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.

Plasmids and aromatic degradation in Sphingomonas for bioremediation : Aromatic ring cleavage genes in soil and rhizosphere

Microbial degradation pathways play a key role in the detoxification and the mineralization of polyaromatic hydrocarbons (PAHs), which are widespread pollutants in soil and constituents of petroleum hydrocarbons. In microbiology the aromatic degradation pathways are traditionally studied from single bacterial strains with capacity to degrade certain pollutant. In soil the degradation of aromatics is performed by a diverse community of micro-organisms. The aim of this thesis was to study biodegradation on different levels starting from a versatile aromatic degrader Sphingobium sp. HV3 and its megaplasmid, extending to revelation of diversity of key catabolic enzymes in the environment and finally studying birch rhizoremediation in PAH-polluted soil. To understand biodegradation of aromatics on bacterial species level, the aromatic degradation capacity of Sphingobium sp. HV3 and the role of the plasmid pSKY4, was studied. Toluene, m-xylene, biphenyl, fluorene, phenanthrene were detected as carbon and energy sources of the HV3 strain. Tn5 transposon mutagenesis linked the degradation capacity of toluene, m-xylene, biphenyl and naphthalene to the pSKY4 plasmid and qPCR expression analysis showed that plasmid extradiol dioxygenases genes (bphC and xylE) are inducted by phenanthrene, m-xylene and biphenyl whereas the 2,4-dichlorophenoxyacetic acid herbicide induced the chlorocatechol 1,2-dioxygenase gene (tfdC) from the ortho-pathway. A method to study upper meta-pathway extradiol dioxygenase gene diversity in soil was developed. The extradiol dioxygenases catalyse cleavage of the aromatic ring between a hydroxylated carbon and an adjacent non-hydroxylated carbon (meta-cleavage). A high diversity of extradiol dioxygenases were detected from polluted soils. The detected extradiol dioxygenases showed sequence similarity to known catabolic genes of Alpha-, Beta-, and Gammaproteobacteria. Five groups of extradiol dioxygenases contained sequences with no close homologues in the database, representing novel genes. In rhizoremediation experiment with birch (Betula pendula) treatment specific changes of extradiol dioxygenase communities were shown. PAH pollution changed the bulk soil extradiol dioxygenase community structure and birch rhizosphere contained a more diverse extradiol dioxygenase community than the bulk soil showing a rhizosphere effect. The degradation of pyrene in soil was enhanced with birch seedlings compared to soil without birch. The complete 280,923 kb nucleotide sequence of pSKY4 plasmid was determined. The open reading frames of pSKY4 were divided into putative conjugative transfer, aromatic degradation, replication/maintaining and transposition/integration function-encoding proteins. Aromatic degradation orfs shared high similarity to corresponding genes in pNL1, a plasmid from the deep subsurface strain Novosphingobium aromaticivorans F199. The plasmid backbones were considerably more divergent with lower similarity, which suggests that the aromatic pathway has functioned as a plasmid independent mobile genetic element. The functional diversity of microbial communities in soil is still largely unknown. Several novel clusters of extradiol dioxygenases representing catabolic bacteria, whose function, biodegradation pathways and phylogenetic position is not known were amplified with single primer pair from polluted soils. These extradiol dioxygenase communities were shown to change upon PAH pollution, which indicates that their hosts function in PAH biodegradation in soil. Although the degradation pathways of specific bacterial species are substantially better depicted than pathways in situ, the evolution of degradation pathways for the xenobiotic compounds is largely unknown. The pSKY4 plasmid contains aromatic degradation genes in putative mobile genetic element causing flexibility/instability to the pathway. The localisation of the aromatic biodegradation pathway in mobile genetic elements suggests that gene transfer and rearrangements are a competetive advantage for Sphingomonas bacteria in the environment.

Hila- ja kuviotason laskennan vaikutus kuvion kokonaistilavuuteen, tallennustilaan ja laskentaaikaan teoreettista läpimittajakaumaa ja runkolukusarjaa käyttämällä

Metsäsuunnittelussa tarvittavan metsävaratiedon keräämisessä ollaan Suomessa siirtymässä kuvioittaisesta arvioinnista laserkeilaus- ja ilmakuvapohjaiseen kaukokartoitukseen. Tämän tutkimuksen tarkoitus oli selvittää kuvion kokonaistilavuuden ja läpimittajakauman ennustamisen tarkkuus koealan metsikkö- ja puustotunnuksista MSN-, PRM-, ML- ja FMM-menetelmiä sekä Weibull-jakaumaa hyödyntäen seuraavilla tavoilla: 1. PRM-menetelmällä hilatasolla, 2. PRMmenetelmällä kuviotasolla, 3. ML-menetelmällä hilatasolla ja 4. ML-menetelmällä kuviotasolla. Lisäksi kuvion kokonaistilavuuden ennustamisen tarkkuus selvitettiin hyödyntäen kuviolle tuotettua runkolukusarjaa. Tulokset laskettiin puulajikohtaisesti männylle, kuuselle, koivulle ja muille puulajeille. Puulajien tulokset laskettiin kuviotasolla yhteen. Lisäksi selvitettiin menetelmien laskenta-ajan ja tallennustilan tarve. Tutkimuksen aineistona käytettiin Hämeen ammattikorkeakoulun Evon toimipisteen metsistä mitattuja kiinteäsäteisiä ympyräkoealoja, joita oli 249 kappaletta. Hakkuukoneella mitattiin 12kuvion, joiden pinta-alat vaihtelivat välillä 0,2 – 1,94 hehtaaria, puustotiedot. Aluepohjaisen laserkeilausaineiston pulssin tiheys oli 1,8/m2 ja ilmakuvien pikselikoko 0,5 metriä. Kuvion kokonaistilavuus ennustettiin tai estimoitiin laserkeilaus- ja ilmakuva-aineiston piirteiden avulla koealojen puustotunnuksista. Tulokset laskettiin erikseen kaikille kuvioille ja kuvioille, joiden pinta-ala oli yli 0,5 hehtaaria. Yli 0,5 hehtaarin kuvioita oli 8 kappaletta. Kuvion hilojen naapureina käytettiin 1 - 10 koealaa. Menetelmästä ja naapurien määrästä riippuen kokonaistilavuuden suhteellinen RMSE ja harha vaihtelivat välillä 20,76 – 52,86 prosenttia ja -12,04 – 46,54 prosenttia. Vastaavat luvut yli 0,5 hehtaarin kuvioilla olivat 6,74 – 59,41 prosenttia ja -8,04 – 49,59 prosenttia. Laskenta-aika vaihteli menetelmien ja käytettyjen naapurien määrän mukaan voimakkaasti. Kehittyneemmällä ohjelmoinnilla ja ohjelmistolla laskenta-ajat voivat laskea merkittävästi. Tallennustila ei testatuilla menetelmillä ole rajoittava tekijä laajassakaan mittakaavassa. Läpimittajakauman perusteella PRM-menetelmä ennustaa puulajille erittäin kapean läpimittajakauman, jos koeala koostuu vain muutamasta lähes samankokoisesta puusta. Tämä vaikutti tuloksiin erityisesti menetelmällä PRM2.

Heating values of mature trees.

The effective heating values of the above and below ground biomass components of mature Scots pine (Pinus sylvestris), Norway spruce (Picea abies), downy birch (Betula pubescens), silver birch (Betula pendula), grey alder (Alnus incana), black alder (Alnus glutinosa) and trembling aspen (Populus tremula) were studied. Each sample tree was divided into wood, bark and foliage components. Bomb calorimetry was used to determine the calorimetric heating values. The species is a significant factor in the heating value of individual tree components. The heating value of the wood proper is highest in conifers. Broad-leaved species have a higher heating value of bark than conifers. The species factor diminishes when the weighted heating value of crown, whole stems or stump-root-system are considered. The crown material has a higher heating value per unit weight in comparison with fuelwood from small-sized stems or wholetrees. The additional advantages of coniferous crown material are that it is a non-industrial biomass resource and is readily available. The variability of both the chemical composition and the heating value is small in any given tree component of any species. However, lignin, carbohydrate and extractive content were found to vary from one part of the tree to another and to correlate with the heating value.

Microsite occupancy and spatial structure of regeneration in three late-successional Norway spruce forests in northern Europe

A comparison of microsite occupancy and the spatial structure of regeneration in three areas of late-successional Norway spruce dominated forest. Pallas-Ylläs is understood to have been influenced only by small-scale disturbance; Dvina-Pinega has had sporadic larger-scale disturbances; Kazkim has been affected by fire. All spruce and birch trees with diameter at breast height (DBH) ?10 cm were mapped in five stands on 40 m x 400 m transects, and those with DBH < 10 cm on 2 or 4 m x 400 m subplots. Microsite type was inventoried at 1m intervals along the centre line and for each tree with DBH < 10 cm. At all study areas small seedlings (h < 0.3 m, DBH < 10 cm) preferentially occupied disturbed microsites. In contrast, spruce saplings (h ? 1.3 m, DBH <10 cm) at all study areas showed less, or no, preference. At Pallas-Ylläs spruce seedlings (h < 1.3 m, DBH < 10 cm) and saplings (h ? 1.3 m, DBH < 10 cm) exhibited spatial correlation at scales from 32-52 m. At Dvina-Pinega saplings of both spruce and birch exhibited spatial correlation at scales from 32-81 m. At Kazkim spatial correlation of seedlings and saplings of both species was exhibited over variable distances. No spatial cross-correlation was found between overstorey basal area (DBH ? 10 cm) and regeneration (h ? 1.3 m, DBH < 10 cm) at any study area. The results confirm the importance of disturbed microsites for seedling establishment, but suggest that undisturbed microsites may sometimes be more advantageous for long-term tree survival. The regeneration gap concept may not be useful in describing the regeneration dynamics of late-successional boreal forests.

Rihmamatolääkkeiden vaikutuskohteita. Betuliinin johdannaisia mahdollisiksi uusiksi yhdisteiksi

Jokisokeus eli onkosersiaasi on ihmisen loismatotauti, jota aiheuttaa Onchocerca volvulus -rihmamato. Tautia esiintyy trooppisilla alueilla Afrikassa ja Latinalaisessa Amerikassa. Tartunnan saaneita on noin 37 miljoonaa. Jokisokeus ilmenee iho- ja silmäoireina. Oireet johtuvat loisen nuorimmista muodoista eli mikrofilarioista. Jokisokeutta vastaan on käyty jakamalla lähinnä mikrofilarioihin tehoavaa ivermektiiniä. Tarvetta olisi lääkkeelle, joka tappaisi aikuiset madot tai steriloisi naaraat. Rokote olisi vielä parempi vaihtoehto. Antibiootit on uusi hoitokeino, sillä O. volvuluksella on elintärkeänä symbionttina Wolbachia-bakteeri. Doksisykliini tappaa vähintään 60 prosenttia aikuisista madoista ja steriloi naaraita, mutta kuuri kestää viikkoja. Yksi lupaava yhdiste on emodepsidi, jolla on loismatolääkkeille uusi vaikutusmekanismi. Rihmamatolääkkeiksi on testattu lukuisia yhdisteitä. Jotkut niistä inhiboivat entsyymejä, joilla madot kiertävät ihmisen immuunipuolustusta. Toiset häiritsevät neljä kertaa tapahtuvaa nahanvaihtoa. Hyvä lääkkeiden vaikutuskohde on loiselle välttämätön mutta puuttuu nisäkkäiltä. Betuliini on triterpeeni, jota on runsaasti koivun tuohessa. Betuliini ja monet sen johdannaiset ovat farmakologisesti aktiivisia yhdisteitä, joita tutkitaan etenkin syöpä- ja HIV-lääkkeiksi. Helsingin yliopiston lääkekemian ryhmä on syntetisoinut ja tutkinut lukuisia johdoksia. Jotkin niistä ovat lupaavia esimerkiksi Leishmania-alkueläimiin, Chlamydia pneumoniae -bakteeriin ja alfaviruksiin. Siksi yhdisteitä kannattaisi tutkia muihinkin taudinaiheuttajiin, kuten rihmamatoihin. Sekä Wolbachialla että C. pneumoniaella on sama lipidisynteesireitti, joka on kummallekin elintärkeä. Betuliinista syntetisoitiin johdoksia, joissa betuliinin alkoholeja on hapetettu karbonyyleiksi ja joihin on liitetty typpiheterorengas. Sekä Leishmania donovani että L. braziliensis -tutkimuksissa tehokkain oli formyylibetuliinin heterosykli. Vaikka valmistettuja yhdisteitä ei ole tutkittu rihmamatotesteissä, jatkossa voisi syntetisoida johdannaisia, joissa karbonyylien tilalla on typpirakenteita, koska C. pneumoniaehen hyvin tehonneessa yhdisteessä betuliinin OH-ryhmien tilalla on oksiimi.