Techniques for locating and analyzing subterranean Lycopodium and Diphasiastrum gametophytes in the field

Abstract

Homosporous club mosses have an archaic life cycle, alternating two locationally, nutritionally, and physiologically independent generations. The sexual generation of club mosses—the gametophytes (or prothallia)—are among the least researched botanical subjects. The gametophytes are responsible for not only sexual reproduction, but also the determination of recruitment of the new sporophyte generation, species habitat selection, migration, and evolution. Researchers often fail to find juvenile club moss populations and thus do not discover subterranean long‐lived achlorophyllous gametophytes. To date, the gametophytes of most club moss species remain undiscovered in nature and are not scientifically documented. Almost all researchers who have previously located subterranean club moss gametophytes declared that their first find was due to luck and that subsequently the researcher's intuition plays the most important role; however, intuition and good luck are not scientific methods. In our review, we combine our knowledge with data available in the literature and discuss the following questions using a methodical approach: (1) How can we locate a subterranean club moss gametophyte population? (2) How can we extract the gametophytes? and (3) What new knowledge about club moss population development can be gained by analyzing juvenile club moss populations?

Знахідки Spinulum annotinum (L.) A. Haines на лівобережжі Середнього Дніпра (Україна) та можливості їх збереження й охорони

“…Із попередніх досліджень відомо, що проростання спор Spinulum annotinum триває 10-25 років (Eames 1942), а гаметофіт розвивається під землею 6-15 років і живиться мікотрофно (Raven et al 1986). Також відомо, що розвиток гаметофіту проходить в умовах відкритих ділянок, на давніх зволожених пожарищах, вологих піщаних та кам'янистих місцях, при дорогах, стежках, тобто у зовсім відмінних ценотичних умовах, ніж зростає спорофіт (Radvilė & Naujalis 2022). Тому з високою ймовірністю можна допускати, що популяції вищеперерахованих архегоніат у подібного роду біотопах мають спільну історію онтогенезу в ході серійних змін рослинності і фітоценози із участю популяцій їх спорофітів представляють певні проміжні етапи демутації лісової рослинності (Eames 1942).…”

“…Також важливим є підтримання відповідних умов для тривалого існування спорофітів. Як відомо, навіть значні за площею клони спорофітів можуть сформуватись із поодиноких вцілілих гаметофітів (Wittig et al 2007, Radvilė & Naujalis 2022. Особливу загрозу існуванню популяції спорофітів становить такий лісогосподарський вплив на лісові біотопи, як суцільні рубки та загальна інтенсифікація господарської діяльності (Česonienė et al 2018).…”

The ecology and physiology of fern gametophytes: A methodological synthesis

“…Given that plants need a positive carbon balance for growth and reproduction, differences in the optimal environment for photosynthesis between sporophyte and gametophyte generations may directly impact their respective distributions (Figure 1 ). Therefore, understanding the variation in light requirements and photosynthetic responses to environmental variation across ecologically and phylogenetically diverse species is critical to characterizing the adaptive life history and growth strategies (but see Farrar and Johnson [ 2022 ] and Rimgailė‐Voicik and Naujalis [ 2022 ] for discussion of the special case of subterranean gametophyte ecology). Indeed, research in vascular plant sporophytes, including fern sporophytes, has discovered key traits related to photosynthetic capacity (e.g., the quantum yield of photosynthesis [ Φ ] and photosystem II [ Φ PSII], light compensation point [LCP], maximum rate of carboxylation by RuBisCO [V cmax ], and the maximum rate of electron transport of photosynthesis [J max ]) to be key drivers of species growth strategies (Poorter et al, 1990 ; Wright et al, 2002 ) and correlated with aspects of a species’ ecological niche (Choy‐Sin and Suan, 1974 ; Brach et al, 1993 ; Hietz and Briones, 2001 ; Saldaña et al, 2005 ; Ali et al, 2015 ).…”

Methodologies in gametophyte biology

“…For lycophytes and a subset of fern lineages, the gametophytes are achlorophyllous and subterranean, making them extremely difficult to locate and study. Rimgaile‐Voicik and Naujalis ( 2022 ) review methods previously employed to locate and isolate achlorophyllous gametophytes. They provide a succinct guide for the detection of subterranean gametophytes and best practices for gametophyte extraction, which vary according to the goals of each project.…”