Praca doktorska
Ładowanie...
How population size and pollinator availability mould breeding system and population genetics in plants? The case of Jacob's Ladder (Polemonium caeruleum, Polemoniaceae), a pollen-limited species of the "Polish Plant Red-Book"
| dc.abstract.en | Mutualistic plant-pollinator interactions are crucial for the functioning of many terrestrial ecosystems and global food supply. However, global diversity loss, which has intensified in recent decades, disrupts the pollination process, making it a significant subject of the study. Populations of rare species and those at the edges of their range are particularly vulnerable to extinction. While pollinators play a pivotal role in shaping plant reproductive success, there are also other factors that influence it. Studies on plant reproductive success typically focus on individual factors, instead of considering them simultaneously. Additionally, most studies on plant pollinator interactions tend to focus on specialist plant species, while overlooking generalist species. In my study, I investigated the ecological and evolutionary consequences of population fragmentation of Polemonium caeruleum, a red-listed, boreal plant from the Polemoniaceae family and the only representative of the genus Polemonium in the Polish flora. In Poland, the species reaches its southern range limit and its populations are in decline. P. caeruleum is usually a self-compatible, insect-pollinated plant, characterised by a generalist pollination system, that reproduces only by seeds. By using multidimensional methods, I was able to verify the following hypotheses: 1. The decrease in population size of P. caeruleum affects the reproductive success of plants due to lower pollinator visitation frequency. 2. The decrease in population size leads to changes in the breeding system (transition from self-incompatibility to self-compatibility), resulting in decreased intra-population genetic diversity as a result of breeding among closely related individuals. 3. The chemistry of P. caeruleum nectar varies among populations and is shaped by availability of nutrients in the habitat, hence influencing the insect assemblages visiting flowers. 4. Bacterial communities inhabiting the nectar of P. caeruleum differ spatially. In order to verify the above hypotheses, I conducted research in 15 populations of P. caeruleum located in Poland, distributed across the country and differing in habitat conditions and number of individuals. I performed experiments on randomly selected flowers, testing reproductive success and pollen limitation level in the years 2014-2018. I also recorded insect activity visiting the flowers in the years 2015-2018. I conducted the experiments on the breeding system in the years 2016-2018. In 2016, I collected leaf samples and genotyped them using AFLP (Amplified Fragment Length Polymorphism) markers to assess genetic variation in populations. l also performed flower measurements and collected nectar samples that I analysed using HPLC (High Pressure Liquid Chromatography) in 2018. I conducted analyses of nectar inhabiting bacteria assemblages using culture-independent 16S rRNA gene amplicon sequencing (MiSeq, Illumina) in 2017. The decrease in population size of P. caeruleum resulted in decreased reproductive success of plants and increased pollen limitation level. However, my results did not confirm the presence of a positive effect of population size on insect visit frequency. On the other hand, increased insect visits had a negative impact on pollen limitation level (hypothesis 1). Furthermore, my analyses showed that honeybees visiting flowers of P. caeruleum played a contradictory role: while these insects were the most frequent flower visitors they also decreased the pollen limitation level, their activity also reduced plant reproductive success. The studied populations demonstrated varying degrees of self-compatibility, with most of them characterised by a mixed-mating system, albeit to a different degree. No correlation was found between the breeding system (level of self-compatibility) and population size. However, my analyses revealed that population size negatively influenced seed production via self-pollination. The increase in seed production through self-pollination in small populations suggests the development of a reproductive assurance mechanism. This process was facilitated by changes in flower morphology, which indicate the development of a selfing syndrome. Furthermore, the analysis showed that flower morphology is shaped by pollinator mediated selection. My study revealed that populations of P. caeruleum in Poland exhibit relatively low inter population genetic diversity and moderate among-population genetic diversity, coupled with and a high degree of inbreeding. Intra-population genetic variation was not correlated with the size of population or the degree of self-compatibility. This lack of association may be due to changes in population size and in the level of self-compatibility (breeding system) over the years. Moreover, such lack of relationship may result from the breeding system of studied populations, because a positive relationship between population size and its genetic variability is usually stronger in self-incompatible than in self-compatible populations. Additionally, low genetic variability and high inbreeding in populations may hinder the ability to adapt to changing environmental conditions, putting even large populations at risk of extinction. The prevalence of mixed-mating among studied populations ensures reproduction in an unpredictable pollination environment. This strategy may also provide benefits in case of fluctuations in population size (hypothesis 2). The investigation of nectar chemistry revealed variations both among regions and among populations within Poland. The presence of selected nutrients in the habitat may influence nectar characteristics, but the observed nectar traits had little effect on insect visitation (hypothesis 3). Moreover, my study confirmed that there are spatial differences in the bacterial communities inhabiting nectar (hypothesis 4). My study expands our knowledge of the biology of P. caeruleum and provides a comprehensive view of the factors contributing to the decline of its populations in Poland. Such long-term, across-population studies enhance our understanding of the pressures driving plant reproductive success and form the scientific foundation for an effective conservation strategy. Although the findings pertain to a single species, they can potentially be extended to other species characterised by a similar biology, rare species or groups representing related taxa. |
| dc.abstract.en | Mutualistyczne interakcje roślin i ich zapylaczy są kluczowe dla funkcjonowania wielu lądowych ekosystemów, są też podstawą globalnej produkcji żywności. Jednak zintensyfikowany w ostatnich latach globalny spadek bioróżnorodności zaburza proces zapylania roślin przez zwierzęta, czyniąc ten temat istotnym zagadnieniem badawczym. Populacje rzadkich gatunków roślin i te występujące na granicy zasięgu gatunku mogą być szczególnie narażone na wyginięcie. Zapylacze odgrywają kluczową rolę w kształtowaniu sukcesu reprodukcyjnego roślin, jednak na proces ten mają wpływ także inne czynniki. Badania dotyczące reprodukcji roślin zazwyczaj koncentrują się na kształtujących go poszczególnych czynnikach, zamiast na uwzględnianiu kilku z nich łącznie. Ponadto, większość badań dotyczących interakcji roślin i zapylaczy często skupionych jest na roślinach specjalistycznych, podczas gdy generalistyczne gatunki roślin są pomijane. W trakcie moich badań skupiłam się na ekologicznych i ewolucyjnych skutkach fragmentacji populacji wielosiłu błękitnego (Polemonium caeruleum), borealnej rośliny z polskiej czerwonej listy roślin, należącej do rodziny wielosiłowatych (Polemoniaceae). W Polsce gatunek ten osiąga południową granicę zwartego zasięgu i notuje się spadki liczebności roślin w populacjach, co niekiedy prowadzi do ich całkowitego zaniku. Roślina ta charakteryzuje się zazwyczaj samozgodnym systemem kojarzenia i generalistycznym systemem zapylania. Zapylana jest przez owady i rozmnaża się wyłącznie za pomocą nasion. Dzięki użyciu różnych metod, w trakcie prowadzonych badań, mogłam zweryfikować następujące hipotezy: 1. Spadek liczebności osobników w populacji P. caeruleum obniża sukces reprodukcyjny roślin przez zmniejszenie częstotliwości odwiedzin kwiatów przez zapylacze. 2. Spadek liczebności osobników w populacji prowadzi do zmian w systemie kojarzenia (przejście od samoniezgodności do samozgodności), co skutkuje obniżeniem wewnątrzpopulacyjnej zmienności genetycznej, będąc wynikiem kojarzenia blisko spokrewnionych osobników. 3. Skład nektaru P. caeruleum różni się między populacjami i jest kształtowany przez dostępne składniki odżywcze w siedlisku, wpływając na zbiorowiska owadów odwiedzających kwiaty. 4.Zespoły bakterii zasiedlających nektar P. caeruleum są zróżnicowane przestrzennie. W celu przetestowania powyższych hipotez wybrałam 15 populacji P. caeruleum zlokalizowanych w Polsce, różniących się położeniem, warunkami siedliskowymi i liczbą osobników. W latach 2014-2018 przeprowadziłam doświadczenia na losowo wybranych kwiatach, w celu określenia poziomu sukcesu reprodukcyjnego i limitacji pyłkiem. Nagrywałam również aktywność owadów odwiedzających kwiaty (w latach 2015-2018). Eksperymenty mające na celu określenie systemu reprodukcyjnego przeprowadziłam w latach 2016-2018. Ponadto w 2016 roku zebrałam próbki liści, które poddałam analizom genetycznym z użyciem markerów AFLP (polimorfizmu długości amplifikowanych fragmentów), w celu określenia zmienności genetycznej w populacjach. W 2018 roku wykonałam również pomiary biometryczne kwiatów i zebrałam próbki nektaru, które następnie analizowałam z wykorzystaniem metody HPLC (wysokosprawnej chromatografii cieczowej). Analizy nektaru pod kątem zasiedlających go zespołów bakterii wykonałam w roku 2017, wykorzystując metodę niewymagającą hodowli bakterii - sekwencjonowanie amplikonów genu 16S rRNA (MiSeq, Illumina). Spadek liczebności osobników w populacji skutkował obniżeniem sukcesu reprodukcyjnego roślin i wzrostem poziomu limitacji pyłkiem. Jednak moje wyniki nie potwierdziły pozytywnego wpływu wielkości populacji na częstotliwość odwiedzin kwiatów przez owady. Z drugiej strony, wzrost częstotliwości odwiedzin kwiatów przez owady negatywnie wpływał na poziom limitacji pyłkiem (hipoteza 1). Ponadto, moje analizy wykazały, że pszczoły miodne odwiedzające kwiaty P. caeruleum odgrywają dwojaką rolę: podczas gdy owady te były grupą najczęściej odwiedzającą kwiaty, a ich aktywność wpływała na obniżenie poziomu limitacji pyłkiem w populacji, ich obecność powodowała także redukcję sukcesu reprodukcyjnego roślin. Populacje objęte badaniami charakteryzowały się zróżnicowanym stopniem samozgodności, a większość z nich cechował mieszany system kojarzenia. Moje analizy nie potwierdziły istnienia korelacji między systemem kojarzenia (poziomem samozgodności) a wielkością populacji. Wykazałam jednak, że wielkość populacji pozytywnie wpływała na liczbę nasion powstającą w wyniku samozapylenia. Wzrost produkcji nasion przez samozapylenie w małych populacjach sugeruje rozwijanie się tam mechanizmu wspierania reprodukcji (reproductive assurance mechanism). Ten proces był wspomagany przez zmiany w budowie morfologicznej kwiatów, co wskazuje na rozwijanie się syndromu samopylności (selfing syndrome). Ponadto, moje analizy wykazały, że budowa morfologiczna kwiatów jest kształtowana przez presję selekcyjną zapylaczy. Udowodniłam, że populacje P. caeruleum w Polsce charakteryzuje stosunkowo niska wewnątrzpopulacyjna zmienność genetyczna i umiarkowana międzypopulacyjna zmienność genetyczną, a także wysoki stopień kojarzenia wsobnego. Wewnątrzpopulacyjna zmienność genetyczna nie była skorelowana z rozmiarem populacji, ani ze stopniem samozgodności. Brak tej zależności może być wynikiem zróżnicowania między latami, w których prowadziłam badania, wielkości, a także zmian w poziomie samozgodności (systemie reprodukcyjnym) niektórych z badanych populacji. Ponadto brak tego związku może mieć związek z systemem reprodukcyjnym badanych populacji, ponieważ pozytywny związek między wielkością populacji a jej genetyczną zmiennością jest zazwyczaj silniejszy w przypadku samoniezgodnych populacji. Dodatkowo niska zmienność genetyczna i wysoki stopień kojarzenia wsobnego w populacjach może utrudniać zdolność do adaptowania się do zmieniających się warunków środowiska, co skutkować może zagrożeniem zaniku nawet największych populacji. Ta strategia może również zapewniać korzyści w przypadku fluktuacji liczebności osobników w populacji (hipoteza 2). Analizy nektaru wykazały zróżnicowanie zarówno między trzema regionami, w których grupowały się populacje, jak i między populacjami. Obecność wybranych składników odżywczych w siedlisku może kształtować badane cechy nektaru, które jednak w niewielkim stopniu wpływały na zespoły odwiedzających kwiaty owadów (hipoteza 3). Ponadto, wyniki moich badań potwierdziły przestrzenne zróżnicowanie zespołów bakterii zasiedlających nektar (hipoteza 4). Moje badania uzupełniają wiedzę na temat biologii P. caeruleum i umożliwiają spójną ocenę czynników przyczyniających się do spadku liczebności osobników w populacjach tej rośliny w Polsce. Takie długoterminowe badania, uwzględniające dużą liczbę populacji umożliwiają lepsze zrozumienie czynników kształtujących sukces reprodukcyjny roślin i opracowanie skutecznej ochrony. Chociaż wyniki badań dotyczą jednego gatunku, mogą być odnoszone do innych gatunków, charakteryzujących się podobną biologią, a także rzadkich gatunków roślin, czy grup reprezentowanych przez spokrewnione gatunki. |
| dc.affiliation.department | Wydział Biologii |
| dc.contributor.author | Ryniewicz, Justyna |
| dc.date.accessioned | 2023-06-16T08:18:34Z |
| dc.date.available | 2023-06-16T08:18:34Z |
| dc.date.defence | 2023-06-28 |
| dc.date.issued | 2023-06-16 |
| dc.description.additional | Link archiwalny https://depotuw.ceon.pl/handle/item/4623 |
| dc.description.promoter | Zych, Marcin |
| dc.identifier.uri | https://repozytorium.uw.edu.pl//handle/item/4623 |
| dc.language.iso | en |
| dc.rights | ClosedAccess |
| dc.subject.en | reproductive ecology |
| dc.subject.en | population genetics |
| dc.subject.en | pollen limitation |
| dc.subject.en | plant-pollinator interactions |
| dc.subject.en | nectar |
| dc.subject.en | breeding system |
| dc.subject.en | nectar microbiome |
| dc.subject.en | Apis mellifera |
| dc.subject.en | ekologia reprodukcyjna |
| dc.subject.en | genetyka populacji |
| dc.subject.en | limitacja pyłkiem |
| dc.subject.en | interakcje roślina-zapylacz |
| dc.subject.en | nektar |
| dc.subject.en | system reprodukcyjny |
| dc.subject.en | mikrobiom nektaru |
| dc.title | How population size and pollinator availability mould breeding system and population genetics in plants? The case of Jacob's Ladder (Polemonium caeruleum, Polemoniaceae), a pollen-limited species of the "Polish Plant Red-Book" |
| dc.title.alternative | W jaki sposób wielkość populacji i dostępność zapylaczy moduluje system rozrodu i strukturę genetyczną roślin? Przypadek wielosiłu błękitnego (Polemonium caeruleum, Polemoniaceae), limitowanego pyłkiem gatunku z "Polskiej Czerwonej Księgi Roślin" |
| dc.type | DoctoralThesis |
| dspace.entity.type | Publication |