Selection for monoculture and mixture genotypes in a biodiversity experiment

Studies in experimental grasslands have shown variation in plant individual performance in response to neighbourhood diversity. To which extent these responses are due to phenotypic plasticity or genetic variation is largely unknown. We collected seed families of five herbaceous species (Cirsium oleraceum, Crepis biennis, Plantago lanceolata, Plantago media and Rumex acetosa) in monocultures and 60-species mixtures five years after establishment and replanted or transplanted the offspring into the same monocultures and 60-species mixtures. In all five species the actual environment significantly affected plant survival, growth and performance in terms of shoot biomass and investment into reproduction, indicating stronger competition for light and different levels of herbivory in mixtures as compared with monocultures. Effects of the original environment were smaller and less consistent, but indicated differential selection in monocultures vs. mixtures. The interaction between actual and original environment, corresponding to the “home” vs. “away” comparison, was rarely significant, yet this was providing a first sign of local adaptation. We conclude that, for the investigated plant species, more than five growing seasons in monocultures or mixtures would be needed to better demonstrate the selection of genotypes specifically adapted to monocultures or mixtures. A faster local adaptation may have been prevented by the ability of these species to respond to variation in neighbourhood diversity to a large degree via phenotypic plasticity and other factors.

ZusammenfassungUntersuchungen in experimentellen Graslandbeständen haben gezeigt, dass die Wuchsleistung von Pflanzenindividuen in Abhängigkeit von der Diversität benachbarter Pflanzen variiert. Ob diese Reaktion auf phänotypische Plastizität oder genetische Variation zurückzuführen ist, ist bisher nicht geklärt. Wir sammelten in Monokulturen und 60-Arten-Mischungen 5 Jahre nach ihrer Etablierung Samenfamilien von fünf krautigen Arten (Cirsium oleraceum, Crepis biennis, Plantago lanceolata, Plantago media und Rumex acetosa) und pflanzten die Nachkommen in einem reziproken Verpflanzungsexperiment in ihre eigenen Monokulturen und die 60-Arten-Mischungen. Bei allen fünf Arten hatte die aktuelle Umwelt großen Einfluss auf die Ausprägung der untersuchten Merkmale, die eine stärkere Konkurrenz um Licht in Mischungen im Vergleich zu Monokulturen und einen unterschiedlichen Herbivorendruck anzeigten. Artabhängig beeinflusste die aktuelle Umwelt das Überleben, die Sprossbiomasse und die Investition in Reproduktion bei den verpflanzten Individuen. Effekte der Herkunft waren geringer und weniger konsistent, so dass die Anzeichen für eine unterschiedliche Selektion und daraus resultierende genetische Variation nur gering waren. Lokale Anpassungen, die zu einer höheren Leistungsfähigkeit der Nachkommen von Samenfamilien führen, die in ihre Herkunftsumwelt zurückverpflanzt wurden im Vergleich zu solchen, die zwischen Monokulturen und Mischungen verpflanzt wurden, waren selten festzustellen, gaben aber erste Hinweise auf eine lokale Adaptation. Aus unserem Experiment folgern wir, dass für die untersuchten Pflanzenarten mehr als 5 Jahre Selektionsdruck durch eine Umwelt mit unterschiedlicher pflanzlicher Diversität notwendig ist, um besser eine Selektion von Genotypen, die speziell an Monokulturen oder Mischungen angepasst sind, nachzuweisen. Dieses Ergebnis kann dadurch bedingt sein, dass die untersuchten Arten in beträchtlichem Maß durch phänotypische Plastizität auf eine Variation der pflanzlichen Diversität in ihrer Nachbarschaft reagieren können.