Ecotypic differentiation in photosynthesis and growth of Eriophorum vaginatum along a latitudinal gradient in the Arctic tundra

Ecotypic differentiation reduces climatic niche breadth at the population level relative to a species' spatial distribution. For species that form climatic ecotypes, if future climate exceeds local population tolerance, climate change will precipitate the decline of extant populations range-wide. Here, we examine the variation in physiological and morphological traits of Eriophorum vaginatum L. collected from a 30-year-old reciprocal transplant experiment, in which six populations of E. vaginatum were transplanted along a latitudinal gradient from Eagle Creek to Prudhoe Bay, Alaska. We tested for ecotypic differentiation of photosynthesis, respiration, chlorophyll fluorescence, and biomass per tiller, which is a metric correlated with population growth in E. vaginatum. The light-saturated photosynthetic rate ([A.sub.max]) showed homesite advantage in that tussocks in their homesites had significantly higher values of [A.sub.max] relative to nonlocal populations. This pattern of homesite advantage was also observed for biomass per tiller, but not for fluorescence and respiration. Photosynthetic rate was positively correlated with biomass per tiller and survival, suggesting that adaptations related to photosynthesis may optimize performance of local populations to homesite conditions. Taken together, these findings indicate that a rapidly changing climate may elicit population decline of E. vaginatum, rendering this species at a competitive disadvantage to shrubs and boreal forest species, which are expanding northward as the climate changes. Transition from tussock-sedge tundra to boreal forest and shrubland alters features, such as albedo, soil temperature, and water-table depth, in ways that may accelerate climate change. Key words: climate change, fluorescence, local adaptation, photosynthesis, respiration, tussock tundra. La differenciation ecotypique reduit l'ampleur de la niche climatique au niveau populationnel relativement a la distribution spatiale d'une espece. En ce qui concerne les especes qui forment des ecotypes climatiques, si le climat futur excede la tolerance de la population locale, le changement climatique precipitera le declin des populations qui subsistent sur une large etendue. Les auteurs examinent ici la variation des traits physiologiques et morphologiques d'Eriophorum vaginatum L. recolte dans le cadre d'une experience de transplantation reciproque pendant 30 ans, dans laquelle six populations d'Eriphorum vaginatum ont ete transplantees en fonction d'un gradient latitudinal allant de Eagle Creek a Prudhoe Bay, en Alaska. Les auteurs ont teste la differenciation ecotypique de la photosynthese, de la respiration, la fluorescence de la chlorophylle et la biomasse par talle, une metrique qui est en correlation avec la croissance de la population chez E. vaginatum. Le taux de photosynthese en fonction de la densite du flux de lumiere ([A.sub.max]) revelait un avantage de l'habitat d'origine car les buttes gazonnees a leur lieu d'origine presentaient des valeurs d'[A.sub.max] superieures a celles des populations non locales. Ce patron d'avantage de l'habitat d'origine a aussi ete observe sur le plan de la biomasse par talle, mais non en ce qui concerne la fluorescence et la respiration. Le taux de photosynthese etait positivement correle avec la biomasse par talle et la survie, suggerant que les adaptations reliees a la photosynthese peuvent optimiser la performance des populations locales aux conditions de l'habitat d'origine. Dans leur ensemble, ces donnees indiquent qu'un changement climatique rapide peut induire un declin de la population de E. vaginatum, rendant cette espece competitivement desavantagee par rapport aux arbustes et aux especes forestieres boreales, qui s'etendent vers le nord au fur et a mesure des changements climatiques. La transition de la toundra a buttes de carex vers la foret boreale et les formations arbustives modifie des caracteristiques comme l'albedo, la temperature du sol et la profondeur de l'aquifere, de telle sorte que le changement climatique pourrait s'accelerer. [Traduit par la Redaction] Mots-cles : changements climatiques, fluorescence, adaptation locale, photosynthese, respiration, toundra parsemee de buttes de gazon.
Introduction The formation of ecotypes--locally adapted, genetically distinct populations (Clausen et al. 1941, 1947; Kawecki and Ebert 2004; Turesson 1922)--is common across plant taxa (Linhart and Grant 1996; Savolainen et [...]