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 The timing growth and reproduction are critical to the fitness of plants and animals. The timing also has an important role in local adaptation. Locally adapted plants may have different responses to photoperiod and other environmental cues and genes or alleles behind underlying differences may differ between populations. The molecular genetics and physiology of flowering of the plant molecular biology model organism Arabidopsis thaliana is being intensively studied, and this offers a good opportunity to study the genetic basis of flowering time variation in related non-model species. The closely related perennial species Arabidopsis lyrata provides an interesting comparison to A. thaliana because of its different ecology, mating system and life history. The influence of sampling designs on clustering methods was analyzed using simulations and microsatellite data in the selfing A. thaliana. It was found that sample size has a large effect on the resulting number of clusters and sampling too few individuals per locality could lead to a severe underestimation of the real number of subpopulations. Patterns of sequence variation in flowering time genes and association between polymorphisms at FRI (and FLC) and flowering time was studied in A. thaliana and in A. lyrata to find out whether the genes were responsible for flowering time differences between and within natural populations. In A. thaliana there was no significant association between polymorphisms at FLC and FRI and flowering time. In A. lyrata the FRI gene was polymorphic for an indel associated with flowering time variation within two Northern European populations, suggesting that the indel (or a linked polymorphism) was involved in flowering time variation. However, FRI did not explain the flowering time differences between A. lyrata populations, and other loci must be involved. Patterns of diversity and divergence at flowering time related loci were compared against a set of random reference loci to examine the roles of selection and demography. Sequence variation in the studied A. lyrata populations departed from the standard neutral equilibrium model and it has been influenced by recent historical events, most likely bottlenecks. The level of silent and synonymous polymorphisms in flowering time genes was highly reduced and this can be likely explained by selective sweeps at flowering time genes. / Tiivistelmä Kasveilla kukkimisen ajoittaminen suotuisaan ajankohtaan on hyvin tärkeää suvullisen lisääntymisen kannalta. Kukkimisen oikealla ajoituksella on myös tärkeä rooli kasvien sopeutumisessa paikallisiin olosuhteisiin. Kukkimisaikamuunteluun vaikuttavat useimmiten lukuisat geenit sekä ympäristötekijät, jotka voivat vaihdella alueellisesti ja populaatioiden välillä. Vaikka kukkimiseen ja kukkimisaikaan vaikuttavia tekijöitä tunnetaan jo hyvin, luonnonpopulaatioiden muuntelun ja paikallisen sopeutumisen geneettinen tausta on huonommin tunnettu. Väitöstutkimus keskittyy Arabidopsis-populaatioiden paikalliseen sopeutumiseen tarkastelemalla kukkimisajan muuntelua ja siihen vaikuttavia geeneettisiä tekijöitä. Tutkimuksessa käytetyt geneettiset aineistot perustuvat osin neutraaleihin merkkigeeneihin (mikrosatelliittimuunteluun), ja osin sekvenssien nukleotidimuunteluun. Väitöstutkimuksessa on simulointien avulla selvitetty populaatiosta analysoitavien yksilöiden lukumäärän merkitystä populaatiorakenteen selvittämisessä itsesiittoisella lituruoholla (Arabidopsis thaliana). Tulosten mukaan on hyvä analysoida useampia yksilöitä paikallisista populaatioista, sillä liian pienet otoskoot voivat johtaa ryhmien määrän aliarvioimiseen. Koalesenssisimulaatiot osoittavat idänpitkäpalon (Arabidopsis lyrata) populaatioiden poikkeavan tasapainotilasta ja populaatioissa tapahtuneen populaatiokoon muutoksia (ns. pullonkaulailmiö). Tutkimuksessa havaittiin sekvenssimuuntelun olevan alhaisempaa kukkimisaikageeneissä kuin referenssigeeneissä todennäköisesti positiivisen valinnan vaikutuksesta. Tutkimuksessa todettiin, että FRI geenissä tapahtuneet mutaatiot ovat kahdessa tutkitussa lajissa erilaisia luonteeltaan, mutta geenillä on kuitenkin samanlainen rooli kukkimisajan määräämisessä. Assosiaatiokokeissa lituruoholla ei Pohjois-Euroopan populaatioissa löydetty merkitsevää assosiaatiota FRI geenin ja kukkimisajan välillä, kun puolestaa idänpitkäpalolla FRI vaikutti kukkimisaikamuunteluun kahdessa pohjoisessa populaatiossa.

Abstract Plants and animals colonized Northern Europe after the last Ice Age from different refugia, not covered by the ice sheet. Many plants, such as the northern rock cress (Arabidopsis lyrata ssp. petraea) adapted to the short growing season in the North. We thus expect that colonization of the new environment was accompanied by directional selection for traits conferring this adaptation. In this thesis I studied whether recent directional selection can be detected in two important genes, PHYTOCHROME A (PHYA) and FLOWERING LOCUS C1 (FLC1), related to the flowering time pathway. To detect directional selection, I compared DNA sequence variation from the samples of a southern (Plech, Germany) and a northern (Spiterstulen, Norway) population. I also studied the current response potential to changing conditions in the marginal Spiterstulen population. Adaptation potential was characterized by assessing plasticity and amount of additive genetic variation, focusing on flowering traits. In addition, associations of 21 flowering time candidate genes for phenological and fitness traits were studied. There were several lines of evidence for recent directional selection in both candidate genes, PHYA and FLC1, in the northern Spiterstulen population Variation was strongly reduced around both genes and in addition they were highly differentiated between populations. In the Spiterstulen population there was a remarkable reduction in additive genetic variation for flowering traits, for instance when compared with morphological traits. On the other hand, phenological traits showed high plasticity. Some of the photoperiodic pathway genes showed association to flowering or reproductive fitness. The results suggest that directional selection during the colonization of the northern areas has impacted the two studied genes. Genetic changes were likely involved in altered photoperiodic and vernalization responses which might be adaptive for a short growing season. Further, directional selection was probably responsible for reducing additive genetic variation in flowering traits. Because there was only little genetic variation, adaptation to future environmental change of the marginal Spiterstulen population is likely to rely largely on plastic reactions to environmental signals, or tracking the environment by dispersal. / Tiivistelmä Kasvit ja eläimet levittäytyivät Pohjois-Eurooppaan viimeisen jääkauden jälkeen mannerjäätikön ulkopuolella jääneistä refugioista. Useat kasvit, kuten idänpitkäpalko (Arabidopsis lyrata ssp. petraea) sopeutuivat pohjoisen lyhyeen kasvukauteen. On syytä olettaa, että suuntaava valinta vaikutti sopeutumisessa tärkeisiin ominaisuuksiin. Tässä väitöskirjassa tutkin voidaanko suuntaavan valinnan aiheuttamia jalanjälkiä löytää kahdesta tärkeästä kukkimisaikageenistä, FYTOKROMI A (PHYA) ja FLOWERING LOCUS C1 (FLC1) geeneistä. Tätä varten vertasin DNA sekvenssimuuntelua pohjoisessa (Norja) ja eteläisessä (Saksa) populaatiossa, kiinnittäen erityisesti huomiota geneettisen muuntelun määrään ja erilaistumiseen. Lisäksi tutkin miten Spiterstulenin reunapopulaatio voi vastata tulevaisuudessa muuttuvaan ympäristöön. Sopeutumispotentiaalia arvioitiin sekä fenotyyppisen plastisuuden että additiivisen geneettisen muuntelun määrällä. Lisäksi tutkin miten vaihtelu 21 kukkimisaikageenissä liittyy fenologisiin ja kelpoisuusominaisuuksiin. Useat merkit viittasivat siihen, että suuntaava valinta oli vaikuttanut kummassakin tutkitussa geenissä. Muuntelu oli vähentynyt voimakkaasti kumpaakin geeniä ympäröiviltä kromosomialueilta, jotka olivat myös selkeästi erilaistuneet. Additiivinen geneettinen muuntelu oli selvästi vähentynyt kukkimisominaisuuksissa verrattuna morfologisiin ominaisuuksiin, mahdollisesti suuntaavan valinnan johdosta. Kukkimisominaisuudet olivat kuitenkin plastisia. Jotkin valojaksoreitin geenit vaikuttivat sekä kukkimiseen että lisääntymiskykyyn. Nämä tulokset osoittavat että suuntaava valinta vaikutti kahteen tutkittuun geeniin pohjoiseen levittäytymisen aikana. Geneettiset muutokset liittyivät todennäköisesti muuttuneisiin valojakso-, ja vernalisaatiovasteisiin, jotka saattoivat edistää sopeutumista lyhyeen kasvukauteen. Koska geneettistä muuntelua oli vain hyvin vähän, fenotyyppisellä plastisuudella on todennäköisesti tärkeä rooli sopeutumisessa muuttuvaan ympäristöön Spiterstulenin reunapopulaatiossa.