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.

Abstract Local adaptation is important evolutionary process leading to adaptive population differentiation. Currently, examining its genetic basis is a major goal of evolutionary and ecological genetics. In my thesis I studied local adaptation and its genetic basis in populations of a perennial outcrossing model plant Arabidopsis lyrata by combining common garden experiments at the native field sites and in controlled conditions with quantitative trait locus mapping. Estimates of fitness in the field – both at the level of multiple components as well as hierarchical total fitness – showed that populations of A. lyrata were locally adapted. The studied populations were also phenotypically differentiated in ecologically relevant traits. Different components of fitness were important for the advantage of the locals depending on the environment. Local alleles were associated with high fitness in the field, suggesting that differing directional selection pressures have been involved in phenotypic differentiation. Mostly different genomic regions governed local adaptation in different environments, but the results also suggested that some of these regions could involve rarely documented fitness tradeoffs (antagonistic pleiotropy). Loci governing flowering time differentiation differed between the studied environments, highlighting the need to conduct experiments both in the wild and in controlled conditions. In contrast to most existing studies, F2 hybrids in general had surprisingly high fitness at one study site, largely due to beneficial dominance effects at loci governing survival in that environment. In addition to nuclear genes, cytoplasmic genomes also were found to have a role in local adaptation. / Tiivistelmä Luonnonvalinta saa aikaan paikallista sopeutumista ja adaptiivista erilaistumista. Paikallisen sopeutumisen perinnöllisen taustan selvittäminen on tällä hetkellä yksi tärkeimpiä evolutiivisen ja ekologisen genetiikan tavoitteita. Tässä väitöskirjatyössä tutkin paikallista sopeutumista ja sen geneettistä taustaa monivuotisella, ristipölytteisellä mallikasvilla, idänpitkäpalolla (Arabidopsis lyrata). Käytin työssäni geenikartoitusta kasveilla joita kasvatettiin yhdenmukaisissa oloissa sekä populaatioiden luontaisilla kasvupaikoilla että kontrolloiduissa olosuhteissa. Kenttäolosuhteissa arvioitu kelpoisuus osoitti idänpitkäpalkopopulaatioiden olevan paikallisesti sopeutuneita sekä yksittäisten kelpoisuuteen vaikuttavien ominaisuuksien että hierarkkisen kokonaiskelpoisuuden tasolla. Tutkitut populaatiot olivat myös erilaistuneita ekologisesti tärkeissä ominaisuuksissa. Kelpoisuuteen vaikuttavat ominaisuudet myös poikkesivat ympäristöjen välillä. Paikalliset alleelit olivat yhteydessä korkeaan kelpoisuuteen luonnossa, minkä perusteella voitiin päätellä erisuuntaisen luonnonvalinnan vaikuttaneen populaatioden erilaistumiseen. Kromosomiston eri alueet olivat tärkeitä sopeutumisessa eri ympäristöihin, mutta myös joidenkin samojen genomin alueiden havaittiin mahdollisesti vaikuttavan vastakkaisesti kelpoisuuteen eri ympäristöissä. Myös kukkimisajan erilaistumiseen vaikuttavat genomin alueet poikkesivat eri ympäristöjen välillä erityisesti verrattaessa kenttäkokeita kasvatushuone- ja kasvihuonekokeisiin. Toisin kuin useimmissa tutkimuksissa on havaittu, F2-sukupolven jälkeläistön kelpoisuus oli yllättävän korkea yhdessä kenttäkoeympäristössä. Tähän vaikuttivat kelpoisuuden kannalta suotuisat dominoivat geenivaikutukset, jotka paransivat kasvien selviytymistä kyseisessä ympäristössä. Tumassa sijaitsevien geenien lisäksi myös soluelimien perimällä havaittiin olevan yhteys paikalliseen sopeutumiseen.

Abstract Hosts and pathogens are involved in a continuous evolutionary arms race, where pathogens attack and hosts defend themselves. The main tools for winning the race are natural selection and the genetic diversity that selection acts on. However, in small populations natural selection may be ineffective. Therefore, the genes taking part in immune defense may lack adaptability to new or changing pathogens. Major histocompatibility complex (MHC) is an important genomic region that includes highly polymorphic immune defense genes. In this doctoral thesis, I studied the natural selection and genetic diversity of MHC class II genes in dogs and Finnish wolves. I also used dog MHC diversity to estimate the number of founding wolves in dog domestication. The Finnish wolf population declined rapidly in size due to excessive hunting from the late 19th century until the early 20th century. After decades of a very small population size, the population started recovering in the mid-1990s. This study shows that, despite the fluctuations in population size, the diversity of the MHC loci in the Finnish wolf has remained high and comparable to the larger neighboring Russian Karelian wolf population. Unlike the neutral genetic markers, the MHC loci of the Finnish and Russian Karelian populations have not differentiated. These results indicate similar balancing selection acting on the MHC loci of the two wolf populations. In dogs, the strength of natural selection is likely weakened by artificial selection and veterinary care. The potential phases of natural selection would be during embryogenesis and fetal development. However, no strong signs of prenatal selection were found in this study. MHC diversity was estimated to be higher in Asian dogs than in dogs from Europe. A simulation study indicated a minimum of 500 founding wolves for the modern dog population. Dog MHC diversity implies an Asian origin for domestication from a large and diverse wolf population. Both natural selection and demography have an influence on the genetic diversity of a species. In small populations, random genetic drift is enforced. However, in loci with important fitness impacts, selection may be particularly strong and outweigh drift, as demonstrated in the MHC loci of a small wolf population in this study. / Tiivistelmä Isäntä ja taudinaiheuttajat käyvät jatkuvaa kaksinkamppailua, jossa taudinaiheuttajat hyökkäävät ja isäntä puolustautuu. Kamppailussa menestymiseen tarvitaan geneettistä monimuotoisuutta sekä sen pohjalta toimivaa luonnonvalintaa. Pienissä populaatioissa luonnonvalinnan teho voi kuitenkin heikentyä, jolloin immuunipuolustukseen osallistuvat geenit eivät kykene sopeutumaan uusiin tai muuttuneisiin taudinaiheuttajiin. MHC-alueella (major histocompatibility complex) sijaitsee suuri joukko monimuotoisia immuunipuolustukseen osallistuvia geenejä. Väitöskirjassani tutkin luokan II MHC-geeneihin kohdistuvaa luonnonvalintaa ja niiden geneettistä monimuotoisuutta koirilla ja Suomen susilla. Arvioin myös koiran kesyttämisprosessiin osallistuneiden susien määrää nykykoiran MHC-monimuotoisuuden pohjalta. Suomen susipopulaation koko pieneni nopeasti voimakkaan metsästyksen vuoksi 1800-luvun lopulta 1900-luvun alkuun. Populaatio pysyi hyvin pienenä useita vuosikymmeniä, kunnes se alkoi elpyä 1990-luvun puolivälissä. Tutkimus osoitti, että populaatiokoon vaihteluista huolimatta Suomen susien MHC-geenien monimuotoisuus on säilynyt korkeana ja on vastaavalla tasolla kuin Venäjän Karjalan susipopulaatiossa. Suomen ja Venäjän Karjalan susipopulaatioiden MHC-geenit eivät ole erilaistuneet, vaikka populaatiot poikkeavat toisistaan neutraalien geenimerkkien suhteen. Samanlainen tasapainottava valinta näyttäisi kohdistuvan näiden susipopulaatioiden MHC-geeneihin. Keinotekoinen valinta ja eläinlääketieteellinen hoito todennäköisesti heikentävät koirien MHC-geeneihin kohdistuvaa luonnonvalintaa. Luonnonvalinta voisi yhä vaikuttaa alkion- ja sikiönkehityksen aikana, mutta tästä ei tutkimuksessa löytynyt todisteita. MHC-muuntelun määrän arvioitiin olevan suurempaa aasialaisissa kuin eurooppalaisissa koirissa. Simulaatiotutkimuksen mukaan nykyisen koirapopulaation perustamiseen olisi tarvittu vähintään 500 sutta. Tulokset viittaavat koiran kesyttämisen tapahtuneen Aasiassa suuresta ja monimuotoisesta susipopulaatiosta. Sekä luonnonvalinta että demografia vaikuttavat lajien geneettiseen monimuotoisuuteen. Pienissä populaatioissa satunnaisajautuminen voimistuu. Valinta voi kuitenkin olla erityisen voimakasta ja voittaa satunnaisajautumisen geeneissä, joilla on erityisen tärkeä vaikutus yksilön kelpoisuuteen, kuten tutkimuksessa osoitettiin pienen susipopulaation MHC-geenien kohdalla.