The role of polygamy in Salix myrsinifolia expansion

Abstract

Poligamia (syn. subdioecja i trioecja) jest systemem seksualnym bliskim dwupienności, w którym poza osobnikami męskimi i żeńskimi, w populacjach występują też osobniki hermafrodytyczne. Zjawisko to jest jednym ze stadiów ewolucji dwupienności, choć znane są przypadki powrotu gatunków dwupiennych do poligamii – np. klon jesionolistny i wierzba czarniawa Salix myrsinifolia. Ta druga jest borealnym gatunkiem, która w obszarze swojego pierwotnego zasięgu uważana jest za dwupienną, a na południowo-zachodnim krańcu zasięgu część osobników stanowią hermafrodyci o kwiatostanach podzielonych na część męską i żeńską. Na początku XX wieku S. myrsinifolia docierała do północno-wschodnich granic polski, a w ciągu ostatnich kilku dekad jej zasięg rozszerzył się w kierunku południowym na Lubelszczyznę i zachodnim na Mazowsze. Ekspansji geograficznej towarzyszy częste wkraczanie gatunku na siedliska antropogeniczne. Zjawisko poligamii zostało zauważone przez prof. Falińskiego, który stwierdził powszechność tego zjawiska w północno-wschodniej Polsce, a także z mniejszą frekwencją na Litwie. Prowadził też pomiary morfologiczne i obserwacje płci i na znakowanych osobnikach. Głównym celem moich badań, była odpowiedź na pytanie, czy poligamia u S. myrsinifolia pełni rolę w obserwowanej ekspansji gatunku, a jeśli tak to jaką? Założyłem m.in., że: zjawisko poligamii jest istotnie związane z wtórnym zasięgiem geograficznym, osobniki hermafrodytyczne mogą osiągać konkurencyjną przewagę nad innymi płciami, struktura seksualna populacji i płeć osobników jest dynamiczna, struktura genetyczna populacji poligamicznych jest uboższa niż dwupiennych, a samo zjawisko poligamii ma podłoże genetyczne. Aby zweryfikować postawione hipotezy powtórzyłem monitoring struktury płciowej w 32 populacjach rozmieszczonych w gradiencie północ-południe (zgodnie z kierunkiem ekspansji) w północno-wschodniej Polsce i na Litwie, a także prowadziłem przez kilka sezonów obserwacje i pomiary na znakowanych osobnikach na Grobli Honczarowskiej w Dolinie Biebrzy. W obu przypadkach w okresie kwitnienia monitorowałem płeć, mierzyłem wysokość i średnicę osobników, szacowałem liczbę kwiatostanów i żywotność osobników (udział pędów martwych) oraz szukałem oznak zgryzania przez roślinożerców. Ponadto na losowej próbie 20 kwiatostanów z 20 osobników różnej płci liczyłem kwiaty i mierzyłem wymiary kotek. Lokalizację populacji rejestrowałem przy użyciu GPS, aby następnie liczbowo kwantyfikować udział różnych form pokrycia terenu w otoczeniu (1km i 5,5 km) populacji. W każdej populacji zbierałem materiał (liście) do badań struktury genetycznej populacji. Następnie w laboratorium sprawdzałem różnorodność chloroplastowego i jądrowego DNA (AFLP). Na mniejszej próbie osobników różnych płci z kilku populacji sprawdzono też poziom ploidalności, wykorzystując do tego cytometrię przepływową. Jako, że dane na temat występowania tego gatunku w Polsce są niekompletne i dotyczą głównie lat siedemdziesiątych, przeprowadziłem również modelowanie zmian zasięgu metodą maksymalnej entropii na bazie zmiennych bioklimatycznych. Spośród odnalezionych populacji, około 55 % okazało się być poligamicznie, z czego 81 % tych populacji znajdowało się na obszarze wtórnego zasięgu (Polska NE). Udział osobników hermafrodytycznych wahał się od 3 do 42 % populacji (średnio 21 %). Udział osobników żeńskich różnił się znacząco pomiędzy dwupiennymi i poligamicznymi populacjami (57 vs 43 %), a osobników męskich był zbliżony (43 vs 41%). Osobniki różnych płci różniły się średnicą i jej wzrostem, długością kwiatostanów, liczbą kwiatów i żywotnością, ale wbrew przewidywaniom osobniki hermafrodytyczne posiadały charakterystyki jedynie pośrednie między żeńskimi, a męskimi. Badania dynamiki struktury płciowej wykazały, że większość populacji zmniejszyła się, a struktura płci zmieniała się w czasie i przestrzeni. Na obszarze pierwotnego zasięgu istotnie wyższy był udział osobników żeńskich, a na obszarze wtórnym, osobników hermafrodytycznych. Udział płci męskiej i żeńskiej nie zmieniał się w czasie, ale hermafrodytów istotnie zmniejszył się na obszarze pierwotnego zasięgu, a zwiększył na obszarze wtórnego. W populacji znakowanych osobników, istotnie zmalał udział osobników żeńskich, a płeć 12 % wszystkich osobników zmieniła się przynajmniej raz na przestrzeni 18 lat. Najczęściej osobniki zmieniały płeć na hermafrodytyczną (67%), rzadziej na żeńską (19%) lub męską (14%). Istotnie częściej zmieniały płeć osobniki senilne w ostatnim sezonie życia lub owocowania. Różnorodność genetyczna wierzby czarniawej okazała się umiarkowana, ale istotnie wyższa w przypadku populacji dwupiennych niż poligamicznych (różnorodność Nei’a i DW). Spośród 10 zidentyfikowanych haplotypów, 6 było wspólnych dla dwupiennych i poligamicznych populacji, ale 4 unikalne haplotypy zlokalizowane były tylko w populacjach dwupiennych w pierwotnym zasięgu gatunku. Różnorodność haplotypowa, nukleotydowa oraz wskaźnik DW były istotnie skorelowane z szerokością geograficzną, czyli malały wraz z frontem ekspansji. Aż 89% wszystkich osobników hermafrodytycznych należało do jednego haplotypu, którego udział istotnie zwiększał się w gradiencie północ-południe. Badania potwierdziły zależność zjawiska poligamii z ekspansją gatunku w kierunku południowym i wskazały na genetyczne podłoże zjawiska, związane z rozprzestrzenieniem haplotypu H1. Pomimo wykazania istotnego trimorfizmu płciowego, nie potwierdzono lepszych predyspozycji osobników hermafrodytycznych. Za główny czynnik rozprzestrzeniania się hermafrodytów na krańcu zasięgu uznano lepsze właściwości kolonizatorskie, związane z możliwością samozapylenia, korzystnego w warunkach niskiego zagęszczenia populacji i niestabilnych/niekorzystnych warunkach środowiska. Fakt ten jest jednocześnie wpływa niekorzystnie na różnorodność genetyczną, co potwierdziły niższe wskaźniki różnorodności w populacjach poligamicznych niż dwupiennych. Istnienie „trade-off” pomiędzy zdolnościami kolonizacyjnymi a obniżaniem różnorodności genetycznej (będącej nośnikiem niezmiernie istotnej plastyczności fenotypowej) potwierdza dynamika frekwencji hermafrodytów w obrębie badanego zasięgu. Udział hermafrodytów rósł na krańcu zasięgu, a spadał na obszarze submarginalnym.

Polygamy (referred also to subdioecy and trioecy) is a sexual system, close to dioecy, in which populations consist of males, females and hermaphrodites. It is one of the evolutionary steps to dioecy, but there are known cases of opposite direction in this pathway – dioecious species turning back to polygamy – i.e. Acer negundo or Salix myrsinifolia. The latter is a boreal species, which in its primary range is consider dioecious, but on its south-western margins involves also hermaphrodites with catkins divided to male and female parts. In the beginning of XX century, S. myrsinifolia reached north-eastern borders of Poland, while in last few decades it expanded southwards to Lubelszczyzna region and westwards to Mazowsze. Geographical expansion was accompanied by entering the anthropogenic habitats. Polygamy was first noticed by professor Faliński, who observed this phenomenon common in north-eastern Poland and less common in Lithuania. He investigated this issue also by measurements and sex observations on marked individuals. The aim of my study was to answer the question if polygamy in S. myrsinifolia plays a role in expansion of its range and if so, what is it. I hypothesized that: the polygamy phenomenon is significantly associated with secondary part of geographic range, hermaphrodites reach competitive advantage over males and females, population sex structure and individual’s sex are dynamic, genetic structure of polygamous populations is more limited than dioecious and polygamy itself is governed by genetic mechanisms. To verify the hypothesis stated, I repeated sex structure monitoring of 32 Polish and Lithuanian populations in north-south gradient (in parallel to expansion front) and conducted few seasons of observations and measurements on marked individuals in Grobla Honczarowska (Biebrza Valley, NE Poland). In both cases during flowering period, I have monitored sex, measured height and diameter of individuals, I estimated number of catkins and vitality of individuals (upon ratio of dead branches) and looked for signs of herbivory. Also, in random sample of 20 catkins from 20 individuals of each sex I counted flowers and measured catkin dimensions. Sampled population location was registered with GPS in order to analyse different land cover ratio in their vicinity (1 and 5.5 km buffers). In each population I have collected tissue material (leafs) for plastid and nuclear genetic analyses. Also, on a smaller sample, I checked the ploidy levels of each sex using flow cytometry. Finally, because data on S. myrsinifolia occurrence in Poland are fragmentary, I’ve done species distribution modelling using bioclimatic variables to confirm the recent expansion. Out of populations monitored, 55% showed to be polygamous, out of which 81% belonged to secondary part of the range (NE Poland). Ratio of hermaphrodites ranged from 3 to 42% of population (21% on average). Ratio of females significantly differed between dioecious and polygamous populations (57 vs 43%), while ratio of males was similar (43 vs 41%). Individuals of different sex differed by diameter and growth in diameter, catkin length, number of flowers in catkin and by vitality, but in contrary to expectations, hermaphrodites were only intermediate between males and females. Investigation of sex structure dynamics showed spatial and temporal changes, as well as decrease in numbers in most of populations. In primary part of the range, ratio of females was significantly higher, than in secondary, while hermaphrodites showed opposite pattern. Ratio of males and females did not changed in time, while hermaphrodites significantly decreased in primary, but increased in secondary range. In population of marked individuals, ratio of females significantly decreased, while 12% of individuals changed its sex at least once in 18 years period. Most of individuals changed sex to hermaphroditic (67%), less to females (19%) or males (14%). Senile individuals or individuals in its last flowering seasons significantly often showed sex lability. Genetic diversity (Nei diversity and DW) of S. myrsinifolia was moderate, but significantly higher in dioeciours than trioecious populations. Out of 10 identified hapolotypes, 6 were common to dioecious and polygamous populations, while 4 were restricted to dioecious populations from primary range only. Haplotype and nuclear diversity as well as DW were significantly, positively correlated with latitude – decreasing with expansion front. As much as 89% of hermaphrodites belonged to one haplotype, which ratio significantly increased in towards south. My studies confirmed relation of polygamy in southward expansion of the species and point out on genetic background of this phenomenon connected with H1 distribution. Although, I showed existence of trimorphism in S. myrsinifolia, there were no signs of competitive advantage of hermaphrodites in studied traits. Instead, as a main cause of successful spread of hermaphrodites at the margin of the range, I point higher colonization ability of hermaphrodites. This advantage is addressed to autogamy, which enables individuals to produce seeds in any condition, especially in low population density or unstable environment conditions. However, autogamy is disadvantageous in terms of genetic diversity, what was proved in this study. Therefore observed spatial dynamics of hermaphrodites in S. myrsinifolia, at the border of its range proves existence of interesting “trade-off” between higher colonization ability of hermaphrodites and its impact on lowering of genetic diversity (which is the source of very important phenotypic plasticity).