Studying the diurnal and seasonal acclimation of photosystem Ii using chlorophyll-a fluorescence

A small fraction of the energy absorbed in the light reactions of photosynthesis is re-emitted as chlorophyll-a fluorescence. Chlorophyll-a fluorescence and photochemistry compete for excitation energy in photosystem II (PSII). Therefore, changes in the photochemical capacity can be detected through analysis of chlorophyll fluorescence. Chlorophyll fluorescence techniques have been widely used to follow the diurnal (fast), and the seasonal (slow) acclimation in the energy partitioning between photochemical and non-photochemical processes in PSII. Energy partitioning in PSII estimated through chlorophyll fluorescence can be used as a proxy of the plant physiological status, and measured at different spatial and temporal scales. However, a number of technical and theoretical limitations still limit the use of chlorophyll fluorescence data for the study of the acclimation of PSII. The aim of this Thesis was to study the diurnal and seasonal acclimation of PSII in field conditions through the development and testing of new chlorophyll fluorescence-based tools, overcoming these limitations. A new model capable of following the fast acclimation of PSII to rapid fluctuations in light intensity was developed. The model was used to study the rapid acclimation in the electron transport rate under fluctuating light. Additionally, new chlorophyll fluorescence parameters were developed for estimating the seasonal acclimation in the sustained rate constant of thermal energy dissipation and photochemistry. The parameters were used to quantitatively evaluate the effect of light and temperature on the seasonal acclimation of PSII. The results indicated that light environment not only affected the degree but also the kinetics of response of the acclimation to temperature, which was attributed to differences in the structural organization of PSII during seasonal acclimation. Furthermore, zeaxanthin-facilitated thermal dissipation appeared to be the main mechanisms modulating the fraction of absorbed energy being dissipated thermally during winter in field Scots pine. Finally, the integration between diurnal and seasonal acclimation mechanisms was studied using a recently developed instrument MONI-PAM (Walz GmbH, Germany) capable of continuously monitoring the energy partitioning in PSII.

The efficacy and potential risks of controlling sprouting in Finnish birches (Betula spp.) with the fungal decomposer Chondrostereum purpureum

Sprouting of fast-growing broad-leaved trees causes problems in young coniferous stands, under power transmission lines and along roads and railways. Public opinion and the Finnish Forest Certification System oppose the use of chemical herbicides to control sprouting, which means that most areas with problems rely on mechanical cutting. However, cutting is a poor control method for many broad-leaved species because the removal of leaders can stimulate the sprouting of side branches and cut stumps quickly re-sprout. In order to be effective, cutting must be carried out frequently but each cut increases the costs, making this control method increasingly difficult and expensive once begun. As such, alternative methods for sprout control that are both effective and environmentally sound represent a continuing challenge to managers and research biologists. Using biological control agents to prevent sprouting has been given serious consideration recently. Dutch and Canadian researchers have demonstrated the potential of the white-rot fungus Chondrostereum purpureum (Pers. ex Fr.) Pouzar as a control agent of stump sprouting in many hardwoods. These findings have focused the attention of the Finnish forestry community on the utilization of C. purpureum for biocontrol purposes. Primarily, this study sought determines the efficacy of native C. purpureum as an inhibitor of birch stump sprouting in Finland and to clarify its mode of action. Additionally, genotypic variation in Finnish C. purpureum was examined and the environmental risks posed by a biocontrol program using this fungus were assessed. Experimental results of the study demonstrated that C. purpureum clearly affects the sprouting of birch: both the frequency of living stumps and the number of living sprouts per stump were effectively reduced by the treatment. However, the treatment had no effect on the maximum height of new sprouts. There were clear differences among fungal isolates in preventing sprouting and those that possessed high oxidative activities as measured in the laboratory inhibited sprouting most efficiently in the field. The most effective treatment time during the growing season was in early and mid summer (May July). Genetic diversity in Nordic and Baltic populations of C. purpureum was found to be high at the regional scale but locally homogeneous. This natural distribution of diversity means that using local genotypes in biocontrol programs would effectively prevent the introduction of novel genes or genotypes. While a biocontrol program using local strains of C. purpureum would be environmentally neutral, pruned birches that are close to the treatment site would have a high susceptibility to infect by the fungus during the early spring.

Aikakauslehtipapereiden pitkän aikavälin kulutus Yhdysvalloissa

The United States is the world s single biggest market area, where the demand for graphic papers has increased by 80 % during the last three decades. However, during the last two decades there have been very big unpredictable changes in the graphic paper markets. For example, the consumption of newsprint started to decline from the late 1980 s, which was surprising compared to the historical consumption and projections. The consumption has declined since. The aim of this study was to see how magazine paper consumption will develop in the United States until 2030. The long-term consumption projection was made using mainly two methods. The first method was to use trend analysis to see how and if the consumption has changed since 1980. The second method was to use qualitative estimate. These estimates are then compared to the so-called classical model projections, which are usually mentioned and used in forestry literature. The purpose of the qualitative analysis is to study magazine paper end-use purposes and to analyze how and with what intensity the changes in society will effect to magazine paper consumption in the long-term. The framework of this study covers theories such as technology adaptation, electronic substitution, electronic publishing and Porter s threat of substitution. Because this study deals with markets, which have showed signs of structural change, a very substantial part of this study covers recent development and newest possible studies and statistics. The following were among the key findings of this study. Different end-uses have very different kinds of future. Electronic substitution is very likely in some end-use purposes, but not in all. Young people i.e. future consumers have very different manners, habits and technological opportunities than our parents did. These will have substantial effects in magazine paper consumption in the long-term. This study concludes to the fact that the change in magazine paper consumption is more likely to be gradual (evolutionary) than sudden collapse (revolutionary). It is also probable that the years of fast growing consumption of magazine papers are behind. Besides the decelerated growth, the consumption of magazine papers will decline slowly in the long-term. The decline will be faster depending on how far in the future we ll extend the study to.

Potato virus A as a heterologous protein expression tool in plants

Viruksien käyttö tuotekehityksen ja tutkimuksen vaatimien proteiinien tuottamiseen, syötävien rokotteiden kehittämiseen ja geeniterapiaan edustavat kasvavia biotekniikan sovellusalueita. Perunan A-virus (PVA) kuuluu potyviruksiin, joiden proteiinit tuotetaan aluksi yhtenä suurena molekyylinä, joka pilkotaan yksittäisiksi proteiineiksi viruksen itsensä tuottamilla entsyymeillä. Siten virusgenomiin lisätty vieras geeni käännetään proteiiniksi virusproteiinien mukana. Lopputuloksena kaikkia proteiineja tuotetaan kasvisoluissa samansuuruinen määrä. Lisäksi, viruksen proteiinikuoren koontimekanismi sallii perintöaineksen merkittävän lisäyksen ilman että viruksen tartutuskyky merkittävästi heikkenee. Koska virus monistuu ja leviää koko kasviin, jo melko pieni määrä kasveja riittää huomattavan proteiinimäärän tuottamiseen esimerkiksi säännösten mukaisessa kasvihuoneessa. Tämän työn tarkoituksena oli muuntaa PVA:n genomia siten, että virus soveltuisi yhden vieraan proteiinin tai useiden erilaisten proteiinien samanaikaiseen tuottamiseen kasveissa. Aluksi kokeiltiin viruksen replikaasia ja kuoriproteiinia koodaavien genomialueiden välistä kohtaa ja ihmisestä peräisi olevaa geeniä, joka tuotti S-COMT-entsyymiä (katekoli-O-metyylitransferaasi). Sen aktiivisuuden rajoittaminen auttaa Parkinsonintaudin hoidossa. Kasvissa tuotettua S-COMT:ia voitaisiin käyttää lääkekehityksessä estolääkkeiden testaukseen. Kahden viikon kuluttua tartutuksesta tupakan lehdissä oli entsymaattisesti aktiivista S-COMT:ia n. 1 % lehden liukoisista proteiineista. PVA:n P1-proteiinia koodaavalta alueelta oli paikannettu kohta, johon ehkä voitaisiin siirtää vieras geeni. Asia varmistettiin siirtämällä tähän kohtaan meduusan geeni, joka tuottaa UV-valossa vihreänä fluoresoivaa proteiinia (GFP). GFP-geeniä kantava PVA levisi kasvissa ja lisääntyi n. 30-50 %:iin viruksen normaalista pitoisuudesta. Koko kasvi fluoresoi vihreänä UV-valossa. Vieras geeni voidaan sijoittaa myös potyviruksen P1- ja HCpro-proteiineja koodaavien alueiden väliin. Samaan PVA-genomiin siirrettiin kolme geeniä, yksi kuhunkin kolmesta kloonauskohdasta: GFP-geeni P1:n sisälle, merivuokon lusiferaasigeeni P1/HCpro-kohtaan ja bakteerin beta-glukuronidaasigeeni (GUS) replikaasi/kuoriproteiini-kohtaan. Virusgenomin ja itse viruksen pituudet kasvoivat 38 %, mutta virus säilytti tartutuskykynsä. Se levisi kasveissa saavuttaen n. 15 % viruksen normaalista pitoisuudesta. Kaikki kolme vierasta proteiinia esiintyivät lehdissä aktiivisina.

Population structure of Pyrenophora teres, the causal agent of net blotch of barley

Spring barley is the most important crop in Finland based on cultivated land area. Net blotch, a disease caused by Pyrenophora teres Drech., is the most damaging disease of barley in Finland. The pressure to improve the economics and efficiency of agriculture has increased the need for more efficient plant protection methods. Development of durable host-plant resistance to net blotch is a promising possibility. However, deployment of disease resistant crops could initiate selection pressure on the pathogen (P. teres) population. The aim of this study was to understand the population biology of P. teres and to estimate the evolutionary potential of P. teres under selective pressure following deployment of resistance genes and application of fungicides. The study included mainly Finnish P. teres isolates. Population samples from Russia and Australia were also included. Using AFLP markers substantial genotypic variation in P. teres populations was identified. Differences among isolates were least within Finnish fields and significantly higher in Krasnodar, Russia. Genetic differentiation was identified among populations from northern Europe and from Australia, and between the two forms P. teres f. teres (PTT, net form of net blotch) and P. teres f. maculata (PTM, spot form of net blotch) in Australia. Differentiation among populations was also identified based on virulence between Finnish and Russian populations, and based on prochloraz (fungicide) tolerance in the Häme region in Finland. Surprisingly only PTT was recovered from Finland and Russia although both forms were earlier equally common in Finland. The reason for the shift in occurrence of forms in Finland remained uncertain. Both forms were found within several fields in Australia. Sexual reproduction of P. teres was supported by recover of both mating types in equal ratio in those areas although the prevalence of sexual mating seems to be less in Finland than in Australia. Population from Krasnodar was an exception since only one mating type was found in there. Based on the substantial high genotypic variation in Krasnodar it was suggested go represent an old P. teres population, whereas the Australian samples were suggested to represent newer populations. In conclusion, P. teres populations are differentiated at several levels. Human assistance in dispersal of P. teres on infected barley seed is obvious and decreases the differentiation among populations. This can increase the plant protection problems caused by this pathogen. P. teres is capable of sexual reproduction in several areas but the prevalence varies. Based on these findings it is apparent that P. teres has the potential to pose more serious problems in barley cultivation if plant protection is neglected. Therefore, good agricultural practices, including crop rotation and the use of healthy seed, are recommended.

Regulation of strawberry growth and development

Strawberries (Fragaria sp.) are adapted to diverse environmental conditions from the tropics to about 70ºN, so different responses to environmental conditions can be found. Most genotypes of garden strawberry (F. x ananassa Duch.) and woodland strawberry (F. vesca L.) are short-day (SD) plants that are induced to flowering by photoperiods under a critical limit, but also various photoperiod x temperature interactions can be found. In addition, continuously flowering everbearing (EB) genotypes are found. In addition to flowering, axillary bud differentiation in strawberry is regulated by photoperiod. In SD conditions, axillary buds differentiate to rosette-like structures called "branch crowns", whereas in long-day conditions (LD) they form runners, branches with 2 long internodes followed by a daughter plant (leaf rosette). The number of crown branches determines the yield of the plant, since inflorescences are formed from the apical meristems of the crown. Although axillary bud differentiation is an important developmental process in strawberries, its environmental and hormonal regulation has not been characterized in detail. Moreover, the genetic mechanisms underlying axillary bud differentiation and regulation of flowering time in these species are almost completely unresolved. These topics have been studied in this thesis in order to enhance strawberry research, cultivation and breeding. The results showed that 8-12 SD cycles suppressed runner initiation from the axillary buds of the garden strawberry cv. Korona with the concomitant induction of crown branching, and 3 weeks of SD was sufficient for the induction of flowering in the main crown. Furthermore, a second SD treatment given a few weeks after the first SD period can be used to induce flowering in the primary branch crowns and to induce the formation of secondary branches. Thus, artificial SD treatments effectively stimulate crown branching, providing one means for the increase of cropping (yield) potential in strawberry. It was also shown by growth regulation applications, quantitave hormone analysis and gene expression analysis that gibberellin (GA) is one of the key signals involved in the photoperiod control of shoot differentiation. The results indicate that photoperiod controls GA activity specifically in axillary buds, thereby determining bud fate. It was further shown that chemical control of GA biosynthesis by prohexadione-calcium can be utilized to prevent excessive runner formation and induce crown branching in strawberry fields. Moreover, ProCa increased berry yield up to 50%, showing that it is an easier and more applicable alternative to artificial SD treatments for controlling strawberry crown development and yield. Finally, flowering gene pathways in Fragaria were explored by searching for homologs of 118 Arabidopsis thaliana flowering-time genes. In total, 66 gene homologs were identified, and they distributed to all known flowering pathways, suggesting the presence of these pathways also in strawberry. Expression analysis of selected genes revealed that the mRNA of putative floral identity gene APETALA1 accumulated in the shoot apex of the EB genotype after the induction of flowering, whereas it was absent in vegetative SD genotype, indicating the usefulness of this gene product as the marker of floral initiation. The present data enables the further exploration of strawberry flowering pathways with genetic transformation, gene mapping and transcriptomics methods.

Biological Control of Oilseed Rape Pests with Entomopathogenic Nematodes

Biological control techniques attract increasing attention as one of the sustainable alternatives to pesticide use in integrated pest management programs. In order to develop sustainable pest management methods for arable crops based on entomopathogenic nematodes (EPN), their efficacy and persistence needed to be investigated, and an economically feasible delivery system had to be developed. In this study, first a survey of entomopathogens was conducted, and a system approach was tested, using the oilseed Brassica (OSB) growing system (OSB, spring wheat, and red clover) as a model. The system approach aimed at determining the potential of Steinernema feltiae (Filipjev) for the control of OSB pests, developing OSB rotation schemes that support EPN persistence, and investigating the impact of the selected biotic and abiotic factors on efficacy and persistence of EPN. This study employed abductive logic (which employs constant interplay between the theory and empirical observation), quantitative methods, and a case study on OSB. Laboratory and field experiments were carried out, and two types of pathogen surveys. A horizontal survey included OSB fields across Estonia, Germany, Poland, Sweden and the UK, while a vertical survey included sampling from two sets of differently managed experimental fields during three years. A new approach was introduced for measuring occurrence, where the prevalence and relative intensity of entomopathogens, biotic agents, and unidentified insect antagonists were determined. The effect of dose, timing, and the application method on S. feltiae in the control of pests in OSB, and the potential of a controlled release delivery system (CRS) were evaluated in the field. Studies on the impact of selected biotic and abiotc factors (Brassica plant, bait insects, developmental stages of Meligethes aeneus Fab., Isaria fumosorosea Wize (Ifr), and organic and synthetic fertilizers) on the efficacy of S. feltiae were conducted in the laboratory. Persistence of S. feltiae in the OSB growing system, and the effect of dose, timing, and the application method, was assessed in the field as part of the efficacy experiments. The impact of selected biotic and abiotic factors on S. feltiae persistence was assessed in laboratory experiments. The pathogen survey showed that the occurrence of entomopathogens is low in the OSB growing system, and that a management system causing less disturbance (ICM) to the soil increases the relative intensity of insect parasitic nematodes and other insect antagonists. A longer study period is required to show any possible impact of ICM on the relative intensity of entomopathogenic fungi, or on the prevalence of entomopathogens. Two different measures of the occurrence yielded different results: the relative intensity revealed the difference between the two different crop management methods, while prevalence did not. The highest efficacy of S. feltiae was achieved by using a low dose and targeting all stages of M. aeneus. When only the larval stage was targeted, the application method and dose had no significant effect. The CRS decreased the pest abundance significantly more than the surface application method. S. feltiae persisted in the OSB fields in Finland for several months, but did not survive the winter. The strain survived for 7 months when it was applied in autumn in Germany, but its populations declined rapidly after winter. The examined biotic and abiotic factors had variable impacts on S. feltiae efficacy and persistence. The two measures, prevalence and relative intensity of entomopathogens, gave valuable information for their use in biocontrol programs. The recommended biocontrol strategy for OSB growing in Finland is inundation and seasonal inoculation of EPN. The impact of some biotic and abiotic factors on S. feltiae efficacy and persistence is significant, and can be used to improve the efficacy of EPN. The CRS is a novel alternative for EPN application, and should also be considered for use on other crops. Keywords: Biological control, inundation, inoculation, conservation, formulation, slow release method, crop rotation, Entomopathogenic nematodes, Steinernema feltiae, oilseed rape pests, Meligethes aeneus, Phyllotreta spp., occurrence, prevalence, intensity, efficacy, persistence, field, Isaria fumosorosea, biotic factors, abiotic factors, interaction, impact, insect stages, integrated crop management, standard (conventional) crop management

Lypsylehmien sorkkasairauksien perinnölliset tunnusluvut

Sorkkasairaudet ovat kasvava ongelma lypsykarjatiloilla. Sorkka- ja jalkaviat aiheuttavat ennenaikaisten poistojen lisäksi taloudellisia tappioita alentamalla maitotuotosta ja lisäämällä eläinlääkintä- ja sorkkahoitokuluja. Tämän työn tavoitteena oli tutkia sorkkasairauksien periytyvyyttä ja sorkkasairauksiin vaikuttavia tekijöitä. Tutkimusaineisto saatiin Terveet Sorkat -ohjelmasta, johon liittyminen on vapaaehtoista. Sorkkahoitajat olivat luokitelleet sorkkasairaudet vuosina 2003 2004. Sorkkasairaudet (vertymät anturassa, krooninen sorkkakuume, valkoviivan repeämä, anturahaavauma, sorkkavälin ihotulehdus, kantasyöpymä, sorkka-alueen ihotulehdus ja sorkkakiertymä ja muut sorkkasairaudet) oli luokiteltu aineistossa kaksiluokkaisina (kyllä/ei) ominaisuuksina. Aineiston esikäsittelyyn, alustaviin analyyseihin ja kiinteiden tekijöiden tilastollisen merkitsevyyden testaamiseen F-testillä käytettiin WSYS-ohjelmistoa. Lisäksi kiinteiden tekijöiden merkitsevyyttä testattiin logit-mallilla SAS-ohjelmistolla. Varianssikomponentit laskettiin Restricted Maximum Likelihood (REML)-menetelmällä VCE4-ohjelmistolla. Toistuvuuseläinmallilla saatiin seuraavia periytymisasteen arvioita: vertymät anturassa 0,05, valkoviivan repeämä 0,04, sorkkakiertymä 0,05, kantasyöpymä 0,01, anturahaavauma 0,03 ja sorkkasairaudet yhtenä ominaisuutena 0,06. Sorkkasairauksien periytymisasteiden arviot muutettuna sorkkasairausalttiuksien periytymisasteiksi olivat: vertymät anturassa 0,11, valkoviivan repeämä 0,12, sorkkakiertymä 0,15, kantasyöpymä 0,03, anturahaavauma 0,17 ja sorkkasairaudet yhtenä ominaisuutena 0,09. Sorkkasairauksien väliset geneettiset korrelaatiot olivat positiivisia lukuun ottamatta valkoviivan repeämän ja kantasyöpymän välistä geneettistä korrelaatiota, joka oli lievästi negatiivinen. Sorkkasairauksien geneettiset korrelaatiot 305 päivän maitotuotokseen olivat -0,20 0,27. Tämän tutkimuksen ja aiempien tutkimusten perusteella perimän osuus sorkkasairauksiin ei ole kovin suuri. Koska ympäristötekijöillä on suuri merkitys sorkkasairauksien esiintymiseen, sorkkasairauksien ennaltaehkäisyssä tulisi kiinnittää erityistä huomiota navetan olosuhteisiin, säännölliseen sorkkahoitoon ja oikeaan ruokintaan.

Lantibiotic Nisin and Its Detection Methods

The type A lantibiotic nisin produced by several Lactococcus lactis strains, and one Streptococcus uberis strainis a small antimicrobial peptide that inhibits the growth of a wide range of gram-positive bacteria, such as Bacillus, Clostridium, Listeria and Staphylococcus species. It is nontoxic to humans and used as a food preservative (E234) in more than 50 countries including the EU, the USA, and China. National legislations concerning maximum addition levels of nisin in different foods vary greatly. Therefore, there is a demand for non-laborious and sensitive methods to identify and quantify nisin reliably from different food matrices. The horizontal inhibition assay, based on the inhibitory effect of nisin to Micrococcus luteus is the base for most quantification methods developed so far. However, the sensitivity and accuracy of the agar diffusion method is affected by several parameters. Immunological tests have also been described. Taken into account the sensitivity of immunological methods to interfering substances within sample matrices, and possible cross-reactivities with lantibiotics structurally close to nisin, their usefulness for nisin detection from food samples remains limited. The proteins responsible for nisin biosynthesis, and producer self-immunity are encoded by genes arranged into two inducible operons, nisA/Z/QBTCIPRK and nisFEG, which also contain internal, constitutive promoters PnisI and PnisR. The transmembrane histidine kinase NisK and the response regulator NisR form a two-component signal transduction system, in which NisK autophosphorylates after exposure to extra cellular nisin, and subsequently transfers the phosphate to NisR. The phosphorylated NisR then relays the signal downstream by binding to two regulated promoters in the nisin gene cluster, i.e the nisA/Z/Qand the nisF promoters, thus activating transcription of the structural gene nisA/Z/Q and the downstream genes nisBTCIPRK from the nisA/Z/Q promoter, and the genes nisFEG from the nisF promoter. In this work two novel and highly sensitive nisin bioassays were developed. Both of these quantification methods were based on NisRK mediated, nisin induced Green Fluorescent Protein (GFP) fluorescence. The suitabilities of these assays for quantifica¬tion of nisin from food samples were evaluated in several food matrices. These bioassays had nisin sensitivities in the nanogram or picogram levels. In addition, shelf life of nisin in cooked sausages and retainment of the induction activity of nisin in intestinal chyme (intestinal content) was assessed.

Developments and Microbiological applications in African foods: Emphasis on Nigerian Wara cheese

African indigenous foods have received limited research. Most of these indigenous foods are fermented and they form part of the rich nutritional culture of many groups in African countries. The industrialization and commercialisation of these indigenous African fermented foods should be preceded by a thorough scientific knowledge of their processing which can be vital in the elimination of hunger and poverty. This study highlighted emerging developments and the microbiology of cereal-based and cassava-based food products that constitute a major part of the human diet in most African countries. In addition, investigations were also carried out on the coagulant of the Calotropis procera plant used in traditional production of Nigerian Wara cheese and on the effects of adding a nisin producing Lactococcus lactis strain originating from human milk to Nigerian Wara cheese. Fermented cereal-based food such as ogi utilize popular African and readily available grains maize, millet or sorghum as substrates and is popular as a weaning diet in infants. In this study, the bulkiness caused by starch gelatinization was solved by amylase treatments in the investigation on cooked and fermented oat bran porridge. A similar treatment could reduce the viscosity of any cereal porridge. The properties of the Sodom apple leaves (Calotropis procera) extract in cheesemaking were studied. C. procera was affected by monovalent (K+ and Na+) and divalent (Mg2+ and Ca2+) cations during coagulation. The rennet strength of this coagulant was found to be 7 % compared to animal rennet at 35 °C. Increasing the incubation temperature to 70 °C increased the rennet strength 28-fold. The molecular weight of the partially purified protease was determined by SDS-PAGE and was confirmed by Zymography to be approximately 60 kilodaltons. The high proteolytic activity at 70 °C supported the suitability of the protease enzyme as a coagulant in future commercial production of Nigerian Wara cheese. It was also possible to extend the shelf life of Wara cheese by a nisin producing lactic acid bacteria Lactococcus lactis LAC309. The levels of nisin in both whey and curd fractions of Wara were investigated, results showed a 3 log reduction of toxicogenic Bacillus licheniformis spiked on Wara after 3 days. These studies are the first in Finland to promote the advancement of scientific knowledge in African foods. Recognizing these indigenous food products and an efficient transfer of technology from the developed countries to industrialize them are necessary towards a successful realization of the United Nations Millenium Development Program.

Preparation, structural analysis and prebiotic potential of arabinoxylo-oligosaccharides

Arabinoxylo-oligosaccharides (AXOS) can be prepared enzymatically from arabinoxylans (AX) and AXOS are known to possess prebiotic potential. Here the structural features of 10 cereal AX were examined. AX were hydrolysed by Shearzyme® to prepare AXOS, and their structures were fully analysed. The prebiotic potential of the purified AXOS was studied in the fermentation experiments with bifidobacteria and faecal microbiota. In AX extracted from flours and bran, high amounts of a-L-Araf units are attached to the b-D-Xylp main chain, whereas moderate or low degree of substitution was found from husks, cob and straw. Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy showed that flour and bran AX contain high amounts of a-L-Araf units bound to the O-3 of b-D-Xylp residues and doubly substituted b-D-Xylp units with a-L-Araf substituents at O-2 and O-3. Barley husk and corn cob AX contain high amounts of b-D-Xylp(1→2)-a-L-Araf(1→3) side chains, which can also be found in AX from oat spelts and rice husks, and in lesser amounts in wheat straw AX. Rye and wheat flour AX and oat spelt AX were hydrolysed by Shearzyme® (with Aspergillus aculeatus GH10 endo-1,4-b-D-xylanase as the main enzyme) for the production of AXOS on a milligram scale. The AXOS were purified and their structures fully analysed, using mass spectrometry (MS) and 1D and 2D NMR spectroscopy. Monosubstituted xylobiose and xylotriose with a-L-Araf attached to the O-3 or O-2 of the nonreducing end b-D-Xylp unit and disubstituted AXOS with two a-L-Araf units at the nonreducing end b-D-Xylp unit of xylobiose or xylotriose were produced. Xylobiose with b-D-Xylp(1→2)-a-L-Araf(1→3) side chain was also purified. These AXOS were used as standards in further identification and quantification of corresponding AXOS from the hydrolysates in high-performance anion-exchange chromatography with pulsed amperometric detection (HPAEC-PAD) analysis. The prebiotic potential of AXOS was tested in in vitro fermentation experiments. Bifidobacterium adolescentis ATCC 15703 and B. longum ATCC 15707 utilized AXOS from the AX hydrolysates. Both species released L-arabinose from AXOS, but B. adolescentis consumed the XOS formed, whereas B. longum fermented the L-arabinose released. The third species tested, B. breve ATCC 15700, grew poorly on these substrates. When cultivated on pure AXOS, the bifidobacterial mixture utilized pure singly substituted AXOS almost completely, but no growth was detected with pure doubly substituted AXOS as substrates. However, doubly substituted AXOS were utilized from the mixture of xylose, XOS and AXOS. Faecal microbiota utilized both pure singly and doubly substituted AXOS. Thus, a mixture of singly and doubly substituted AXOS could function as a suitable, slowly fermenting prebiotic substance. This thesis contributes to the structural information on cereal AX and preparation of mono and doubly substituted AXOS from AX. Understanding the utilization strategies is fundamental in evaluating the prebiotic potential of AXOS. Further research is still required before AXOS can be used in applications for human consumption.

Degradation of lignin and other 14C-labelled compounds in compost and soil with an emphasis on white-rot fungi

Puu, ruohokasvit ja näistä tehdyt tuotteet kuten mekaanisesta massasta valmistettu sanomalehtipaperi sisältävät ligniiniä, joka hajoaa yleensä hyvin hitaasti luonnossa. Valkolahosienet hajottavat ligniiniä tehokkaimmin, ja koska niiden tuottamat entsyymit hajottavat myös muita vaikeasti hajoavia yhdisteitä, voidaan valkolahosienten avulla mahdollisesti puhdistaa saastuneita maita. Tässä työssä haluttiin selvittää, säilyttävätkö valkolahosienet (Abortiporus biennis, Bjerkandera adusta, Dichomitus squalens, Phanerochaete chrysosporium, Phanerochaete sordida, Phlebia radiata, Pleurotus ostreatus, Trametes hirsuta ja Trametes versicolor) aktiivisuutensa ja kasvavatko ne maassa. Aktiivisuutta mitattiin seuraamalla sienten synteettisen ligniinin (14C-DHP) hajotuskykyä. T. versicolor (silkkivyökääpä) osoittautui tehokkaimmaksi ligniinin hajottajaksi ja sen pentakloorifenolin (PCP) hajotuskykyä tutkittiin erillisessä kokeessa. Entiset tai pitkään käytössä olleet saha-alueet ovat yhä saastuneet puun käsittelyaineista peräisin olevilla kloorifenoleilla. Biohajoavien muovien kehitystyö sekä kompostoinnin yleistyminen jätteiden käsittelymenetelmänä ovat luoneet tarpeen materiaalien biohajoavuuden määrittämiseen. Euroopan standardisoimisjärjestön (CEN) kontrolloidussa kompostitestissä biohajoavuus määritetään materiaalin hajoamisen aikana muodostuvan hiilidioksidin perusteella. Hiilidioksidin tuotto mitataan sekä näytettä sisältävästä kompostista että kompostista ilman näytettä, ja tällöin oletetaan, että kompostin orgaaninen aines molemmissa komposteissa (tausta) tuottaa yhtä paljon hiilidioksidia. Testin puutteeksi saattaa osoittautua kompostissa tai maassa esiintyvä "priming effect". Tällä tarkoitetaan materiaalin lisäämisen jälkeen esiintyvää epänormaalin suurita tai pientä hiilidioksidin muodostusta, minkä seurauksena testin tulosksena saatava biohajoavuus on virheellinen. Ligniinin hajotessa muodostuu enemmän humusta kuin hiilidioksidia, koska ligniini on humuksen tärkein lähtöaine. Näin ollen ligniiniä sisältävät paperituotteet saattavat testin mukaan vaikuttaa biologisesti hajoamattomilta. Valkolahosienet hajottivat 4-23% ligniinistä hiilidioksidiksi ja T. versicolor 29% PCP:sta. Kompostissa ligniini hajosi hiilidioksidiksi 58°C:ssa huomattavasti vähemmän (8%) kuin lämpötiloissa 35°C ja 50°C (23-24%). Kompostin todennäköisesti tärkeimpien ligniinin hajottajien, termofiilisten sienten, tyypillinen optimilämpötila on 45°C, eivätkä ne ole enää aktiivisia 58°C:ssa. Sekä maassa että kompostissa ligniini sitoutui kuitenkin suurimmaksi osaksi humukseen. Valkolahosienet hajottivat sekä humukseen sitoutunutta ligniiniä että PCP:ia, mutta kompostin sekapopulaatio ei tähän pystynyt, ja ligniiniä sitoutui humukseen yhä enemmän kompostoinnin aikana. T. versicolor hajotti PCP:ia tehokkaasti, eikä se tuottanut myrkyllisiä kloorianisoleja, joita jotkut valkolahosienet saattavat muodostaa kloorifenoleista. Priming effect ilmiötä tutkittiin eri ikäisissä ja kypsyydeltään erilaisissa komposteissa. Kompostit erosvat toisistaan myös hajoamattoman jätteen määrän ja mikrobipopulaation suhteen. Negatiivinen priming effect havaittiin kaikissa epästabiileissa komposteissa (ikä enintään 6 kk), ja sen lisäksi yhdessä näistä komposteista positiivinen priming effect kokeen lopussa. Stabiileissa komposteissa (ikä vähintään 6 kk) ilmiötä ei sen sijaan havaittu. Epästabiileissa komposteissa biohajoavuudelle saadut tulokset eivät siis ole luotettavia. Työn tulosten perusteella valkolahosienet, ja erityisesti T. versicolor, ovat lupaavia saastuneen maan puhdistukseen, joskin sienirihmaston mahdollisuudet säilyä aktiivisena maan alkuperäisen mikrobipopulaation kanssa täytyy vielä selvittää. Kompostin sekapopulaatio, joka ei sisällä valkolahosieniä, hajotti ligniiniä yllättävän tehokkaasti termofiilisille sienille sopivissa lämpötiloissa, vaikka ligniini sitoutuikin pääasiallisesti humukseen. Kompostin kypsyys osoittautui tärkeäksi tekijäksi kontrolloidun kompostitestin onnistumisen kannalta. Priming effect ilmiön välttämiseksi on varmistettava, että testissä käytetty komposti on riittävän kypsä. Kompostien mikrobipopulaation koostumusta kompostoinnin eri vaiheissa tulisi tarkemmin selvittää, koska stabiilien ja epästabiilien kompostien ero aiheutui todennäköisesti populaatioiden rakenteessa vallitsevista eroista. Näin myös priming effect ilmiön syyt voitaisiin selittää paremmin.

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.

Streptococcus milleri -ryhmä : Tunnistus lajitasolle ja esiintyvyys tietyissä infektioissa

S. milleri -ryhmän bakteerit ovat osa ihmisen suun, nielun, suoliston ja genitaalialueen normaaliflooran bakteeristoa. Kommensaalien lisäksi ryhmään kuuluu myös merkittäviä patogeenejä, jotka esiintyvät varsin runsaina löydöksinä monenlaisissa märkivissä infektioissa. Ryhmään kuuluu kolme lajia: S. anginosus, S. constellatus ja S. intermedius. Lajit ovat varsin samankaltaisia ja raportoidaankin usein vain ryhmänimellä. Lajit ovat kuitenkin erotettavissa, sillä ne eroavat toisistaan tuottamiensa entsyymien suhteen ja esiintyvyydessään kehon eri osissa. Työn tarkoituksena oli tunnistaa erityyppisistä kliinisistä infektioista otetuista näytteistä eristettyjä S. milleri -ryhmään luokiteltuja kantoja lajitasolle ja selvittää niiden esiintymisyleisyyttä näissä infektioissa. Näytteenottopaikat jaettiin viiteen ryhmään: naisten urogenitaalialue (15 kantaa), miesten urogenitaalialue (8 kantaa), oraaliset (28 kantaa), umpisuoli (34 kantaa) ja "muut" (12 kantaa). Lajitunnistuksen lisäksi selvitettiin kantojen hemolyyttisyys ja mahdollinen Lancefield-seroryhmä (A, C, F, G). Lajien erottelu perustuu eroihin bakteerien kyvyissä hajottaa tiettyjä substraatteja (entsyymiprofilointi), hemolyyttisyys määritettiin verimaljalla ja seroryhmitys tehtiin kaupallisella vasta-aine-sakkautumistestillä (Streptex latex Z1- 50). Työssä testattiin käytössä olevia ja kehiteltiin uusia, lähinnä ennalta muodostuneiden entsyymien tunnistamiseen perustuvia erottelumenetelmiä. Vertailtavina oli kolme entsyymiprofiliontimenetelmää, joista yksi on fluorogeeninen (4-Metyyli-umbelliferyyli-subtraatit) ja kaksi kromogeenistä (Weetabs ja RoscoDiagnostic tablets). Kannoilta määritettiin seuraavat aktiivisuudet: ?-fukosidaasi, (?-glukosidaasi, glukosidaasi, ?-galaktosidaaasi, ?-N-asetyyli-galaktosaminidaasi, ?-N-asetyyli-glukosaminidaasi, sialidaasi ja hyaluronidaasi. Työhön sisältyy myös erilaisten kasvatusalustojen sekä pH:n vaikutusten arviointia bakteerienentsyymiaktiivisuuksiin ja testituloksiin. Lisäksi työssä testattiin kromatografisensoluseinärasvahappoanalyysin soveltuvuutta lajien erotteluun. Menetelmiä tarkasteltiin herkkyyden sekäkäytännön suorittamisen ja aiheutuvien kustannusten kannalta. Asetetut tavoitteet saavutettiin. Kaikki käytetyt menetelmät osoittautuivat toimiviksi. Entsyymitestien tuloksetkorreloivat keskenään ja kirjallisuuden kanssa hyvin. Kannat karakterisoitiin, tunnistettiin lajitasolle ja lajiensiintyvyyttä kehon eri osissa voitiin vertailla. Mikään entsyymitesti ei osoittautunut ylivoimaisesti parhaaksi tai huonoimmaksi, vaikkakin yksittäistensubstraattien kohdalla eri testien herkkyydet vaihtelivatkin huomattavasti. Rasvahappoanalyysi ei erotellutkantoja toivotulla tavalla, joten sen käytöstä luovuttiin työn melko varhaisessa vaiheessa. Tutkituista 97 S. milleri -kannasta tunnistettiin 58 S. anginosus-kantaa, 29 S. constellatus-kantaa ja 10 S.ntermedius-kantaa. Eri lajit noudattivat entsyymiprofiiliaan muutamaa poikkeusta lukuunottamatta hyvinkinsäännöllisesti. Lajien sisäinen variaatio hemolyysiominaisuuksissa oli merkittävää ja S. inilleri -ryhmän erilajien sekä hemolyysisltään ja seroryhmältään erilaisten kantojen esiintyvyydessä kehon eri osissa havaittiinselkeitä eroja. Avainsanat: entsyymiprofilointi, fluorogeeniset ja kromogeeniset substraatit, seroryhmä, hemolyysi, esiintyvyys

L-rhamnose-1-dehydrogenase gene and L-rhamnose catabolism in the yeast Pichia stipitis

The purpose of this work was to identify some of the genes of the catabolic route of L-rhamnose in the yeast Pichia stipitis. There are at least two distinctly different pathways for L-rhamnose catabolism. The one described in bacteria has phosphorylated intermediates and the enzymes and the genes of this route have been described. The pathway described in yeast does not have phosphorylated intermediates. The intermediates and the enzymes of this pathway are known but none of the genes have been identified. The work was started by purifying the L-rhamnose dehydrogenase, which oxidates L-rhamnose to rhamnonic acid-gamma-lactone. NAD is used as a cofactor in this reaction. A DEAE ion exchange column was used for purification. The active fraction was further purified using a non-denaturing PAGE and the active protein identified by zymogram staining. In the last step the protein was separated in a SDS-PAGE, the protein band trypsinated and analysed by MALDI-TOF MS. This resulted in the identification of the corresponding gene, RHA1, which was then, after a codon change, expressed in Saccharomyces cerevisiae. Also C- or N-terminal histidine tags were added but as the activity of the enzyme was lost or strongly reduced these were not used. The kinetic properties of the protein were analysed in the cell extract. Substrate specifity was tested with different sugars; L-rhamnose, L-lyxose and L-mannose were oxidated by the enzyme. Vmax values were 180 nkat/mg, 160 nkat/mg and 72 nkat/mg, respectively. The highest affinity was towards L-rhamnose, the Km value being 0.9 mM. Lower affinities were obtained with L-lyxose, Km 4.3 mM, and L-mannose Km 25 mM. Northern analysis was done to study the transcription of RHA1 with different carbon sources. Transcription was observed only on L-rhamnose suggesting that RHA1 expression is L-rhamnose induced. A RHA1 deletion cassette for P. stipitis was constructed but the cassette had integrated randomly and not targeted to delete the RHA1 gene. Enzyme assays for L-lactaldehyde dehydrogenase were done similarly to L-rhamnose dehydrogenase assays. NAD is used as a cofactor also in this reaction where L-lactaldehyde is oxidised to L-lactate. The observed enzyme activities were very low and the activity was lost during the purification procedures.