Genetic diversity of Atlantic salmon (Salmo salar) and European whitefish (Coregonus lavaretus) in the Baltic Sea

We described the patterns and extent of microsatellite DNA variation in historical and present-day Atlantic salmon (Salmo salar L.) stocks in the Baltic Sea and neighbouring areas, and in European whitefish (Coregonus lavaretus) ecotypes, populations and run-timing types in Finland. Moreover, the amount and pattern of genetic diversity in historical salmon populations before human impact were described, and the proportion of diversity maintained in the present hatchery stocks evaluated. Salmon populations in the Baltic Sea were, on average, significantly less variable than eastern Atlantic populations, and the diversity of landlocked populations (Lakes Vänern, Saimaa, Onega and Ladoga) was in turn significantly lower than that of anadromous salmon populations in the Baltic Sea populations. Within the Baltic Sea, the anadromous populations of Atlantic salmon formed three clear groups, corresponding to the northern (Gulf of Bothnia), eastern (Gulf of Finland and eastern Baltic Main Basin) and southern (western Baltic Main Basin) regions. Based on microsatellite data, three salmon population groups in the Baltic Sea were considered potentially different colonization lineages. In short- and long-term breeding programmes of Atlantic salmon, the average observed rate of loss of alleles was 4.9% and 2.0% per generation and the average rate of loss of heterozygosity was 1.4% and 1% per generation, respectively. When comparing the genetic parameters of stocks before and after hatchery breeding of several successive generations (Rivers Iijoki and Oulujoki), statistically significant changes in allele frequencies were common, while large wild stock in the Teno River has remained temporally very stable over 56 years. Despite the observed losses of genetic diversity in broodstock breeding, a large proportion of the genetic resources of the extirpated stocks are still conserved in the broodstocks. Genetic differentiation among European whitefish ecotypes was generally low, thus giving support to the hypothesis of one native European whitefish species in Fennoscandia. Among the ecotypes, the northern, large sparsely rakered, bottom-dwelling whitefish was the most unique. The known genetic differences in quantitative traits have thus either developed independently of potential phylogenetic lineages, or the lineages have mixed and the quantitative traits of the ecotypes, like gill-raker number, have later changed according to environment and selection pressures. Overall, genetic distances between the anadromous whitefish populations along the Finnish coast, especially in the Bothnian Bay area, were small. Wild whitefish populations studied had slightly higher allelic diversity than hatchery-reared populations in corresponding rivers.

Options for selecting dairy cattle for milk coagulation ability

Lypsylehmien maidon juoksettumiskyvyn jalostuskeinot Väitöskirjassa tutkittiin lypsylehmien maidon juustonvalmistuslaadun parantamista jalostusvalinnan avulla. Tutkimusaihe on tärkeä, sillä yhä suurempi osa maidosta käytetään juustonvalmistukseen. Tutkimuksen kohteena oli maidon juoksettumiskyky, sillä se on yksi keskeisistä juustomäärään vaikuttavista tekijöistä. Maidon juoksettumiskyky vaihteli huomattavasti lehmien, sonnien, karjojen, rotujen ja lypsykauden vaiheiden välillä. Vaikka tankkimaidon juoksettumiskyvyssä olikin suuria eroja karjoittain, karja selitti vain pienen osan juoksettumiskyvyn kokonaisvaihtelusta. Todennäköisesti perinnölliset erot lehmien välillä selittävät suurimman osan karjojen tankkimaitojen juoksettumiskyvyssä havaituista eroista. Hyvä hoito ja ruokinta vähensivät kuitenkin jossain määrin huonosti juoksettuvien tankkimaitojen osuutta karjoissa. Holstein-friisiläiset lehmät olivat juoksettumiskyvyltään ayrshire-rotuisia lehmiä parempia. Huono juoksettuminen ja juoksettumattomuus oli vain vähäinen ongelma holstein-friisiläisillä (10 %), kun taas kolmannes ayrshire-lehmistä tuotti huonosti juoksettuvaa tai juoksettumatonta maitoa. Maitoa sanotaan huonosti juoksettuvaksi silloin, kun juustomassa ei ole riittävän kiinteää leikattavaksi puolen tunnin kuluttua juoksetteen lisäyksestä. Juoksettumattomaksi määriteltävä maito ei saostu lainkaan puolen tunnin aikana ja on siksi erittäin huonoa raaka-ainetta juustomeijereille. Noin 40 % lehmien välisistä eroista maidon juoksettumiskyvyssä selittyi perinnöllisillä tekijöillä. Juoksettumiskykyä voikin sanoa hyvin periytyväksi ominaisuudeksi. Kolme mittauskertaa lehmää kohti riittää varsin hyvin lehmän maidon keskimääräisen juoksettumiskyvyn arvioimiseen. Tällä hetkellä juoksettumiskyvyn suoran jalostamisen ongelmana on kuitenkin automatisoidun, laajamittaiseen käyttöön soveltuvan mittalaitteen puute. Tämän takia väitöskirjassa tutkittiin mahdollisuuksia jalostaa maidon juoksettumiskykyä epäsuorasti, jonkin toisen ominaisuuden kautta. Tällaisen ominaisuuden pitää olla kyllin voimakkaasti perinnöllisesti kytkeytynyt juoksettumiskykyyn, jotta jalostus olisi mahdollista sen avulla. Tutkittavat ominaisuudet olivat sonnien kokonaisjalostusarvossa jo mukana olevat maitotuotos ja utareterveyteen liittyvät ominaisuudet sekä kokonaisjalostusarvoon kuulumattomat maidon valkuais- ja kaseiinipitoisuus sekä maidon pH. Väitöskirjassa tutkittiin myös mahdollisuuksia ns. merkkiavusteiseen valintaan tutkimalla maidon juoksettumattomuuden perinnöllisyyttä ja kartoittamalla siihen liittyvät kromosomialueet. Tutkimuksen tulosten perusteella lehmien utareterveyden jalostaminen parantaa jonkin verran myös maidon juoksettumiskykyä sekä vähentää juoksettumattomuutta ayrshire-rotuisilla lehmillä. Lehmien maitotuotos ja maidon juoksettumiskyky sekä juoksettumattomuus ovat sen sijaan perinnöllisesti toisistaan riippumattomia ominaisuuksia. Myöskin maidon valkuais- ja kaseiinipitoisuuden perinnöllinen yhteys juoksettumiskykyyn oli likimain nolla. Maidon pH:n ja juoksettumiskyvyn välillä oli melko voimakas perinnöllinen yhteys, joten maidon pH:n jalostaminen parantaisi myös maidon juoksettumiskykyä. Todennäköisesti sen jalostaminen ei kuitenkaan vähentäisi juoksettumatonta maitoa tuottavien lehmien määrää. Koska maidon juoksettumattomuus on niin yleinen ongelma suomalaisilla ayrshire-lehmillä, väitöksessä selvitettiin tarkemmin ilmiön taustoja. Kaikissa kolmessa tutkimusaineistoissa noin 10 % ayrshire-lehmistä tuotti juoksettumatonta maitoa. Kahden vuoden kuukausittaisen seurannan aikana osa lehmistä tuotti juoksettumatonta maitoa lähes joka mittauskerralla. Maidon juoksettumattomuus oli yhteydessä lypsykauden vaiheeseen, mutta mikään ympäristötekijöistä ei pystynyt täysin selittämään sitä. Sen sijaan viitteet sen periytyvyydestä vahvistuivat tutkimusten edetessä. Lopuksi tutkimusryhmä onnistui kartoittamaan juoksettumattomuutta aiheuttavat kromosomialueet kromosomeihin 2 ja 18, lähelle DNA-merkkejä BMS1126 ja BMS1355. Tulosten perusteella maidon juoksettumattomuus ei ole yhteydessä maidon juoksettumistapahtumassa keskeisiin kaseiinigeeneihin. Sen sijaan on mahdollista, että juoksettumattomuusongelman aiheuttavat kaseiinigeenien syntetisoinnin jälkeisessä muokkauksessa tapahtuvat virheet. Asia vaatii kuitenkin perusteellista tutkimista. Väitöksen tulosten perusteella maidon juoksettumattomuusgeeniä kantavien eläinten karsiminen jalostuseläinten joukosta olisi tehokkain tapa jalostaa maidon juoksettumiskykyä suomalaisessa lypsykarjapopulaatiossa.

Genetic Diversity and Adaptation of Date Palm (Phoenix dactylifera L.)

Acquiring sufficient information on the genetic variation, genetic differentiation, and the ecological and genetic relationships among individuals and populations are essential for establishing guidelines on conservation and utilization of the genetic resources of a species, and more particularly when biotic and abiotic stresses are considered. The aim of this study was to assess the extent and pattern of genetic variation in date palm (Phoenix dacttylifera L) cultivars; the genetic diversity and structure in its populations occurring over geographical ranges; the variation in economically and botanically important traits of it and the variation in its drought adaptive traits, in conservation and utilization context. In this study, the genetic diversity and relationships among selected cultivars from Sudan and Morocco were assessed using microsatellite markers. Microsatellite markers were also used to investigate the genetic diversity within and among populations collected from different geographic locations in Sudan. In a separate investigation, fruits of cultivars selected from Sudan, involved morphological and chemical characterization, and morphological and DNA polymorphism of the mother trees were also investigated. Morphological and photosynthetic adjustments to water stress were studied in the five most important date palm cultivars in Sudan, namely, Gondaila, Barakawi, Bitamoda, Khateeb and Laggai; and the mechanism enhancing photosynthetic gas exchange in date palm under water stress was also investigated. Results showed a significant (p < 0.001, t-test) differentiation between Sudan and Morocco groups of cultivars. However, the major feature of all tested cultivars was the complete lack of clustering and the absence of cultivars representing specific clones. The results indicated high genetic as well as compositional and morphological diversity among cultivars; while, compositional and morphological traits were found to be characteristic features that strongly differentiate cultivars as well as phenotypes. High genetic diversity was observed also in different populations. Slight but significant (p < 0.01, AMOVA) divergence was observed for soft and dry types; however, the genetic divergence among populations was relatively weak. The results showed a complex genetic relationships between some of the tested populations especially when isolation by distance was considered. The results of the study also revealed that date palm cultivars and phenotypes possess specific direct or interaction effects due to water availability on a range of morphological and physiological traits. Soft and dry phenotypes responded differently to different levels of water stress, while the dry phenotype was more sensitive and conservative. The results indicated that date palm has high fixation capacity to photosynthetic CO2 supply with interaction effect to water availability, which can be considered as advantageous when coping with stresses that may arise with climate change. In conclusion, although a large amount of diversity exists among date palm germplasm, the findings in this study show that the role of biological nature of the tree, isolation by distance and environmental effects on structuring date palm genome was highly influenced by human impacts. Identity of date palm cultivars as developed and manipulated by date palm growers, in the absence of scientific breeding programmes, may continue to mainly depend on tree morphology and fruit characters. The pattern of genetic differentiation may cover specific morphological and physiological traits that contribute to adaptive mechanisms in each phenotype. These traits can be considered for further studies related to drought adaptation in date palm.

Genetic diversity and microcystin production by Anabaena in the Gulf of Finland, Baltic Sea

Syanobakteerit (sinilevät) ovat olleet Itämeressä koko nykymuotoisen Itämeren ajan, sillä paleolimnologiset todisteet niiden olemassaolosta Itämeren alueella ovat noin 7000 vuoden takaa. Syanobakteerien massaesiintymät eli kukinnat ovat kuitenkin sekä levinneet laajemmille alueille että tulleet voimakkaimmiksi viimeisten vuosikymmenien aikana. Tähän on osasyynä ihmisten aiheuttama kuormitus, joka rehevöittää Itämerta. Suomenlahti, jota tämä tutkimus käsittelee, on kärsinyt tästä rehevöitymiskehityksestä muita Itämeren altaita enemmän. Syanobakteerit muodostavat jokakesäisiä kukintoja Suomenlahdella - niin sen avomerialueilla kuin rannoillakin. Yleisimmät kukintoja muodostavat syanobakteerisuvut ovat Nodularia, Anabaena ja Aphanizomenon. Kukinnat aiheuttavat paitsi esteettistä haittaa myös terveydellisen riskitekijän. Niiden myrkyllisyys liitetään usein Nodularia-suvun tuottamaan nodulariini-maksamyrkkyyn. Itämeren Aphanizomenon-suvun on todettu olevan myrkytön. Vaikka Itämeren kukintoja aiheuttavista Nodularia- ja Aphanizomenon-syanobakteereista tiedetään varsin paljon, on molekyylimenetelmiin pohjautuva syanobakteeritutkimus ohittanut Itämeren Anabaena-suvun monelta osin. Tämän työn tarkoituksena oli syventää käsitystämme Itämeren Anabaena-syanobakteerista, sen mahdollisesta myrkyllisyydestä, geneettisestä monimuotoisuudesta ja fylogeneettisista sukulaisuussuhteista. Tässä työssä eristettiin 49 planktista Anabaena-kantaa, joista viisi tuottivat mikrokystiinejä. Tämä oli ensimmäinen yksiselitteinen todiste, että Itämeren Anabaena tuottaa maksamyrkyllisiä mikrokystiini-yhdisteitä. Jokainen eristetty myrkyllinen Anabaena-kanta tuotti useita mikrokystiini-variantteja. Lisäksi mikrokystiinejä löydettiin kukintanäytteistä, joissa oli myrkkyä syntetisoivia geenejä sisältäneitä Anabaena-syanobakteereita. Myrkkyjä löydettiin molempina tutkimusvuosina 2003 ja 2004. Myrkkyjen esiintyminen ei siten ollut vain yksittäinen ilmiö. Tässä työssä saimme viitteitä siitä, että maksamyrkyllinen Anabaena-syanobakteeri esiintyisi vähäsuolaisissa vesissä. Tämä riippuvuussuhde jää kuitenkin tulevien tutkimuksien selvitettäväksi. Tässä työssä havaittiin mikrokystiinisyntetaasi-geenien inaktivoituminen Itämeren Anabaena-kannassa ja kukintanäytteissä. Kuvasimme Anabaena-kannan mikrokystiinisyntetaasigeenien sisältä insertioita, jotka hyvin todennäköisesti inaktivoivat myrkyntuoton. Insertion sisältäneeltä kannalta löysimme kuitenkin kaikki mikrokystiinisyntetaasigeenit osoittaen, että geenien olemassaolo ei välttämättä varmista kannan mikrokystiinintuottoa. Mielenkiintoista oli se, että inaktivaation aiheuttavia insertioita löytyi kukintanäytteistä molemmilta tutkimusvuosilta. Vastaavia insertioita ei kuitenkaan löydetty makean veden Anabaena-kannoista tai järvinäytteistä. On yleistä, että syanobakteerikukinnoista löytyy usean syanobakteerisuvun edustajia. Myrkyllisiä sukuja tai lajeja ei voida kuitenkaan erottaa mikroskooppisesti myrkyttömistä. Käsillä olevassa tutkimuksessa kehitettiin molekyylimenetelmä, jolla on mahdollista määrittää kukinnan mahdollisesti maksamyrkylliset syanobakteerisuvut. Tätä menetelmää sovellettiin Itämeren kukintojen tutkimiseen. Itämeren pintavesistä ja ranta-alueiden pohjasta eristetyt Anabaena-kannat osoittautuivat geneettisesti monimuotoisiksi. Tämä Anabaena-syanobakteerien geneettinen monimuotoisuus vahvistettiin monistamalla geenejä suoraan kukintanäytteistä ilman kantojen eristystä. Makeiden vesien ja Itämeren Anabaena-kannat ovat geneettisesti hyvin samankaltaisia. Geneettisissä vertailuissa kävi kuitenkin ilmi, että pohjassa elävien Anabaena-kantojen geneettinen monimuotoisuus oli suurempaa kuin pintavesistä eristettyjen kantojen. Itämeren Anabaena-kantojen sekvenssit muodostivat omia ryhmiä sukupuun sisällä, jolloin on mahdollista, että nämä edustavat Itämeren omia Anabaena-ekotyyppejä. Tämä tutkimus oli ensimmäinen, jossa uusin molekyylimenetelmin systemaattisesti selvitettiin Itämeren Anabaena-syanobakteerin geneettistä populaatiorakennetta, fylogeniaa ja myrkyntuottoa. Tulevaisuudessa monitorointitutkimuksissa on otettava huomioon myös Itämeren Anabaena-syanobakteerin mahdollinen maksamyrkyntuotto – erityisesti vähäsuolaisemmilla rannikkovesillä.

Behavioural, population, and genetic processes affecting metapopulation dynamics of the Glanville fritillary butterfly

In my thesis I have been studying the effects of population fragmentation and extinction-recolonization dynamics on genetic and evolutionary processes in the Glanville fritillary butterfly (Melitaea cinxia). By conducting crosses within and among newly-colonized populations and using several fitness measures, I found a strong decrease in fitness following colonization by a few related individuals, and a strong negative relationship between parental relatedness and offspring fitness. Thereafter, I was interested in determining the number and relatedness of individuals colonizing new populations, which I did using a set of microsatellites I had previously developed for this species. Additionally, I am interested in the evolution of key life-history traits. By following the lifetime reproductive success of males emerging at different times in a semi-natural setup, I demonstrated that protandry is adaptive in males, and I was able to rule out, for M. cinxia, alternative incidental hypotheses evoked to explain the evolution of protandry in insects. Finally, in work I did together with Prof. Hanna Kokko, I am proposing bet-hedging as a new mechanism that could explain the evolution of polyandry in M. cinxia.

Causes and consequences of variation in nestling immune function

Defence against pathogens is a vital need of all living organisms that has led to the evolution of complex immune mechanisms. However, although immunocompetence the ability to resist pathogens and control infection has in recent decades become a focus for research in evolutionary ecology, the variation in immune function observed in natural populations is relatively little understood. This thesis examines sources of this variation (environmental, genetic and maternal effects) during the nestling stage and its fitness consequences in wild populations of passerines: the blue tit (Cyanistes caeruleus) and the collared flycatcher (Ficedula albicollis). A developing organism may face a dilemma as to whether to allocate limited resources to growth or to immune defences. The optimal level of investment in immunity is shaped inherently by specific requirements of the environment. If the probability of contracting infection is low, maintaining high growth rates even at the expense of immune function may be advantageous for nestlings, as body mass is usually a good predictor of post-fledging survival. In experiments with blue tits and haematophagous hen fleas (Ceratophyllus gallinae) using two methods, methionine supplementation (to manipulate nestlings resource allocation to cellular immune function) and food supplementation (to increase resource availability), I confirmed that there is a trade-off between growth and immunity and that the abundance of ectoparasites is an environmental factor affecting allocation of resources to immune function. A cross-fostering experiment also revealed that environmental heterogeneity in terms of abundance of ectoparasites may contribute to maintaining additive genetic variation in immunity and other traits. Animal model analysis of extensive data collected from the population of collared flycatchers on Gotland (Sweden) allowed examination of the narrow-sense heritability of PHA-response the most commonly used index of cellular immunocompetence in avian studies. PHA-response is not heritable in this population, but is subject to a non-heritable origin (presumably maternal) effect. However, experimental manipulation of yolk androgen levels indicates that the mechanism of the maternal effect in PHA-response is not in ovo deposition of androgens. The relationship between PHA-response and recruitment was studied for over 1300 collared flycatcher nestlings. Multivariate selection analysis shows that it is body mass, not PHA-response, that is under direct selection. PHA-response appears to be related to recruitment because of its positive relationship with body mass. These results imply that either PHA-response fails to capture the immune mechanisms that are relevant for defence against pathogens encountered by fledglings or that the selection pressure from parasites is not as strong as commonly assumed.

The life cycle and genetic structure of the red alga Furcellaria lumbricalis on a salinity gradient

The life cycle and genetic diversity of the red alga Furcellaria lumbricalis (Hudson) Lamouroux were investigated in 15 populations in northern Europe. The occurrence of different life cycle phases and seasonality of reproduction were studied in four brackish populations in the northern Baltic Sea. Furthermore, a new method, based on genome screening with ISSR markers combined with a restriction-ligation method, was developed to discover microsatellite markers for population genetic analyses. The mitochondrial DNA cox2-3 spacer sequence and four microsatellite markers were used to examine the genetic diversity and differentiation of red algal populations in northern Europe. In addition, clonality and small-scale genetic structure of one Irish and four Baltic Sea populations were studied with microsatellite markers. It was discovered that at the low salinities of the northern Baltic Sea, only tetrasporophytes and males were present in the populations of F. lumbricalis and that winter was the main season for tetrasporangial production. Furthermore, the population occurring at the lowest salinity (3.6 practical salinity units, psu) did not produce spores. The size of the tetraspores was smaller in the Baltic Sea populations than that in the Irish population, and there were more deformed spores in the Baltic Sea populations than in the Irish populations. Studies with microsatellite markers indicated that clonality is a common phenomenon in the Baltic Sea populations of F. lumbricalis, although the proportion of clonal individuals varied among populations. Some genetic divergence occurred within locations both in Ireland and in the northern Baltic Sea. Even though no carpogonia were detected in the field samples during the study, the microsatellite data indicated that sexual reproduction occurs at least occasionally in the northern Baltic Sea. The genetic diversity of F. lumbricalis was highest in Brittany, France. Since no variation was discovered in the mtDNA cox2-3 spacer sequence, which is generally regarded as an informative phylogeographic marker in red algae, it can be assumed that the studied populations probably share the same origin.

Human genetic variation in the Baltic Sea region: Features of population history and natural selection

In this thesis, the genetic variation of human populations from the Baltic Sea region was studied in order to elucidate population history as well as evolutionary adaptation in this region. The study provided novel understanding of how the complex population level processes of migration, genetic drift, and natural selection have shaped genetic variation in North European populations. Results from genome-wide, mitochondrial DNA and Y-chromosomal analyses suggested that the genetic background of the populations of the Baltic Sea region lies predominantly in Continental Europe, which is consistent with earlier studies and archaeological evidence. The late settlement of Fennoscandia after the Ice Age and the subsequent small population size have led to pronounced genetic drift, especially in Finland and Karelia but also in Sweden, evident especially in genome-wide and Y-chromosomal analyses. Consequently, these populations show striking genetic differentiation, as opposed to much more homogeneous pattern of variation in Central European populations. Additionally, the eastern side of the Baltic Sea was observed to have experienced eastern influence in the genome-wide data as well as in mitochondrial DNA and Y-chromosomal variation – consistent with linguistic connections. However, Slavic influence in the Baltic Sea populations appears minor on genetic level. While the genetic diversity of the Finnish population overall was low, genome-wide and Y-chromosomal results showed pronounced regional differences. The genetic distance between Western and Eastern Finland was larger than for many geographically distant population pairs, and provinces also showed genetic differences. This is probably mainly due to the late settlement of Eastern Finland and local isolation, although differences in ancestral migration waves may contribute to this, too. In contrast, mitochondrial DNA and Y-chromosomal analyses of the contemporary Swedish population revealed a much less pronounced population structure and a fusion of the traces of ancient admixture, genetic drift, and recent immigration. Genome-wide datasets also provide a resource for studying the adaptive evolution of human populations. This study revealed tens of loci with strong signs of recent positive selection in Northern Europe. These results provide interesting targets for future research on evolutionary adaptation, and may be important for understanding the background of disease-causing variants in human populations.