Variation in the intensity of inbreeding depression among successive life-cycle stages and generations in gynodioecious Silene vulgaris (Caryophyllaceae).

Inbreeding depression is one of the hypotheses explaining the maintenance of females within gynodioecious plant populations. However, the measurement of fitness components in selfed and outcrossed progeny depends on life-cycle stage and the history of inbreeding. Comparative data indicate that strong inbreeding depression is more likely to occur at later life-cycle stages. We used hermaphrodite individuals of Silene vulgaris originating from three populations located in different valleys in the Swiss Alps to investigate the effect of two generations of self- and cross-fertilization on fitness components among successive stages of the life cycle in a glasshouse experiment. We detected significant inbreeding depression for most life-cycle stages including: the number of viable and aborted seeds per fruit, probability of germination, above ground biomass, probability of flowering, number of flowers per plant, flower size and pollen viability. Overall, the intensity of inbreeding depression increased among successive stages of the life cycle and cumulative inbreeding depression was significantly stronger in the first generation (delta approximately 0.5) compared with the second generation (delta approximately 0.35). We found no evidence for synergistic epistasis in our experiment. Our finding of more intense inbreeding depression during later stages of the life cycle may help to explain the maintenance of females in gynodioecious populations of S. vulgaris because purging of genetic load is less likely to occur.

Inbreeding effects on progeny sex ratio and gender variation in the gynodioecious Silene vulgaris (Caryophyllaceae).

In gynodioecious species, sex expression is generally determined through cytoplasmic male sterility genes interacting with nuclear restorers of the male function. With dominant restorers, there may be an excess of females in the progeny of self-fertilized compared with cross-fertilized hermaphrodites. Moreover, the effect of inbreeding on late stages of the life cycle remains poorly explored. Here, we used hermaphrodites of the gynodioecious Silene vulgaris originating from three populations located in different valleys in the Alps to investigate the effects of two generations of self- and cross-fertilization on sex ratio and gender variation. We detected an increase in females in the progeny of selfed compared with outcrossed hermaphrodites and inbreeding depression for female and male fertility. Male fertility correlated positively with sex ratio differences between outbred and inbred progeny, suggesting that dominant restorers are likely to influence male fertility qualitatively and quantitatively in S. vulgaris. We argue that the excess of females in the progeny of selfed compared with outcrossed hermaphrodites and inbreeding depression for gamete production may contribute to the maintenance of females in gynodioecious populations of S. vulgaris because purging of the genetic load is less likely to occur.

Population differentiation and its consequences in the white campion "Silene latifolia" (Caryophyllaceae): a functional analysis

Summary In his theory On the Origin of Species by Means of Natural Selection (1859), Darwin describes evolution as a gradual change in population over time and that natural selection is a process that caused evolution. Because quantitative variation in species is partly influenced by several genes and thus heritable, association between levels of genetic variation at neutral markers and at quantitative traits and their partitioning within and among populations are important to study mechanisms that drive evolution in populations. Most studies addressing quantitative variation in plants focused on morphological and life history traits but not in traits affecting reproductive success. The aim of this thesis is to better understand how patterns of variation for neutral molecular markers and phenotypic traits drive the evolution of reproduction and defensive mechanisms in six European populations of Silene latifolia, a dioecious plant species. We found evidence for extremely high within and between population variation at six microsatellite loci and at most quantitative traits studied in plants grown under standardized conditions (morphology, life history and reproductive traits). Interestingly, there was clinal variation between age at first flowering and latitude. This pattern is likely due to natural selection since differentiation of this trait was high, heritable and probably higher than differentiation at neutral markers. Our study focused on sex specific selective pressures: mechanisms of intersexual coadaptation and defence mechanism against the seed predator Hadena bicruris. To address divergence at reproductive traits, we studied male and female population of origin effects and in particular pollen competitive ability on male post-pollination success in the study populations with within and between populations crosses. We crossed the same female plant with pollen from a male within the same population of origin and pollen from two males from two distinct populations, using a fixed tester male as a competitor. Additionally, we conducted control crosses with pollen from each male as a single donor. We analysed paternity success of each competitor with two microsatellite loci, seed set and offspring fitness. Male population of origin showed significant among-population variation for siring success at pollen competition. In vitro pollen germination rate showed heritable variation among populations and was positively correlated to siring success. Local or foreign pollen did not have a consistent advantage. Furthermore, female population of origin affected the outcome of pollen competition in some populations. There was no difference of seed set or offspring fitness in within/ between population crosses. This suggests that reproductive divergence may occur via pollen competition in Silene latifolia. The specialist seed predator Hadena bicruris may also induce divergence between populations. We tested potential constitutive and induced defence mechanisms against the specialist predator Hadena bicruris. Because fruit wall thickness is smaller in the invasive range (Northern America) were the moth is absent, this suggests that a thicker fruit wall is a potentially defensive trait against larval attack, and that relaxed selection in the absence of the seed predator has resulted in an evolutionary loss of this defence in the invasive range. Fruit wall thickness was different among three populations. Experimental exposure to moth eggs increased fruit abortion. Fruits built after attack on exposed plants did not have thicker fruit walls compared to fruits on non-exposed plants. Furthermore, fruits with thicker fruit walls were not less profitable, nor did they require longer handling time when exposed to larvae, suggesting no defensive role of fruit wall thickness. Our results show that there is high molecular and phenotypic variation in Silene latifolia and that traits potentially involved in reproductive success both for intra-specific (between sexes) and inter-specific interactions are heritable. Different selective forces may thus interact and cause differential evolution of geographically separated Silene latifolia populations in Europe, leading to the observed differentiation. Résumé Dans sa théorie de l'évolution, L'origine des espèces, ch. 4 (1859), Darwin décrit l'évolution comme un processus continu au cours du temps à l'intérieur de populations et que la sélection naturelle en est le moteur. La variation quantitative est en partie déterminée par plusieurs gènes, donc transmissible à la descendance. Associer le niveau de variation génétique à des marqueurs neutres au niveau de la variation à des traits quantitatifs, ainsi que la répartition à l'intérieur et entre les populations d'une espèce donnée de cette variation, sont importants dans la compréhension des forces évolutives. La plupart des études scientifiques sur la variation quantitative chez les plantes se sont intéressées à la morphologie et à la phénologie mais pas aux caractères impliqués dans le succès reproducteur. L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre comment la répartition de la variation à des marqueurs neutres et des caractères quantitatifs influence l'évolution de la reproduction et des mécanismes de défense dans six populations Européennes de l'espèce dioïque Silene latifolia. Nous avons mis en évidence une grande diversité intra et inter-population à six loci microsatellites ainsi qu'à la plupart des caractères quantitatifs mesurés (morphologie, phénologie et traits reproducteurs) sur des plantes cultivées dans des conditions standardisées. Un résultat intéressant est la présence d'un cline latitudinal pour l'âge à la floraison. Ceci est probablement une conséquence de la sélection naturelle, puisque ce caractère est différencié entre les populations étudiées, héritable et que la différenciation de ce trait est supérieure à la différenciation des marqueurs neutres étudiés. Notre étude a ensuite porté plus précisément sur les pressions de sélection spécifiques aux sexes : la coadaptation entre les sexes et les mécanismes de défense contre l'insecte granivore Hadena bicruris. Afin d'évaluer la divergence sur les traits reproducteurs, nous avons étudié les effets des populations d'origine des mâles et des femelles et en particulier le succès reproducteur des mâles après pollinisation à l'aide de croisements inter et intra-population. Nous avons pollinisé la même femelle avec du pollen provenant d'un mâle de la même population ainsi qu'avec le pollen de deux mâles provenant de deux autres populations en situation de compétition avec un pollen provenant d'une population test. Des croisements contrôle ont été réalisés avec les mêmes mâles en pollinisation pure. Nous avons évalué le succès reproducteur de chaque mâle à l'aide d'analyses de paternité ainsi que la production de graines et la fitness de la descendance. L'origine du mâle avait un effet sur la paternité. Le taux de croissance in vitro du pollen est un caractère héritable et a eu un effet positif sur le succès reproducteur. De plus, l'origine de la femelle avait un effet sur le succès des mâles en compétition dans certaines populations. Nos résultats suggèrent qu'une divergence reproductive chez Silene latifolia pourrait apparaître suite à la compétition pollinique. Nous avons ensuite testé des mécanismes potentiels de défense constitutive et induite contre l'herbivore spécialiste Hadena bicruris, un papillon nocturne qui pourrait aussi jouer un rôle dans la différenciation des populations. L'épaisseur des fruits étant plus faible dans les régions où la plante est invasive (Amérique du Nord) et où l'insecte est absent, ce trait pourrait jouer un rôle défensif. Une pression de sélection plus faible causée par l'absence de l'herbivore aurait abouti à une perte de cette défense dans ces régions. Nous avons montré que l'épaisseur du fruit est variable selon les populations. L'infestation artificielle de fruit par l'insecte induit l'abscission sélective des fruits. Les fruits produits après une infestation n'étaient pas plus épais que les fruits issus de plantes non infestées. De plus, les fruits épais n'étaient pas moins nutritifs et ne causaient pas de perte de temps pour la prédation pour les larves, ce qui suggère que l'épaisseur des fruits ne joue pas un rôle défensif. Nos résultats montrent que plusieurs pressions de sélection interviennent et interagissent dans l'évolution de populations distantes, provoquant la divergence des populations Européennes de l'espèce Silene latifolia.

Isolation and characterization of highly polymorphic microsatellite loci in the bladder campion, Silene vulgaris (Caryophyllaceae)

This study reports the isolation and characterization of seven highly polymorphic microsatellite loci in Silene vulgaris (Caryophyllaceae). The loci were isolated from two libraries constructed from genomic DNA enriched for CA and GA repeats. These markers yielded nine to 40 alleles per locus (mean 22.1) in a survey of 45 individuals from a single population located in the western Swiss Alps. Average observed heterozygosity ranged from 16.2 to 77.4%. These microsatellite loci should be valuable tools for studying fine-scale genetic structure.

Mechanisms involved in the maintenance of inbreeding depression in gynodioecious "Silene vulgaris" (Caryophyllaceae): an experimental investigation

Summary Gynodioecy, the joint occurrence of females and hermaphrodites within natural populations, is a widely studied mating system ever since Darwin (1877). It is an exceptional mating system because continuous selection is necessary to maintain it. Since females only reproduce through ovules whereas hermaphrodites transmit genes through ovules and pollen, larger female fitness, in terms of seed output, is required to allow their maintenance. Two non-exclusive mechanisms can account for the maintenance of females. First, as females do not produce pollen they can reallocate their resources towards a higher ovule production. Second, hermaphrodites can self- and cross-fertilize whereas females are obligate outcrossers. Thus hermaphrodites should partly suffer from inbreeding depression (i.e.: the fitness decline of inbred relative to outbred individuals) and thereby produce less fit progeny than females. This thesis investigated the effects of self- and cross-fertilization of heimaphrodites over two consecutive generations. Inbreeding depression increased across the successive stages of the life- cycle (i.e.: from "seed traits" to "reproductive traits") displaying large inbreeding depression estimates (up to 0.76). This investigation not only detected large inbreeding depression estimates but also detected mechanisms involved in the maintenance of inbreeding depression. For instance cryptic self-incompatibility which is here a larger in vivo pollen performance of distant pollen compared to self-pollen; the expression of inbreeding depression especially in late life-cycle stages, and the appearance of females in the progeny of selfed hermaphrodites. The female biased sex ratio in the progeny of selfed hermaphrodites was a surprising result and could either come from the sex determining mechanisms (complex nucleo-cytoplasmic interaction(s)) and/or from inbreeding depression. Indeed, we not only got females and hermaphrodites but also partial male-sterile (PMS) individuals (i.e.: individuals with differing number of viable stamens). We detected that inbred pollen bearing plants (excluding females) have less viable stamens per flower than outbred plants. A positive correlation was detected between inbreeding depression for the number of viable stamens per flower and the difference in sex ratio between inbred and outbred individuals. A positive relationship was also detected between inbreeding depression for pollen viability and inbreeding depression for number of viable stamens per flower. Each correlation can either account for pleiotropic effects (a major gene acting on the two considered traits) or linkage disequilibrium between genes controlling each of the two related traits. If we hypothesize that these correlations are due to a major gene with pleiotropic effects, the positive relationship between inbreeding depression for number of viable stamens per flower and inbreeding depression for pollen viability showed that deleterious alleles present on a major gene coding for pollen production and viability depressed male fitness within inbred plants. The positive relationship between sex ratio difference between inbred and outbred individuals and inbreeding depression for number of viable stamens per flower indicates that (1) either number of viable stamens per flower is, in addition to inbreeding, also affected by the loci coding for sex determinism or, (2) the presence of females within the progeny of selfed hermaphrodites is a consequence of large inbreeding depression inhibiting pollen production, or (3) sex is here determined by a combination of loci coding for sex expression and inbreeding depression for male reproductive traits. In conclusion, Silene vulgaris has been shown to be a good model for understanding the evolution of mating systems that promote outbreeding. Résumé La gynodïoécie est définie comme étant la présence simultanée d'hermaphrodites et de femelles au sein de populations naturelles d'une même espèce. Ce système de reproduction a toujours fasciné le monde scientifique depuis Darwin, comme en témoigne ses écrits (1876, 1877) sur les systèmes de reproduction chez les plantes. Les femelles ne transmettent leurs gènes qu'à travers leurs ovules alors que les hermaphrodites transmettent leurs gènes à la fois par la voie mâle (le pollen) et la voie femelle (les ovules). La condition pour que la gynodïoécie se maintienne nécessite donc une fitness de la fonction femelle plus élevée chez les femelles que chez les hermaphrodites. Deux mécanismes mutuellement non exclusifs peuvent expliquer le maintien des femelles au sein de ces populations gynodioïques. D'une part, les femelles peuvent réallouer les ressources non utilisées pour la production de pollen et peuvent par conséquent produire plus d'ovules. D'autre part, la reproduction des femelles ne peut se faire que par allo-fécondation alors que les hermaphrodites, peuvent se reproduire à la fois par auto- et allo-fécondation. L'autofécondation s'accompagne en général d'une diminution de fitness de la descendance relativement à la progéniture issue d'allo-fécondation ; ce phénomène est connu sous le nom de dépression de consanguinité. Cette thèse avait pour but de mettre en évidence une éventuelle dépression de consanguinité chez Silene vulgaris, une espèce gynodioïque. Des hermaphrodites, issus de trois vallées alpines, ont été auto- et allo¬fécondés sur deux générations successives. La dépression de consanguinité pouvant s'exprimer à tous les stades de vie d'un individu, plusieurs traits de fitness, allant du nombre de graines par fruit à la production de gamètes ont été mesurés sur différents stades de vie successifs. L'estimation de la dépression de consanguinité totale atteignait des valeurs allant de 0.52 à 0.76 selon la vallée considérée, ce qui indiquerait que les hermaphrodites ont tout intérêt à limiter l'autofécondation et que les femelles ne devraient pas avoir de peine à subsister dans les vallées étudiées. Par la même occasion des mécanismes diminuant la purge potentielle du fardeau génétique, et permettant ainsi le maintien du « niveau » de dépression de consanguinité et par conséquence le maintien de la gynodïoécie ont été mis en évidence. En effet, nos résultats montrent que la dépression de consanguinité s'exprimait tard dans le cycle de vie permettant ainsi à un certain nombre individus consanguins de transmettre leurs allèles délétères à la génération suivante. D'autre part, la croissance in vivo des tubes polliniques d'auto-pollen était plus lente que celle de l'allo-pollen et donc en situation de compétition directe, les ovules devraient plutôt être issus d'allo-fécondation, diminuant ainsi les chances de purges d'allèles délétères. Enfin, l'apparition de femelles dans la progéniture d'hermaphrodites autofécondés diminue aussi les chances de purge d'allèles délétères. Il nous a été impossible de déterminer si l'apparition de femelles dans la descendance d'hermaphrodites autofécondés était due au déterminisme génétique du sexe ou si la différence de sexe ratio entre la descendance auto- et allo-fécondée était due à une éventuelle dépression de consanguinité inhibant la production de pollen. Nous avons observé que S. vulgaris ne présentaient pas uniquement des hermaphrodites et des femelles mais aussi toute sorte d'individus intermédiaires avec un nombre variable d'étamines viables. Nous avons pu mettre' en évidence des corrélations positives entre (1) la différence de sexe ratio (la proportion d'individus produisant du pollen) entre individus consanguins et non consanguins et une estimation de la dépression de consanguinité pour le nombre d'étamines viables d'individus produisant du pollen, ainsi qu'entre (2) la dépression de consanguinité pour le nombre d'étamines viables et celle estimée pour la viabilité du pollen. Chaque corrélation indique soit l'effet d'un (ou plusieurs) gène(s) pléiotropique(s), soit un déséquilibre de liaison entre les gènes. En considérant que ces corrélations sont le résultat d'effet pléiotropiques, la relation entre le nombre d'étamines viables par fleur et la viabilité du pollen, indiquerait un effet négatif de la consanguinité sur la production et la viabilité du pollen due partiellement à un gène majeur. La seconde corrélation indiquerait soit que les gènes responsables de la détermination du sexe agissent aussi sur l'expression de la fonction mâle soit que l'expression du sexe est sujette à la dépression de consanguinité, ou encore un mélange des deux. Aux regards de ces résultats, Silene vulgaris s'est avéré être un bon modèle de compréhension de l'évolution des systèmes de reproduction vers la séparation des sexes.

Coupled reproductive ecologies in a plant-pollinator-seed predator system

Résumé de la thèseBien que le mutualisme puisse être considéré comme une relation harmonieuse entre différentes espèces, son étude révèle plutôt une exploitation réciproque où chaque partenaire tente de maximiser ses bénéfices tout en réduisant ses coûts. Dans ce contexte, l'identification des facteurs qui favorisent ou contrarient, au cours de l'évolution, une issue mutualiste est une étape majeure pour pouvoir reconstruire les étapes clés menant à l'apparition et au maintien des interactions mutualistes. Le but de ce doctorat était l'identification des traits phénotypiques qui permettent à la plante Silene latofolia (Caryophyllacée)et à son pollinisateur - prédateur de graines, la phalène Hadena bicruris (Noctuidé), d'augmenter les bénéfices nets que chacun retire de l'interaction. Ce système d'étude est particulièrement bien approprié à l'étude de ces traits, car on peut assez facilement estimer la qualité et la quantité des descendants (fitness) des deux partenaires. En effet, la femelle papillon pond un oeuf dans la fleur qu'elle pollinise et sa larve se développe dans le fruit, consommant les graines de la plante. Ainsi, sur une même plante, il est possible d'estimer les succès respectifs de la plante et du papillon à obtenir une descendance. De plus, le conflit d'intérêt autour des graines qui sont indispensables, à la fois à la plante et au papillon, peut stimuler l'évolution de traits qui limitent la surexploitation réciproque des partenaires. Dans une première étude, j'ai montré que le papillon mâle était un pollinisateur efficace de S. latifolia et qu'ainsi, il permettait à la plante d'augmenter le nombre de graines produites (i.e.bénéfice) sans pour autant augmenter la quantité de larves sur la plante. Dans ce système, les papillons pondent un seul oeuf par fleur, déposé soit à l'intérieur de la fleur, dans le tube de corolle, soit sur le pétale. Ma seconde étude montre que les plantes répondent différemment à la présence des oeufs suivant leur position. Aussi, quand l'oeuf est placé dans la fleur, la plante a davantage tendance à ne pas développer le fruit de la fleur infesté ou bien à produire des fruits plus petits que lorsque l'oeuf est placé sur le pétale. Enfin, j'ai montré que la femelle du papillon pond plus souvent sur le pétale lorsque elle visite des fleurs dotées d'un long tube de corolle, et que les larves issues de ces oeufs ont moins de chances de réussir à pénétrer dans le fruit que les larves issues des oeufs placés à l'intérieur de la fleur. Aussi, la variation observée du site de ponte pourrait être causé par la morphologie de la fleur qui contraint le papillon à pondre sur le pétale. Vu dans leur ensemble, les résultats obtenus pendant ce doctorat suggèrent que la participation des mâles à la pollination, l'absence de développement des fruits et la profondeur du tube de corolle pourraient réduire les coûts que S. latifolia subit dans son interaction avec H. bicruris. Par ailleurs, je n'ai pas détecté de mécanismes qui permettraient au papillon de réduire les coûts que la plante pourrait lui imposer. La prochaine étape serait de déterminer l'effet des traits identifiés dans ce doctorat sur la fitness globale de la plante et du papillon pour estimer pleinement leur efficacité à réduire les coûts et à favoriser une issue mutualiste. De même, il faudrait évaluer l'effet de ces traits en populations naturelles pour identifier le rôle des facteurs environnementaux sur leur efficacité.AbstractAlthough mutualisms can be regarded as harmonious relationships between the interacting partners, they are best conceptualized as reciprocal exploitations in which each partner attempts to increase its own benefits and decrease its costs. To date, identifying the factors which promote or discourage mutualistic outcomes remains a major goal to reconstruct the ecological conditions leading to mutualisms. The aim of this PhD thesis was to identify phenotypic traits that may increase the net benefits of each partner in the interaction between the plant Silene latifolia (Caryophyllaceae) and its pollinator / seed predator, the moth Hadena bicruris (Noctuidae). This study system is particularly well suited because the fitness of both interacting species can be assessed. The female moth lays its egg in the flower it pollinated, and its offspring grows in the fruit, feeding on the seeds of the plant, which allows for the follow-up of both larva and fruit fates. Furthermore, the inherent conflict of interest over the seeds as plant progeny vs. larval resource may stimulate the evolution of traits that reduce overexploitation in both the moth and plant. In a first study, I show that male moths are efficient pollinators, hence increasing seed production without increasing oviposition. The contribution of male moths to pollination might thus improve the net benefits of the interaction for the host plant. Females of the H. bicruris moth lay a single egg per flower, and place it either inside the corolla tube or on the petal. My second study shows that plants are more likely to abort the infested flower or to produce a smaller fruit when the egg was experimentally placed inside the flower compared to plants that received an egg on the petal. Finally, female moths were found to lay their eggs more frequently on the petal when visiting a flower with a deep corolla tube, and larvae hatching from these eggs less likely to successfully attack the fruit. Variation in egg position on the flower may thus be the result of a constraint imposed by floral morphology. Overall, this PhD work suggests that the pollination by male moths, flower abortion, and deep corolla tube may efficiently reduce the costs experienced by S. latifolia in its interaction with H. bicruris. Interestingly, no apparent mechanism of costs reduction was detected for the moth. Further studies should focus on the effects of these traits (i) in the long term fitness of both the plant and the insect and (ii) their interactions with environmental factors (biotic and abiotic) that may affect their efficiency in natural populations.

Cost limitation through constrained oviposition site in a plant-pollinator/seed predator mutualism

Mutualism often involves reciprocal exploitation due to individual selection for increased benefits even at the expense of the partner. Therefore, stability and outcomes of such interactions crucially depend on cost limitation mechanisms. In the plant, pollinator /seed predator interaction between Silene latifolia (Caryophyllaceae) and Hadena bicruris (Lepidoptera: Noctuidae), moths generate pollination benefits as adults but impose seed predation costs as larvae. We examined whether floral morphology limits over-exploitation by constraining oviposition site. Oviposition site varies naturally inside vs. outside the corolla tube, but neither its determinants nor its effect on the interaction have been investigated. In a common garden with plants originating from eight populations, corolla tube length predicted oviposition site, but not egg presence or pollination efficiency, suggesting that long corolla tubes constrain the moth to lay eggs on petals. Egg position was also predicted by the combined effect of corolla tube and moth ovipositor lengths, with shorter ovipositor than corolla tube resulting in higher probability for eggs outside. Egg position on a given plant was repeatable over different exposure nights. When egg position was experimentally manipulated, eggs placed on the petal resulted in significantly fewer successful fruit attacks compared with eggs placed inside the corolla tube, suggesting differences in egg/larval mortality. Egg position also differently affected larval mass, fruit mass and fruit development. Our results indicate that constraining oviposition site through a long corolla tube reduces seed predation costs suffered by the plant without negatively affecting pollination efficiency and, hence may act to limit over-exploitation. However, the net effects of corolla tube depth variation on this interaction may fluctuate with extrinsic factors affecting egg mortality, and with patterns of gene flow affecting trait matching between the interacting species. The intermediate fitness costs incurred by both plant and insect associated with the different egg positions may reduce selective pressures for this interaction to evolve towards antagonism, favouring instead a mutualistic outcome. While a role for oviposition site variation in cost limitation is a novel finding in this system, it may apply more generally also to other mutualisms involving pollinating seed predators.