen istället vara orsakat av evolutionära anpassningar till lokala pollinerarsamhällen.


Masterexamensprojekt i Biologi 45 hp 2019
Biologiska institutionen, Lunds universitet

Handledare: Magne Friberg and Anna Runemark
Biodiversitetsenheten, Biologiska institutionen (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Svensson, Kajsa
supervisor
organization
course
BION02 20182
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
language
English
id
8997472
date added to LUP
2019-11-06 13:54:08
date last changed
2019-11-06 13:54:08
@misc{8997472,
  abstract     = {Understanding the evolutionary processes behind intraspecific variation and population differentiation is an important topic in biology, since intraspecific variation is required for speciation. Angiosperms show fascinating diversity in flower designs. Since the flower is crucial for reproductive success and at the same time often involved in biotic interactions with pollinators and/or herbivores, floral signals are likely shaped by complex selection pressures. Indeed, co-evolution with pollinators is regarded as one of the major drivers for diversification among angiosperms. One floral signal increasingly appreciated during the last decades is floral scent, which consists of volatile chemicals emitted by the flower. These volatile chemicals can function as both insect attractants and insect repellents. Floral scent can be highly variable at different taxonomic levels, and there are now many examples of dramatic intraspecific variation in scent profiles in different plant species. However, only few studies have investigated the evolutionary processes driving intraspecific variation in floral scent. In some of these studies, the variation has been linked to varying pollinator- or herbivore assemblies, driving local adaptation of a certain scent blend. In other cases, no such patterns are found, which has triggered alternative hypotheses, such as an impact of genetic drift and phylogenetic history. In the perennial arctic-alpine herb Arabis alpina (Brassicaceae), previous research show that different European populations vary strikingly in the composition of floral scent. In this study, I use whole genome data from six A. alpina populations distributed in Italy (4) and Greece (2). These populations have different scent profiles and I address if similarity in scent is explained by phylogenetic relationships. In addition to identifying the phylogeographic relationship among these six populations, I also examine population differentiation and population structure. All population pairs, except for the pair including the two Greek populations are genetically differentiated. Genetic differentiation was significantly correlated with, but did not fully explain similarity in scent. The phylogenetic and population structure analyses revealed that some populations with low similarity in scent are more closely related to each other than to other populations with a more similar scent profile. Taken together, my results suggest that the spatial pattern of scent variation among these populations only partly reflect phylogenetic relationships or genetic drift. Instead, the scent divergence between the closely related Italian populations may be a result of local adaptation, for example driven by plant-insect interactions.},
  author       = {Svensson, Kajsa},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Does phylogeographic history cause among-population variation in floral scent in Arabis alpina?},
  year         = {2019},
}