Suokasvillisuuden vaste muuttuvaan ilmastoon: kokeellinen tutkimus kuivumisen vaikutuksesta

Soilla on merkittävä rooli ilmastonmuutoksen hillitsemisessä suuren hiilivarastonsa sekä ekosysteemin ja ilmakehän välisen kaasunvaihdon ansiosta. Ilmastonmuutoksen ennustetaan vaikuttavan suokasvillisuuteen ja suon toimintaan epäsuorasti. Vedenpinnan ennustetaan laskevan 14–21 cm johtuen kasveista ja avoimilta pinnoilta tapahtuvan haihdunnan lisääntymisestä lämpötilan noustessa, mikäli sadanta ei lisäänny. Aiemmat vedenpinnan laskun jälkeistä kasvillisuutta seuranneet tutkimukset ovat osoittaneet, että putkilokasvit hyötyvät alhaisemmasta vedenpinnan tasosta ja että kuljuun sopeutuneet rahkasammalet kärsivät kuivuneista oloista. Kasvillisuuden runsaussuhteiden muuttumisen lisäksi kasviyhteisöjen monimuotoisuus vähenee. Erityisen herkkiä vedenpinnan laskulle ovat olleet välipinta- ja kuljurahkasammalet ja sarat. Funktionaalisten kasviryhmien vasteiden selvittämiksesi käytettiin BACI (before-after-control-impact) –tutkimusotetta. Tutkimuksessa oli kolme verrokkialaa ja kolme käsittelyalaa, joissa vedenpintaa oli laskettu 14–21 senttimetriin. Lisäksi vertailukohdaksi tutkimuksessa oli mukana kolme alaa, joissa oli tehty metsäojitus n. 50 vuotta sitten. Nämä toistot sijaitsivat meso-, oligo ombrotrofisilla suotyypeillä Oriveden Lakkasuolla. Kasvillisuus kartoitettiin ja vedenpinnat mitattiin aloilta ennen käsittelyä vuonna 2000 sekä vuosina 2001–2003 ja 2009. Aineisto analysoitiin TWINSPAN- (PC-Ord), PRC ja DCA (CANOCO)-monimuuttujamenetelmillä. Tulokset osoittivat, että verrokki- ja käsittelyalat olivat samanlaisia lähtökohdiltaan, joten niitä voitiin käsittelyn jälkeen verrata toisiinsa. Kasvillisuuden rakenne vaihteli vuosien välillä myös verrokkialoilla, mikä osoittaa kasvien sopeutumiskyvyn muuttuviin sääoloihin (lämpötila, sademäärä). Vuosi 2003 erottui tutkimuksessa alhaisella vedenpinnantasolla, mutta toisaalta myös ainavihantien varpujen suuren peittävyyden osalta. Vuoteen 2009 mennessä kasvillisuuden erityisesti sarojen peittävyys väheni. Ravinteikkaimmilla toistoilla kasvillisuuden vasteet vaikuttivat olevan vahvemmat kuin vähäravinteisilla toistoilla. Kasviryhmistä kulju- ja välipintasammalilla oli vahvimmat vasteetvedenpinnan laskuun ja mätäslajeilla heikoimmat. Tulosten mukaan kasviryhmien vasteet vaihtelevat riippuen tarkasteltavasta aikajaksosta: ensimmäiset kolme vuotta käsittelyn jälkeen suo oli häiriötilassa ja vasta sen jälkeen kasvillisuus sopeutui muuttuneisiin oloihin.

Diversitet och tillväxtfrämjande egenskaper hos Stenotrophomonas-endofyter isolerade från Calliandra calothyrsus Meisn. rotknölar

The bacterial genus Stenotrophomonas comprises 12 species. They are widely found throughout the environment and particularly S. maltophilia, S. rhizophila and S. pavanii are closely associated with plants. Strains of the most common Stenotrophomonas species, S. maltophilia, promote plant growth and health, degrade natural and man-made pollutants and produce biomolecules of biotechnological and economical value. Many S. maltophilia –strains are also multidrug resistant and can act as opportunistic human pathogens. During an INCO-project (1998-2002) rhizobia were collected from root nodules of the tropical leguminous tree Calliandra calothyrsus Meisn. from several countries in Central America, Africa and New Caledonia. The strains were identified by the N2-group (Helsinki university) and some strains turned out to be members of the genus Stenotrophomonas. Several Stenotrophomonas strains induced white tumor- or nodule-like structures on Calliandra?s roots in plant experiments. The strains could, besides from root nodules, also be isolated from surface sterilized roots and stems. The purpose of my work was to investigate if the Stenotrophomonas strains i) belong to a new Stenotrophomonas species, ii) have the same origin, iii) if there are other differences than colony morphology between phase variations of the same strain, iv) have plant growth-promoting (PGP) activity or other advantageous effects on plants, and v) like rhizobia have ability to induce root nodule formation. The genetic diversity and clustering of the Stenotrophomonas strains were analyzed with AFLP fingerprinting to get indications about their geographical origin. Differences in enzymatic properties and ability to use different carbon and energy sources were tested between the two phases of each strain with commercial API tests for bacterial identification. The ability to infect root hairs and induce root nodule formation was investigated both using plant tests with the host plant Calliandra and PCR amplification of nodA and nodC genes for nodulation. The PGP activity of the strains was tested in vitro mainly with plate methods. The impact on growth, nitrogen content and nodulation in vivo was investigated through greenhouse experiments with the legumes Phaseolus vulgaris and Galega orientalis. Both the genetic and phenotypic diversity among the Stenotrophomonas strains was small, which proposes that they have the same origin. The strains brought about changes on the root hairs of Calliandra and they also increased the amount of root hairs. However, no root nodules were detected. The strains produced IAA, protease and lipase in vitro. They also showed plant a growth-promoting effect on G. orientalis, both alone and together with R. galegae HAMBI 540, and also activated nodulation among efficient rhizobia on P. vulgaris in greenhouse. It requires further research to get a better picture about the mechanisms behind the positive effects. The results in this thesis, however, confirm earlier studies concerning Stenotrophomonas positive impact on plants.

Studies on nucleotidases in plants: Fluorescence and kinetic properties of nucleotide pyrophosphatase from mung bean (Phaseolus aureus) seedlings

Nucleotide pyrophosphatase of mung bean seedlings has earlier been isolated in our laboratory in a dimeric form (Mr 65,000) and has been shown to be converted to a tetramer by AMP and to a monomer by p-hydroxymercuribenzoate. All the molecular forms were enzymatically active with different kinetic properties. By a modified procedure using blue-Sepharose affinity chromatography, we have now obtained a dimeric form of the enzyme which is desensitized to AMP interaction. The molecular weight of the desensitized form of the enzyme was found to be the same as that of the native dimeric enzyme. However, the desensitized enzyme functioned with a linear time course, contrary to the biphasic time course exhibited by the native enzyme. In addition, it was not converted to a tetramer on the addition of AMP, had only one binding site for adenine nucleotides, and p-hydroxy-mercuribenzoate had no effect on the time course of the reaction or on the molecular weight of the enzyme. The temperature optimum of the desensitized enzyme was found to be 67 °C in contrast to the optimum of 49 °C for the native dimer. Fifty percent of the tryptophan residues of the desensitized enzyme were not accessible for quenching by iodide. Fluorescence studies gave Kd values of 0.34, 2.2, and 0.8 mImage for AMP, ADP, and ATP, which were close to the Ki values of 0.12, 2.2, and 0.9 mImage , respectively, for these nucleotides. The binding and inhibition studies with AMP and its analogs showed that the 6-amino group and the 5′-phosphate group were essential for the inhibition of the enzyme activity.

Overwintering ecology of northern field layer plants : snow and photosynthesis in Vaccinium vitis-idaea L.

Winter is a significant period for the seasonality of northern plants, but is often overlooked when studying the interactions of plants and their environment. This study focuses on the effects of overwintering conditions, including warm winter periods, snow, and snowmelt on boreal and sub-Arctic field layer plants. Wintertime photosynthesis and related physiological factors of evergreen dwarf shrubs, particularly of Vaccinium vitis-idaea, are emphasised. The work combines experiments both in the field and in growth chambers with measurements in natural field conditions. Evergreen dwarf shrubs are predominantly covered by snow in the winter. The protective snow cover provides favourable conditions for photosynthesis, especially during the spring before snowmelt. The results of this study indicate that photosynthesis occurs under the snow in V. vitis-idaea. The light response of photosynthesis determined in field conditions during the period of snow cover shows that positive net CO2 exchange is possible under the snow in the prevailing light and temperature. Photosynthetic capacity increases readily during warm periods in winter and the plants are thus able to replenish carbohydrate reserves lost through respiration. Exposure to low temperatures in combination with high light following early snowmelt can set back photosynthesis as sustained photoprotective measures are activated and photodamage begins to build up. Freezing may further decrease the photosynthetic capacity. The small-scale distribution of many field layer plants, including V. vitis-idaea and other dwarf shrubs, correlates with the snow distribution in a forest. The results of this study indicate that there are species-specific differences in the snow depth affinity of the field and ground layer species. Events and processes taking place in winter can have a profound effect on the overall performance of plants and on the interactions between plants and their environment. Understanding the processes involved in the overwintering of plants is increasingly important as the wintertime climate in the north is predicted to change in the future.

Studies in biogas technology. Part III. Thermal analysis of biogas plants

A thermal model for a conventional biogas plant has been developed in order to understand the heat transfer from the slurry and the gas holder to the surrounding earth and air respectively. The computations have been performed for two conditions : (i) when the slurry is at an ambient temperature of 20°C, and (ii) when it is at 35°C, the optimum temperature for anaerobic fermentation. Under both these conditions, the gas holder is the major “culprit” with regard to heat losses from the biogas plant. The calculations provide an estimate for the heat which has to be supplied by external means to compensate for the net heat losses which occur if the slurry is to be maintained at 35°C. Even if this external supply of heat is realised through (the calorific value of) biogas, there is a net increase in the biogas output, and therefore a net benefit, by operating the plant at 35°C. At this elevated temperature, the cooling effect of adding the influent at ambient temperature is not insignificant. In conclusion, the results of the thermal analysis are used to define a strategy for operating biogas plants at optimum temperatures, or at higher temperatures than the ambient.

Viherrevonhäntä ja kananhirssi vieraslajeina Suomessa

Kasvit ovat kautta aikojen levinneet uusille elinpaikoille. Kasvin asettumista uuteen paikkaan voidaan tarkastella prosessina, jossa on erilaisia vaiheita ja eri vaiheissa eri tekijät ovat tärkeitä. Ilmasto ja erityisesti lämpötila vaikuttavat kasvien levinneisyyteen ja leviämiseen uusille paikoille ja siksi ilmaston lämpenemisen ennustetaan siirtävän kasvien levinneisyysalueita kohti pohjoista. On mahdollista, että Suomeenkin leviäisi etelämmästä muiden kasvien ohella haitallisia rikkakasvilajeja, kuten esimerkiksi viherrevonhäntä (Amaranthus retroflexus L.) ja kananhirssi (Echinochloa crus-galli L. Beauv.). Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää, selviävätkö viherrevonhäntä ja kananhirssi Suomessa pelto-olosuhteissa ja pohtia niiden vakiintumisen ja leviämisen mahdollisuuksia. Toinen tarkoitus oli selvittää ilmaston lämpenemisen vaikutusta näiden rikkakasvien kasvuun. Tutkimus suoritettiin kenttä- sekä kasvihuonekokeena. Viherrevonhäntä kasvoi pellolla hyvin huolimatta myöhäisestä itämisestä, mutta kananhirssi iti ja kasvoi pellolla huonosti. Kasvihuoneessa molemmat kasvoivat hyvin. Kilpailu vähensi viherrevonhännän ja kananhirssin vegetatiivista kasvua vain kasvihuoneessa, mutta siementuottoon kilpailu vaikutti sekä kasvihuoneessa että pellolla. Kasvihuoneessa korkeampi lämpötila ei vaikuttanut viherrevonhännän tai kananhirssin vegetatiiviseen kasvuun, mutta viherrevonhännän siementuotto parani lämpimämmässä. Lämpötilalla ei ollut vaikutusta kananhirssin siementuotantoon. Tutkimuksen tuloksista voidaan päätellä, että viherrevonhäntä voi hyvinkin kasvaa Suomessa jo nykyisissä lämpötiloissa, mutta siementuotto ei välttämättä olisi varmaa. Viherrevonhäntä voisi näin ollen hyötyä tulevaisuuden pidemmästä kasvukaudesta. Kananhirssin osalta tulokset olivat ristiriitaiset ja ilmaston lämpenemisen vaikutuksia kananhirssiin on tämän tutkimuksen perusteella hankala arvioida.

Naudanlihan jalostusketjun hiilijalanjälki Suomessa

Kirjallisuustutkimuksen tavoitteena oli perehtyä kasvihuoneilmiön taustoihin ja kartoittaa aiempia tutkimuksia naudan- ja muiden lihatuotteiden kasvihuonekaasupäästöistä. Lisäksi kirjallisuustutkimuksessa perehdyttiin aiemmissa tutkimuksissa elintarvikkeiden hiilijalanjäljen laskemisessa sovellettuun elinkaarianalyysiin ISO 14040-standardin mukaisesti. Kokeellisen osion tavoitteena oli määrittää naudanlihan hiilijalanjälki Suomessa maatilan portilta kuluttajan ruokapöytään. Tavoitteena oli myös ymmärtää jalostusketjun päästöjen merkitys verrattuna koko naudanlihan tuotantoketjuun ja määrittää jalostusketjun vaiheiden merkitys ketjussa. Työn toiminnallisena yksikkönä toimi kilo naudanlihaa. Työ toteutettiin perehtymällä yksityiskohtaisesti yhteen naudanlihan jalostusketjuun Suomessa. Päästöt laskettiin todellisten yhteistyöyritykseltä saatujen prosessitietojen perusteella. Tiedot kerättiin tiedonkeruulomakkeella vierailemalla yhteistyöyrityksen kahdessa tuotantolaitoksessa ja täydentämällä tietoja haastatteluilla. Naudanlihan jalostusketjun päästöt olivat 1240 g CO2-ekv/lihakilo. Eniten päästöjä tuottivat jalostusvaihe (310 g CO2-ekv/lihakilo), teurastus (280 g CO2-ekv/lihakilo) ja lihatuotteiden kuljetus kuluttajalle (210 g CO2-ekv/lihakilo). Koko naudanlihan tuotantoketjusta jalostusketjun päästöt muodostivat alle 4 %, sillä syntymästä maatilan portille syntyviksi päästöiksi laskettiin kirjallisuuden perusteella yli 30 000 g CO2-ekv/lihakilo. Jatkossa naudanlihan hiilijalanjälkeä voitaisiin pääasiassa pienentää kehittämällä prosessia maatilan portille asti. Tämän työn tulokset olivat hyvin samansuuruiset verrattuna aiempaan tutkimukseen broilerin jalostusketjun päästöistä Suomessa (Katajajuuri ym. 2008). Tämä vastasi ennakko-odotuksia, sillä jalostusketjujen vaiheissa ei ollut merkittäviä eroja. Aiempia tutkimuksia naudanlihan jalostusketjun päästöistä ei ollut saatavilla.

Estimating national contributions of greenhouse gas emissions :The CSE-WRI controversy

Analysts have identified four related questions that need to be asked and answered before agreements to respond to global warming will be possible.1 Which countries bear responsibility for causing the problem? What quantities and mix of greenhouse gases should each country be allowed to emit? Which countries have the resources to do something about the problem? Where are the best opportunities for undertaking projects to respond to the problem? Failure to distinguish among these four questions, or willingness to accept superficial answers, promotes unnecessary controversy.

Jakojuuriviljelyn vaikutus kasvihuonekurkun (Cucumis sativus L.) kasvuun ja kehitykseen

Kasvit ottavat vettä parhaiten kasteluravinneliuoksesta, jonka ravinnepitoisuus on pieni. Intensiivisessä kasvihuonetuotannossa käytetään silti kastelulannoituksessa usein korkeita ravinnepitoisuuksia ravinnepuutosten ja satotappioiden välttämiseksi. Jakojuuriviljelyssä kasvin juuriston annetaan kasvaa kahteen erilliseen kasvualustaosioon. Tällöin toiselle puolelle annetaan johtokyvyltään väkevää ja toiselle puolelle laimeaa ravinneliuosta. Erityisesti kasvihuonekurkun, joka on herkkä kasvualustan suolaisuuden aiheuttamille vedensaantiongelmille, on todettu hyötyvän tästä tekniikasta, mikä näkyy kasvaneina satoina. Tämän MTT Piikkiössä toteutetun kasvihuonekurkun jakojuuriviljelytutkimuksen tavoitteena oli tarkentaa tekniikkaa erityisesti kasteluliuosten johtokyvyn osalta. Yhtenäisjuuriviljelyn ja perinteisen jakojuuriviljelyn lisäksi kokeessa oli kaksi jakojuuriviljelykäsittelyä, joissa ravinneliuosväkevyyksiä vaihdettiin väliajoin juuriston toimintakyvyn parantamiseksi. Erillisessä osakokeessa tutkittiin erilaisten johtokyky-yhdistelmien vaikutusta kasvihuonekurkun vegetatiiviseen kasvuun maanpäällisten ja -alaisten kasvinosien välillä sekä juurten morfologiaan ja anatomiaan. Tulokset osoittivat, että jakojuuriviljely lisäsi kasvihuonekurkun sadontuottoa jopa 16 %, mutta ei vaikuttanut koko viljelykauden veden tai ravinteiden ottoon. Yhtenäisjuuriviljelyssä muodostui eniten piikkikärkisiä hedelmiä, mikä viittaa vedensaantiongelmiin haihdutustarpeen ollessa suurin. Viljelytekniikalla ei ollut vaikutusta kasvien vegetatiiviseen kasvuun tai kasvuston rakenteeseen. Lehtiruodeista tehdyt nitraatti- ja kaliummittaukset osoittivat, ettei kasteluliuosten ravinnepitoisuuksilla ollut vaikutusta juurten ravinteiden ottoon. Erilaisilla johtokyky-yhdistelmillä oli huomattavampi vaikutus kasvihuonekurkun juurten painoon kuin verson painoon tai varren pituuskasvuun. Lehtiruotianalyysit viittasivat ravinteiden erilaiseen allokointiin eri johtokyky-yhdistelmissä. Korkeiden johtokykyjen aiheuttama osmoottinen stressi johti muutoksiin juurten morfologiassa ja anatomiassa. Tulosten perusteella jakojuuriviljely paransi kehittyvien hedelmien kohdevahvuutta suhteessa muihin kohteisiin vaikuttamatta vegetatiiviseen kasvuun. Kun laimean ja väkevän ravinneliuoksen puolia vaihdettiin, juuristo otti joustavasti vettä ja ravinteita olosuhteiden määräämästä edullisemmasta johtokyvystä, jolloin kasvihuonekurkun viljelyssä saavutettiin merkittävä satoetu. Juuriston jakaminen vaikuttanee kasvien hormoniaineenvaihduntaan ja voi heikentää juuriston kasvua heikentämättä sen toimintakykyä, jolloin yhteyttämistuotteita kohdennetaan tehokkaammin maanpäällisten osien kasvuun.