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 Adaptation to local environment is important for all organisms to guarantee survival and to maximize reproduction. Populations of the same species may live in environments that differ markedly. Due to differential selection pressures this can lead to population differentiation, which can be studied both at the phenotypic and at the gene level. The growing season cued by long days is typically short in the north, whereas southern populations have long growing seasons and are adapted to short days. Seasonal fluctuations in temperature also differ between northern and southern environments. Daylength and temperature regulate the timing of flowering in plants. Environmental regulation of flowering and its genetic basis has been extensively studied in the annual model species Arabidopsis thaliana. The perennial growth and flowering habit has been studied especially in trees, but studies on herbaceous plants species have been lacking. In this thesis, I have studied adaptation to growing season length in a perennial herbaceous model species Arabidopsis lyrata. Individuals from populations adapted to northern and southern environments in Europe were grown in same conditions in the growth chambers and in the field. Differentiation between the populations was studied by observing their flowering phenotypes and by studying the expression of genes that are candidates for governing the phenotypic differentiation. The main result in the thesis was that adaptation to short growing season in north can be seen as long daylength requirement for flowering and as fast developmental rate. Critical daylength for flowering likely regulates especially the timing of flowering cessation in the end of the growing season. Flowering time of individuals from northern populations also responded more strongly to cold treatment (representing winter) than that of the southern population. The cold requirement for flowering guarantees that the plants only flower after the winter in the spring with suitable conditions. Expression studies indicated that population differentiation in flowering could be at least partly governed by the expression variation in a few candidate genes. The results in this thesis are valuable for instance for understanding perennial species in general, including tree and crop species, and for predicting how plants response to changing climate. / Tiivistelmä Ympäröiviin oloihin sopeutuminen on tärkeää kaikille organismeille selviytymisen ja jälkeläistuoton kannalta. Saman lajin eri populaatiot saattavat elää ympäristöissä, joiden olosuhteet poikkeavat toisistaan huomattavasti. Tällöin populaatioihin kohdistuvat erilaiset valintapaineet ja populaatiot erilaistuvat. Erilaistuminen havaitaan tarkastelemalla yksilöiden ilmiasuja ja geenejä. Kasvukauden pituus määrittää eteläisten ja pohjoisten kasvuympäristöjen valintapaineita. Pohjoisessa kasvukausi on lyhyt ja sen alkamisesta ja loppumisesta kertoo pitkä päivänpituus. Etelässä on pitkä kasvukausi ja siellä elävät populaatiot ovat sopeutuneet lyhyeen päivänpituuteen. Myös vuodenaikaiset lämpötilavaihtelut eroavat pohjoisten ja eteläisten alueiden välillä. Muutokset päivänpituudessa ja lämpötilassa säätelevät kasveilla kukkimisen ajankohtaa. Kukkimiseen vaikuttavia ympäristötekijöitä ja kukkimista sääteleviä geenejä on tutkittu paljon yksivuotisella mallilajilla lituruoholla (Arabidopsis thaliana). Monivuotisten kasvien kasvun ja kukkimisen säätelyä on tutkittu etenkin puilla, mutta hyvin vähän ruohovartisilla kasveilla. Tässä väitöskirjatyössä tutkin kasvukauden pituuteen sopeutumista monivuotisella ruohovartisella lajilla, idänpitkäpalolla (Arabidopsis lyrata). Pohjoisiin ja eteläisiin ympäristöoloihin sopeutuneiden eurooppalaisten populaatioiden yksilöitä kasvatettiin samanlaisissa olosuhteissa kontrolloiduissa kasvatushuoneissa ja kenttäolosuhteissa. Populaatioiden erilaistumista tarkkailtiin kukkimiseen liittyvissä ominaisuuksissa sekä eroja selittävien kandidaattigeenien ekspressiossa. Tutkimuksen päätulos oli, että pohjoisen populaation lyhyeen kasvukauteen sopeutuminen voidaan havaita pitkän päivän vaatimuksena kukkimiselle ja nopeana kehityksenä. Kenttäolosuhteissa päivänpituus sääteli etenkin kukkimisen lopetusta kasvukauden lopussa. Pitkä kylmäkäsittely nopeutti kukkimista etenkin pohjoisessa populaatiossa. Kukkimista edeltävä kylmävaatimus takaa, etteivät kasvit kuki syksyllä epäsuotuisissa olosuhteissa, vaan vasta keväällä talven jälkeen. Populaatioiden erilaistuminen kukkimisen päivänpituus- ja kylmävaatimuksessa selittyy todennäköisesti ainakin osittain kandidaattigeenien ekspressioeroilla. Tämän väitöskirjatyön tuloksia voidaan soveltaa monivuotisten viljelykasvien jalostuksessa tai ennustettaessa kasvipopulaatioiden sopeutumista ilmastonmuutokseen.

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.