Adaptive rather than non-adaptive evolution of Mimulus guttatus in its invasive range

Abstract

Adaptive and non-adaptive evolutionary processes are likely to play important roles in biological invasions but their relative importance has hardly ever been quantified. Moreover, although genetic differences between populations in their native versus invasive ranges may simply reflect different positions along a genetic latitudinal cline, this has rarely been controlled for. To study non-adaptive evolutionary processes in invasion of Mimulus guttatus, we used allozyme analyses on offspring of seven native populations from western North America, and three and four invasive populations from Scotland and New Zealand, respectively. To study quantitative genetic differentiation, we grew 2474 plants representing 17 native populations and the seven invasive populations in a common greenhouse environment under temporarily and permanently wet soil conditions. The absence of allozyme differentiation between the invasive and native range indicates that multiple genotypes had been introduced to Scotland and New Zealand, and suggests that founder effects and genetic drift played small, if any, roles in shaping genetic structure of invasive M. guttatus populations. Plants from the invasive and native range did not differ in phenology, floral traits and sexual and vegetative reproduction, and also not in plastic responses to the watering treatments. However, plants from the invasive range produced twice as many flower-bearing upright side branches than the ones from the native populations. Further, with increasing latitude of collection, vegetative reproduction of our experimental plants increased while sexual reproduction decreased. Plants from the invasive and native range shared these latitudinal clines. Because allozymes showed that the relatedness between native and invasive populations did not depend on latitude, this suggests that plants in the invasive regions have adapted to the local latitude. Overall, our study indicates that quantitative genetic variation of M. guttatus in its two invasive regions is shaped by adaptive evolutionary processes rather than by non-adaptive ones. Obwohl sowohl adaptive als auch nichtadaptive evolutionäre Prozesse eine wichtige Rolle für biologische Invasionen spielen können, wurde ihre relative Bedeutung bisher kaum quantifiziert. Zudem wurde bisher kaum dafür kontrolliert, ob genetische Unterschiede zwischen Populationen in fremden und einheimischen Gebieten nicht einfach durch unterschiedliche Positionen entlang eines durch geographische Breite verursachten genetischen Gradienten bedingt sein können. Um nichtadaptive evolutionäre Prozesse bei der Invasion von Mimulus guttatus zu untersuchen, benutzten wir Allozymanalysen von Nachkommen von sieben einheimischen Populationen aus Nordamerika und von drei und vier invasiven Populationen aus Schottland und Neuseeland. Um quantitativgenetische Differenzierung zu untersuchen, zogen wir 2474 Pflanzen aus 17 einheimischen und sieben invasiven Populationen in einem Experimentiergarten unter permanenter oder nur zeitweiser Bewässerung auf. Die fehlende Allozymdifferenzierung zwischen den einheimischen und invasiven Gebieten zeigt an, dass mehrere Genotypen nach Schottland und Neuseeland eingeführt wurden und dass Gründereffekte und genetische Drift wenn überhaupt nur eine kleine Rolle für die genetische Struktur invasiver M. guttatus Populationen spielen. Pflanzen aus den einheimischen und invasiven Gebieten unterschieden sich weder phänologisch noch in sexueller oder vegetativer Reproduktion oder in ihren plastischen Reaktionen auf die Bewässerungsbehandlungen. Allerdings produzierten Pflanzen aus dem invasiven Gebiet doppelt so viele blütentragende aufrechte Seitentriebe. Außerdem nahm mit zunehmendem Breitengrad sowohl für einheimische als auch für invasive Herkunftspopulationen die vegetative Reproduktion der experimentellen Pflanzen zu, während die sexuelle Reproduktion abnahm. Da die Allozyme anzeigten, dass die Verwandtschaft zwischen einheimischen und invasiven Populationen nicht vom Breitengrad abhing, deutet das darauf hin, dass sich die Pflanzen in invasiven Gebieten an den lokalen Breitengrad angepasst haben. Insgesamt zeigt unsere Studie, dass die quantitativgenetische Variation von M. guttatus in seinen beiden invasiven Regionen durch adaptive, und nicht durch nicht-adaptive, evolutionäre Prozesse geprägt ist.