Evolutionary consequences of land use – Epigenetic and phenotypic variation in Plantago lanceolata

Abstract

Menschliches Handeln führen zu extremen Veränderungen in den biotischen und abiotischen Systemen der Erde, in 2019 erreicht dieses Wissen endlich die breite Öffentlichkeit. Globale Erwärmung infolge der Nutzung fossiler Brennstoffe ist das Bekannteste unter diesen Phänomenen, während jedoch Landnutzungs- intensivierung – sowohl die Verbreitung landwirtschaftlicher Gebiete als auch die intensivere Nutzung der bereits existierenden Agrarflächen – die Hauptursache für den Verlust biologischer Diversität ist. Pflanzen sind als primäre Produzenten die Basis terrestrischer Ökosysteme (ironischerweise auch die unserer Landwirtschaft). Daher ist das Verständnis dafür, wie ihre Evolution von menschlichem Handeln beeinflusst wurde und wird, entscheidend für menschliche Gesellschaften. Informationen über vergangene evolutionäre Ereignisse und Potenzial für zukünftige Evolution können aus zwei Kategorien von innerartlicher Variation erschlossen werden: erstens aus der Differenzierung zwischen Populationen und zweitens aus der Diversität innerhalb von Populationen (das Rohmaterial für Evolution). Die Produktivität, Stabilität und Resilienz von Pflanzenpopulationen wird auch stark von innerartlicher Variation beeinflusst: deren Effekte können Einfluss auf ganze Pflanzengemeinschaften und Ökosysteme haben. Studien über phäno- typische und genetische Variation von Pflanzen in menschlich genutzten Öko- systemen, vor allem gemähter und beweideter Grünlandflächen, haben bewiesen, dass eine Differenzierung zwischen nah beieinander liegenden aber unterschiedlich genutzten Landflächen innerhalb von ein paar Generationen stattfinden kann. Dies belegt die Prävalenz rapider Evolution. In jüngster Zeit hat die Erforschung epigenetischer Variation – vor allem der DNA-Methylierung – an Dynamik gewonnen, da deutlich wurde, dass sie ebenfalls zu phänotypischen Unterschieden führen kann und dass natürliche Pflanzenpopulationen auch auf dieser Ebene variabel sind. Umfassende Studien über den Einfluss der Landnutzung auf die intraspezifische Variation fehlen jedoch ebenso wie Studien über die epigenetische Variation innerhalb wilder Populationen von Nicht-Modellpflanzen. Darüber hinaus konzentrierten sich die Studien zur Landnutzung und intraspezifischen Variation oft auf Merkmale die für die landwirtschaftliche Nutzung wichtig sind, während ökologisch relevante Pflanzenmerkmale weniger berücksichtigt wurden. In dieser Arbeit habe ich versucht, diese Wissenlücken durch folgende Fragen zu verringern: (i) Wie viel intraspezifische genetische, epigenetische und phänotypische Variation gibt es innerhalb (Diversität) und zwischen (Differenzierung) wilde Pflanzenpopulationen? (ii) Wie hängen genetische, epigenetische und phänotypische Variation zusammen? (iii) In welchem Verhältnis stehen sie zu Umweltfaktoren, insbesondere zur Intensität der Landnutzung? (iv) Gibt es Trade- Offs oder positive Korrelationen zwischen für Grünlandflächen relevante funktionale Merkmale? Ich arbeitete mit Plantago lanceolata, einer weit verbreiteten Grünlandpflanze, und nutzte das deutschlandweite Netzwerk standardisierter Untersuchungsflächen mit detaillierten Landnutzungsinformation, das von der Forschungsplattform der Biodiversitäts-Exploratorien betrieben wird. In Kapitel II konzentrierte ich mich auf die Analyse der epigenetischen Variation von Feld- und „Common Garden“-Pflanzen und setze diese in Bezug zu genetischer und phänotypischer Variation, Umwelt- variablen und Landnutzungsintensität. In Kapitel III analysierte ich die phäno- typischen Daten aus dem gleichen Material detaillierter und untersuchte die erbliche Variation der gemessenen Merkmale auf Populationsebene, und wie deren Mittelwerte und Diversität mit der Landnutzungsintensität zusammenhängen. In Kapitel IV habe ich drei für Grünlandpflanzen wichtige Merkmale untersucht; Konkurrenzfähigkeit, Reaktion auf Nährstoffimpulse und Mäh-/Beweidungstoleranz. Diese wurden für P. lanceolata mit Hilfe eines Gewächshaus-Experimentes quantifiziert und ich habe untersucht, ob es signifikante Variation in diesen Merkmalen gibt, sowie wie sie untereinander und mit Landnutzung in Beziehung stehen. Meine Ergebnisse zeigen: (i) Es gibt erhebliche epigenetische, genetische und phänotypische Variation bei P. lanceolata, meist in Form von Diversität innerhalb der Population, mit signifikanter Differenzierung zwischen den Populationen. (ii) Es gab keinen erkennbaren Zusammenhang zwischen den drei Ebenen der intra- spezifischen Variation, die ich untersucht habe. (iii) Zunehmende Mähintensität verringert die epigenetische und phänotypische Vielfalt, das Gegenteil gilt für Beweidungsintensität, während es zwischen Landnutzung und genetischer Variation keine Beziehung gibt. (iv) Die Nährstoffimpulsantwort und die Mähtoleranz bei P. lanceolata sind negativ korreliert und stellen höchstwahrscheinlich einen physiologischen Trade-Off dar, während eine positive Korrelation zwischen Konkurrenzfähigkeit und Mähtoleranz bestand, vermutlich weil diese Vorteile in den gleichen Umgebungen bieten. Insgesamt zeigen diese Ergebnisse, dass bei P. lanceolata eine rasche Evolution im Zusammenhang mit Landnutzung stattgefunden hat, und das obwohl diese Art windbestäubt und streng auskreuzend ist, was zu einem hohen Grad an Genfluss und viel unstrukturierter Variation führt. Das bedeutet auch, dass es in diesem System viel "Rohmaterial" für zukünftige Evolution gibt und dass potenziell stärkere Assoziationen zwischen diesen drei Ebenen der intraspezifischen Variation und den Umweltvariablen in anderen Arten gefunden werden können. Die Erweiterung dieser Art von Forschung durch hochauflösendere genomische und epigenomische Methoden würde sicherlich zu unserem Verständnis der raschen Evolution in vom Menschen beeinflussten Ökosystemen beitragen.

Human activity is resulting in extreme changes to Earth’s biotic and abiotic systems, and in 2019, this information is finally reaching the general public, too. While the most famous phenomenon is climate warming due to the burning of fossil fuels, land use intensification – including the expansion of managed area and the more intense use of existing agricultural fields – is the main cause of the loss of biological diversity. Land plants as primary producers are at the foundation of terrestrial ecosystems (ironically also at the foundation of our own agriculture), and understanding how their evolution has been and will be shaped by anthropogenic activity is crucial for human societies. Past evolutionary events and potential for future evolution can be inferred from two types of variation within species: the differentiation between populations, and the diversity within populations (being the raw material for evolution), respectively. Within-species variation has also profound effects on the production, stability and resilience of plant populations, and these effects also propagate across whole plant communities and ecosystems. Studies of plant phenotypic and genetic variation in human-managed ecosystems, especially mown and grazed grasslands, have established that differentiation between close but differently managed areas can take place within a couple of generations, showing the prevalence of rapid evolution. Most recently, research on epigenetic variation – primarily focusing on DNA methylation – has gained momentum, as it became clear that it can also result in phenotypic differences and that natural plant populations are variable on this level, too. However, comprehensive studies on the effect of land use on intraspecific variation are lacking, as well as on the epigenetic variation in wild populations of non-model plants. Furthermore, studies on land use and intraspecific variation often focussed on agriculturally interesting traits, with less attention to ecologically relevant plant traits. In this thesis, I aimed to narrow these gaps by asking: (i) How much intraspecific genetic, epigenetic, and phenotypic variation is there within (diversity) and among (differentiation) wild plant populations? (ii) How is genetic, epigenetic, and phenotypic variation related to each other? (iii) What is their relationship to environmental factors, especially to land use intensity? (iv) Are there trade-offs or positive correlations between functional traits relevant in grasslands? I worked with Plantago lanceolata, a very common grassland plant, and took advantage of the network of standardised study plots with detailed land-use information across Germany, that is hosted by the Biodiversity Exploratories research platform. In Chapter II, I focused on the analysis of epigenetic variation in field- and common-garden-collected material, and related it to genetic and phenotypic variation, environmental variables and land use intensity. In Chapter III, I analysed the phenotypic data from the same material in more detail, and explored heritable variation in the measured traits, and the relationship of their population- level means and diversities to land use intensity. In Chapter IV, I zoomed in on three traits important in grasslands; quantifying the competitive ability, response to nutrient pulses and clipping/grazing tolerance of P. lanceolata via an inventive greenhouse experiment, and examined whether there is significant variation in these traits, as well as their relationships to land use, and between each other. I found that: (i) There is substantial epigenetic, genetic and phenotypic variation in P. lanceolata, mostly as within-population diversity, but still showing significant differentiation among populations. (ii) There was no detectable relationship between the three levels of intraspecific variation I studied. (iii) Increasing mowing intensity decreases epigenetic and phenotypic diversity, and the opposite is true for their relationship to grazing intensity; while genetic variation was unrelated to land use. (iv) Nutrient pulse response and clipping tolerance in P. lanceolata are negatively correlated, probably representing a physiological trade-off, while a positive correlation between competitive ability and clipping tolerance was most likely present because they confer benefits in the same environments. Altogether, these results show that rapid evolution associated with land use has taken place in P. lanceolata, even if this species is wind-pollinated and strictly outcrossing, which results in high levels of gene-flow and much unstructured variation. This also means that there is plenty of “raw material” for future evolution in this system, as well as the potential for finding stronger associations between these three levels of intraspecific variation and environmental variables in other species. Extending this kind of research, with more high-resolution genomic and epigenomic methods would certainly contribute to our understanding of rapid evolution in human-influenced ecosystems.