Populációk térbeli fenotípusos és neutrális genetikai változatosságának vizsgálata óceáni szigeteken és szárazföldön

Az élőhelyek fragmentációjának, végsőképpen elszigetelődésének globális méreteire tekintettel szükségessé vált olyan prediktív ökológiai modellek kidolgozása, amelyek időben előre jelezhetik az izolációval járó kockázatokat. Ehhez mindenek előtt az elszigetelődés fogalmának tisztázása szükséges. Az óceáni szigetvilágra kidolgozott szigetjelenség aspektusai (egyensúlyi dinamika, izolált populációkat érintő új ökológiai-evolúciós nyomások) a szárazföldön is azonosíthatók. Azonban a szárazföldi populációk közötti génáramlást gyakran megkönnyíti az élőhelyek térbeli és időbeli érintkezése, mely esetben a térbeli variabilitás fő várható oka a földrajzi távolság általi elszigetelődés. Az óceáni szigetek és szárazföldi populációk térbeli változatosságának összehasonlítása tágabb fogalmi keretet nyújthat a földrajzi elszigetelődés mechanizmusainak vizsgálatára. Ugyanakkor a populációk térbeli változatosságát kiváltó okok nem mindig földrajzi jellegűek, hiszen gyakran még a szigetvilág egyediségét is az ökológiai, és nem a földrajzi távolság határozza meg. Tanulmányunkban megvizsgáltuk a földrajzi és ökológiai távolság hatását a növény- és állatpopulációk térbeli fenotípusos és neutrális genetikai változatosságára, összehasonlításban óceáni szigeteken és a szárazföldön. A vizsgálathoz 129 olyan publikáció adatait digitalizáltuk, amely egyazon faj legalább két-két populációját tanulmányozta szigeteken, illetve a szárazföldön (összesen 1193 szigeti és 1021 szárazföldi populáció 13037 adatát használva fel). A Bayes-i inferenciára épülő modellekben a függő változó a populáció-párok arányának logaritmusa volt, a fix hatás a földrajzi helyzet (sziget vagy szárazföld), földrajzi távolság, ökológiai (klimatikus) távolság és a taxonómiai besorolás (növény vagy állat), a random hatás a tanulmány, faj, filogenetika, taxonómiai csoportok voltak. A genetikai modellek heterozigótaság, lókuszonkénti allélszám, genetikai polimorfizmus, genotípus változatosság stb. értékeket, míg a tágabb értelemben vett fenotípusokra vonatkozó modellek jellegeket (méret, súly), életmenet-összetevőket (túlélés, szaporodás), fiziológiai stb. méréseket foglaltak össze. A genetikai sokféleséget nem befolyásolta jelentősen a populációk földrajzi és ökológiai távolsága, földrajzi helyzete vagy taxonómiai besorolása, habár a földrajzi távolság valamivel gyakrabban növelte a populációk közötti különbségeket. A szigeteken már minimális földrajzi távolság mellett is magas volt a populációk térbeli fenotípusos variabilitása (jóval magasabb, mint a szárazföldön), míg a szárazföldi populációk között csupán a földrajzi távolság növekedése emelte némileg a különbségeket. Tehát az óceáni szigeteken erőteljesebben megmutatkozott, hogy a fenotípusos variabilitás és a neutrális genetikai diverzitás eltérő folyamatok eredménye. A szigeteken a neutrális genetikai diverzitási mintázatoknál kifejezettebb volt a fenotípusok változatossága, jelezve a szigetek kapcsán jól ismert erőteljes evolúciós folyamatokat. Eközben a szárazföldi populációk valószínűleg kedvezőbb térbeli és időbeli kapcsolatai a fenotípusos változatosságot alacsonyabb szinten tartották. Összefoglalásként elmondható, hogy a populációk térbeli fenotípusos variabilitása elsősorban az élőhely-rendszerek alacsony átjárhatóságának köszönhető, míg a neutrális genetikai diverzitási mintázatokra a földrajzi, és különösen a klimatikus távolság lassabban vagy ritkábban fejti ki a hatását

Root traits vary as much as leaf traits and have consistent phenotypic plasticity among 14 populations of a globally widespread herb

Our understanding of plant functional trait variation among populations and how this relates to local adaptation to environmental conditions is largely shaped by above-ground traits. However, we might expect below-ground traits linked to resource acquisition and conservation to vary among populations that experience different environmental conditions. Alternatively, below-ground traits might be highly plastic in response to growing conditions, such as availability of soil resources and association with symbiont arbuscular mycorrhizal fungi (AMF). We assessed (i) the strength of among-population variation in above- and below-ground traits, (ii) the effects of growing conditions on among-population variation and (iii) whether variation among populations is linked to source environment conditions, in a globally distributed perennial Plantago lanceolata. Using seeds from 14 populations across three continents, we grew plants in a common garden experiment and measured leaf and root traits linked to resource acquisition and water conservation. We included two sets of experimental treatments (high or low water availability; with and without AMF inoculation), which enabled us to assess trait responses to growing conditions. Across treatments, the percentage of root trait variation explained by populations and continents was 9%–26%, compared to 7%–20% for leaf trait variation. From principal component analysis (PCA), the first PC axis for both root and leaf traits largely reflected plant size, while the second PC broadly captured mass allocation. Root mass allocation (PC 2) was related to mean annual temperature and mean moisture index, indicating that populations from cooler, wetter environments had longer, thinner roots. However, we found little support for a relationship between source environment and leaf trait PCs, root system size (PC1) or individual traits. Water availability and AMF inoculation effects on size were consistent among populations, with larger plants under AMF inoculation, and less mass allocation to leaves under lower water availability. Plantago lanceolata shows substantial population-level variation in a suite of root traits, but that variation is only partially linked to the source environmental variables studied. Despite considerable differences in source abiotic environments, geographically separated populations have retained a strong and similar capacity for phenotypic plasticity both above and below-ground. Read the free Plain Language Summary for this article on the Journal blog.</p

Phenotypic plasticity masks range-wide genetic differentiation for vegetative but not reproductive traits in a short-lived plant

Genetic differentiation and phenotypic plasticity jointly shape intraspecific trait variation, but their roles differ among traits. In short-lived plants, reproductive traits may be more genetically determined due to their impact on fitness, whereas vegetative traits may show higher plasticity to buffer short-term perturbations. Combining a multi-treatment greenhouse experiment with observational field data throughout the range of a widespread short-lived herb, Plantago lanceolata, we (1) disentangled genetic and plastic responses of functional traits to a set of environmental drivers and (2) assessed how genetic differentiation and plasticity shape observational trait-environment relationships. Reproductive traits showed distinct genetic differentiation that largely determined observational patterns, but only when correcting traits for differences in biomass. Vegetative traits showed higher plasticity and opposite genetic and plastic responses, masking the genetic component underlying field-observed trait variation. Our study suggests that genetic differentiation may be inferred from observational data only for the traits most closely related to fitness

Phenotypic plasticity masks range-wide genetic differentiation for vegetative but not reproductive traits in a short-lived plant

Publication history: Accepted - 19 May 2021; Published - 5 August 2021.Genetic differentiation and phenotypic plasticity jointly shape intraspecific trait variation, but their roles differ among traits. In short-lived plants, reproductive traits may be more genetically determined due to their impact on fitness, whereas vegetative traits may show higher plasticity to buffer short-term perturbations. Combining a multi-treatment greenhouse experiment with observational field data throughout the range of a widespread short-lived herb, Plantago lanceolata, we (1) disentangled genetic and plastic responses of functional traits to a set of environmental drivers and (2) assessed how genetic differentiation and plasticity shape observational trait–environment relationships. Reproductive traits showed distinct genetic differentiation that largely determined observational patterns, but only when correcting traits for differences in biomass. Vegetative traits showed higher plasticity and opposite genetic and plastic responses, masking the genetic component underlying field-observed trait variation. Our study suggests that genetic differentiation may be inferred from observational data only for the traits most closely related to fitness.Eesti Teadusagentuur, Grant/Award Number: PRG609 and PUT1409; Academy of Finland; Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada; Science Foundation Ireland, Grant/Award Number: 15/ERCD/2803; Spanish Ministry of Science, Innovation and Universities, Grant/Award Number: IJCI-2017- 32039; European Regional Development Fun

Presentation on demographic compensation

Oral contribution to 4th Iberian Ecology Meeting. Title "Demographic compensation across environmental gradients and species’ distribution ranges".<br

Course on Population Modelling

Lecture: Introduction to Population Modelling<br

Jesus Villellas PhD dissertation

Presentation of Jesus Villellas PhD dissertation "Demographic and life-history variability across the range of a widespread herb: the role of environmental, geographical and genetic factors"<br

Poster on seed trait variation across the range of a plant

Poster contribution to 94th Meeting of Ecological Society of America. Title: "Fitting seed number and size to the local environment at large spatial scales".<br

Presentation on the drivers of species distributions

Oral contribution to the meeting "Faster, Higher, More? - Alpine and Arctic Flora under Climate Change" in Switzerland. Title: "Species’ distributions: the interplay between demography and climate across ranges".<br