Grass-endophyte coevolution and ploidy levels in fescues

Abstract

ABSTRACT Fescues consist of wild and cultivated grasses that have adapted to a wide range of environmental conditions. They are an excellent model species for evolutionary ecology studies that investigate symbiosis and polyploidization and their effects on plant performance. First, they are frequently infected with symbiotic endophytic fungi known to affect a plant’s ability to cope with biotic and abiotic environmental factors. Second, fescue species have been reported to have substantial intraspecific variation in their ploidy level and morphology. In my thesis, I examined large-scale generalizations for frequency of polyploidy and endophyte infections and their effects on plant morphology. As a model species, I selected red (Festuca rubra) and viviparous sheep’s (F. vivipara) fescues. They are closely related, but they differ in terms of distribution and endophyte infection frequency. I investigated the biogeographic pattern and population biology of 29 red and 12 viviparous sheep’s fescue populations across ≈300 latitudes in Europe (400-690 N). To examine plant ploidy levels, I implemented time- and cost-efficient plate-based high throughput flow cytometric analysis. This efficient procedure enabled me to analyze over 1000 red fescue individuals. I found three ploidy levels among them: overall 84 %, 9 % and 7 % of the red fescue plants were hexaploid, tetraploid and octoploid, respectively. However, all viviparous sheep’s fescue plants were tetraploid. Ploidy level of red fescue appeared to some extent follow gradients in latitude and primary production as suggested by previous studies, but these results could be explained better by taking the sampling design and local adaptation into account. Three Spanish populations were mostly tetraploids and one high elevation population in northernmost Finland (Halti) was octoploid, while most other populations (25 sites) were dominated by hexaploids. Endophyte infection frequencies of wild fescue populations varied from 0 to 81 % in red fescue populations and from 0 to 30 % in viviparous sheep’s fescue populations. No gradients with latitude or primary production of the sites were detected. As taxonomy of red fescues is somewhat unclear, I also studied morphology, ploidy variation and endophyte status of proposed subspecies of European red fescues. Contrary to previous literature, different ploidy levels occurred in the same subspecies. In addition to wild fescues, I also used two agronomically important cultivars of meadow and tall fescue (Schedonorus phoenix and S. pratensis). As grass-legume mixtures have an agronomic advantage over monocultures in meadows, I carried out a mixture/competition experiment with fescues and red clover to find that species composition, nutrient availability and endophyte status together determined the total biomass yield that was higher in mixtures compared to monocultures. The results of this thesis demonstrate the importance of local biotic and abiotic factors such as grazing gradients and habitat types, rather than suggested general global geographical or environmental factors on grass polyploidization or its association with symbiotic endophytic fungi. I conclude that variation in endophyte infection frequencies and ploidy levels of wild fescues support the geographic mosaic theory of coevolution. Historical incidents, e.g., glaciation and present local factors, rather than ploidy or endophyte status, determine fescue morphology.

TIIVISTELMÄ Nadat ovat monenlaisiin ympäristöolosuhteisiin sopeutuneita luonnossa kasvavia ja viljeltäviä heiniä. Ne ovat erinomaisia evoluutiobiologian mallilajeja evoluutioekologisiin tutkimuksiin joissa tutkitaan symbioosia, polyploidiaa ja niiden vaikutusta kasviin. Ensinnäkin ne ovat usein infektoituneita symbionttisilla endofyyttisillä sienillä, joiden tiedetään vaikuttavan kasvin kykyyn selviytyä erilaisissa bioottisissa ja abioottisissa ympäristöissä. Toiseksi nadoilla on havaittu runsaasti lajinsisäistä vaihtelua ploidiatasoissa ja morfologiassa. Väitöskirjatyössäni tutkin endofyytti-infektio- ja polyploidiafrekvenssejä, niihin vaikuttavia syitä ja niiden vaikutuksia natojen morfologiaan. Mallilajiksi valitsin punanadan (Festuca rubra) ja itunadan (F. vivipara). Ne ovat lähisukuisia lajeja, mutta eroavat levinneisyydeltään ja endofyytti-infektiofrekvenssiltään. Tutkin 29 punanata- ja 12 itunatapopulaation biogeografista esiintymistä ja populaatiobiologiaa ≈30 leveysastetta kattavalla alueella Euroopassa (400-690 N). Tarkastellakseni kasvien ploidia asteita käytin kustannustehokasta kuoppalevy- virtaussytometria menetelmää. Tämä aikaa ja materiaaleja säästävän analyysitavan avulla pystyin määrittämään luonnosta keräämieni yli 1000 kasviyksilön ploidia-asteen. Löysin näytteistäni kolme ploidia-astetta: punanadoista 84 % oli heksaploideja, 9 % tetraploideja ja 7 % oktoploideja. Sen sijaan kaikki itunadat olivat tetraploideja. Punanatojen ploidia-aste näyttää jossain määrin korreloivan leveysaste- ja tuottavuusindeksien maantieteellisten etelä-pohjoissuuntaisten gradienttien kanssa, kuten on esitetty aikaisemmissa tutkimuksissa. Omat tulokseni voidaan kuitenkin paremmin selittää, lajien sopeutumislevittäytymisellä aluemaantieteellisesti laajalla otanta-alueella sekä paikallisella sopeutumisella vallitseviin olosuhteisiin. Kolme espanjalaista populaatiota olivat lähinnä tetraploideja, yksi korkealla sijaitseva populaatio Pohjois-Suomessa (Halti) oli oktoploidi, kun taas kaikki muut 25 populaatiota, olivat suurimmaksi osaksi heksaploideja. Endofyytti-infektiot luonnosta kerätyissä punanatapopulaatioissa vaihtelivat 0 % ja 81 % välillä ja itunatapopulaatioissa 0 % ja 30 % välillä. Endofyytti-infektion, leveysasteiden ja perustuotannon suhteen ei havaittu yhteyttä. Koska punanatojen taksonomia on jossain määrin epäselvä, tutkin myös eurooppalaisten punanatojen alalajien morfologian, ploidia-asteen vaihtelun ja endofyytti-infektion välistä suhdetta. Toisin kuin aikaisemmassa kirjallisuudessa on esitetty, samassa alalajissa esiintyi eri ploidia-asteita. Luonnosta kerättyjen natojen lisäksi tutkin myös kahta maataloudessa tärkeää nurminata- ja ruokonatalajiketta (Schedonorus phoenix ja S. pratensis). Koska heinä-apilaseosten on esitetty olevan parempia kasvustoja niityillä kuin monokulttuurien, toteutin nata- ja puna-apila-kilpailukokeen, jossa havaittiin että heinälaji, ravinteiden saatavuus ja endofyytti-infektio yhdessä määrittivät totaalibiomassan tuotannon, joka oli korkeampi seoksissa kuin monokulttuureissa. Tämän väitöskirjatyön tulokset painottavat paikallisten bioottisten ja abioottisten tekijöiden merkitystä verrattuna suurempiin globaaleihin maantieteellisiin tai ympäristötekijöiden vaikutuksiin heinien polyploidian määräytymisessä tai endofyyti-infektiofrekvensseissä. Luonnonnatojen endofyytti-infektioiden ja ploidia-asteen vaihtelu tukevat koevoluution maantieteellistä mosaiikkiteoriaa. Historialliset tapahtumat, kuten jääkausi, ja nykyiset paikalliset tekijät ennemmin kuin ploidia tai endofyyttistatus määräävät natojen morfologiaa.