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Modeling Problems in Conservation Genetics with Brassica rapa: Genetic Variation and Fitness in Plants under Mild, Stable Conditions

Authors

  • Carla A. Wise,

    Corresponding author
    1. Department of Environmental, Population, and Organismic Biology, University of Colorado, Campus Box 334, Boulder, CO 80309–0334, U.S.A.
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  • Tom A. Ranker,

    1. Department of Environmental, Population, and Organismic Biology, University of Colorado, Campus Box 334, Boulder, CO 80309–0334, U.S.A.
    2. University Museum, University of Colorado, Campus Box 350, Boulder, CO 80309-0350, U.S.A.
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  • Yan B. Linhart

    1. Department of Environmental, Population, and Organismic Biology, University of Colorado, Campus Box 334, Boulder, CO 80309–0334, U.S.A.
    2. University Museum, University of Colorado, Campus Box 350, Boulder, CO 80309-0350, U.S.A.
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*Current address: 3710 NW Wisteria Way, Corvallis, OR 97330-3328, U.S.A., email carla@cmug.com

Abstract

Abstract: Rare species are frequently genetically depauperate compared with widespread species, but the degree to which low genetic variation affects short-term viability is still unresolved. We examined the relationship between population-level genetic variation and fitness in small, experimental populations of Brassica rapa (a Eurasian annual) in a stable, mild environment. We used allozyme and morphological markers to create populations with either high or low levels of genetic variation. We then grew three high-variation and three low-variation populations for six generations under benign growing conditions, with consistent levels of light, nutrients, and water. We measured fitness components and genetic variation throughout the experiment. All populations were maintained at equal sizes (n = 100 seeds to start each generation), and plants were mass-pollinated to avoid differential inbreeding. Under mild conditions, high-variation plants did not have consistently higher fitness than low-variation plants. In generation three, plants in low-variation populations outperformed high-variation plants. In generation four, however, which was subjected to unplanned heat stress, high-variation plants had higher values for many of the fitness components measured, suggesting that, under stress, genetic variation may be associated with a fitness advantage. No differences in multiplicative fitness were found in any generation, indicating that high- and low-variation populations did not differ significantly in overall population viability. Our results indicate that when degree of inbreeding and population size are held constant, genetic variation per se does not increase fitness under benign conditions. As theory predicts, the role of population-level genetic variation may instead be in enhancing the ability of small populations to remain viable under fluctuating, stressful, or novel conditions.

Abstract

Resumen: Las especies raras están con frecuencia genéticamente degradadas en comparación con las especies de amplia distribución. Sin embargo, el grado al cual la baja variación génetica afecta la viabilidad a corto plazo no ha sido resuelto aún. Examinamos la relación entre la variación génetica a nivel de población y la adaptación de poblaciones pequeñas, experimentales de Brassica rapa (una Eurasiana anual) en condiciones moderadas y estables. Usamos alozimas y marcadores morfológicos para crear poblaciones tanto con nivel alto como bajo en variación génetica. Posteriormente cultivamos tres poblaciones con variación alta y tres con variación baja por seis generaciones bajo condiciones benignas con niveles uniformes de luz, nutrientes y agua. Medimos los componentes de la adaptación y de la variación génetica a lo largo del experimento. Todas las poblaciones se mantuvieron a tamaños iguales (n = 100 semillas para empezar cada generación) y las plantas fueron masivamente polinizadas para evitar endogamia diferencial. Bajo condiciones moderadas, las plantas con alta variación no tuvieron consistentemente una adaptación más alta que las plantas con variación baja. En la tercera generación, las plantas en las poblaciones de baja variabilidad funcionaron mejor que las plantas de alta variación. Sin embargo, en la generación cuatro, que estaba sujeta a condiciones no planeadas de estrés por calor, las plantas de variación alta tuvieron valores más altos para muchos de los componentes de adaptación medidos, lo cual indica que bajo condiciones de estrés, la variación génetica puede estar asociada con una ventaja adaptativa. No se encontraron diferencias en adaptación multiplicativa en ninguna generación, indicando que las poblaciones de alta y baja variación no difirieron significativamente en viabilidad poblacional general. Nuestros resultados indican que cuando el grado de endogamia y el tamaño poblacional se mantienen constantes, la variación genética en si no incrementa la adaptación en condiciones moderadas. A como lo predice la teoría, el papel de la variación genética a nivel poblacional podría más bien estar reforzando la capacidad de poblaciones pequeñas de seguir siendo viables bajo condiciones fluctuantes, estresantes o nuevas.

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