Local adaptation of wild populations of Arabidopsis thaliana to coastal and inland habitats in Catalonia

Abstract

La variació genètica natural existent entre poblacions d' Arabidopsis thaliana a Catalunya s'ha utilitzat per identificar fenòmens d'adaptació local a hàbitats costaners i continentals. Es va crear un Model de Distribució d'Espècies (SMD) per localitzar petits rodals de poblacions biològiques d' A. thaliana ('demes'). Els resultats obtinguts de la utilització de 425 marcadors (SNP) sotmesos a anàlisis d'estructura de la població i d'agrupament indiquen un alt percentatge d'al∙lels compartits entre 'demes'. Durant dos anys consecutius es va repetir un experiment de trasplantament recíproc en condicions naturals dissenyat per mesurar l'aptitud de les plantes procedents de 'demes' continentals i costaneres als dos tipus d'hàbitats. La progènie d'aquestes 'demes' va mostrar una millor aptitud quan creixia en els seu hàbitat d'origen. En experiments realitzats amb sòl procedent de la costa i de l'interior sota condicions controlades en cambra de cultiu es van obtenir uns resultats similars, confirmant‐se que el tipus de sòl és un factor determinant per l'adaptació local. A més, les plantes procedents de 'demes' costaneres van mostrar una millor aptitud i tolerància sota condicions d'elevada salinitat. Es conclou que A. thaliana està adaptada als ambients costaners i aquesta adaptació és impulsada en gran part per l'elevada salinitat dels sòls costaners. Tots els resultats apunten que les plantes costaneres utilitzen més d'un mecanisme per combatre els alts nivells de Na al sòl. És probable que AtSOS1 i AtHKT1;1 treballin conjuntament per traslladar el Na a les fulles i emmagatzemar‐lo dins les vacuoles per aconseguir un millor ajust osmòtic. D'altra banda, creuaments entre plantes costaneres (tolerants a la sal) i plantes de l'interior (sensibles a la sal) apunten a una possible herència materna del caràcter "tolerància a la salinitat". Els polimorfismes detectats tant en AtHKT1;1 com en AtMOT1 poden tenir un significat adaptatiu ja que els al∙lels febles d'ambdós només es van detectar en 'demes' costaneres. No obstant, tots els resultats indiquen que la variabilitat genètica d' AtHKT1;1 no és responsable de la tolerància a la salinitat observada. Hem arribat a la conclusió que l'al∙lel feble d' AtHKT1;1 persisteix i conviu amb plantes que tenen l'al∙lel fort gràcies a una floració primerenca i a una millor tolerància a la salinitat moderada. D'altra banda, l'al∙lel feble d' AtMOT1 és més freqüent i es va detectar en zones més properes al mar que l'al∙lel feble d' AtHKT1;1. Els resultats d'estudis de salinitat amb mutants noquejats d' AtMOT1 indiquen que la pèrdua de funció d' AtMOT1 podria augmentar la tolerància a l'estrès salí.

The natural genetic variation among A. thaliana populations in Catalonia was used to identify local adaptation to coastal and inland habitats. A Species Distribution Model (SMD) was created to locate multiple small stands of A. thaliana (demes). Results using 425 genome‐wide SNP markers under clustering and population analysis indicate a high percentage of shared alleles among demes. Multi‐year field‐based reciprocal transplant experiments were designed to identify fitness trade‐offs between inland and coastal demes. Progenies from these demes performed better in their local/home environments. Similar results were obtained in greenhouse common garden experiments, confirming that soil is a driving factor for local adaptation. Plants from the coastal habitat outperformed those from inland when grown together under high salinity. It is concluded that A. thaliana is locally adapted to coastal environments, and this adaptation is driven, at least in part, by the elevated salinity of coastal soils. Our results do not point to a single mechanism of salinity tolerance. AtSOS1 and AtHKT1;1 may cooperate increasing leaf Na+ and its vacuolar storage achieving better osmotic adjustment. Crossings between coastal (salt tolerant) and inland (salt sensitive) plants suggest maternally inheritance of salt tolerance. Polymorphisms in both AtHKT1;1 and AtMOT1 may be of adaptive significance because the weak alleles were only detected in coastal demes. However, all results indicate that genetic variability in AtHKT1;1 allele is not responsible for the salinity tolerance. We conclude that the weak allele of AtHKT1;1 persists and coexists with plants bearing the strong allele thanks to early flowering and better tolerance of moderate salinity. Moreover, the weak allele of AtMOT1 was more frequent and was detected nearer to the sea than the weak allele of AtHKT1;1. Results with mot1 knockout mutants under NaCl treatments indicate that loss of function of AtMOT1 may enhance tolerance to salt stress