Temporal acuity in developmental dyslexia across the life span : Tactile, auditory, visual, and crossmodal estimations

Taustaa Kehityksellinen dysleksia (lukivaikeus) on erityinen lukemaan oppimisen vaikeus, johon liittyy usein myös vaikeuksia kirjoittamaan oppimisessa. Lukivaikeuden oletetaan useissa tapauksissa johtuvan vaikeudesta käsitellä kielen äännerakenteita (fonologinen prosessointi). Tämä poikkeavuus voi olla joko lukivaikeuden perimmäinen syy tai vaihtoehtoisesti ongelmat äänteiden käsittelyssä voivat heijastaa jotain vielä perustavamman tason vaikeutta. Eräs tällainen ehdotettu perustavan tasoin syy on poikkeavuus aistien toiminnoissa, erityisesti aistien aikatarkkuudessa. Aikatarkkuudella tarkoitetaan kykyä ja rajoja siinä, kuinka nopeasti esitettyä aistitiedon virtaa henkilö kykenee vastaanottamaan ja käsittelemään. Monet arjen toiminnot lukemisen rinnalla edellyttävät aistien erittäin tarkkaa ajallista erottelukykyä (esimerkiksi kuulo puheen ymmärtämisessä, tunto pintamateriaalin tunnistamisessa). Aikatarkkuusvaikeuksien esiintyvyyttä lukivaikeudessa on tutkittu aiemminkin, mutta yksimielisyyteen ei ole päästy siitä, onko kaikilla lukivaikeuksisilla näitä ongelmia tai mihin aisteihin vaikeudet mahdollisesti rajoittuvat. Myöskään ei tiedetä, havaitaanko aikatarkkuuden ongelmia kaiken ikäisillä lukivaikeuksisilla vai vaihteleeko mahdollinen ongelmien kuva iän mukana. Lisäksi on epäselvää, kuinka aikatarkkuuden ongelmat itseasiassa ovat yhteydessä kielen käsittelyn ja varsinaisen lukemisen vaikeuksiin. Tutkimussarjan aihe Tässä tutkimussarjassa aikatarkkuutta tutkittiin kolmessa yksittäisessä aistissa, joita olivat tunto, näkö ja kuulo, sekä kolmessa aistien välisessä yhdistelmässä, joita olivat audiotaktiilinen (kuulo-tunto), visuotaktiilinen (näkö-tunto) ja audiovisuaalinen (näkö-kuulo). Aikatarkkuutta arvioitiin kahdella eri menetelmällä, jotta saataisiin lisää tietoa siitä, missä tietyssä aikatarkkuuden osa-alueessa lukivaikeuksisilla mahdollisesti on vaikeuksia. Ensimmäisessä tehtävässä tutkittavan tuli arvioida, ovatko esitetyt ei-kielelliset ärsykkeet samanaikaisia vai eriaikaisia. Toisessa tehtävässä koehenkilön tuli arvioida esitettyjen ei-kielellisten ärsykkeiden esitysjärjestys. Molemmissa tehtävissä määriteltiin millisekuntitasolla (sekunnin tuhannesosa) se esitysnopeus, jolla koehenkilö kykeni arvioimaan ärsykkeiden ajalliset suhteet oikein. Englanninkielinen demonstraatio aikatarkkuustehtävistä löytyy internetistä (http://www.helsinki.fi/hum/ylpsy/neuropsy). Itse aikatarkkuustehtävien lisäksi tutkimussarjassa arvioitiin tutkimushenkilöiden päättelykykyä, kielellisiä toimintoja ja lukemista. Tutkimushenkilöt Tutkimuksiin osallistui 53 lukivaikeuksista ja 66 sujuvaa lukijaa, jotka oli jaettu kolmeen pääikäryhmään: lapset (8-12 vuotta), nuoret aikuiset (20-36 vuotta) ja ikääntyneemmät aikuiset (20-59 vuotta). Ikääntyneempien aikuisten ryhmä oli edelleen jaettu ikävuosikymmenluokkiin, mikä mahdollisti sen tutkimisen, vaikuttaako lisääntyvä aikuisikä lukivaikeuksisten aikatarkkuuteen (20-29, 30-39, 40-49 ja 50-59 -vuotiaat). Tutkimussarjan tulokset Aikatarkkuuden ongelmat lukivaikeuksisilla olivat yleistyneitä yli iän, aistien ja tehtävien Lukivaikeuksiset kaikissa pääikäryhmissä (lapset, nuoret aikuiset, ikääntyneemmän aikuiset) tarvitsivat samanikäisiä sujuvia lukijoita hitaamman esitystahdin, jotta he kykenivät arvioimaan ei-kielellisten ärsykkeiden ajallisen esitystavan oikein. Tämä aikatarkkuuden ongelma havaittiin lukivaikeuksisilla kaikissa aisteissa (tunto, kuulo, näkö) ja niiden yhdistelmissä (audiotaktiilinen, visuotaktiilinen, audiovisuaalinen). Lukivaikeuksisten aikatarkkuusongelmat ilmenivät edelleen molemmissa tehtävätyypeissä (samanaikaisuuden ja järjestyksen arvioinnissa). Aikatarkkuus ja sen ongelmat olivat yhteydessä äänteiden käsittelyyn Aikatarkkuus oli yhteydessä äänteiden käsittelykykyyn (fonologiseen prosessointiin), niin lapsilla kuin aikuisillakin, kaikissa aisteissa, niiden yhdistelmissä ja tehtävätyypeissä. Yhteys ei-kielellisen aikatarkkuuden ja kielellisten toimintojen välillä oli kuitenkin selkeämpi lukivaikeuksisilla kuin sujuvilla lukijoilla. Tämä tarkoittaa, että etenkin lukivaikeuksisilla ryhmätason huono aikatarkkuus oli yhteydessä huonoon äänteiden käsittelyyn (fonologiseen prosessointiin) ja päinvastoin. Suoraa yhteyttä lukemisen ja aikatarkkuuden välillä ei kuitenkaan havaittu. Lisääntyvä aikuisikä heikensi lukivaikeuksisten aikatarkkuutta suhteettoman paljon Tiedonkäsittelyn nopeuden on toistuvasti osoitettu hidastuvan normaalissa ikääntymisessä. Lisääntyvä aikuisikä (20-59 -vuotiailla) heikensikin sekä sujuvien että lukivaikeuksisten aikatarkkuutta. Toisin sanoen, mitä iäkkäämmästä aikuisesta oli kysymys, sitä hitaammin hänelle tuli esittää ärsykkeet, jotta hän kykeni arvioimaan niiden ajalliset suhteet oikein. Tämä ikään liittyvä tavanomainen hidastuminen oli kuitenkin yllättäen suhteettoman nopeaa lukivaikeuksisilla. Toisin sanoen, jo nuorilla lukivaikeuksisilla havaittu aikatarkkuuden vaikeus (ryhmäero verrattuna sujuviin lukijoihin) ei pysynyt saman suuruisena, vaan ryhmien ero kasvoi aikuisiän lisääntyessä. Tulosten merkitys Lukivaikeuden osoitettiin tässä tutkimussarjassa olevan yhteydessä yleistyneeseen vaikeuteen käsitellä ajassa nopeasti muuttuvaa ei-kielellistä aistitietoa (yli aistien ja niiden yhdistelmien, tehtävätyyppien, tutkittavien iän). Tämä osoittaa, että lukivaikeus ei ole ongelma, joka rajoittuu vain kielellisen materiaalin käsittelyn vaikeuksiin (äänteiden käsittely, lukeminen, kirjoittaminen). Nyt havaitut vaikeudet eivät myöskään rajoittuneet vain niihin aisteihin, jotka selkeimmin liittyvät lukemiseen (näkö) ja puhuttuun kieleen (kuulo); Ongelmia esiintyi myös muissa aisteissa (tunto). Lukivaikeuksisten lukijoiden ryhmätasolla havaittu aikatarkkuuden ongelma ei kuitenkaan heijastunut yksilötasolle; Jokainen lukivaikeuksinen ei ollut huono aikatarkkuustehtävissä. Näin ollen ei siis voida väittää, että kaikkien lukivaikeuksisten äänteiden käsittelyn tai lukemaan oppimisen vaikeudet voisivat selittyä aistien toimintojen poikkeavuudella. Aikatarkkuuden ongelmat eivät olleet yhteydessä varsinaiseen lukemiseen. Sekä lukivaikeuksisilla lapsilla että aikuisilla todettiin kuitenkin selkeä yhteys aikatarkkuuden ongelmien ja lukemaan oppimisen keskeisen ennakkoehdon, fonologisen prosessoinnin, välillä. Saattaa siis olla, että synnynnäinen aistien toimintojen poikkeavuus vaikuttaa yksilön suoriutumiseen jo ennen varsinaista lukemaan oppimista, kun ne taidot kehittyvät (fonologinen prosessointi), joille myöhempi lukemaan oppiminen perustuu. Ikäännyttäessä havaittu lukivaikeuksisten suhteettoman nopea aikatarkkuuden heikkeneminen osoittaa, että lukivaikeus ei voi olla ongelma, joka koskee vain lapsuusikää, tai vaikeus, joka johtuu vain kehityksen viivästymästä joka kurottaisiin iän myötä umpeen. Tulosten ymmärtämiseksi onkin muistettava kaksi seikkaa. Lukivaikeus on ensinnäkin yhdistetty synnynnäisiin, pieniin, poikkeavuuksiin aivojen rakenteissa ja toiminnoissa. Toisaalta tavanomaiseen ikääntymiseen liittyy se, että aivot kykenevät yhä huonommin korjaamaan ja kiertämään (kompensoimaan) pieniä vaurioita. Tämän perusteella tutkimussarjan tuloksista voidaan päätellä, että lukivaikeuksisten jo synnynnäisesti heikentyneet aivojen kompensointimahdollisuudet eivät ole yhtä tehokkaita puskuroimaan ikääntymisen tavanomaisia vaikutuksia kuin sujuvilla lukijoilla. Yllättävää kuitenkin on, että tämä korostunut heikkeneminen havaittiin jo suhteellisen nuorilla, työikäisillä, lukivaikeuksisilla, ennen 60 ikävuotta. Samanlaista ikäännyttäessä korostuvaa vaikeutta ei lukivaikeuksilla kuitenkaan havaittu päättelyssä, kielellisissä toiminnoissa tai itse lukemisessa. Vaikuttaakin siis siltä, että ne toiminnot, joita on harjaannutettu aktiivisesti, eivät heikkene kasvavan aikuisiän myötä yhtä suhteettomasti. Alkuperäiset artikkelit Laasonen M, Tomma-Halme J, Lahti-Nuuttila P, Service E, and Virsu V (2000) Rate of information segregation in developmentally dyslexic children, Brain and Language, 75(1), 66-81. Laasonen M, Service E, and Virsu V (2001) Temporal order and processing acuity of visual, auditory, and tactile perception in developmentally dyslexic young adults, Cognitive, Affective, and Behavioral Neuroscience, 1(4), 394-410. Laasonen M, Service E, and Virsu V (2002) Crossmodal temporal order and processing acuity in developmentally dyslexic young adults, Brain and Language, 80(3), 340-354. Laasonen M, Lahti-Nuuttila P, and Virsu V (2002) Developmentally impaired processing speed decreases more than normally with age, NeuroReport, 13(9), 1111-1113.

Developmental origins of psychological vulnerability factors for mental disorders

Premature birth and associated small body size are known to affect health over the life course. Moreover, compelling evidence suggests that birth size throughout its whole range of variation is inversely associated with risk for cardiovascular disease and type 2 diabetes in subsequent life. To explain these findings, the Developmental Origins of Health and Disease (DOHaD) model has been introduced. Within this framework, restricted physical growth is, to a large extent, considered either a product of harmful environmental influences, such as suboptimal nutrition and alterations in the foetal hormonal milieu, or an adaptive reaction to the environment. Whether inverse associations exist between body size at birth and psychological vulnerability factors for mental disorders is poorly known. Thus, the aim of this thesis was to study in three large prospective cohorts whether prenatal and postnatal physical growth, across the whole range of variation, is associated with subsequent temperament/personality traits and psychological symptoms that are considered vulnerability factors for mental disorders. Weight and length at birth in full term infants showed quadratic associations with the temperamental trait of harm avoidance (Study I). The highest scores were characteristic of the smallest individuals, followed by the heaviest/longest. Linear associations between birth size and psychological outcomes were found such that lower weight and thinness at birth predicted more pronounced trait anxiety in late adulthood (Study II); lower birth weight, placental size, and head circumference at 12 months predicted a more pronounced positive schitzotypal trait in women (Study III); and thinness and smaller head circumference at birth associated with symptoms of attention-deficit hyperactivity disorder (ADHD) in children who were born at term (Study IV). These associations occured across the whole variation in birth size and after adjusting for several confounders. With respect to growth after birth, individuals with high trait anxiety scores in late adulthood were lighter in weight and thinner in infancy, and gained weight more rapidly between 7 and 11 years of age, but weighed less and were shorter in late adulthood in relation to weight and height measured at 11 years of age (Study II). These results suggest that a suboptimal prenatal environment reflected in smaller birth size may affect a variety of psychological vulnerability factors for mental disorders, such as the temperamental trait of harm avoidance, trait anxiety, schizotypal traits, and symptoms of ADHD. The smaller the birth size across the whole range of variation, the more pronounced were these psychological vulnerability factors. Moreover, some of these outcomes, such as trait anxiety, were also predicted by patterns of growth after birth. The findings are concordant with the DOHaD model, and emphasise the importance of prenatal factors in the aetiology of not only mental disorders but also their psychological vulnerability factors.

Developmental, functional brain imaging and electrophysiological evidence of visual and auditory working memory

Intact function of working memory (WM) is essential for children and adults to cope with every day life. Children with deficits in WM mechanisms have learning difficulties that are often accompanied by behavioral problems. The neural processes subserving WM, and brain structures underlying this system, continue to develop during childhood till adolescence and young adulthood. With functional magnetic resonance imaging (fMRI) it is possible to investigate the organization and development of WM. The present thesis aimed to investigate, using behavioral and neuroimaging methods, whether mnemonic processing of spatial and nonspatial visual information is segregated in the developing and mature human brain. A further aim in this research was to investigate the organization and development of audiospatial and visuospatial information processing in WM. The behavioral results showed that spatial and nonspatial visual WM processing is segregated in the adult brain. The fMRI result in children suggested that memory load related processing of spatial and nonspatial visual information engages common cortical networks, whereas selective attention to either type of stimuli recruits partially segregated areas in the frontal, parietal and occipital cortices. Deactivation mechanisms that are important in the performance of WM tasks in adults are already operational in healthy school-aged children. Electrophysiological evidence suggested segregated mnemonic processing of visual and auditory location information. The results of the development of audiospatial and visuospatial WM demonstrate that WM performance improves with age, suggesting functional maturation of underlying cognitive processes and brain areas. The development of the performance of spatial WM tasks follows a different time course in boys and girls indicating a larger degree of immaturity in the male than female WM systems. Furthermore, the differences in mastering auditory and visual WM tasks may indicate that visual WM reaches functional maturity earlier than the corresponding auditory system. Spatial WM deficits may underlie some learning difficulties and behavioral problems related to impulsivity, difficulties in concentration, and hyperactivity. Alternatively, anxiety or depressive symptoms may affect WM function and the ability to concentrate, being thus the primary cause of poor academic achievement in children.

Stand structural dynamics on pristine and managed boreal peatlands

The objectives of this study were to investigate the stand structure and succession dynamics in Scots pine (Pinus sylvestris L.) stands on pristine peatlands and in Scots pine and Norway spruce (Picea abies (L.) Karst.) dominated stands on drained peatlands. Furthermore, my focus was on characterising how the inherent and environmental factors and the intermediate thinnings modify the stand structure and succession. For pristine peatlands, the study was based on inventorial stand data, while for drained peatlands, longitudinal data from repeatedly measured stands were utilised. The studied sites covered the most common peatland site types in Finland. They were classified into two categories according to the ecohydrological properties related to microsite variation and nutrient levels within sites. Tree DBH and age distributions in relation to climate and site type were used to study the stand dynamics on pristine sites. On drained sites, the Weibull function was used to parameterise the DBH distributions and mixed linear models were constructed to characterise the impacts of different ecological factors on stand dynamics. On pristine peatlands, both climate and the ecohydrology of the site proved to be crucial factors determining the stand structure and its dynamics. Irrespective of the vegetation succession, enhanced site productivity and increased stand stocking they significantly affected the stand dynamics also on drained sites. On the most stocked sites on pristine peatlands the inter-tree competition seemed to also be a significant factor modifying stand dynamics. Tree age and size diversity increased with stand age, but levelled out in the long term. After drainage, the stand structural unevenness increased due to the regeneration and/or ingrowth of the trees. This increase was more pronounced on sparsely forested composite sites than on more fully stocked genuine forested sites in Scots pine stands, which further undergo the formation of birch and spruce undergrowth beneath the overstory as succession proceeds. At 20-30 years after drainage the structural heterogeneity started to decrease, indicating increased inter-tree competition, which increased the mortality of suppressed trees within stand. Peatland stands are more dynamic than anticipated and are generally not characterized by a balanced, self-perpetuating structure. On pristine sites, various successional pathways are possible, whereas on drained sites the succession has more uniform trend. Typically, stand succession proceeds without any distinct developmental stages on pristine peatlands, whereas on drained peatlands, at least three distinct stages could be identified. Thinnings had only little impact on the stand succession. The new information on stand dynamics may be utilised, e.g. in forest management planning to facilitate the allocation of the growth resources to the desired crop component by appropriate silvicultural treatments, as well as assist in assessing the effects of the climate change on the forested boreal peatlands.

The Significance of Wild Plants in the Evolutionary Ecology of Three Major Viruses Infecting Cultivated Sweetpotato in Uganda

The studies presented in this thesis contribute to the understanding of evolutionary ecology of three major viruses threatening cultivated sweetpotato (Ipomoea batatas Lam) in East Africa: Sweet potato feathery mottle virus (SPFMV; genus Potyvirus; Potyviridae), Sweet potato chlorotic stunt virus (SPCSV; genus Crinivirus; Closteroviridae) and Sweet potato mild mottle virus (SPMMV; genus Ipomovirus; Potyviridae). The viruses were serologically detected and the positive results confirmed by RT-PCR and sequencing. SPFMV was detected in 24 wild plant species of family Convolvulacea (genera Ipomoea, Lepistemon and Hewittia), of which 19 species were new natural hosts for SPFMV. SPMMV and SPCSV were detected in wild plants belonging to 21 and 12 species (genera Ipomoea, Lepistemon and Hewittia), respectively, all of which were previously unknown to be natural hosts of these viruses. SPFMV was the most abundant virus being detected in 17% of the plants, while SPMMV and SPCSV were detected in 9.8% and 5.4% of the assessed plants, respectively. Wild plants in Uganda were infected with the East African (EA), common (C), and the ordinary (O) strains, or co-infected with the EA and the C strain of SPFMV. The viruses and virus-like diseases were more frequent in the eastern agro-ecological zone than the western and central zones, which contrasted with known incidences of these viruses in sweetpotato crops, except for northern zone where incidences were lowest in wild plants as in sweetpotato. The NIb/CP junction in SPMMV was determined experimentally which facilitated CP-based phylogenetic and evolutionary analyses of SPMMV. Isolates of all the three viruses from wild plants were genetically similar to those found in cultivated sweetpotatoes in East Africa. There was no evidence of host-driven population genetic structures suggesting frequent transmission of these viruses between their wild and cultivated hosts. The p22 RNA silencing suppressor-encoding sequence was absent in a few SPCSV isolates, but regardless of this, SPCSV isolates incited sweet potato virus disease (SPVD) in sweetpotato plants co-infected with SPFMV, indicating that p22 is redundant for synergism between SCSV and SPFMV. Molecular evolutionary analysis revealed that isolates of strain EA of SPFMV that is largely restricted geographically in East Africa experience frequent recombination in comparison to isolates of strain C that is globally distributed. Moreover, non-homologous recombination events between strains EA and C were rare, despite frequent co-infections of these strains in wild plants, suggesting purifying selection against non-homologous recombinants between these strains or that such recombinants are mostly not infectious. Recombination was detected also in the 5 - and 3 -proximal regions of the SPMMV genome providing the first evidence of recombination in genus Ipomovirus, but no recombination events were detected in the characterized genomic regions of SPCSV. Strong purifying selection was implicated on evolution of majority of amino acids of the proteins encoded by the analyzed genomic regions of SPFMV, SPMMV and SPCSV. However, positive selection was predicted on 17 amino acids distributed over the whole the coat protein (CP) in the globally distributed strain C, as compared to only 4 amino acids in the multifunctional CP N-terminus (CP-NT) of strain EA largely restricted geographically to East Africa. A few amino acid sites in the N-terminus of SPMMV P1, the p7 protein and RNA silencing suppressor proteins p22 and RNase3 of SPCSV were also submitted to positive selection. Positively selected amino acids may constitute ligand-binding domains that determine interactions with plant host and/or insect vector factors. The P1 proteinase of SPMMV (genus Ipomovirus) seems to respond to needs of adaptation, which was not observed with the helper component proteinase (HC-Pro) of SPMMV, although the HC-Pro is responsible for many important molecular interactions in genus Potyvirus. Because the centre of origin of cultivated sweetpotato is in the Americas from where the crop was dispersed to other continents in recent history (except for the Australasia and South Pacific region), it would be expected that identical viruses and their strains occur worldwide, presuming virus dispersal with the host. Apparently, this seems not to be the case with SPMMV, the strain EA of SPFMV and the strain EA of SPCSV that are largely geographically confined in East Africa where they are predominant and occur both in natural and agro-ecosystems. The geographical distribution of plant viruses is constrained more by virus-vector relations than by virus-host interactions, which in accordance of the wide range of natural host species and the geographical confinement to East Africa suggest that these viruses existed in East African wild plants before the introduction of sweetpotato. Subsequently, these studies provide compelling evidence that East Africa constitutes a cradle of SPFMV strain EA, SPCSV strain EA, and SPMMV. Therefore, sweet potato virus disease (SPVD) in East Africa may be one of the examples of damaging virus diseases resulting from exchange of viruses between introduced crops and indigenous wild plant species. Keywords: Convolvulaceae, East Africa, epidemiology, evolution, genetic variability, Ipomoea, recombination, SPCSV, SPFMV, SPMMV, selection pressure, sweetpotato, wild plant species Author s Address: Arthur K. Tugume, Department of Agricultural Sciences, Faculty of Agriculture and Forestry, University of Helsinki, Latokartanonkaari 7, P.O Box 27, FIN-00014, Helsinki, Finland. Email: tugume.arthur@helsinki.fi Author s Present Address: Arthur K. Tugume, Department of Botany, Faculty of Science, Makerere University, P.O. Box 7062, Kampala, Uganda. Email: aktugume@botany.mak.ac.ug, tugumeka@yahoo.com

Radiative transfer, interception and scattering in coniferous forests : models and applications for production ecology and remote sensing

This work develops methods to account for shoot structure in models of coniferous canopy radiative transfer. Shoot structure, as it varies along the light gradient inside canopy, affects the efficiency of light interception per unit needle area, foliage biomass, or foliage nitrogen. The clumping of needles in the shoot volume also causes a notable amount of multiple scattering of light within coniferous shoots. The effect of shoot structure on light interception is treated in the context of canopy level photosynthesis and resource use models, and the phenomenon of within-shoot multiple scattering in the context of physical canopy reflectance models for remote sensing purposes. Light interception. A method for estimating the amount of PAR (Photosynthetically Active Radiation) intercepted by a conifer shoot is presented. The method combines modelling of the directional distribution of radiation above canopy, fish-eye photographs taken at shoot locations to measure canopy gap fraction, and geometrical measurements of shoot orientation and structure. Data on light availability, shoot and needle structure and nitrogen content has been collected from canopies of Pacific silver fir (Abies amabilis (Dougl.) Forbes) and Norway spruce (Picea abies (L.) Karst.). Shoot structure acclimated to light gradient inside canopy so that more shaded shoots have better light interception efficiency. Light interception efficiency of shoots varied about two-fold per needle area, about four-fold per needle dry mass, and about five-fold per nitrogen content. Comparison of fertilized and control stands of Norway spruce indicated that light interception efficiency is not greatly affected by fertilization. Light scattering. Structure of coniferous shoots gives rise to multiple scattering of light between the needles of the shoot. Using geometric models of shoots, multiple scattering was studied by photon tracing simulations. Based on simulation results, the dependence of the scattering coefficient of shoot from the scattering coefficient of needles is shown to follow a simple one-parameter model. The single parameter, termed the recollision probability, describes the level of clumping of the needles in the shoot, is wavelength independent, and can be connected to previously used clumping indices. By using the recollision probability to correct for the within-shoot multiple scattering, canopy radiative transfer models which have used leaves as basic elements can use shoots as basic elements, and thus be applied for coniferous forests. Preliminary testing of this approach seems to explain, at least partially, why coniferous forests appear darker than broadleaved forests in satellite data.

Time to rest : Signals in shoot apex developmental transitions underlying dormancy

Vuodenajat rytmittävät monivuotisten kasvien elämää pohjoisella pallonpuoliskolla, jolla varmin merkki lähestyvästä talvikaudesta on asteittain lyhenevä päivänpituus. Kun päivänpituus on lyhentynyt tiettyyn raja-arvoon saakka, kasvu hiipuu ja kasvin kehityksessä tapahtuu suuria muutoksia. Väitöskirjatyössäni tutkittiin mekanismeja, jotka liittyvät pituuskasvun päättymiseen, silmujen lepotilan kehittymiseen ja kärkisilmun muodostumiseen hybridihaavan ja koivuntaimilla lyhyen päivänpituuden seurauksena kasvihuoneolosuhteissa. Vain lepotilaiset silmut selviytyvät luonnossa ankaran talvikauden yli, joten etenkin lepotilan kehittymisen tutkiminen on keskeistä pyrittäessä selvittämään monivuotisille kasveille tyypillisen kasvutavan mekanismeja. Jo pitkään on tiedetty, että täysikasvuiset lehdet vastaanottavat tiedon päivänpituudesta ja lähettävät signaaleja varren johtojänteissä ylöspäin kohti kasvin kärkiosaa. Sen sijaan varren kärjen ja kärkikasvupisteen roolia lepotilan kehittymisessä on selvitetty vain vähän. Kuitenkin juuri kärkikasvupisteen selviytyminen vuodesta toiseen on tärkeää, koska sen jakautumiskykyiset solukot tuottavat kasvin maanpäälliset osat. Tässä työssä tehdyissä varttamiskokeissa osoitettiin, että varren kärki ei ainoastaan vastaanota signaaleja lehdistä ja ajoita toimintaansa niiden mukaan, vaan myös kärjellä itsellään on aktiivinen rooli lepotilan kehittymisessä. Erityisesti kiinnitettiin huomiota kärkikasvupisteen eri alueiden, ns. apikaalimeristeemin ja rib-meristeemin erilaisiin tehtäviin ja pääteltiin, että molemmat vaikuttavat lepotilan kehittymiseen. Kokeissa käytettiin normaalien hybridihaapojen lisäksi siirtogeenisiä hybridihaapoja, jotka eivät lopeta kasvuaan lyhyt päivä –olosuhteissa. Siirtogeeniset hybridihaavat ilmensivät voimakkaasti fytokromi A -nimistä valon vastaanottajamolekyyliä rib-meristeemin alueella, mikä saattoi osaltaan vaikuttaa poikkeavaan pituuskasvukäyttäytymiseen. Myös useiden lepotilan kehittymiseen liittyvien geenien ilmenemisessä havaittiin poikkeavuuksia verrattuna ei-siirtogeenisiin kontrolleihin, joiden silmuissa kehittyi lepotila lyhyt päivä –altistuksen seurauksena. Väitöskirjatyössäni havaittiin, että myös kaasumainen kasvihormoni etyleeni toimii viestinvälittäjänä silmujen lepotilan kehittymisessä ja vaikuttaa etenkin lepotilan oikeaan ajoittumiseen. Etyleenillä huomattiin olevan määräävä rooli päätesilmun muodostumisessa: siirtogeeniset koivut, jotka eivät aisti etyleeniä, eivät muodostaneet päätesilmua. Silti siirtogeeniset koivut vaipuivat lepotilaan, joskin myöhemmin kuin ei-siirtogeeniset kontrollit. Tämän perusteella todettiin, että lepotilan ja päätesilmun kehittyminen ovat erillisiä kehitystapahtumia, vaikka ne saattavatkin ajoittua osaksi päällekkäin.

On the ecology of cold-water phytoplankton in the Baltic Sea

Increased anthropogenic loading of nitrogen (N) and phosphorus (P) has led to an eutrophication problem in the Baltic Sea, and the spring bloom is a key component in the biological uptake of increased nutrient concentrations. The spring bloom in the Baltic Sea is dominated by both diatoms and dinoflagellates. However, the sedimentation of these groups is different: diatoms tend to sink to the sea floor at the end of the bloom, while dinoflagellates to a large degree are been remineralized in the euphotic zone. Understanding phytoplankton competition and species specific ecological strategies is thus of importance for assessing indirect effects of phytoplankton community composition on eutrophication problems. The main objective of this thesis was to describe some basic physiological and ecological characteristics of the main cold-water diatoms and dinoflagellates in the Baltic Sea. This was achieved by specific studies of: (1) seasonal vertical positioning, (2) dinoflagellate life cycle, (3) mixotrophy, (4) primary production, respiration and growth and (5) diatom silicate uptake, using cultures of common cold-water diatoms: Chaetoceros wighamii, C. gracilis, Pauliella taeniata, Thalassiosira baltica, T. levanderi, Melosira arctica, Diatoma tenuis, Nitzschia frigida, and dinoflagellates: Peridiniella catenata, Woloszynskia halophila and Scrippsiella hangoei. The diatoms had higher primary production capacity and lower respiration rate compared with the dinoflagellates. This difference was reflected in the maximum growth rate, which for the examined diatoms range from 0.6 to 1.2 divisions d-1, compared with 0.2 to 0.3 divisions d-1 for the dinoflagellates. Among diatoms there were species specific differences in light utilization and uptake of silicate, and C. wighamii had the highest carbon assimilation capacity and maximum silicate uptake. The physiological properties of diatoms and dinoflagellates were used in a model of the onset of the spring bloom: for the diatoms the model could predict the initiation of the spring bloom; S. hangoei, on the other hand, could not compete successfully and did not obtain positive growth in the model. The other dinoflagellates did not have higher growth rates or carbon assimilation rates and would thus probably not perform better than S. hangoei in the model. The dinoflagellates do, however, have competitive advantages that were not included in the model: motility and mixotrophy. Previous investigations has revealed that the chain-forming P. catenata performs diurnal vertical migration (DVM), and the results presented here suggest that active positioning in the water column, in addition to DVM, is a key element in this species' life strategy. There was indication of mixotrophy in S. hangoei, as it produced and excreted the enzyme leucine aminopeptidase (LAP). Moreover, there was indirect evidence that W. halophila obtains carbon from other sources than photosynthesis when comparing increase in cell numbers with in situ carbon assimilation rates. The results indicate that mixotrophy is a part of the strategy of vernal dinoflagellates in the Baltic Sea. There were also indications that the seeding of the spring bloom is very important for the dinoflagellates to succeed. In mesocosm experiments dinoflagellates could not compete with diatoms when their initial numbers were low. In conclusion, this thesis has provided new information about the basic physiological and ecological properties of the main cold-water phytoplankton in the Baltic Sea. The main phytoplankton groups, diatoms and dinoflagellates, have different physiological properties, which clearly separate their life strategies. The information presented here could serve as further steps towards better prognostic models of the effects of eutrophication in the Baltic Sea.

The ecology of the mountain hare (Lepus timidus L.) in managed boreal forests: habitat associations at different forest scales

Aims of this thesis This study is part of a larger hare project in Finland, which provides answers to basic ecological questions regarding the mountain hare. This study of the ecology of the mountain hare focuses in particular on different levels of managed boreal forest. The feeding habits and intensity of mountain hares in winter are explored, and the connections between mountain hares versus the forest structure are also studied (e.g. habitat use and the importance of different forest layers for hares). The use of the environment by hares at the landscape level was examined (forest patch structures), and the home ranges of mountain hares were studied. Finally, the productivity and survival rate of mountain hare populations were also studied (discussion e.g. predator effects on hare populations). Conclusions Feeding intensity seemed to be highest in the spring-winter, when home ranges were also largest. Favourable food species are covered by snow in winter and the mobility of hares is highest during late winter. A shortage of suitable food species may be problematic for hares, especially during the winter period. In this study mountain hares preferred a dense shrub layer at local level and deciduous and mixed tree forest over coniferous forest at the landscape level. Food and shelter are vital for hares and the preference for particular habitats may also affect the population dynamics of the mountain hare. It would be possible to improve the quality of food and shelter or at least prevent the most negative habitat changes through forest management. At a local level it is also possible to add supplementary food for hares through the winter period. The intensive clearing of young sapling stands and especially the removal of deciduous shrubs and trees reduces the quality of habitats for the mountain hare. Mountain hares primarily live in forest habitat and it is possible that changes in the forest structure play a crucial role in mountain hare habitat preference. Ecological knowledge of the mountain hare is vital to create habitat structure more suitable for the species. More deciduous trees should be saved in managing forests and the mechanical clearing of the shrub layer should be done carefully.