Rhizoctonia solani as a potato pathogen : Variation of isolates in Finland and host response

Rhizoctonia solani is a soil inhabiting basidiomycetous fungus able to induce a wide range of symptoms in many plant species. This genetically complex species is divided to 13 anastomosis groups (AG), of which AG-3 is specialized to infect potato. However, also a few other AGs are able to infect or live in close contact with potato. On potato, R. solani infection causes two main types of diseases including stem canker observed as a dark brown lesions on developing stems and stolons, and black scurf that develops on new tubers close to the time of harvest. These disease symptoms are collectively called a ‘Rhizoctonia disease complex’. Between the growing seasons R. solani survives in soil and plant debri as sclerotia or as the sclerotia called black scurf on potato tubers which when used as seed offer the main route for dispersal of the fungus to new areas. The reasons for the dominance of AG-3 on potato seem to be attributable to its highly specialization to potato and its ability to infect and form sclerotia efficiently at low temperatures. In this study, a large nationwide survey of R. solani isolates was made in potato crops in Finland. Almost all characterized isolates belonged to AG-3. Additionally, three other AGs (AG-2-1, AG-4 and AG-5) were found associated with symptoms on potato plants but they were weaker pathogens on potato than AG-3 as less prone to form black scurf. According to phylogenetic analysis of the internal transcribed sequences (ITS) of the ribosomal RNA genes the Finnish AG-3 isolates are closely related to each other even though a wide variation of physiological features was observed between them. Detailed analysis of the ITS regions revealed single nucleotide polymorphism in 14 nucleotide positions of ITS-1 and ITS-2. Additionally, compensatory base changes on ITS-2 were detected which suggests that potato-infecting R. solani AG-3 could be considered as a separate species instead of an AG of R. solani. For the first time, molecular defence responses were studied and detected during the early phases of interaction between R. solani AG-3 and potato. Extensive systemic signalling for defence exploiting several known defence pathways was activated as soon as R. solani came into close contact with the base of a sprout. The defence response was strong enough to protect vulnerable sprout tips from new attacks by the pathogen. These results at least partly explain why potato emergence is eventually successful even under heavy infection pressure by R. solani.

Genetic and environmental influences on human responses to odors

Olfaction, the sense of smell, has many important functions in humans. Human responses to odors show substantial individual variation. Olfactory receptor genes have been identified and other genes may also influence olfaction. However, the proportion of phenotypic variation in odor response due to genetic variation remains largely unknown. Little is also known about which genes modify specific responses to odors. This study aimed to elucidate genetic and environmental influences on human responses to odors. Individuals from Finnish families (n=146) and Australian (n=413), British (n=163), Danish (n=336), and Finnish (n=399) twins rated intensity and pleasantness of a set of 12 (families) or 6 (twins) odors and tried to identify the odors. In addition, the participants rated their own sense of smell and annoyance experienced with different environmental odors. The odor stimuli of a commercial smell test (The Brief Smell Identification Test; banana, chocolate, cinnamon, gasoline, lemon, onion, paint thinner, pineapple, rose, smoke, soap, and turpentine) were presented in the family study. Based on the results of the family study and a literature survey, a new set of odor stimuli (androstenone, chocolate, cinnamon, isovaleric acid, lemon, and turpentine) was designed for the twin studies. In the family sample, heritabilities of the traits were estimated and underlying genomic regions were searched using a genome-wide linkage scan. In the pooled twin sample, variation in the measured traits was decomposed into genetic and environmental components using quantitative genetic modeling. In addition, associations between nongenetic factors (e.g., sex, age, and smoking) and olfactory-related traits were explored. Suggestive evidence for a genetic linkage for pleasantness of cinnamon at a locus on chromosome 4q32.3 emerged from the family sample. High heritability for the pleasantness of cinnamon was found in the family but not the twin study. Heritability of perceived intensity of androstenone odor was determined to be ~30% in the twin sample. A strong genetic correlation between perceived intensity and pleasantness of androstenone, in the absence of any environmental correlation, indicated that only the genetic correlation explained the phenotypic correlation between the traits (r=-0.27) and that the traits were influenced by an overlapping set of genes. Self-rated olfactory function appeared to reflect the odor annoyance experienced rather than actual olfactory acuity or genetic involvement. Results from nongenetic analyses supported the speculated superiority of females' olfactory abilities, the age-related diminishing of olfactory acuity, and the influences of experience-dependent factors on odor responses. This was the first study to estimate heritabilities and perform linkage screens for individual odors. A genetic effect was detected for only a few responses to specific odors, suggesting the predominance of environmental effects in odor perceptions.

A matter of taste : genetic and environmental influences on responses to sweetness

Diet is a major player in the maintenance of health and onset of many diseases of public health importance. The food choice is known to be largely influenced by sensory preferences. However, in many cases it is unclear whether these preferences and dietary behaviors are innate or acquired. The aim of this thesis work was to study the extent to which the individual differences in dietary responses, especially in liking for sweet taste, are influenced by genetic factors. Several traits measuring the responses to sweetness and other dietary variables were applied in four studies: in British (TwinsUK) and Finnish (FinnTwin12 and FinnTwin16) twin studies and in a Finnish migraine family study. All the subjects were adults and they participated in chemosensory measurements (taste and smell tests) and filled in food behavior questionnaires. Further, it was studied, whether the correlations among the variables are mediated by genetic or environmental factors and where in the genome the genes influencing the heritable traits are located. A study of young adult Finnish twins (FinnTwin16, n=4388) revealed that around 40% of the food use is attributable to genetic factors and that the common, childhood environment does not affect the food use even shortly after moving from the parents home. Both the family study (n=146) and the twin studies (British twins, n=663) showed that around half of the variation in the liking for sweetness is inherited. The same result was obtained both by the chemosensory measurements (heritability 41-49%) and the questionnaire variables (heritability 31-54%). By contrast, the intensity perception of sweetness or the responses to saltiness were not influenced by genetic factors. Further, a locus influencing the use-frequency of sweet foods was identified on chromosome 16p. A closer examination of the relationships among the variables based on 663 British twins revealed that several genetic and environmental correlations exist among the different measures of liking for sweetness. However, these correlations were not very strong (range 0.06-0.55) implying that the instruments used measure slightly different aspects of the phenomenon. In addition, the assessment of the associations among responses to fatty foods, dieting behaviors, and body mass index in twin populations (TwinsUK n=1027 and FinnTwin12 n=299) showed that the dieting behaviors (cognitive restraint, uncontrolled eating, and emotional eating) mediate the relationship between obesity and diet. In conclusion, the work increased the understanding of the background variables of human eating behavior. Genetic effects were shown to underlie the variation of many dietary traits, such as liking for sweet taste, use of sweet foods, and dieting behaviors. However, the responses to salty taste were shown to be mainly determined by environmental factors and thus should more easily be modifiable by dietary education, exposure, and learning than sweet taste preferences. Although additional studies are needed to characterize the genetic element located on chromosome 16 that influences the use-frequency of sweet foods, the results underline the importance of inherited factors on human eating behavior.

Responses of soil microbial communities to clonal variation of Norway spruce

In boreal forests, microorganisms have a pivotal role in nutrient and water supply of trees as well as in litter decomposition and nutrient cycling. This reinforces the link between above-ground and below-ground communities in the context of sustainable productivity of forest ecosystems. In northern boreal forests, the diversity of microbes associated with the trees is high compared to the number of distinct tree species. In this thesis, the aim was to study whether conspecific tree individuals harbour different soil microbes and whether the growth of the trees and the community structure of the associated microbes are connected. The study was performed in a clonal field trial of Norway spruce, which was established in a randomized block design in a clear-cut area. Since out-planting in 1994, the spruce clones showed two-fold growth differences. The fast-growing spruce clones were associated with a more diverse community of ectomycorrhizal fungi than the slow-growing spruce clones. These growth performance groups also differed with respect to other aspects of the associated soil microorganisms: the species composition of ectomycorrhizal fungi, in the amount of extraradical fungal mycelium, in the structure of bacterial community associated with the mycelium, and in the structure of microbial community in the organic layer. The communities of fungi colonizing needle litter of the spruce clones in the field did not differ and the loss of litter mass after two-years decomposition was equal. In vitro, needles of the slow-growing spruce clones were colonized by a more diverse community of endophytic fungi that were shown to be significant needle decomposers. This study showed a relationship between the growth of Norway spruce clones and the community structure of the associated soil microbes. Spatial heterogeneity in soil microbial community was connected with intraspecific variation of trees. The latter may therefore influence soil biodiversity in monospecific forests.

Microbial life and deposits in paper machine circuits

Väitöskirjani käsittele mikrobien ja erilaisten kemikaalien rooleja saostumien ja biofilmien muodostumisessa paperi- ja kartonkikoneilla. "Saostuma" tässä työssä tarkoittaa kiinteän aineen kertymää konepinnoille tai rajapinnoille konekierroissa, jotka on tarkoitettu massasulppujen, lietteiden, vesien tai ilman kuljetukseen. Saostumasta tulee "biofilmi" silloin kun sen oleellinen rakennekomponentti on mikrobisolut tai niiden tuotteet. Väitöstyöni työhypoteesina oli, että i. tietämys saostumien koostumuksesta, sekä ii. niiden rakenteesta, biologisista, fysikaalis-kemiallisista ja teknisistä ominaisuuksista ohjaavat tutkijaa löytämään ympäristöä säästäviä keinoja estää epätoivottujen saostumien muodostus tai purkaa jo muodostuneita saostumia. Selvittääkseni saostumien koostumista ja rakennetta käytin monia erilaisia analytiikan työkaluja, kuten elektronimikroskopiaa, konfokaali-laser mikroskopiaa (CLSM), energiadispersiivistä röntgenanalyysiä (EDX), pyrolyysi kaasukromatografiaa yhdistettynä massaspektrometriaan (Py-GCMS), joninvaihtokromatografiaa, kaasukromatografiaa ja mikrobiologisia analyysejä. Osallistuin aktiivisesti innovatiivisen, valon takaisinsirontaan perustuvan sensorin kehittämistyöhön, käytettäväksi biofilmin kasvun mittaukseen suoraan koneen vesikierroista ja säiliöistä. Työni osoitti, että monet paperinvalmistuksessa käytetyistä kemikaaleista reagoivat keskenään tuottaen orgaanisia tahmakerroksia konekiertojen teräspinnoille. Löysin myös kerrostumia, jotka valomikroskooppisessa tarkastelussa oli tulkittu mikrobeiksi, mutta jotka elektronimikroskopia paljasti alunasta syntyneiksi, alumiinihydroksidiksi joka saostui pH:ssa 6,8 kiertokuitua käyttävän koneen viiravesistä. Monet paperintekijät käyttävät vieläkin alunaa kiinnitysaineena vaikka prosessiolot ovat muuttuneet happamista neutraaleiksi. Sitä pidetään paperitekijän "aspiriinina", mutta väitöstutkimukseni osoitti sen riskit. Löysin myös orgaanisia saostumia, joiden alkuperä oli aineiden, kuten pihkan, saippuoituminen (kalsium saippuat) niin että muodostui tahmankasvua ylläpitävä alusta monilla paperi- ja kartonkikoneilla. Näin solumuodoiltaan Deinococcus geothermalista muistuttavia bakteereita kasvamassa lujasti teräskoepalojen pintaan kiinnittyneinä pesäkkeinä, kun koepaloja upotettiin paperikoneiden vesikiertoihin. Nämä deinokokkimaiset pesäkkeet voivat toimia jalustana, tarttumisalustana muiden mikrobien massoille, joka selittäisi miksi saostumat yleisesti sisältävät deinokokkeja pienenä, muttei koskaan pääasiallisena rakenneosana. Kun paperikoneiden käyttämien vesien (raakavedet, lämminvesi, biologisesti puhdistettu jätevesi) laatua tutkitaan, mittausmenetelmällä on suuri merkitys. Koepalan upotusmenetelmällä todettu biofilmikasvu ja viljelmenetelmällä mitattu bakteerisaastuneisuus korreloivat toisiinsa huonosti etenkin silloin kun likaantumisessa oli mukana rihmamaiseti kasvavia bakteereja. Huoli ympäristöstä on pakottanut paperi- ja kartonkikoneiden vesikiertojen sulkemiseen. Vesien kierrätys ja prosessivesien uudelleenkäyttö nostavat prosessilämpötilaa ja lisäävät koneella kiertävien kolloidisten ja liuenneiden aineiden määriä. Tutkin kiertovesien pitoisuuksia kolmessa eriasteisesti suljetussa tehtaassa, joiden päästöt olivat 0 m3, 0,5 m3 ja 4 m3 jätevettä tuotetonnia kohden, perustuen puhdistetun jäteveden uudelleen käyttöön. Nollapäästöisellä tehtaalla kiertovesiin kertyi paljon orgaanisesti sidottua hiiltä (> 10 g L-1), etenkin haihtuvina happoina (maito-, etikka-, propioni- ja voi-). Myös sulfaatteja, klorideja, natriumia ja kalsiumia kertyi paljon, > 1 g L-1 kutakin. Pääosa (>40%) kaikista bakteereista oli 16S rRNA geenisekvenssianalyysien tulosten perusteella sukua, joskin etäistä (< 96%) ainoastaan Enterococcus cecorum bakteerille. 4 m3 päästävältä tehtaalta löytyi lisäksi Bacillus thermoamylovorans ja Bacillus coagulans. Tehtaiden saostumat sisälsivät arkkeja suurina pitoisuuksina, ≥ 108 g-1, mutta tunnistukseen riittävää sekvenssisamanlaisuutta löytyi vain yhteen arkkisukuun, Methanothrix. Tutkimustulokset osoittivat että tehtaan vesikiertojen sulkeminen vähensi rajusti mikrobiston monimuotoisuutta, muttei estänyt liuenneen aineen ja kiintoaineen mineralisoitumista.

Poverty and the Environment : Investment Poverty and the Role of Assets in Generating Welfare for Farmer Households in the Province of Herrera, Panama

Köyhiä maanviljelijöitä on usein syytetty kehitysmaiden ympäristöongelmista. On väitetty, että eloonjäämistaistelu pakottaa heidät käyttämään maata ja muita luonnonvaroja lyhytnäköisesti. Harva asiaa koskeva tutkimus on kuitenkaan tukenut tätä väitettä; perheiden köyhyyden astetta ja heidän aiheuttamaansa ympäristövaikutusta ei ole kyetty kytkemään toisiinsa. Selkeyttääkseen köyhyys-ympäristö –keskustelua, Thomas Reardon ja Steven Vosti kehittivät investointiköyhyyden käsitteen. Se tunnistaa sen kenties suuren joukon maanviljelijäperheitä, jotka eivät ole köyhiä perinteisten köyhyysmittareiden mukaan, mutta joiden hyvinvointi ei ole riittävästi köyhyysrajojen yläpuolella salliakseen perheen investoida kestävämpään maankäyttöön. Reardon ja Vosti korostivat myös omaisuuden vaikutusta perheiden hyvinvointiin, ja uskoivat sen vaikuttavan tuotanto- ja investointipäätöksiin. Tässä tutkimuksessa pyritään vastaamaan kahteen kysymykseen: Miten investointiköyhyyttä voidaan ymmärtää ja mitata? Ja, mikä on viljelijäperheiden omaisuuden hyvinvointia lisäävä vaikutus? Tätä tutkimusta varten haastateltiin 402 maanviljelijäperhettä Väli-Amerikassa, Panaman tasavallan Herreran läänissä. Näiden perheiden hyvinvointia mitattiin heidän kulutuksensa mukaan, ja paikalliset köyhyysrajat laskettiin paikallisen ruoan hinnan mukaan. Herrerassa ihminen tarvitsee keskimäärin 494 dollaria vuodessa saadakseen riittävän ravinnon, tai 876 dollaria vuodessa voidakseen ravinnon lisäksi kattaa muitakin välttämättömiä menoja. Ruoka- eli äärimmäisen köyhyyden rajan alle jäi 15,4% tutkituista perheistä, ja 33,6% oli jokseenkin köyhiä, eli saavutti kyllä riittävän ravitsemuksen, muttei kyennyt kustantamaan muita perustarpeitaan. Molempien köyhyysrajojen yläpuolelle ylsi siis 51% tutkituista perheistä. Näiden köyhyysryhmien välillä on merkittäviä eroavaisuuksia ei vain perheiden varallisuuden, tulojen ja investointistrategioiden välillä, mutta myös perheiden rakenteessa, elinympäristössä ja mahdollisuuksissa saada palveluja. Investointiköyhyyden mittaaminen osoittautui haastavaksi. Herrerassa viljelijät eivät tee investointeja puhtaasti ympäristönsuojeluun, eikä maankäytön kestävyyttä muutenkaan pystytty yhdistämään perheiden hyvinvoinnin tasoon. Siksi investointiköyhyyttä etsittiin sellaisena hyvinvoinnin tasona, jonka alapuolella elävien perheiden parissa tuottavat maanparannusinvestoinnit eivät enää ole suorassa suhteessa hyvinvointiin. Tällaisia investointeja ovat mm. istutetut aidat, lannoitus ja paranneltujen laiduntyyppien viljely. Havaittiin, että jos perheen hyvinvointi putoaa alle 1000 dollarin/henkilö/vuosi, tällaiset tuottavat maanparannusinvestoinnit muuttuvat erittäin harvinaisiksi. Investointiköyhyyden raja on siis noin kaksi kertaa riittävän ravitsemuksen hinta, ja sen ylitti 42,3% tutkituista perheistä. Heille on tyypillistä, että molemmat puolisot käyvät työssä, ovat korkeasti koulutettuja ja yhteisössään aktiivisia, maatila tuottaa paremmin, tilalla kasvatetaan vaativampia kasveja, ja että he ovat kerryttäneet enemmän omaisuutta kuin investointi-köyhyyden rajan alla elävät perheet. Tässä tutkimuksessa kyseenalaistettiin yleinen oletus, että omaisuudesta olisi poikkeuksetta hyötyä viljelijäperheelle. Niinpä omaisuuden vaikutusta perheiden hyvinvointiin tutkittiin selvittämällä, mitä reittejä pitkin perheiden omistama maa, karja, koulutus ja työikäiset perheenjäsenet voisivat lisätä perheen hyvinvointia. Näiden hyvinvointi-mekanismien ajateltiin myös riippuvan monista väliin tulevista tekijöistä. Esimerkiksi koulutus voisi lisätä hyvinvointia, jos sen avulla saataisiin paremmin palkattuja töitä tai perustettaisiin yritys; mutta näihin mekanismeihin saattaa vaikuttaa vaikkapa etäisyys kaupungeista tai se, omistaako perhe ajoneuvon. Köyhimpien perheiden parissa nimenomaan koulutus olikin ainoa tutkittu omaisuuden muoto, joka edisti perheen hyvinvointia, kun taas maasta, karjasta tai työvoimasta ei ollut apua köyhyydestä nousemiseen. Varakkaampien perheiden parissa sen sijaan korkeampaa hyvinvointia tuottivat koulutuksen lisäksi myös maa ja työvoima, joskin monesta väliin tulevasta muuttujasta, kuten tuotantopanoksista riippuen. Ei siis ole automaatiota, jolla omaisuus parantaisi perheiden hyvinvointia. Vaikka rikkailla onkin yleensä enemmän karjaa kuin köyhemmillä, ei tässä aineistossa löydetty yhtään mekanismia, jota kautta karjan määrä tuottaisi korkeampaa hyvinvointia viljelijäperheille. Omaisuuden keräämisen ja hyödyntämisen strategiat myös muuttuvat hyvinvoinnin kasvaessa ja niihin vaikuttavat monet ulkoiset tekijät. Ympäristön ja köyhyyden suhde on siis edelleen epäselvä. Köyhyyden voittaminen vaatii pitkällä tähtäimellä sitä, että viljelijäperheet nousisivat investointiköyhyyden rajan yläpuolelle. Näin heillä olisi varaa alkaa kartuttaa omaisuutta ja investoida kestävämpään maankäyttöön. Tällä hetkellä kuitenkin isolle osalle herreralaisia perheitä tuo raja on kaukana tavoittamattomissa. Miten päästä yli tuhannen dollarin kulutukseen perheenjäsentä kohden, mikäli elintaso ei yllä edes riittävään ravitsemukseen? Ja sittenkin, vaikka hyvinvointi kohenisi, ei ympäristön kannalta parannuksia ole välttämättä odotettavissa, mikäli karjalaumat kasvavat ja eroosioalttiit laitumet leviävät.

Schiff Base Complexes and their Assemblies on Surfaces

Schiff bases and their transition metal complexes are of significant current interest even though they have been prepared for decades. They have been used in various applications such as catalysis, corrosion protection, and molecular sensors. In this study, N-aryl Schiff base ketimine ligands as well as numerous new, differently substituted salen and salophen-type ligands and their cobalt(II), copper(II), iron(II), manganese(II), and nickel(II) complexes were synthesised. New solid state structures of the above compounds and the dioxygen coordination properties of cobalt(II) complexes and catalytic properties of three synthesised binuclear complexes were examined. The prepared complexes were applied in the formation of self-assembled layers on a polycrystalline gold surface and liquid-graphite interface. The effect of metal ion and ligand structure on the as-formed patterns was studied. When studying gold surfaces, a unique thiol-assisted dissolution of elemental gold was observed and a new thin gold foil preparation method was introduced. In the summary, synthesis, structures, and properties of Schiff base ligands and their transition metal complexes are described in detail and the applications of these reviewed. Assemblies of other complexes on a liquid-graphite interface and on a gold surface are also presented, and the surface characterisation methods and surfaces employed are described.