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 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 Most plants form symbiotic associations with various fungi in natural ecosystems. Traditionally, many of these associations are viewed as mutually beneficial, but recent studies show that symbiotic interactions can be complex and labile. I studied the variability of interactions between grasses and fungi, using root-associated fungi and foliar endophytes in grasses as study systems. First, I studied experimentally how root-associated fungi colonize their host grasses in different natural and artificial conditions. I then investigated experimentally how foliar endophytes affect their host grasses, and whether the endophyte contributes to the host’s adaptation to local and/or foreign habitats. Finally, I reviewed the current use of foliar endophytes in agriculture, with a particular focus on Europe, and critically considered their potential for practices beyond agriculture. I found root fungi to be common, but different types of root fungi had contrasting colonization patterns in natural environments. However, I found that grasses lose almost all of their root fungi in controlled and more favourable conditions, indicating that the associations are fairly loose and conditional to environmental context. My results also showed that foliar endophytes affected the host’s performance in varying ways, depending on plant origin and experimental country, indicating that the associations were context dependent and could represent conditional mutualism. I also found that endophytes contribute to plant adaptation only weakly, but that the grasses were clearly locally adapted to their sites of origin, especially in regard to reproduction. However, the grasses of subalpine origin performed well vegetatively also in Northern Finland, suggesting that they may have high adaptive potential under changing climates. The literary review showed that foliar endophytes are successfully used in agriculture, e.g. in the USA and New Zealand, and that they possess the potential for several practical applications. However, the intentional use of endophyte-enhanced grasses is non-existent in Europe, although many European grass cultivars have great potential for improvement via endophytes. Taken together, these results show that plant–fungal interactions are highly variable along sites, environmental contexts and origins of the symbiotum, making predictions for these interactions difficult. / Tiivistelmä Luonnollisissa ekosysteemeissä melkein kaikilla kasveilla on symbionttisia sienikumppaneita. Perinteisesti monien näiden vuorovaikutusten on oletettu olevan molemmille hyödyllisiä, mutta viimeaikaiset tutkimukset osoittavat symbionttisten yhteyksien olevan vaihtelevia. Väitöskirjassani tutkin tätä heinien ja sienien välisten yhteyksien vaihtelevuutta, käyttäen heinissä esiintyviä juurisieniä ja lehtiendofyyttejä tutkimuskohteinani. Ensiksi tutkin kokeellisesti, kuinka juurisienet kolonisoivat heiniä erilaisissa luonnon- ja kasvihuoneolosuhteissa. Seuraavaksi tutkin kokeellisesti, kuinka lehtiendofyytit vaikuttivat heinien menestymiseen ja edesauttoivatko endofyytit heinien sopeutumista paikallisiin ja/tai vieraisiin elinympäristöihin. Viimeiseksi selvitin kirjallisuuskatsauksen avulla, kuinka lehtiendofyyttejä hyödynnetään maataloudessa ja arvioin endofyyttien potentiaalista käyttöarvoa maatalouden ulkopuolella, erityisesti keskittyen niiden hyödyntämiseen Euroopassa. Tutkimukseni osoitti, että heinien juurisienet ovat yleisiä, mutta niiden keskinäiset runsaussuhteet vaihtelivat luonnollisissa ympäristöissä. Kasvihuoneolosuhteissa heinät kuitenkin menettivät juurisienensä, viitaten siihen, että kyseinen yhteys on melko löyhä ja riippuvainen ympäristöstä. Tutkimukseni osoitti myös, että lehtiendofyytit vaikuttivat heinien menestykseen vaihtelevasti riippuen heinien alkuperästä sekä koemaasta, viitaten siihen, että nämä yhteydet ovat niin ikään olosuhteista riippuvaisia. Endofyytti vaikutti vain heikosti heinien sopeutumiseen, mutta heinät olivat selkeästi paikallisesti sopeutuneita niiden alkuperäisiin elinympäristöihin, erityisesti heinien lisääntymisen suhteen. Alppien heinät kuitenkin menestyivät vegetatiivisesti myös Pohjois-Lapissa, mikä viittaa siihen, että näillä heinillä saattaa olla korkea sopeutumispotentiaali muuttuvissa olosuhteissa. Kirjallisuuskatsaukseni osoitti, että lehtiendofyyttejä käytetään menestyksekkäästi mm. USA:n ja Uudessa-Seelannin maataloudessa. Euroopassa niiden käyttö on kuitenkin lähes olematonta, vaikka endofyyteillä voisi olla monia käyttömahdollisuuksia, sekä maataloudessa että ympäristön hoidossa. Kaiken kaikkiaan tutkimukseni osoittavat, että heinien ja sienten väliset vuorovaikutukset ovat hyvin vaihtelevia riippuen ympäristöstä ja heinien alkuperästä, minkä vuoksi näiden sienien vaikutuksia heiniin on vaikea ennustaa.