Vernalization and photoperiodic regulation of flowering time and population genetic stucture of Norwegian populations of Arabidopsis thaliana

Abstract

Natural environmental conditions vary across seasons and therefore timing of flowering is a major determinant of plant reproductive success and a trait with a potentially high adaptive value. Plants have developed mechanisms to incorporate external signals carrying information from the surrounding environment and ensure timing of flowering at a proper season. In Arabidopsis thaliana vernalization is one of the pathways controlling flowering time in a response to environmental signals. Vernalization accelerates flowering after a period of low temperature. Two genes, FLOWERING LOCUS C (FLC) which is a repressor of flowering in the absence of vernalization and its activator FRIGIDA (FRI), play an important role in flowering time variation and appear as major targets for natural selection. Photoperiod is an environmental cue perceived by plants in order to adjust to the seasonal changes. Adaptation of plants to photoperiods varying substantially with geographic location is essential for their reproductive success. Photoperiodic flowering in A. thaliana is controlled by a number of circadian clock regulated genes. Genetic drift, gene flow and natural selection determine population genetic variation and structure and genetic characterization can be beneficial in understanding historical events, population dynamics and footprints of natural selection. During geographical range expansion genetic variation in populations is often reduced at the species distribution boundary due to bottlenecks. Natural populations of A. thaliana from the most extreme northern distribution range of the species in Norway (59-68°N) have been used in this study. We have studied flowering time responses to vernalization and photoperiod in these populations. Geographical pattern of population genetic structure and diversity were also studied in order to elucidate the demographic history of populations within the northernmost range of the species. Furthermore, we have examined whether sequence variation at FRI and FLC is associated with vernalization responses. Moreover, association of CONSTANS (CO) sequence variation and transcript levels of key circadian clock regulated genes with photoperiodic responses was examined. Coastal populations, from both arctic (65-68°N) and subarctic latitudes (61-62°N) showed lower vernalization sensitivity and higher photoperiodic sensitivity than populations from inland. Moreover, FLC sequence variation was associated with vernalization sensitivity. and CO sequence variation was associated with photoperiodic sensitivity. Furthermore, association of CRYPTOCHROME 2 (CRY2), GIGANTEA (GI) and TIMING OF CAB EXPRESSION 1 (TOC1) transcript levels and photoperiodic sensitivity was found. Genetic diversity in Northern (65-68oN) populations was lower than in Southern populations (59-62°N) and a high level of population subdivision (FST=0.85 ± 0.007) was found revealing that A. thaliana is highly structured at the regional scale. These results suggest that selection favours highly photoperiod sensitive populations of A. thaliana at the coast by altering the mRNA level of circadian clock regulated genes. Moreover, FLC contributes to variation in vernalization sensitivity and may determine local adaptation of A. thaliana at its northernmost distribution boundary. A cryptic population structure was found, which may be a result of human-mediated seed dispersal. The depletion of genetic variation in the northernmost populations might be due to relatively few founder individuals and population bottlenecks during the northward expansion of the species.

Miljøbetingelser i naturen varierer med skiftende sesong og derfor er blomstringstidspunkt en sentral faktor i planters reproduksjonsevne og et karaktertrekk med potensielt høy adaptiv verdi. Planter har utviklet mekanismer for å registrere informasjonsbærende signaler om plantenes miljø fra omgivelsene og utnytter disse for å sikre blomstring til riktig tidspunkt. I Arabidopsis thaliana er vernalisering en av de genetiske ”pathways” som kontrollerer blomstringstid som en respons på ytre miljøfaktorer. Vernalisering fremmer blomstring etter en periode med lave temperaturer. To gener, FLOWERING LOCUS C (FLC) som undertrykker blomstring når vernalisering ikke har skjedd og FRIGIDA (FRI) som aktiverer FLC, spiller viktige roller i blomstringstidsvariasjon og fremstår som hovedmål for naturlig variasjon. Fotoperiode er et miljøsignal som plantene oppfatter og anvender til å tilpasse seg skiftende sesonger. Planters tilpasning til ulike fotoperioder varierer med geografisk lokalitet og er avgjørende for deres reproduktive suksess. Fotoperiodisk blomstring i A. thaliana kontrolleres av en rekke gener som er regulert av den cirkadiske klokken. Genetisk drift, genflyt og naturlig seleksjon er med på å forme populasjoners genetisk variasjon og struktur, og genetisk karakterisering kan være svært nyttig i forståelsen av historiske hendelser, populasjonsdynamikk og for å identifisere spor av naturlig variasjon. Ved planters spredning og utvidelse av geografisk utbredelse vil genetisk variasjon ofte bli redusert i kantene av utbredelsesområdet på grunn av genetiske ”bottlenecks”. I denne studien har vi brukt naturlige populasjoner av A. thaliana fra den mest nordlige utbredelsen i Norge (59-68°N). I disse populasjonene har vi studert blomstringstid som respons på vernalisering og fotoperiode. Videre har vi studert geografiske mønster på populasjonsstruktur og genetisk diversitet for å belyse demografisk historie i populasjoner som befinner seg helt på nordgrensen av artens utbredelse. Vi har også undersøkt om sekvensvariasjon i FRI og FLC kan være assosiert med vernaliseringsrespons. Sekvensvariasjon i CONSTANS (CO) og transkripsjonsnivå i sentrale gener fra den cirkadiske klokken har blitt analysert for assosiasjon med fotoperiodisk respons. Kystpopulasjoner både fra arktiske (65-68°N) og subarktiske (61-62°N) breddegrader viste lavere sensitivitet overfor vernalisering men høyere overfor fotoperiode enn populasjoner fra innlandet. Videre var sekvensvariasjon i FLC assosiert med vernaliseringssensitivitet mens sekvensvariasjon i CO var assosiert med fotoperiodisk sensitivitet. Dessuten ble det funnet assosiasjon mellom fotoperiodisk sensitivitet og transkripsjonsnivå av CRYPTOCHROME 2 (CRY2), GIGANTEA (GI) og TIMING OF CAB EXPRESSION (TOC1). Det ble funnet lavere nivå av genetisk diversitet i nordlige populasjoner (65-68°N) enn i sørlige populasjoner (59-62°N) og stor grad av inndeling i underpopulasjoner (FST=0.85 ± 0.007) viser at A. thaliana er strukturert genetisk på regionalt nivå. Resultatene fra disse undersøkelsene indikerer at naturlig seleksjon favoriserer populasjoner som er sensitive til fotoperiode langs kysten ved å endre mRNA-nivået av gener som er regulert av den circadiske klokken. Videre er det vist at FLC bidrar til variasjon i vernaliseringssensitivitet og muligens også til lokal adaptasjon av A. thaliana ved dens mest nordlige utbredelsesområde. Populasjonene viste seg å ha en kryptisk populasjonsstruktur og dette er mest sannsynlig et resultat av menneskeskapt frøspredning. Mangel på genetisk diversitet i de nordlige populasjonene kan være et resultat av få ”founder” – individer samt genetiske ”bottlenecks” under nordlig ekspansjon av arten.