Elevated CO2 will not select for enhanced growth in white spruce despite genotypic variation in response

The effect of elevated atmospheric CO2 on plant growth has been well-documented in the literature. However, few studies have quantified intra-specific genetic variation in growth response, and the potential for natural and artificial selection to act upon this variation. This study examined intra-specific variation in growth response to elevated CO2 in 29 genotypes of white spruce (Picea glauca), a widely distributed and economically important species of the boreal forest region in North America. Trees were exposed to either ambient (370 μL L−1) or twice-ambient CO2 (740 μL L−1). The opportunity for selection (i.e. the relative variation in fitness) was determined at low and high CO2 levels with size as a measure of fitness and heritability of this variation determined. There was considerable variation among the genotypes in size and response to elevated CO2. The increase in mass at elevated CO2 ranged from 23% to 108% depending upon genotype. In spite of this variation, the genetic correlation between the two environments approached unity, as genotype variance was much greater than the genotype×CO2 variance. Elevated CO2 had no effect on heritability of the size-related traits we examined, and either had no effect on opportunity for selection, or decreased it. We conclude that selection at elevated atmospheric CO2 is unlikely to increase mean plant size in white spruce beyond that observed for present day populations grown at elevated CO2, despite the substantial genetic variation in CO2 response displayed by this species.

ZusammenfassungDer Effekt einer Erhöhung des atmosphärischen CO2-Gehaltes auf das Pflanzenwachstum ist in der Literatur gut dokumentiert. Es gibt jedoch wenige Untersuchungen, die eine intraspezifische genetische Variation in der Wachstumsreaktion und die Möglichkeiten einer artifiziellen oder natürlichen Selektion, die auf dieser Variation beruht, quantifizieren. Diese Untersuchung betrachtete die intraspezifische Variation in der Wachstumsreaktion auf erhöhte CO2-Gehalte von 29 Genotypen der Weißfichte (Picea glauca), einer weit verbreiteten und ökonomisch bedeutenden Art der borealen Waldregion in Nordamerika. Die Bäume wurden einer Umgebung mit einfachem (370 ìL L−1) oder doppeltem (740 ìL L−1) CO2 ausgesetzt. Die Möglichkeit einer Selektion (d. h. die relative Fitness) wurde für die niedrigen und hohen CO2-Gehalte bestimmt, indem die Größe als ein Maß für die Fitness und die Erblichkeit dieser Variation bestimmt wurde. Es gab eine beträchtliche Variation zwischen den Genotypen in der Größe und der Reaktion auf erhöhte CO2-Gehalte. Die Massenzunahme bei erhöhten CO2-Gehalten variierte zwischen 23% und 108% in Abhängigkeit vom Genotyp. Trotz dieser Variation näherte sich die genetische Korrelation zwischen den beiden Umwelten der Eins, weil die Genotypenvarianz sehr viel größer als die Varianz Genotyp×CO2 war. Ein erhöhter CO2-Gehalt hatte keinen Effekt auf die Erblichkeit der untersuchten größenbezogenen Eigenschaften, und hatte entweder keinen Effekt auf die Möglichkeit einer Selektion oder verminderte ihn. Wir schließen daraus, dass es unwahrscheinlich ist, dass eine Selektion bei erhöhtem CO2-Gehalt die mittlere Baumgröße der Weißfichte über diejenige der heutigen Populationen, die bei erhöhtem CO2-Gehalt wachsen, erhöht, obwohl es eine deutliche genetische Variation in der Reaktion auf CO2 bei dieser Art gibt.