The ecology of geographical parthenogenesis in alpine plants

Elvira Hörandl & Stefan Dullinger

Asexual organisms have larger distribution areas than their sexual relatives, tend to range to higher elevations and to previously glaciated areas. This phenomenon, called “Geographical Parthenogenesis”, contradicts the predominance of sexual reproduction in nature and has long been enigmatic. Empirical studies on alpine plants are largely missing. The Frozen Niche Variation model predicts that niche specialization of different asexual genotypes would allow for a more efficient occupation of the available resource space. Asexuals might be therefore more successful in occupying their potential distribution range than sexual populations. Alternatively or additionally, the prevalence of asexuality in colder climates might also be influenced by effects of cold temperatures on gamete formation and the quantitative expression of apomixis. We will test these hypotheses for geographical parthenogenesis in the alpine plant species Ranunculus kuepferi. We will combine analyses of wild populations and modeling across the range of the species to study 1) ecological niche differentiation and mode of reproduction in wild populations, 2) seedling establishment under controlled conditions, and 3) direct influence of temperature on mode of reproduction in experimental approaches 4) potential migration rates by means of simulation studies. The data from all projects will be used to model potential and actual range filling of sexuals vs. apomicts. Results will enable us to develop a comprehensive and predictive ecological model for geographical parthenogenesis.

Asexuelle Organismen weisen im Vergleich zu ihren sexuellen Verwandten größere Verbreitungsgebiete und eine Tendenz zu höheren Lagen und nördlichen Breiten auf. Dieses Phänomen namens „Geographische Parthenogenese“ steht im Widerspruch zur Dominanz der sexuellen Fortpflanzung bei Tieren und Pflanzen. Die Fähigkeit, verschiedene ökologische Nischen zu besetzen, könnte einen Selektionsvorteil für asexuelle Organismen bewirken: eine hohe Diversität an spezialisierten Genotypen würde eine bessere Nutzung der Gesamt-Resourcen ermöglichen (The Frozen Niche Variation Model). Asexuelle können dadurch das potentielle Areal besser ausfüllen als sexuelle Populationen. Zusätzlich könnten kalte Klimate das Fortpflanzungsverhalten und die quantitative Expression von Apomixis direkt beeinflussen. Diese Hypothesen werden in mitteleuropäischen Hochgebirgen am Modellsystem Ranunculus kuepferi umfassend getestet. Nischendifferenzierung, ökologische Amplitude von sexuellen und asexuellen Populationen sowie das Ausmaß von fakultativer Apomixis in natürlichen Populationen sowie Keimungsversuche dienen der Evaluierung des „Frozen Niche Variation Models“. Die Auswirkungen von verschiedenen Temperaturen auf die Expression von Apomixis werden experimentell getestet. Modellierungsansätze werden zur Feststellung von Nischendifferenzierung ebenso eingesetzt wie für die Klärung der Frage, inwieweit sexuelle und asexuelle Pflanzen ihr potentielles Verbreitungsgebiet tatsächlich ausfüllen. Die Ergebnisse werden die Entwicklung eines umfassenden evolutionären Modells für Geographische Parthenogenese ermöglichen.