Effects of seed origin latitude on the timing of height growth cessation and field performance of silver birch

The aim of this thesis was to increase our knowledge about the effects of seed origin on the timing of height growth cessation and field performance of silver birch from different latitudes, with special attention paid to the browsing damage by moose in young birch plantations. The effect of seed origin latitude and sowing time on timing of height growth cessation of first-year seedlings was studied in a greenhouse experiment with seven seed origins (lat. 58º - 67ºN). Variation in critical night length (CNL) for 50 % bud set within two latitudinally distant stands (60º and 67ºN) was studied in three phytotron experiments. Browsing by moose on 5-11 -year-old silver birch saplings from latitudinally different seed origins (53º - 67ºN) was studied in a field experiment in southern Finland. Yield and stem quality of 22-year-old silver birch trees of Baltic, Finnish and Russian origin (54º - 63ºN) and the effect of latitudinal seed transfers were studied in two provenance trials at Tuusula, southern and Viitasaari, central Finland. The timing of height growth cessation depended systematically on latitude of seed origin and sowing date. The more northern the seed origin, the earlier the growth cessation and the shorter the growth period. Later sowing dates delayed growth cessation but also shortened the growth period. The mean CNL of the southern ecotype was longer, 6.3 ± 0.2 h (95 % confidence interval), than that of the northern ecotype, 3.1 ± 0.3 h. Within-ecotype variance of the CNL was higher in the northern ecotype (0.484 h2) than in the southern ecotype (0.150 h2). Browsing by moose decreased with increasing latitude of seed origin and sapling height. Origins transferred from more southern latitudes were more heavily browsed than the more northern native ones. Southern Finnish seed origins produced the highest volume per unit area in central Finland (lat. 63º11'N). Estonian and north Latvian stand seed origins, and the southern Finnish plus tree origins, were the most productive ones in southern Finland (lat. 60º21'N). Latitudinal seed transfer distance had a significant effect on survival, stem volume/ha and proportion of trees with a stem defect. The relationship of both survival and stem volume/ha to the latitudinal seed transfer distance was curvilinear. Volume was increased by transferring seed from ca. 2 degrees of latitude from the south. A longer transfer from the south, and transfer from the north, decreased the yield. The proportion of trees with a stem defect increased linearly in relation to the latitudinal seed transfer distance from the south.

Expression Analysis of Host-Induced Genes and Proteins of Potato Pathogen Pectobacterium atrosepticum

Pectobacterium atrosepticum on Gram-negatiivinen bakteeri, joka aiheuttaa perunan tyvi- ja märkämätää. P. atrosepticum bakteerin optimilämpötila on melko alhainen ja se on yleinen lauhkeilla alueilla. Tyvimätä leviää pääasiassa siemenperunan välityksellä ja siksi se on ongelma erityisesti siemenperunan tuotannossa. P. atrosepticum kannan SCRI1043 genomi on julkaistu ja sitä tutkitaan malliorganismina märkä- ja tyvimädän taudinaiheuttamisen ymmärtämiseksi. Tämä opportunistinen taudinaiheuttaja voi elää isäntäkasvissa kuukausia piilevänä, aiheuttamatta näkyviä oireita. Suotuisissa olosuhteissa bakteerit alkavat jakautua ja tuottaa kasvin kudoksia hajottavia entsyymejä. Mädäntyvä kasvimassa tarjoaa ravinteita bakteerien kasvuun ja mahdollistaa isäntäkasvin asuttamisen. Soluseiniä hajottavien entsyymien merkitys taudinaiheuttamisessa on hyvin tunnettu, mutta oireettomasta jaksosta ja taudin alkuvaiheista tiedätään vain vähän. Bakteerin genomi sisältää monia toksiineja, adhesiineja, hemolysiineja ja muita proteiineja, joilla saattaa olla merkitys taudinaiheuttamisessa. Tässä työssä käytettiin proteomiikkaa ja mikrosiruanalysiä P. atrosepticum bakteerin erittyvien proteiinien ja geeniekspression tutkimiseen. Proteiinit, jotka eritetään ulos bakteerista, toimivat todennäköisesti taudinaiheuttamisessa, koska ne ovat suorassa kontaktissa isäntäkasvin kanssa. Analyysit suoritettiin olosuhteissa, jotka muistuttavat kasvin soluvälitilaa: matala pH, vähän ravinteita ja matala lämpötila. Isäntäkasvin läsnäolon vaikutusta proteiinien tuottoon ja geeniekspressioon tutkittiin lisäämällä perunauutetta kasvatusalustaan. Tutkimuksessa tunnistettiin P. atrosepticum bakteerin monia jo tunnettuja ja mahdollisesti taudinaiheuttamiseen liittyviä proteiineja. Perunauute lisäsi hiljattain tunnistetun, proteiinien eritysreittiä (tyyppi VI sekreetio, T6SS) koodaavien geenien ilmentymistä. Lisäksi bakteerin havaittiin erittävän useita T6SS:n liittyviä proteiineja kasvualustaan, johon oli lisätty perunauutetta. T6SS:n merkitys bakteereille on vielä epäselvä ja sen vaikutuksesta taudinaiheuttamiseen on julkaistu ristiriitaisia tuloksia. Märkä- ja tyvimädän ymmärtäminen molekulaarisella tasolla luo pohjan tautien kontrollointiin tähtäävään soveltavaan tutkimukseen. Tämä tutkimus lisää tietoa kasvi-patogeeni- interaktiosta ja sitä voidaan tulevaisuudessa käyttää hyväksi esimerkiksi diagnostiikassa, resistenttien perunalajikkeiden jalostuksessa tai viljely- ja varastointiolosuhteiden parantamisessa.

Reproduction and population structure in European aspen

The European aspen (Populus tremula) is a keystone species for biodiversity in boreal forests. However, the future of aspen may be threatened, because large aspens have mostly been removed from managed forests, whereas regeneration and the long-term persistence of mature trees are subjects of concern in protected areas. Aspen is a pioneer tree, and it can reproduce both sexually by seed and asexually by root suckers. Through asexual reproduction aspen forms clones, groups of genetically identical trees (ramets). In my thesis, I have studied the structure of aspen populations in terms of number, size, clonal and demographic properties. Additionally, I have investigated the emergence and survival of seedlings as well as the seed quantity and quality in crosses between the European and hybrid aspen. To study the regeneration and population structure, mature aspens were recorded in old-growth and managed forests in eastern Finland based on a large-scale inventory (11 400 ha). In addition, small aspen trees were surveyed on sample plots. Clonal structure was investigated both by morphological characters and by DNA-based markers (microsatellites). Seedling emergence and survival was studied with two sowing experiments. With crosses between European and hybrid aspens we wanted to study whether elevated temperatures due to climate change would benefit the different crosses of European and hybrid aspen unequally and thus affect the gene flow between the two species. The average volumes of mature aspen were 5.3 m3/ha in continuous old-growth, and 0.8 m3/ha in managed forests. Results indicate also that large aspen trees in managed forests are a legacy of the past less intensively managed forest landscapes. Long-term persistence of aspen in protected areas can only be secured by restoration measures creating sufficiently large gaps for regeneration. More emphasis should be given to sparing aspens in thinnings and to retaining of mature aspens in regeneration cutting in managed forests. Aspen was found to be spatially aggregated in the landscape. This could be explained by site type, disturbance history and / or limitations in seed dispersal. Clonal structure does not explain the spatial aggregation, since average size of the clones was only 2.3 ramets, and most clones (70 %) consisted of just one ramet. The small size of the clones suggests that most of them are relatively young. Therefore, sexual reproduction may be more common than has previously been thought. Seedling emergence was most successful in mineral soil especially, when the site had been burned. Only few seedlings occurred on humus. Survival of the seedlings was low, and strongly dependent on moisture, but also on seedbed conditions. The seeds were found to maintain their germinability longer than has earlier been thought to be possible. Interspecific crosses produced more seeds with higher quality than intraspecific crosses. When temperature was elevated, germination of hybrid aspen seeds increased more than seeds from P. tremula x P. tremula crosses. These results suggest that hybrid aspen may have a significant genetic impact on the European aspen, and this effect may become strengthened by climate warming.

Shock acceleration in the solar corona

In this thesis acceleration of energetic particles at collisionless shock waves in space plasmas is studied using numerical simulations, with an emphasis on physical conditions applicable to the solar corona. The thesis consists of four research articles and an introductory part that summarises the main findings reached in the articles and discusses them with respect to theory of diffusive shock acceleration and observations. This thesis gives a brief review of observational properties of solar energetic particles and discusses a few open questions that are currently under active research. For example, in a few large gradual solar energetic particle events the heavy ion abundance ratios and average charge states show characteristics at high energies that are typically associated with flare-accelerated particles, i.e. impulsive events. The role of flare-accelerated particles in these and other gradual events has been discussed a lot in the scientific community, and it has been questioned if and how the observed features can be explained in terms of diffusive shock acceleration at shock waves driven by coronal mass ejections. The most extreme solar energetic particle events are the so-called ground level enhancements where particle receive so high energies that they can penetrate all the way through Earth's atmosphere and increase radiation levels at the surface. It is not known what conditions are required for acceleration into GeV/nuc energies, and the presence of both very fast coronal mass ejections and X-class solar flares makes it difficult to determine what is the role of these two accelerators in ground level enhancements. The theory of diffusive shock acceleration is reviewed and its predictions discussed with respect to the observed particle characteristics. We discuss how shock waves can be modeled and describe in detail the numerical model developed by the author. The main part of this thesis consists of the four scientific articles that are based on results of the numerical shock acceleration model developed by the author. The novel feature of this model is that it can handle complex magnetic geometries which are found, for example, near active regions in the solar corona. We show that, according to our simulations, diffusive shock acceleration can explain the observed variations in abundance ratios and average charge states, provided that suitable seed particles and magnetic geometry are available for the acceleration process in the solar corona. We also derive an injection threshold for diffusive shock acceleration that agrees with our simulation results very well, and which is valid under weakly turbulent conditions. Finally, we show that diffusive shock acceleration can produce GeV/nuc energies under suitable coronal conditions, which include the presence of energetic seed particles, a favourable magnetic geometry, and an enhanced level of ambient turbulence.

Luonnonhoitopellot maatalousympäristön luonnon monimuotoisuuden edistämisessä

Luonnonhoitopellot lisättiin uutena vapaaehtoisena toimenpiteenä maatalouden ympäristötukeen vuonna 2009. Luonnonhoitopeltoihin kuuluvat monivuotiset nurmipellot sekä niitty-, riista- ja maisemakasveilla kylvetyt pellot. Toimenpiteen avulla pyritään suojelemaan ja lisäämään maatalousympäristön luonnon monimuotoisuutta sekä muun muassa vähentämään maatalouden ravinnehuuhtoumia. Vuonna 2010 luonnonhoitopeltoja oli yli seitsemän prosenttia Suomen viljelyalasta. Luonnonhoitopeltojen ympäristövaikutusten arvioiminen ja toimenpiteen kehittäminen on tärkeää, jotta toimenpiteeseen käytettävät varat eivät valu hukkaan. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää, millainen merkitys luonnonhoitopelloilla on maatalousympäristön monimuotoisuuden kannalta; millaiset luonnonhoitopellot ovat monimuotoisuuden kannalta arvokkaimpia; ja kuinka toimenpidettä kannattaa kehittää. Kysymyksiin pyrittiin vastaamaan tutkimalla putkilokasvilajistoa, -lajirikkautta ja kasvillisuuden rakennetta erilaisilla luonnonhoitopelloilla, sekä vertaamalla luonnonhoitopeltojen kasvillisuutta pientareiden ja niittyjen kasvillisuuteen. Maastotyö luonnonhoitopelloilla tehtiin kesällä 2010 Uudenmaan ja Pohjois-Pohjanmaan ELY-keskusalueilla. Lisäksi tutkimuslohkoista kerättiin tietoja viljelijäkyselyn kautta. Niittypellot osoittautuivat tutkimuksessa lajirikkaimmaksi luonnonhoitopeltotyypiksi, mikä selittynee lähinnä sillä, että ne kylvetään heikosti kilpailukykyisellä siemenseoksella. Nurmi- ja niittypelloilla lohkon viljavuus korreloi negatiivisesti lajirikkauden kanssa. Lajikoostumukseltaan kaikki luonnonhoitopellot eroavat toisistaan sekä maatalousympäristön puoliluonnontilaisista elinympäristöistä, ja lisäävät siten monimuotoisuutta maisematasolla. Luonnonhoitopeltojen lajisto ei ole kuitenkaan suojelun kannalta erityisen arvokasta. Toimenpiteen maatalousympäristöä rikastuttavaa vaikutusta vähentää, että tällä hetkellä valtaosa luonnonhoitopelloista on monivuotisia nurmipeltoja. Luonnonhoitopeltojen siemenseoksia kehittämällä, perustamis- ja hoitomenetelmiä tutkimalla ja neuvontaan panostamalla voidaan lisätä luonnonhoitopeltojen arvoa niin luonnon, viljelijän kuin yhteiskunnankin kannalta.

Mehiläisten (Apis mellifera) kukkavierailut mansikalla (Fragaria x ananassa) ja vadelmalla (Rubus idaeus) sekä kukkavierailuihin vaikuttavat tekijät

Hyönteispölytys lisää monien ristipölytteisten viljelykasvien siemensatoa sekä parantaa sadon laatua. Marjakasveilla, kuten mansikalla ja vadelmalla marjojen koko suurenee sekä niiden laatu paranee onnistuneen pölytyksen seurauksena. Aiempien havaintojen mukaan mansikan kukat eivät pääsääntöisesti houkuttele mehiläisiä, kun taas vadelma on yksi mehiläisten pääsatokasveista. Tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää, miten tehokkaasti mehiläiset vierailevat mansikalla sekä vadelmalla, keskittyen kukkakohtaisiin käynteihin tuntia kohti. Mehiläisiä voidaan käyttää Gliocladium catenulatum-vektoreina torjuttaessa mansikan ja vadelman harmaahometta (Botrytis cinerea). Kukkavierailujen perusteella arvioidaan, onko vektorilevitys riittävän tehokas torjumaan harmaahometta ja miten hyvin mehiläisiä voidaan käyttää pölytyspalveluihin, etenkin mansikalla. Havainnot kerättiin kuudelta eri tilalta Sisä-Savosta kesällä 2007. Kukkavierailuja laskettiin mansikan ja vadelman kukinnan aikana erilaisissa sääolosuhteissa, eri kellonaikoina ja eri etäisyyksillä mehiläispesistä. Kukat valittiin satunnaisesti, ja valintaperusteena oli kukan avonaisuus. Tarkkailuaika riippui mehiläisten lentoaktiivisuudesta. Mansikan koko havaintojakson keskiarvoksi tuli 1,75 käyntiä kukkaa kohti tunnissa. Vadelmalla vastaava luku oli 4,27, joten keskiarvojen perusteella vadelma oli houkuttelevampi kuin mansikka. Kasvukauden vaiheella ei ollut eroja vierailuihin kummallakaan kasvilla, mutta vuorokaudenajan suhteen vierailuja oli enemmän aamupäivällä kuin iltapäivällä. Lämpötila korreloi positiivisesti vierailutiheyden kanssa kummallakin kasvilla. Sääolosuhteet rajoittivat havaintojen keräämistä ja kesä oli erittäin sateinen. Mehiläiset vierailivat kukissa riittävästi haastavissakin sääolosuhteissa niin, että harmaahometorjunta onnistui. Vektorilevitystä suunnitellessa, etenkin mansikalla, tulee ottaa huomioon pesien sijoittelu sekä riittävä lukumäärä. Pesien ravinnontarpeen tulee olla suuri, jotta mehiläiset keräisivät ravintoa kukista mahdollisimman tehokkaasti. Pesiin voidaan lisätä tarvittaessa avosikiöitä tai poistaa siitepölyvarastoja ravinnonkeruuaktiivisuuden lisäämiseksi. Lisätutkimusta tarvitaan pesien sijoittelun, kilpailevien kasvien sekä mansikkalajikkeiden houkuttelevuuden vaikutuksesta vierailutiheyteen. Suomalaisten mansikkalajikkeiden meden sekä siitepölyneritystä olisi myös hyvä selvittää.

Wood procurement in the pressure of change.

Linear optimization model was used to calculate seven wood procurement scenarios for years 1990, 2000 and 2010. Productivity and cost functions for seven cutting, five terrain transport, three long distance transport and various work supervision and scaling methods were calculated from available work study reports. All method's base on Nordic cut to length system. Finland was divided in three parts for description of harvesting conditions. Twenty imaginary wood processing points and their wood procurement areas were created for these areas. The procurement systems, which consist of the harvesting conditions and work productivity functions, were described as a simulation model. In the LP-model the wood procurement system has to fulfil the volume and wood assortment requirements of processing points by minimizing the procurement cost. The model consists of 862 variables and 560 restrictions. Results show that it is economical to increase the mechanical work in harvesting. Cost increment alternatives effect only little on profitability of manual work. The areas of later thinnings and seed tree- and shelter wood cuttings increase on cost of first thinnings. In mechanized work one method, 10-tonne one grip harvester and forwarder, is gaining advantage among other methods. Working hours of forwarder are decreasing opposite to the harvester. There is only little need to increase the number of harvesters and trucks or their drivers from today's level. Quite large fluctuations in level of procurement and cost can be handled by constant number of machines, by alternating the number of season workers and by driving machines in two shifts. It is possible, if some environmental problems of large scale summer time harvesting can be solved.