Population genetic structure and phylogeography of invasive aquatic weed, Elodea canadensis (Hydrocharitaceae) and comparative analyses with E. nuttallii

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-10-8259-7
Title: Population genetic structure and phylogeography of invasive aquatic weed, Elodea canadensis (Hydrocharitaceae) and comparative analyses with E. nuttallii
Author: Huotari, Tea
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Department of Agricultural Sciences
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2012-10-05
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-10-8259-7
http://hdl.handle.net/10138/36856
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: The introductions of invasive species are one of the most important threats to global biodiversity and ecosystem function. In addition, invasive species often cause large economical and social consequences. Genetic characteristics of introduced populations have an impact on their capacity of range expansion in the non-native areas. Therefore, understanding the evolutionary consequences of invasions will provide knowledge for the design of appropriate methods for managing introduced populations. In addition, detailed genetic data enables the design of molecular genetic markers useful in monitoring risky species and in early detection of new invasions. In this thesis, I developed novel genetic markers to investigate population genetic structure and phylogeography of two invasive aquatic weeds, Elodea canadensis Michx and E. nuttallii (Planch.) St. John (Hydrocharitaceae). I investigated the genetic population structure of introduced Finnish E. canadensis populations using microsatellite markers. The results revealed a moderate level of variation within and among Finnish populations analysed. Despite of the genetic variation detected, the possibility of only one introduction followed by post-establishment evolution cannot be rejected based on the results in this thesis. Furthermore, I surveyed the geographical distribution of the chloroplast (cp) DNA haplotypes within the native and introduced ranges of E. canadensis and E. nuttallii in order to reconstruct the spreading histories of these species. Only a single haplotype was found in the introduced range in both species and these haplotypes were widespread also in the native range. Therefore, I was not able to identify the geographic origin of the introduced populations or test the hypothesis of single versus multiple introductions. I sequenced the complete cp genome sequence and characterized the cp genome organization of E. canadensis. The results showed that the cp genome of E. canadensis has gone through less rearrangements or gene losses when compared to assumed ancestral species than have the other monocots studied. The inverted repeat region (IR) of E. canadensis has a unique structure among the monocot species studied so far. Only few cp genomes representing early lineages of monocots have been sequenced and, therefore, this thesis provides valuable information about the course of evolution in the divergence of monocot lineages. This thesis addresses key issues in the biology of invasive species and gives novel information on the genetic patterns at native and introduced populations of E. canadensis and E. nuttallii. It also provides a source of genetic markers for future investigations of the population genetics of invasive species. The results highlight the need for further investigation of the Elodea species, as well as studies on other invasive plant species. Future research should focus on predictive analyses of potential future invaders and other preventive methods to minimize new introductions.Haitalliset vieraslajit ovat maailmanlaajuisesti yksi suurimmista uhkatekijöistä luonnon monimuotoisuudelle. Vieraslajeilla on usein lisäksi taloudellisia, terveydellisiä ja sosiaalisia vaikutuksia. Molekyylimenetelmien avulla voidaan kerätä tärkeää tietoa vieraslajien populaatioiden geneettisestä rakenteesta. Menetelmillä voidaan myös tutkia vieraslajien leviämisreittejä ja leviämisen alkuperää. Molekyylimenetelmät voivat toimia myös lajintunnistuksen apuvälineinä, joilla voidaan tehokkaasti tarkkailla potentiaalisten vieraslajien populaatioita ja havaita ajoissa uudet invaasiot. Näitä tietoja voidaan hyödyntää, kun pohditaan menetelmiä vieraslajipopulaatioiden hallintaan ja pyritään estämään uusia invaasioita. Tämän väitöstutkimuksen kohteena olivat kanadanvesirutto (Elodea canadensis) ja kiehkuravesirutto (E. nuttallii), jotka ovat Pohjois-Amerikasta kotoisin olevia vesikasvilajeja. Kumpikin vesiruttolaji on levinnyt alkuperäisalueiltaan Eurooppaan ja muille mantereille ja muodostaa uusilla kasvupaikoillaan massakasvustoja. Kasvustot voivat syrjäyttää alkuperäislajeja sekä aiheuttaa muutoksia vesistön happamuus- ja ravinnetasossa. Lisäksi massakasvustot vaikeuttavat vesistöjen virkistyskäyttöä. Kanadanvesirutto aiheuttaa ongelmia myös monissa Suomen vesistöissä. Kiehkuravesirutto on levinnyt suureen osaan Eurooppaa ja sen arvellaan leviävän lähivuosina myös Suomeen. Kehitin väitöstutkimuksessani tuman DNA:n molekyylimerkkejä, joiden avulla tutkin kanadanvesiruton geneettistä populaatiorakennetta Suomen tulokaspopulaatioissa ja selvitin lajin leviämishistoriaa Suomessa. Lisäksi selvitin kanadanvesiruton kloroplastigenomin DNA:n emäsjärjestyksen ja kehitin kloroplastin DNA:n molekyylimerkkejä, joiden avulla tutkin kanadanvesiruton ja kiehkuravesiruton populaatioita laajasti alkuperäis- ja tulokasalueilla. Tarkoituksenani oli selvittää geneettisen muuntelun maantieteellistä jakautumista ja lajien tulokaspopulaatioiden mahdollista alkuperää. Tutkimustulokset osoittavat, että Suomen kanadanvesiruttopopulaatioissa esiintyy kohtuullinen määrä muuntelua. Näiden tulosten perusteella ei kuitenkaan voida päätellä, onko laji levinnyt Suomeen useita kertoja. On mahdollista, että geneettinen muuntelu on seurausta yhden invaasion jälkeen seuranneesta nopeasta evolutiivisesta muutoksesta tulokaspopulaatioissa. Tutkittaessa geneettisen muuntelun maantieteellistä jakautumista löydettiin yhteensä kolme kanadanvesiruton ja neljä kiehkuravesiruton haplotyyppiä. Molemmilla lajeilla havaittiin yksi valtahaplotyyppi, joka kattaa suurimman osan alkuperäisalueesta ja kaikki populaatiot uusilla kasvupaikoilla. Euroopan tulokaspopulaatiot saattavat olla peräisin yhdestä tai useammasta invaasiosta, jotka edustavat samaa haplotyyppiä. Tulokset osoittavat lisäksi, että kanadanvesiruton kloroplastigenomin rakenne on hyvin samankaltainen kuin alkukantaisilla putkilokasveilla ja eroaa kaikista tähän mennessä tutkituista yksisirkkaisista kasvilajeista. Siten tutkimus tuo uutta tietoa yksisirkkaisten evoluutiosta. Osa tutkimuksessa kehitetyistä molekyylimerkeistä toimii tehokkaina työkaluina vesiruttolajien välisessä lajintunnistuksessa ja on siten apuna uusien invaasioiden varhaisessa havainnoinnissa. Tämä väitöstutkimus tuo lisätietoa vieraslajien biologian keskeisistä tutkimuskysymyksistä. Tulokset kuitenkin osoittavat, että lisäselvitykset ovat tarpeen. Lisäksi tarvitaan käytännön toimia, sillä biologisen tutkimuksen avulla ei voida ratkaista kaikkia vieraslajeihin liittyviä ongelmia. Tulevaisuudessa tutkimuksen tulisi keskittyä erityisesti vieraslajien leviämisen ennaltaehkäisevään torjuntaan ja uusien invaasioiden mahdollisimman varhaisen havaitsemisen tehostamiseen.
Subject: biologia
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
populati.pdf 2.543Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record