Sukces inwazyjny w Antarktyce: porównanie różnych populacji Poa annua L. pod względem zmienności genetycznej i plastyczności fenotypowej

Antarktyka jest jednym z najbardziej izolowanych regionów na Ziemi. Wynika to odległego położenia i ekstremalnych warunków środowiskowych, które tworzą bardzo silne bariery na drodze inwazji biologicznych: geograficzną i przeżyciową. Mimo tych barier wiele obcych propagul roślin dostaje się do Antarktyki każdego roku, ale dotychczas tylko jeden gatunek inwazyjny zdołał utworzyć w tym miejscu stabilną populację – Poa annua L. (wiechlina roczna). Dotychczasowe badania sugerowały, że populacją źródłową dla propagul, od których rozpoczęła się ta inwazja, jest populacja z Powsina w Polsce oraz, że za sukces inwazyjny może odpowiadać wysoka plastyczność fenotypowa gatunku. W celu zbadania tych hipotez jak i kwestii zmienności genetycznej oraz przyczyn sukcesu inwazyjnego tego konkretnego gatunku, zastosowano w tej pracy różne podejścia badawcze wykorzystując osobniki P. annua pochodzące z ośmiu różnych populacji na świecie. Badania te łączyły eksperymenty ex situ badające cechy fenotypowe oraz analizy zmienności genetycznej. Pierwszy przeprowadzony eksperyment polegał na stworzeniu czterech osobnych założeń typu wspólny ogród, gdzie porównano odpowiedź i reakcję roślin na symulacje warunków klimatycznych antarktycznych i optymalnych dla gatunku, jak i na podłoże optymalne i antarktyczne. Drugi eksperyment dotyczył zdolności P. annua do zmiany trybu życia na wieloletni i również był założeniem typu wspólny ogród w symulacji antarktycznego sezonu wegetacyjnego, antarktycznej zimy oraz drugiego sezonu wegetacyjnego. Zbadano też zmienność genetyczną wybranych zmiennych, niekodujących fragmentów cpDNA osobników z populacji uwzględnionych w poprzednich eksperymentach. W eksperymentach fenotypowych osobniki P. annua niezależnie od lokalizacji populacji źródłowej, wykazały podobną odpowiedź na symulowane warunki, co świadczy o wysokiej plastyczności fenotypowej gatunku. Żadna z populacji nie wykazuje jednak szczególnego przystosowania do inwazji antarktycznej. Prawie wszystkie osobniki z doświadczenia drugiego były w stanie zakwitnąć w drugim sezonie wegetacyjnym, co potwierdza zdolność gatunku do przejścia w wieloletni tryb życia w ekstremalnych warunkach antarktycznych. Przeprowadzona analiza zmienności genetycznej wskazuje na wysoki stopień homogenizacji badanych populacji gatunku. Zmienność międzypopulacyjna jest niewielka, a brak konkretnych grupowań populacji antarktycznej z innymi uniemożliwia określenie jednej konkretnej populacji źródłowej. Dodatkowo zaobserwowano zmienność wewnątrzpopulacyjną w populacji antarktycznej, niewyróżniającą się od zmienności genetycznej populacji z pierwotnego zasięgu. Sugeruje to prawdopodobny udział wielokrotnych introdukcji w procesie inwazji w Antarktyce zabezpieczający populację przed spadkiem zmienności w wyniku efektu założyciela lub bottleneck. Niezależnie od lokalizacji populacji źródłowej propagul, P.annua ma potencjalną możliwość osiągniecia sukcesu inwazyjnego w Antarktyce. Wskazują na to zarówno wyniki eksperymentów ex situ jak i analiza zmienności genetycznej. Najlepszym sposobem ochrony tego unikalnego środowiska jest więc dalsze zabezpieczenie go przez dopływem propagul, jak i ciągły monitoring obszarów zmienionych antropogenicznie, które są najbardziej podatnymi na inwazje miejscami. Wraz ze zmianami klimatu i ocieplaniem się Antarktyki ochrona przed roślinnymi inwazjami biologicznymi tego obszaru może być znacznie utrudniona ze względu na słabnącą barierę przeżyciową w postaci trudnych warunków klimatycznych.

Antarctica is one of the most isolated regions on Earth. Significant distance from other continents and extreme environmental conditions, result in strong geographic and survival barriers for organisms alien to the south pole. Despite these barriers, many propagules are being transported to the Antarctic every year, but till now, only one plant species established a stable, invasive population there – Poa annua L. (annual bluegrass). Previous research suggests that source population for this invasion may be originating from Powsin in Poland and that the success of the invasion is mostly driven by species’ considerable phenotypic plasticity. This work aims to further examine this hypothesis and additionally study the species’ genetic diversity as well as it’s invasive success. Described research was conducted on P. annua individuals sampled from populations from eight different places in the world and combined morphological phenotypic data from ex situ experiments with genetic analyses. First experiment in this research was a common garden experiment with 4 different simulations of environmental conditions. The experiment focused on comparing traits and responses of plants to soil and temperature emulating conditions optimal for the species and Antarctic conditions in the place of its ongoing invasion. Second experiment was conducted to check P. annua ability to switch its typical annual life cycle to perennial. This ability was studied under simulated Antarctic conditions spanning winter conditions and two summer growth seasons. Genetic diversity was assessed using highly variable, non-coding cpDNA fragments isolated from individuals from studied populations. P. annua individuals from different populations exhibited a similar response to given conditions in the first experiment, irrespectively of their source population, which confirms a high phenotypic plasticity of the species. No studied population seems especially preadapted to Antarctic invasion. Almost all individuals in second experiment were able to survive till the second growth season and produce a generative shoot during it. This suggests that P. annua is a species able to change its life cycle to perennial under stress caused by extreme Antarctic conditions. Genetic diversity analysis of studied fragments presents a high genetic homogenization of the species. Most of found variability is inside populations and no consistent grouping of the Antarctic population with any other of studied populations was observed. In this situation it is not possible to determine one source population for the invasion. Genetic diversity of the Antarctic population is not significantly different than diversity of native populations, which may suggest multiple introductions from various sources of propagules. This would shield the invasive population from a loss of diversity as a result of bottleneck or founder effect. P. annua is probably capable of Antarctic invasion as a whole species, regardless of the propagule source. This is a conclusion driven from both ex situ experiments and genetic analysis. The best course of action to protect unique Antarctic environment, would be to further protect this region from exposition to alien propagules and continuous monitoring of sites with heavy anthropomorphic changes. Such sites are most likely to be the areas for new invasions, especially under the climate change scenarios and constant warming of Antarctica. Because of that, the protection of the south pole environment in the future, may be even more difficult, as the survival barrier of extreme conditions will be less restrictive with time.