Preston, Roxana, University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences, Ecosystems and Environment Research Programme, Doctoral Programme in Wildlife Biology, Helsingin yliopisto, bio- ja ympäristötieteellinen tiedekunta, Luonnonvaraisten eliöiden tutkimuksen tohtoriohjelma, Helsingfors universitet, bio- och miljövetenskapliga fakulteten, Doktorandprogrammet i forskning om vilda organismer, Serrão, Ester, Blomster, Jaanika, Schagerström, Ellen, and Seppä, Perttu
Biodiversity represents the variability within and between ecosystems, species and individuals and is critical for ecosystem functioning. The most basic element of biodiversity is genetic diversity. Genetic diversity is important in defining a species adaptive potential, yet is still a largely neglected aspect of biodiversity. Moreover, traditional taxonomically recognized species often conflict with evolutionary or ecologically relevant units, whilst the ecological significance of intraspecific variants are also often overlooked. Within this thesis, I assess the genetic diversity of two variant forms of the perennial, marine, brown alga Fucus vesiculosus (Fucaceae, Phaeophyceae) and their potential ecological differences within the Baltic Sea. Special focus lies on determining the processes forming and maintaining populations of the free-living form are and how this influences their genetic diversity. This thesis consists of four papers bridging genetics and ecology at varying spatial scales. Papers I & II use molecular techniques to determine the spatial genetic structure over long and short temporal scales. I determine that the Baltic Sea free-living Fucus should continue to be taxonomically classified as F. vesiculosus, yet free-living populations are markedly different from their attached counterparts. In particular, clonality plays a major role in forming and maintaining populations yet is nearly entirely absent from the attached form. This reliance on clonality significantly reduces the genetic diversity of the free-living form, nevertheless the genetic diversity can still be considered relativity high. Papers III & IV examine the potential ecological significance of the free-living form. Paper III describes the heterogeneity of the free-living form’s phenotype in terms of morphological traits. Free-living thalli are polymorphous with phenotypic complexity varying at the population and individual level. Consequently, I conclude that free-living mats of F. vesiculosus form highly complex canopies similar to those of the attached form. Paper IV provides biodiversity estimates for the associated faunal community. The paper confirms the ecological significance of free-living F. vesiculosus as a habitat forming species comparable to the attached form. The four papers included in this thesis highlight the heterogeneous nature of the free-living form of F. vesiculosus. Thus for Baltic Sea F. vesiculosus, it is imperative that management strategies are tailored throughout the varying scales of biodiversity, including that of the intraspecific variation within and between the two forms. Biologinen monimuotoisuus - ekosysteemien, lajien ja yksilöiden sisäinen ja välinen vaihtelu - on ratkaisevan tärkeää ekosysteemien toiminnalle. Biologisen monimuotoisuuden perusta on geneettinen monimuotoisuus, joka on tärkeää lajien sopeutumiselle, mutta silti usein laiminlyödään biologisen monimuotoisuuden tutkimuksessa. Lisäksi perinteiset taksonomisesti tunnustetut lajit ovat usein ristiriidassa evolutiivisesti tai ekologisesti merkityksellisten yksiköiden kanssa, ja myös lajinsisäisten muotojen ekologinen merkitys jätetään usein huomiotta. Tässä väitöskirjassa arvioin monivuotisen mereisen ruskolevän, rakkohaurun (Fucus vesiculosus, Fucaceae, Phaeophyceae), kahden muodon geneettistä monimuotoisuutta ja niiden mahdollisia ekologisia eroja Itämeressä. Erityisesti kiinnitän huomiota vapaasti elävän muodon populaatioita muodostaviin ja ylläpitäviin prosesseihin ja siihen, miten tämä vaikuttaa niiden geneettiseen monimuotoisuuteen. Väitöskirja koostuu neljästä genetiikkaa ja ekologiaa eri maantieteellisissä mittakaavoissa yhdistävästä artikkelista . Tutkimuksissa I ja II käytetään molekyylitekniikoita maantieteellisen geneettisen rakenteen määrittämiseksi pitkällä ja lyhyellä aikavälillä. Tutkimuksissa osoitan, että Itämeren vapaasti elävät populaatiot tulisi edelleen luokitella taksonomisesti rakkohauruksi, mutta vapaasti elävät populaatiot eroavat selvästi kiinnittyneistä populaatioistaan. Erityisesti klonaalisuudella on suuri merkitys populaatioiden muodostumisessa ja ylläpidossa, mutta se puuttuu lähes kokonaan kiinnittyneestä muodosta. Klonaalisuus vähentää merkittävästi vapaasti elävän muodon geneettistä monimuotoisuutta, mutta geneettistä monimuotoisuutta voidaan silti pitää suhteellisen suurena. Artikkeleissa III ja IV tarkastellaan vapaasti elävän muodon ekologista merkitystä. Artikkelissa III kuvataan vapaasti elävän muodon morfologista heterogeenisuutta. Vapaasti elävien sekovarsien rakenne vaihtelee populaatio- ja yksilötasolla, jonka takia rakkohaurun vapaasti elävät kasvustot muodostavat samanlaisia monimuotoisia latvuksia kuin kiinnittyneellä muodolla. Artikkelissa IV arvioidaan rakkohauruun liittyvän eläinyhteisön biologista monimuotoisuutta. Siinä vahvistetaan, että vapaasti elävän rakkohaurun ekologinen merkitys elinympäristöä muodostavana lajina on verrattavissa lajin kiinnittyneeseen muotoon. Tähän tutkielmaan sisältyvissä neljässä artikkelissa korostuu rakkohaurun vapaasti elävän muodon heterogeenisuus. Näin ollen Itämeren rakkohaurun suojelustrategioiden suunnittelussa on ehdottoman tärkeää, että ne räätälöidään ottamaan huomioon biologisen monimuotoisuuden eri mittakaavat, mukaan luettuna muotojen sisäinen ja välinen muuntelu. SAMMANFATTNING Den biologiska mångfalden representerar variationen inom och mellan ekosystem, arter och individer och är avgörande för ekosystemens funktion. Den mest grundläggande beståndsdelen i den biologiska mångfalden är den genetiska mångfalden. Den genetiska mångfalden är viktig för att definiera en arts anpassningspotential, men är fortfarande en i stort sett försummad aspekt av den biologiska mångfalden. Dessutom står traditionella taxonomiskt erkända arter ofta i konflikt med evolutionärt eller ekologiskt relevanta enheter, samtidigt som den ekologiska betydelsen av intraspecifika varianter också ofta förbises. Inom ramen för denna avhandling bedömer jag den genetiska mångfalden hos två varianter av den fleråriga, marina brunalgen Fucus vesiculosus (Fucaceae, Phaeophyceae) och deras potentiella ekologiska skillnader i Östersjön. Särskilt fokus ligger på att fastställa vilka processer som bildar och upprätthåller populationer av den frilevande formen och hur detta påverkar deras genetiska mångfald. Denna avhandling består av fyra artiklar som sammanför genetik och ekologi i olika rumsliga skalor. I artiklarna I och II används molekylära tekniker för att fastställa den rumsliga genetiska strukturen över långa och korta tidsskalor. Jag fastställer att Östersjöns frilevande Fucus fortfarande bör fortsätta att taxonomiskt klassificeras som F. vesiculosus, även om frilevande populationer skiljer sig markant från sina fastsittande motsvarigheter. I synnerhet spelar klonalitet en viktig roll när det gäller att bilda och upprätthålla populationer, men den saknas nästan helt i den fastsittande formen. Detta beroende av klonalitet minskar avsevärt den genetiska mångfalden hos den fritt levande formen, men den genetiska mångfalden kan ändå anses vara relativt hög. I artiklarna III och IV undersöks den potentiella ekologiska betydelsen av den fritt levande formen. I artikel III beskrivs heterogeniteten hos den frilevande formens fenotyp när det gäller morfologiska egenskaper. Frilivande taljor är polymorfa och den fenotypiska komplexiteten varierar på populations- och individnivå. Följaktligen drar jag slutsatsen att fritt levande mattor av F. vesiculosus bildar mycket komplexa trädkronor som liknar dem hos den fastsittande formen. I artikel IV ges uppskattningar av den biologiska mångfalden för det tillhörande faunasamhället. Artikeln bekräftar den ekologiska betydelsen av den frilevande F. vesiculosus som en livsmiljöbildande art som är jämförbar med den fastsittande arten. De fyra artiklarna som ingår i denna avhandling belyser den heterogena karaktären hos den frilevande formen av F. vesiculosus. När det gäller F. vesiculosus i Östersjön är det därför absolut nödvändigt att förvaltningsstrategierna anpassas till de olika skalorna av biologisk mångfald, inklusive den intraspecifika variationen inom och mellan de två formerna.