Abstract There are more small-bodied species of birds than those having large bodies. Generally, and relative to occurrance in any one place, small-bodied species also contain more individuals than large-bodied species. The same patterns have been documented for several groups of higher organisms for example, snakes, flowering plants and mammals, which suggests that there exists a general reason "why", which applies to other groups of species as well as to birds. This thesis attempts to identify this reason. In the first place, it is possible that most species happened to become small-bodied by chance. Simulations of neutral body-size evolution indicate however that the observed bias towards small size is stronger than that accounted for by neutral evolution. Then, the most plausible explanation for why most species are small is that small-bodied species speciate faster. However, statistical analyses accounting for historical relatedness of present-day species indicate no relation between body size and the rate of speciation. Finally, instead of little by little, the dominance of small species may have arisen suddenly, when approximately 65 million years ago (presumably) a large meteorite hit the earth, causing mass extinctions. However, analysis of body sizes and genetic differences of extant species reveals that while avian species numbers were approximately halved, the catastrophe affected small and large species equally. Thus, the reason why most species are small does not seem to be due to differential rates of speciation or extinction. Instead, the cause appears to be in the tempo and mode of evolution. It was found by analysis of extant species' body size that probably most differences in body size between species arise at the moment of speciation. Differences between small-bodied species are smaller than between large-bodied species and probably this difference also has its origin at the moment of speciation. Consequently, groups of small species stay small whereas groups of large species are more variable in body size, so that in the end most species are small. / Tiivistelmä Maailman noin 10 000 lintulajin joukossa pienikokoisia lajeja on enemmän kuin suurikokoisia. Yleensä pienkokoiset lajit ovat myös yksilömääriltään suurempia kuin samalla paikalla esiintyvät suurikokoiset lajit. Koska sama ilmiö on havaittu monissa muissa suurissa eliöryhmissä (esim. nisäkkäät, käärmeet ja kukkakasvit), on ilmeistä, että on olemassa yhteinen syy, joka pätee niin linnuissa kuin muissakin eliöryhmissä. Tämän väitöskirjan tavoite on selvittää, mikä tämä yhteinen syy voisi olla. Ensinnäkin on mahdollista, että suurin osa lajeista on kehittynyt pienikokoisiksi aivan sattumalta. Ruumiin koon evoluution simulaatiot kuitenkin osoittavat, että on hyvin epätodennäköistä, että neutraali evoluutio olisi johtanut pienikokoisten lajien suuriin määrään havaitussa määrin. Toinen mahdollinen selitys ilmiölle on, että pienikokoiset lajit lajiutuvat nopeammin. Tilastolliset analyysit, jotka ottavat huomioon nykyisin elävien lajien sukulaisuussuhteet, osoittavat ettei ruumin koon ja lajiutumisen vauhdin välillä ole yhteyttä. Kolmas mahdollinen selitys pienikokoisten lajien suurelle määrällä on historiallinen. On mahdollista, että pienikokoisten lajien suhteellisen suuri määrä syntyi nopeasti noin 65 miljoonaa vuotta sitten tapahtuneen massasukupuuton seurauksena, joka fossiiliaineiston perusteella kohdistui erityisesti suurikokoisiin maaeläimiin (esimerkiksi dinosauruksiin). Vertaileva analyysi nykyään elävien lintulajien ruumiin koosta ja geneettisistä eroista osoittaa, että vaikka suuri osa lintulajeista hävisi massasukupuutossa, tämä katastrofi karsi lajeja riippumatta niiden ruumiin koosta. Näyttää siis siltä, etteivät erot lajiutumisen tai sukupuuttojen esiintymisessä selitä sitä, että suurin osa lajeista on pienikokoisia. Tämän tutkimuksen tulosten perusteella syy näyttäisi sen sijaan olevan ruumiin koon kehityksen vauhdissa ja siinä tavassa, jolla kehitys yleensä etenee. Analyysi nykyisten lajien ruumiin koosta paljasti, että suurin osa eroista lajien välillä syntyy (evolutiiviessa aikataulussa) suhteellisen nopeasti lajiutumistapahtuman yhteydessä (punktualismi) eikä vähitellen pitkien aikojen kuluessa (gradualismi), kuten yleensä oletetaan. Kehityslinjojen sisällä pienikokoisten lajien väliset erot ruumiin koossa olivat pienempiä kuin isokokoisten lajien väliset erot - ja todennäköisesti myöskin tämä ero syntyy lajiutumisen yhteydessä. Tämä johtaa evoluution kuluessa tilanteeseen, että alunperin pienikokoisista lajeista kehittyneet lajit ovat myös pienikokoisia, kun taas isokokoisten lajien kehityslinjoissa on nähtävissä huomattavasti paljon enemmän vaihtelua ruumiin koossa. Näiden seurauksena eliöstöissä suurin osa lajeista lopulta on pienikokoisia.

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 Both demographic histories and natural selection complicate the speciation process. There is a need to jointly study the effects of natural selection on so called magic traits that can cause reproductive isolation such as climatic adaptation, and its interaction with neutral demographic histories. Closely related incipient coniferous species offer us a great system for this effort. I used genetic variation at one set of climate-related candidate genes and another set of reference loci and cytoplasmic genomic fragments of two closely related parapatric pine species: Pinus massoniana Lamb. and Pinus hwangshanensis Hisa. Population genetic analyses were used to measure genetic variation and detect signals of ancient and recent selection. Speciation parameters including migration rates and divergence times at candidate genes and reference loci were compared under the Isolation with migration model. Hierarchical Approximate Bayesian Computation (ABC) was used to define demographic and speciation models. Intra- and interspecific genetic variation at cytoplasmic and nuclear intronic sequences were compared between parapatric populations and allopatric populations to distinguish the effects of introgression and incomplete lineage sorting in generating shared genetic variation between the species. The results showed that ancient selection were shared by the lineages leading to the species while recent selection has been species-specific. Candidate genes had significant lower migration rates compared to reference loci. Recent differential climatic selection might counteract against gene flow at underlying genes, which therefore favors divergence between the two pines through ecological speciation. Shared mitotypes were randomly distributed across species’ ranges, which therefore supported the incomplete lineage sorting hypothesis, but the shared nuclear intronic variation distributed more frequently in parapatric populations than in allopatric populations, supported the introgression hypothesis. ABC and species’ distribution modeling also supported the secondary gene flow model. The three genomes had different rates of mutation and gene flow might mirror different phases of the speciation continuum. The results in this thesis are valuable for understanding evolution in general and for other applied purposes such as tree breeding and climate change adaptation. / Tiivistelmä Luonnonvalinta ja populaatioiden historian demografia tekevät lajiutumisesta monimutkaisen tapahtumaketjun. Luonnonvalinnan ja demografisten tekijöiden vuorovaikutusta on paras tutkia samanaikaisesti, kun tarkastellaan lajiutumiseen vaikuttavia ominaisuuksia. Tällaisia ovat esimerkiksi ilmastoon sopeutumiseen liittyvät ominaisuudet. Lähisukuiset havupuulajit tarjoavat erinomaiset mahdollisuudet tähän työhön. Tutkin geneettistä muuntelua yhtäältä ilmastosopeutumiseen liittyvissä ns. ehdokasgeeneissä ja toisaalta neutraaleiksi oletetuissa verrokkigeeneissä sekä sytoplasman genomeissa kahdessa lähisukuisessa mäntylajissa Pinus massoniana Lamb. ja Pinus hwangshanensis Hisa, joiden populaatiot esiintyvät joskus erillään toisistaan (allopatrisesti), toisinaan vierekkäin (parapatrisesti). Mittasin muuntelun määrää ja etsin merkkejä valinnan vaikutuksesta. Vertasin erilaisia lajiutumismallien parametrejä verrokki- ja ehdokasgeeneissä. Käytin simulaatioita etsiäkseni parhaat demografiset ja lajiutumiseen liittyvät mallit. Vertasin kloroplastien ja mitokondrioiden genomien sekvenssien lajinsisäistä ja lajien välistä muuntelua allopatrisissa ja parapatrisissa populaatioissa tutkiakseni onko lajien yhteinen muuntelu seurausta siitä että lajien eriytymisestä on kulunut vain vähän aikaa vai siitä että sen jälkeen on tapahtunut geenivirtaa. Kauan sitten tapahtunut valinta on vaikuttanut samalla tavalla kumpaankin lajiin, osin koska tutkimus kohdistui myös niiden yhteiseen edeltäjälinjaan. Äskettäinen valinta taas oli suuremmassa määrin kummallekin lajille ominaista. Viime aikojen ilmastoon liittyvä valinta on voinut vähentää geenivirtaa ehdokasgeeneissä, mikä voisi edistää ekologista lajiutumista. Tuman DNA:n muuntelu jakautuminen tuki sitä mahdollisuutta että lajien yhteinen geneettinen muuntelu johtuu äskettäisestä geenivirrasta, ei vain siitä että lajiutuminen on niin varhaisessa vaiheessa. Mitokondrioiden geeneissä lajeilla yhtä paljon yhteistä muuntelua sekä allopatrisissa että parapatrisissa populaatioissa, mikä tukee sen sijaan eriytymisen jälkeistä epätäydellistä muuntelun erilaistumista. Eri genomit heijastavat lajiutumisprosessin eri vaiheita. Väitöskirjan tulokset ovat osaltaan tuottaneet uutta tietoa lajiutumisesta ja valinnasta. Lisäksi niillä on merkitystä ilmastomuutoksen vaikutusten ymmärtämisessä ja metsänjalostuksessa.

Abstract The study of speciation has been an area of primary interest in evolutionary biology from Darwin to the present day. Understanding the processes that give rise to new species requires knowledge on how reproductive isolation develops between diverging populations. An irreversible and therefore important component of reproductive isolation is intrinsic postzygotic isolation. Postzygotic incompatibilities often manifest themselves through hybrid inviability or sterility, and distort allelic transmission ratios in hybrid progenies. The genetic basis of such incompatibilities has often been found to be negative interactions between two or more loci, also known as Bateson-Dobzhansky-Muller incompatibilities. During the last decade some genes involved in this type of incompatibilities have been identified, but especially in plants our knowledge remains scarce. In this thesis I examined whether intrinsic postzygotic isolation had developed between allopatric populations of a perennial, outcrossing plant; Arabidopsis lyrata. The studied populations of A. lyrata were found to be genetically highly differentiated. In F2 progenies of crosses between populations many molecular markers reveal non-Mendelian genotype ratios, that is, show transmission ratio distortion (TRD). By contrast, TRD was found to be nearly absent in progenies of within population crosses. The degree of TRD clearly increased with genetic distance between the crossed populations, and origin for TRD was often in F1 gamete formation, instead of F2 zygotic level. The genetic basis of TRD appeared due to interactions between nuclear loci, and between nuclear and cytoplasmic factors. In addition to transmission ratio distortion, reduced male fertility and cytoplasmic male sterility was found in the F2 hybrids between A. lyrata subspecies petraea and lyrata. Quantitative trait loci for reduced male fertility were polymorphic within populations, and dependent on cytoplasm. Thus, the findings in this thesis underline the role of cytonuclear interactions, and the possibility of development of genic incompatibilities through genomic conflicts due to divergence likely unrelated to local adaptation. / Tiivistelmä Lajiutumistutkimus on ollut yksi evoluutiobiologian suurimmista kiinnostuksen kohteista Darwinin ajoista nykypäivään. Jotta voisimme ymmärtää uusien lajien syntymiseen johtavia prosesseja, on ensin ymmärrettävä, miten lisääntymisisolaatio kehittyy erilaistuvien populaatioiden välille. Lajien välisten risteytysten jälkeläiset ovat usein steriilejä tai elinkyvyttömiä. Tämä perustuu kahden erilaistuneen populaation perimän yhteensopimattomuuteen. Tällaiset sisäsyntyiset hedelmöityksen jälkeiset yhteensopimattomuudet ovat tärkeä osa lisääntymisisolaatiota, sillä ne ovat peruuttamattomia. Ne aiheuttavat vääristymiä genotyyppien lukusuhteissa risteytysjälkeläistöissä. Posttsygoottisen yhteensopimattomuuden taustalla on usein kahden tai useamman geenilokuksen välinen negatiivinen interaktio, jota kutsutaan myös Bateson-Dobzhansky-Muller -inkompatibiliteetiksi. Viime vuosikymmenen aikana on tunnistettu muutamia geenejä, jotka ovat mukana negatiivisissa interaktioissa, mutta kasveista tietoa geneettisistä tekijöistä on vielä vähän. Väitöstutkimuksessa selvitettiin onko geneettisiä posttsygoottisia yhteensopimattomuuksia kehittynyt kasvilajin sisällä (Arabidopsis lyrata) allopatristen populaatioiden välille. Tutkitut kasvipopulaatiot olivat geneettisesti hyvin erilaistuneita. Näiden populaatioiden välisten jälkeläistöjen genotyypeissä havaittiin yleisesti paljon mendelistisistä lukusuhteista poikkeavia lukusuhteita. Genotyyppejä tarkasteltiin myös populaation sisäisissä risteytyksissä, joiden jälkeläistöissä periytyminen oli lähes mendelististä. Väitöstutkimuksessa havaittiin, että mitä geneettisesti erilaisemmat populaatiot risteytettiin, sitä suurempi oli ei-mendelistisen periytymisen osuus. Tutkimukset osoittivat lukusuhteiden vääristyvän jo F1-hybridin tuottaessa sukupuolisoluja, eikä niinkään muodostuneissa uusissa F2-tsygooteissa. Taustalla olevien geneettisten yhteensopimattomuuksien havaittiin vaikuttavan tuman geenien välillä, mutta myös tuman ja soluliman geneettisten tekijöiden välillä. Mendelistisistä lukusuhteista poikkeamisen lisäksi tutkimuksessa havaittiin siitepölyn alentunut elinkyky ja solulimaan liittyvä koirassteriliteetti F2-jälkeläistössä A. lyrata alalajien petraea ja lyrata välillä. Lokukset, jotka vaikuttivat siitepölyn alentuneeseen elinkykyyn, olivat polymorfisia populaatioiden sisällä ja vuorovaikutuksessa soluliman geneettisten tekijöiden kanssa. Nämä tutkimustulokset korostavat tuman ja soluliman geenien vuorovaikutuksen tärkeyttä lajien välisten lisääntymisesteiden synnyssä. Ne myös osoittavat, että yhteensopimattomuus voi kehittyä mahdollisesti ilman luonnonvalinnan vaikutusta.