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Genetic Rescue in an Isolated Metapopulation of a Naturally Fragmented Plant Species, Parnassia palustris

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Abstract

Abstract: The loss of habitat of naturally fragmented species may result in isolated metapopulations: small groups of populations that are still connected by gene flow but have become isolated from other metapopulations. Genetic isolation may result in genetic differentiation between metapopulations and lowered genetic diversity within the metapopulation. Gene input from outside the metapopulation can hence be expected to enhance crosscompatibility and seed viability. Simultaneously, due to genetic drift, inbreeding, and pollen limitation in the small populations, fitness is likely to increase with population size within a metapopulation. I tested these hypotheses in three isolated metapopulations of the endangered plant species Parnassia palustris L. in a study area of 15 × 0.5 km along the coast of western Belgium and northwestern France. Seed and fruit weight, measured in the 27 populations distributed over the three metapopulations, significantly differed among the metapopulations, which suggests genetic differentiation. These fitness variables also increased with population size within two metapopulations. With a pollination experiment, I investigated whether genetic rescue with pollen from another metapopulation enhanced seed set. Outside-metapopulation crosses led to a significantly higher seed set than within-metapopulation crosses, and this effect was more pronounced in small populations. This means pollen from outside the metapopulation was more compatible than pollen from within the metapopulation, due to a lowered genetic diversity within the metapopulation. The seed set of naturally pollinated flowers was at least equal to that of hand-pollinated flowers, which can be explained by a compensation effect of pollen quantity and donor diversity for pollen quality. One can assume that the loss of genetic diversity at the level of the metapopulation affected loci not just related to cross compatibility. Reconnection of metapopulations by stepping stones may be necessary to prevent further genetic erosion and assure the viability of the Parnassia populations in the study area over the long term.

Abstract

Resumen: La pérdida del hábitat de especies fragmentadas naturalmente puede resultan en metapoblaciones aisladas: pequeños grupos de poblaciones que están conectadas mediante flujo de genes pero que están aislados de otras metapoblaciones. El aislamiento genético puede resultar en la diferenciación genética entre metapoblaciones y la reducción de la diversidad genética dentro de la población. Por lo tanto, se puede esperar que la llegada de genes del exterior de la población incremente la compatibilidad de las cruzas y la viabilidad de semillas. Simultáneamente, debido a la deriva génica, la endogamia y la limitación de polen en las poblaciones pequeñas, es probable que la adaptabilidad incremente con el tamaño poblacional dentro de la metapoblación. Probé estas hipótesis en tres metapoblaciones aisladas de la especie de planta en peligro Parnassia palustris L. en un área de estudio de 15 × 0.5 km a lo largo de la costa de Bélgica occidental y Francia noroeste. El peso de las semillas y de frutos, medidas en las 27 poblaciones distribuidas en las tres metapoblaciones, varió significativamente entre las metapoblaciones, lo que sugiere diferenciación genética. Estas variables de adaptabilidad también incrementaron con el tamaño poblacional en dos metapoblaciones. Mediante un experimento de polinización, investigué si el rescate genético con polen de otra metapoblación mejoraba el conjunto de semillas. Cruzas fuera de la metapoblación condujeron a un conjunto de semillas significativamente mayor que las cruzas dentro de la metapoblación, y este efecto fue más pronunciado en poblaciones pequeñas. Esto significa que el polen proveniente del exterior de la metapoblación fue más compatible que el polen proveniente del interior de la metapoblación, debido a una diversidad genética disminuida. El conjunto de semillas de flores polinizadas naturalmente fue por lo menos igual al de las flores polinizadas manualmente, lo que puede explicarse por un efecto compensatorio entre la cantidad de polen y diversidad de donantes con la calidad del polen. Se puede asumir que la pérdida de diversidad genética a nivel de la metapoblación no solo afectó a loci relacionados con la compatibilidad. La reconexión de metapoblaciones mediante piedras de paso puede ser necesaria para prevenir mayor erosión genética y asegurar la viabilidad a largo plazo de las poblaciones Parnassia en el área de estudio

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