Abstract Demographic history and selection affect patterns of genetic diversity in nature. Timing of growth, reproduction and dormancy are important traits targeted by natural selection, because they are crucial for survival of plants growing in boreal and temperate climates, as reproduction must occur when conditions are favorable and in outcrossing plants it must be synchronized to assure pollination. In addition to adaptation to local environments, evolutionarily diverged populations may contain genomic incompatibilities that result in sterile hybrids in crosses between populations. In several plant families within population crosses can also lead to male sterile progeny, because of conflict between maternally and bi-parentally inherited genomes. In this thesis I used DNA-sequence data to estimate the demographic history of nine Arabidopsis lyrata populations and present genetic variation in some key flowering time genes, evolution of which natural selection has shaped. By crossing experiments I explored genetics of reproductive fitness in hybrids between divergent populations. I found that local climatic conditions have resulted in directional selection in addition to the demographic effects of bottlenecks during colonization events. Flowering time genes have reduced diversity compared to reference loci, which indicates selective sweeps. Selection on nucleotide variation in flowering time genes was found in Scandinavian and Icelandic populations that can be explained by selective sweeps at flowering genes when these populations colonized northern habitats after the last glacial maximum. Cryptic cytoplasmic male sterility was found in a Norwegian population, for which North Carolinian population did not have fertility restorers. It was confirmed that there is only one fertility restorer locus, the genomic location of which was mapped to a 600 kb interval at the top of chromosome two. / Tiivistelmä Populaatioiden levittäytymishistoria ja luonnonvalinta vaikuttavat geneettiseen monimuotoisuuteen ja sen vaihteluun genomin eri osissa. Kukkimisen ja kasvun päättämisen ajoitus ovat tärkeitä luonnonvalinnan kohteena olevia ominaisuuksia, sillä ne ovat välttämättömiä kasvien selviytymiselle lauhkeissa ja pohjoisissa ilmastoissa. Paikallisiin olosuhteisiin sopeutumisen lisäksi populaatioiden erilaistuminen voi johtaa genomisiin yhteensopimattomuuksiin, joiden vuoksi populaatioiden väliset risteymät ovat lisääntymiskyvyttömiä. Monilla kasvisuvuilla myös populaation sisäiset risteytykset voivat johtaa koirassteriileihin jälkeläisiin johtuen konfliktista vain äidin puolelta ja molemmilta vanhemmilta periytyvien genomien välillä. Tässä väitöskirjassa selvitän DNA-sekvenssimuunteluun perustuen yhdeksän idänpitkäpalkopopulaation demografista eli levittäymis- ja populaatiorakennehistoriaa sekä luonnonvalinnan osuutta kukkimisaikaan vaikuttavien geenien evoluutiossa. Risteytyskokeiden avulla tutkin erilaistuneiden populaatioiden risteymäjälkeläisiä selvittääkseni niiden lisääntymiskelpoisuutta ja siihen vaikuttavia geenejä. Geneettinen muuntelu kukkimisgeeneissä oli vähäisempää kuin vertailugeeneissä, joka on merkki kukkimisgeeneihin kohdistuneesta suuntaavasta valinnasta. Kukkimisgeeneihin kohdistuvaa valintaa löytyi eniten skandinaavisista ja islantilaisesta populaatiosta, mikä on selitettävissä niihin kohdistuneella suuntavalla valinnalla aikana, jolloin kasvit levittäytyivät jääkauden jälkeen pohjoisiin elinympäristöihin. Norjalaisesta populaatiosta löytyi piilevä sytoplasminen koirassteriliteetti, jolle Pohjois-Carolinan populaatiolla ei ollut hedelmällisyyden palauttavia geenejä. Tutkimus vahvisti, että hedelmällisyyden palauttaa yksi geeni, joka sijaitsee 600 000 emäsparin kokoisella alueella kromosomin kaksi alkupäässä.

Abstract A central goal in evolutionary biology is to identify the ecological and genetic mechanisms that give rise to adaptation and speciation. Importantly, a large body of theoretical work has modelled the adaptive evolution under selection, migration and drift. Yet to test these predictions on an empirical level has proven a challenging task. The aim of my thesis is to explore outstanding questions in local adaptation and reproductive isolation using natural populations of Arabidopsis lyrata: How does differential selection lead to adaptive divergence in the face of gene flow and drift? What traits underlie both short- and large-scale adaptive differentiation? And what reproductive barriers are involved in incipient speciation? By combining whole-genome based demography simulations with a multi-year reciprocal transplant experiment, I confirmed that alpine and lowland populations of A. lyrata are adapted to their local environments despite high gene flow and strong drift. Patterns of trait differentiation, supported by analysis of phenotypic selection, further suggested that flowering traits have contributed to the adaptive divergence. Selection patterns at the sequence level confirmed that the genetic architecture underlying the local adaptation conforms to theory: populations under higher levels of gene flow had fewer adaptive loci that were also found in areas of reduced recombination. Although most selection outliers were population specific, indicating conditional neutrality, a small proportion showed potential for genetic trade-offs (antagonistic pleiotropy). The analysis also revealed important traits and biological processes linked to alpine and lowland adaptation. The role of seed germination in large-scale adaptation and reproductive isolation was also studied. Populations representing the European and North American subspecies exhibited germination patterns consistent with adaptive differentiation. Comparisons against first- and second-generation hybrids then indicated that genetic incompatibilities impede germination of the hybrid seeds. Furthermore, genetic mapping helped to clarify the genetic basis of these phenotypic traits. Taken together, the three studies in this thesis highlight the value of combining traditional organismal methods with next-generation genomics, by providing novel insights into processes underlying adaptation and speciation. / Tiivistelmä Evoluutiobiologian keskeinen tehtävä on sopeutumiseen ja lajiutumiseen johtavien prosessien selvittäminen. Vaikka evoluutiovoimien – luonnonvalinnan, geenivirran ja geneettisen satunnaisajautumisen – vaikutusta adaptiivisen muuntelun määrään on mallinnettu laajalti, teoreettisten ennusteiden tarkastelu empiirisellä tasolla on usein osoittautunut haastavaksi. Tässä väitöskirjatyössä pyrin vastaamaan eräisiin paikallissopeutumisen ja lajiutumisen kannalta tärkeisiin kysymyksiin, hyödyntäen kasvilaji idänpitkäpalkoa (Arabidopsis lyrata) malliorganismina: Kuinka luonnonvalinta johtaa paikallissopeutumiseen tilanteessa, jossa geenivirta samankaltaistaa eriytyvien populaatioiden perimää? Mitkä ominaisuudet vaikuttavat adaptiiviseen erilaistumiseen eri etäisyyksillä olevien populaatioiden välillä? Sekä millaiset lisääntymisesteet johtavat alkavaan lajiutumiseen? Yhdistämällä genomisekvensointiin perustuvan demografia-analyysin ja monivuotisen siirtoistutuskokeen, selvitin kuinka idänpitkäpalkopopulaatiot ovat sopeutuneet elinympäristöihinsä runsaasta geenivirrasta ja voimakkaasta satunnaisajautumisesta huolimatta. Fenotyyppisen muuntelun ja kelpoisuuden yhteys vahvisti myös, että kukkimisominaisuudet ovat vaikuttaneet populaatioidenväliseen adaptiiviseen erilaistumiseen. Valinnan merkkien etsiminen sekvenssitasolla osoitti, että havaintoni paikallissopeutumisen geneettisestä arkkitehtuurista tukevat teoreettisia ennusteita: populaatioista, joihin kohdistuu voimakasta geenivirtaa, löytyi vähemmän adaptiivisia lokuksia ja ne olivat keskittyneet matalamman rekombinaation alueille. Suurin osa adaptiivisista lokuksista löytyi ainoastaan yhdestä populaatiosta, ollen näin todennäköisesti valinnan alla ainoastaan tietyssä elinympäristössä. Pieni osuus lokuksista vastasi kuitenkin harvoin havaittua tilannetta, jossa hajottava valinta on johtanut eri alleelien runsastumiseen populaatioissa, joita yhdistää geenivirta. Tutkin myös, miten itämisajan muuntelu vaikuttaa sopeutumiseen pitkällä aikavälillä. Eurooppalaista ja pohjoisamerikkalaista alalajia edustavat populaatiot itivät tavalla, joka viittaa adaptiiviseen erilaistumiseen. Ensimmäisen ja toisen hybridisukupolven siementen vertailu paljasti lisäksi, että geneettiset yhteensopimattomuudet haittaavat hybridien itämistä, toimien näin lisääntymisesteenä. Geenikartoitus auttoi myös selventämään näiden itämisominaisuuksien geneettistä taustaa. Tämän väitöskirjan kolme osatyötä korostavat miten perinteisten yhteiskenttäkokeiden ja uuden sukupolven genomimenetelmien yhdistelmä voi tuottaa arvokasta lisätietoa sopeutumisen ja lajiutumisen mekanismeista.