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.

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.

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.

The contribution of a pollinating seed predator to selection on Silene latifolia females.

Interactions, antagonistic or mutualistic, can exert selection on plant traits. We explored the role of Hadena bicruris, a pollinating seed predator, as a selective agent on its host, the dioecious plant Silene latifolia. We exposed females from artificial-selection lines (many, small flowers (SF) vs. few, large flowers (LF)) to this moth. Infestation did not differ significantly between lines, but the odds of attacked fruits aborting were higher in SF females. We partitioned selection between that caused by moth attack and that resulting from all other factors. In both lines, selection via moth attack for fewer, smaller flowers contrasted with selection via other factors for more flowers. In LF females, selection via the two components was strongest and selection via moth attack also favoured increased fruit abortion. This suggests that the moths act as more of a selective force on flower size and number via their predating than their pollinating role.

Comparative population genetic structure in a plant-pollinator/seed predator system.

Comparative analyses of spatial genetic structure of populations of plants and the insects they interact with provide an indication of how gene flow, natural selection and genetic drift may jointly influence the distribution of genetic variation and potential for local co-adaptation for interacting species. Here, we analysed the spatial scale of genetic structure within and among nine populations of an interacting species pair, the white campion Silene latifolia and the moth Hadena bicruris, along a latitudinal gradient across Northern/Central Europe. This dioecious, short-lived perennial plant inhabits patchy, often disturbed environments. The moth H. bicruris acts both as its pollinator and specialist seed predator that reproduces by laying eggs in S. latifolia flowers. We used nine microsatellite markers for S. latifolia and eight newly developed markers for H. bicruris. We found high levels of inbreeding in most populations of both plant and pollinator/seed predator. Among populations, significant genetic structure was observed for S. latifolia but not for its pollinator/seed predator, suggesting that despite migration among populations of H. bicruris, pollen is not, or only rarely, carried over between populations, thus maintaining genetic structure among plant populations. There was a weak positive correlation between genetic distances of S. latifolia and H. bicruris. These results indicate that while significant structure of S. latifolia populations creates the potential for differentiation at traits relevant for the interaction with the pollinator/seed predator, substantial gene flow in H. bicruris may counteract this process in at least some populations.

Hadena secalis (L.) als Roggenschädling

Von Carl Börner