The impact of population origin on the survival and performance of Antarctic hairgrass Deschampsia antarctica: a comparison between two latitudes
Mäkinen, Emilia (2023-12-05)
The impact of population origin on the survival and performance of Antarctic hairgrass Deschampsia antarctica: a comparison between two latitudes
(05.12.2023)
Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
avoin
Julkaisun pysyvä osoite on:
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20231218155483
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20231218155483
Tiivistelmä
The Antarctic climate is warming at an accelerating rate, driving the retreat of continental ice sheets in Antarctica. This decline in glacial formations relaxes dispersal barriers and allows the distribution ranges of terrestrial plant species to spread further inland and toward higher latitudes. At higher latitudes, species must adapt to the more extreme seasonal variation in day length. Thus, an extreme light environment may function as a bottleneck for the successful establishment of species in these areas.
In this thesis, I studied the adaptability of Antarctic hairgrass, Deschampsia antarctica, in response to two latitudes characterized by differences in the seasonal variability of day length and temperature. I conducted a common garden experiment at two sites in Finland: Ruissalo, Turku (60°26'N) and Kevo, Utsjoki (69°45'N). These sites represent the current and future day-length conditions experienced by D. antarctica as the species disperses to higher latitudes. The study design consisted of plants collected from populations of two origins: southern Patagonia and coastal Antarctica. Despite fewer Antarctic replicates, it was possible to compare differences in the performance of plants from two genetic backgrounds in response to two latitudinal environments. To analyze these differences, I recorded plant growth and fitness-correlated traits over two consecutive growing seasons in 2022 and 2023.
The results of this study demonstrate that D. antarctica is not restricted by the light environment in establishing and regulating its reproductive timing at higher latitudes. I found evidence of divergent adaptation between the two plant origins and latitudes in the initial growth following transplantation. This supports my hypothesis that genetic background affects the plants’ acclimatization to different light environments. Furthermore, the two sites and plant origins diverged significantly in survival and flowering rates. These results support previous studies of genetic distinctiveness between D. antarctica populations. In general, plants performed better in Kevo compared to Ruissalo, likely due to a lower amplitude of temperature variation and a more consistent snow cover during the winter season. Regardless of the site, plants of Antarctic origin had a lower survival rate but flowered more readily than Patagonian plants. This suggests a divergent allocation of resources to sexual reproduction and vegetative growth between the two origins.
Although the low number of Antarctic replicates limits these comparisons, my results highlight the importance of genetic background in predicting the future dynamics of D. antarctica. Photoperiodism together with other selection pressures is likely to affect the genetic structure of D. antarctica populations, as the species disperses toward higher latitudes. Further research is needed to identify specific responses to different light environments, especially regarding the species’ flowering phenology and resource allocations between vegetative and generative growth. Antarktinen ilmasto lämpenee kiihtyvällä tahdilla, voimistaen mannerjäätiköiden perääntymistä Etelämantereella. Näiden massiivisten jäätiköiden vetäytyminen vähentää jään muodostamia leviämisesteitä, mahdollistaen terrestristen kasvilajien levittäytymisen syvemmälle sisämaahan ja kohti korkeampia latitudeja. Korkeammilla latitudeilla lajien tulee kuitenkin sopeutua huomattavasti rajumpaan päivän pituuden kausittaisvaihteluun. Tällöin valoilmasto voi toimia pullonkaulana lajeille, jotka onnistuvat asettumaan perääntyvän jään paljastamille maa-alueille.
Tässä tutkielmassa tarkastelin antarktiksenlauhan (Deschampsia antarctica) adaptiivisuutta kahteen eri latitudiin, jotka eroavat toisistaan päivän pituuden ja lämpötilan vuodenaikaisvaihtelun suhteen. Suoritin common garden -tyyppisen kokeen kahdella koealalla, joista toinen sijaitsi Ruissalossa (Turku, 60°26'N) ja toinen Kevolla (Utsjoki, 69°45'N). Nämä koealat edustavat antarktiksenlauhan nykyistä ja tulevaa valo-olosuhteiden kausittaisvaihtelua lajin levittäytyessä korkeammille latitudeille. Koeasetelma koostui kasveista, jotka oli kerätty kahdesta eri alkuperästä: Chilen Patagoniasta ja Etelämantereen rannikolta. Etelämantereelta tuotujen kasvien alhaisemmasta replikaattimäärästä huolimatta tämä koeasetelma mahdollisti kasvumenestyksen vertailun eri alkuperien välillä kahdella eri latitudilla. Eroja tutkiakseni mittasin kasvien kelpoisuus- sekä kasvuominaisuuksia kahtena peräkkäisenä kasvukautena vuosina 2022 ja 2023.
Tämän tutkimuksen tulokset osoittavat, että valoilmasto ei rajoita antarktiksenlauhaa sen levittäytyessä ja ajoittaessa lisääntymistään korkeammilla latitudeilla. Erot ensimmäisen kasvukauden vegetatiivisessa kasvussa viittasivat eriävään adaptaatioon eri alkuperien ja koealojen välillä. Tämä tulos tukee hypoteesiani geneettisen taustan vaikutuksesta antarktiksenlauhan sopeutumiseen eri valoilmastoihin. Koealat ja alkuperät erosivat toisistaan merkitsevästi sekä elossasäilyvyyden että kukinnan suhteen. Nämä tulokset ovat linjassa aikaisempien tutkimusten kanssa, joissa on havaittu antarktiksenlauhan populaatioiden olevan geneettisesti eriytyneitä. Kasvit menestyivät paremmin Kevolla kuin Ruissalossa, todennäköisesti johtuen Kevon pienemmästä lämpötilavaihtelusta ja pysyvämmästä lumipeitteestä. Koealasta riippumatta Etelämantereelta tuotujen kasvien elossasäilyvyys oli alhaisempi ja kukkivuus korkeampi kuin Patagoniasta tuotujen kasvien. Erot alkuperien kukinnassa viittaavat mahdollisesti resurssien erilaiseen allokoimiseen seksuaalisen lisääntymisen ja vegetatiivisen kasvun välillä.
Vaikka Etelämantereelta tuotujen kasvien pienempi replikaattimäärä rajoittaa vertailuja, nämä tulokset korostavat geneettisen taustan tärkeyttä antarktiksenlauhan tulevaisuutta mallinnettaessa. Fotoperiodismi yhdessä muiden valintapaineiden kanssa tulee todennäköisesti vaikuttamaan antarktiksenlauhan populaatioiden geneettiseen rakenteeseen lajin levittäytyessä korkeammille latitudeille. Lisää tutkimusta kuitenkin tarvitaan koskien antarktiksenlauhan adaptiivisia responsseja erilaisiin valoilmastoihin, erityisesti suhteessa kukinnan fenologiaan sekä resurssien allokaatioon vegetatiivisen ja generatiivisen lisääntymisen välillä.
In this thesis, I studied the adaptability of Antarctic hairgrass, Deschampsia antarctica, in response to two latitudes characterized by differences in the seasonal variability of day length and temperature. I conducted a common garden experiment at two sites in Finland: Ruissalo, Turku (60°26'N) and Kevo, Utsjoki (69°45'N). These sites represent the current and future day-length conditions experienced by D. antarctica as the species disperses to higher latitudes. The study design consisted of plants collected from populations of two origins: southern Patagonia and coastal Antarctica. Despite fewer Antarctic replicates, it was possible to compare differences in the performance of plants from two genetic backgrounds in response to two latitudinal environments. To analyze these differences, I recorded plant growth and fitness-correlated traits over two consecutive growing seasons in 2022 and 2023.
The results of this study demonstrate that D. antarctica is not restricted by the light environment in establishing and regulating its reproductive timing at higher latitudes. I found evidence of divergent adaptation between the two plant origins and latitudes in the initial growth following transplantation. This supports my hypothesis that genetic background affects the plants’ acclimatization to different light environments. Furthermore, the two sites and plant origins diverged significantly in survival and flowering rates. These results support previous studies of genetic distinctiveness between D. antarctica populations. In general, plants performed better in Kevo compared to Ruissalo, likely due to a lower amplitude of temperature variation and a more consistent snow cover during the winter season. Regardless of the site, plants of Antarctic origin had a lower survival rate but flowered more readily than Patagonian plants. This suggests a divergent allocation of resources to sexual reproduction and vegetative growth between the two origins.
Although the low number of Antarctic replicates limits these comparisons, my results highlight the importance of genetic background in predicting the future dynamics of D. antarctica. Photoperiodism together with other selection pressures is likely to affect the genetic structure of D. antarctica populations, as the species disperses toward higher latitudes. Further research is needed to identify specific responses to different light environments, especially regarding the species’ flowering phenology and resource allocations between vegetative and generative growth.
Tässä tutkielmassa tarkastelin antarktiksenlauhan (Deschampsia antarctica) adaptiivisuutta kahteen eri latitudiin, jotka eroavat toisistaan päivän pituuden ja lämpötilan vuodenaikaisvaihtelun suhteen. Suoritin common garden -tyyppisen kokeen kahdella koealalla, joista toinen sijaitsi Ruissalossa (Turku, 60°26'N) ja toinen Kevolla (Utsjoki, 69°45'N). Nämä koealat edustavat antarktiksenlauhan nykyistä ja tulevaa valo-olosuhteiden kausittaisvaihtelua lajin levittäytyessä korkeammille latitudeille. Koeasetelma koostui kasveista, jotka oli kerätty kahdesta eri alkuperästä: Chilen Patagoniasta ja Etelämantereen rannikolta. Etelämantereelta tuotujen kasvien alhaisemmasta replikaattimäärästä huolimatta tämä koeasetelma mahdollisti kasvumenestyksen vertailun eri alkuperien välillä kahdella eri latitudilla. Eroja tutkiakseni mittasin kasvien kelpoisuus- sekä kasvuominaisuuksia kahtena peräkkäisenä kasvukautena vuosina 2022 ja 2023.
Tämän tutkimuksen tulokset osoittavat, että valoilmasto ei rajoita antarktiksenlauhaa sen levittäytyessä ja ajoittaessa lisääntymistään korkeammilla latitudeilla. Erot ensimmäisen kasvukauden vegetatiivisessa kasvussa viittasivat eriävään adaptaatioon eri alkuperien ja koealojen välillä. Tämä tulos tukee hypoteesiani geneettisen taustan vaikutuksesta antarktiksenlauhan sopeutumiseen eri valoilmastoihin. Koealat ja alkuperät erosivat toisistaan merkitsevästi sekä elossasäilyvyyden että kukinnan suhteen. Nämä tulokset ovat linjassa aikaisempien tutkimusten kanssa, joissa on havaittu antarktiksenlauhan populaatioiden olevan geneettisesti eriytyneitä. Kasvit menestyivät paremmin Kevolla kuin Ruissalossa, todennäköisesti johtuen Kevon pienemmästä lämpötilavaihtelusta ja pysyvämmästä lumipeitteestä. Koealasta riippumatta Etelämantereelta tuotujen kasvien elossasäilyvyys oli alhaisempi ja kukkivuus korkeampi kuin Patagoniasta tuotujen kasvien. Erot alkuperien kukinnassa viittaavat mahdollisesti resurssien erilaiseen allokoimiseen seksuaalisen lisääntymisen ja vegetatiivisen kasvun välillä.
Vaikka Etelämantereelta tuotujen kasvien pienempi replikaattimäärä rajoittaa vertailuja, nämä tulokset korostavat geneettisen taustan tärkeyttä antarktiksenlauhan tulevaisuutta mallinnettaessa. Fotoperiodismi yhdessä muiden valintapaineiden kanssa tulee todennäköisesti vaikuttamaan antarktiksenlauhan populaatioiden geneettiseen rakenteeseen lajin levittäytyessä korkeammille latitudeille. Lisää tutkimusta kuitenkin tarvitaan koskien antarktiksenlauhan adaptiivisia responsseja erilaisiin valoilmastoihin, erityisesti suhteessa kukinnan fenologiaan sekä resurssien allokaatioon vegetatiivisen ja generatiivisen lisääntymisen välillä.