Langattoman peltotiedustelijan maanalainen toimintaympäristö ja laitesuunnittelu

Tässä väitöskirjassa esitellään langattomien maanalaisten peltotiedustelijoiden järjestelmän tavoitteet ja rajoitukset. Tarkoitus oli kehittää käytännön viljelyyn sovellettava pellon seurantajärjestelmä, sillä reaaliaikaisen kosteus- ja lämpötilatiedon keruulaitteiden puuttuminen haittaa viljelytoimenpiteiden suunnittelua. Mittaus-aineistosta voi tehdä sekä havaintoja pellon ominaisuuksista että muutoksista niissä. Tulevaisuudessa tiedustelijalla saatetaan voida mitata ravinteita tai kemikaaleja. Kun peltotiedustelijan 869 MHz:n radioaalto saavuttaa vastaanottoantennin, on 1) maa-aines vaimentanut sitä; 2) osa aallosta heijastunut rajapinnoilta; 3) pellosta ulos taittuva aalto hajaantunut ja; 4) aallon intensiteetti alentunut etäisyyden kasvaessa. Maan sähkökenttäkäyttäytymistä kuvaava permittiivisyys on kompleksinen suure, jonka reaaliosa kuvaa varautumiskykyä (polarisoitumista) ja imaginaariosa häviöllisyyttä (sähkönjohtavuutta). Pellon pinnassa aalto on pallomainen, joten heijastumisen lisäksi hajaannuttaa taittuminen suurilla taitekulmilla sen tehoa. Tiedustelijan prototyyppiä varten kehitettiin maa-aineksessa toimivat antennit, joiden taajuuskaistat kattoivat ne aallonpituudet, jotka 869 MHz:n radioaalto saa kuivassa ja märässä mullassa, sillä aallon etenemisnopeus ja pituus muuttuvat maan kosteudesta riippuen. Vaimennusmallin testausmittauksiin tehtiin discone-antenni, ja tiedustelijaa varten piirilevytekniikalla pienikokoinen elliptinen monopoliantenni, jonka piirikortille ladottiin myös tiedustelijan elektroniikka. Multalaatikkoon upotettujen antennien säteilyominaisuudet määritettiin piirianalysaattorilla heijastusvaimennusmittauksin. Elektroniikkasuunnittelun tavoitteita oli pieni koko ja pitkä toimintaikä. Näihin päästiin komponenttivalinnoilla sekä ohjelmoinnin keinoin. Tiedustelija teki mittaukset ja lähetti tulokset 10 min välein ja sen keskivirrankulutus oli 4,2 uA käytettäessä 3 V:n paristoa, jonka 1800 mAh kapasiteetti riittäisi huonollakin hyötysuhteella yli 10 vuodeksi. Vuoden mittaisen 12 prototyypin käytön perusteella voidaan kantamaa parantaa yli nykyisen 200 m:n ilman käyttöiän lyhentymistä 1) nostamalla laitteen lähetystehoa ja pariston käyttöastetta lisäkomponenteilla; 2) parantamalla vastaanottoantennin vahvistusta; 3) pidentämällä lähetysten jaksoa; 4) ohjelmoimalla tiedustelija suodattamaan mittaustietoja ja; 5) koodaamalla useita tuloksia samaan lähetteeseen. Järjestelmän ja mittaustulosten käytettävyyttä voidaan parantaa paikantamalla tiedustelijoiden syvyydet aaltoilevan lämpötilan vaihe-erojen perusteella ja ohjelmoimalla tiedustelijaan opastava asennustoiminto. Lisäksi maahan asennetun tiedustelijan toimintaparametrit tai jopa koko ohjelmisto voidaan vaihtaa langattomasti. Vastaanottoasemat matkapuhelinmastoissa voisivat vastaanottaa viestejä parin kilometrin säteeltä. Koostettu aineisto maaperäsimulaattoreihin yhdistettynä antaisi kuvan alueellisesta tilanteesta ja viljelijän omille lohkoille sijoitetut tiedustelijat korjauspisteitä keskiarvosta.

Gympie messmate (plantations)

Gympie messmate is an important commercial wood products tree in Queensland that produces high quality, strong, extremely durable and attractive timber. Although only small volumes are harvested from native forests in Queensland, it has a well-established market, and is in demand nationally. Gympie messmate timber from native forest has been used for a range of construction, engineering, appearance products and round timbers.

Plant species diversity of buffer zones in agricultural landscapes: in search of determinants from the local to regional scale

Buffer zones are vegetated strip-edges of agricultural fields along watercourses. As linear habitats in agricultural ecosystems, buffer strips dominate and play a leading ecological role in many areas. This thesis focuses on the plant species diversity of the buffer zones in a Finnish agricultural landscape. The main objective of the present study is to identify the determinants of floral species diversity in arable buffer zones from local to regional levels. This study was conducted in a watershed area of a farmland landscape of southern Finland. The study area, Lepsämänjoki, is situated in the Nurmijärvi commune 30 km to the north of Helsinki, Finland. The biotope mosaics were mapped in GIS. A total of 59 buffer zones were surveyed, of which 29 buffer strips surveyed were also sampled by plot. Firstly, two diversity components (species richness and evenness) were investigated to determine whether the relationship between the two is equal and predictable. I found no correlation between species richness and evenness. The relationship between richness and evenness is unpredictable in a small-scale human-shaped ecosystem. Ordination and correlation analyses show that richness and evenness may result from different ecological processes, and thus should be considered separately. Species richness correlated negatively with phosphorus content, and species evenness correlated negatively with the ratio of organic carbon to total nitrogen in soil. The lack of a consistent pattern in the relationship between these two components may be due to site-specific variation in resource utilization by plant species. Within-habitat configuration (width, length, and area) were investigated to determine which is more effective for predicting species richness. More species per unit area increment could be obtained from widening the buffer strip than from lengthening it. The width of the strips is an effective determinant of plant species richness. The increase in species diversity with an increase in the width of buffer strips may be due to cross-sectional habitat gradients within the linear patches. This result can serve as a reference for policy makers, and has application value in agricultural management. In the framework of metacommunity theory, I found that both mass effect(connectivity) and species sorting (resource heterogeneity) were likely to explain species composition and diversity on a local and regional scale. The local and regional processes were interactively dominated by the degree to which dispersal perturbs local communities. In the lowly and intermediately connected regions, species sorting was of primary importance to explain species diversity, while the mass effect surpassed species sorting in the highly connected region. Increasing connectivity in communities containing high habitat heterogeneity can lead to the homogenization of local communities, and consequently, to lower regional diversity, while local species richness was unrelated to the habitat connectivity. Of all species found, Anthriscus sylvestris, Phalaris arundinacea, and Phleum pretense significantly responded to connectivity, and showed high abundance in the highly connected region. We suggest that these species may play a role in switching the force from local resources to regional connectivity shaping the community structure. On the landscape context level, the different responses of local species richness and evenness to landscape context were investigated. Seven landscape structural parameters served to indicate landscape context on five scales. On all scales but the smallest scales, the Shannon-Wiener diversity of land covers (H') correlated positively with the local richness. The factor (H') showed the highest correlation coefficients in species richness on the second largest scale. The edge density of arable field was the only predictor that correlated with species evenness on all scales, which showed the highest predictive power on the second smallest scale. The different predictive power of the factors on different scales showed a scaledependent relationship between the landscape context and local plant species diversity, and indicated that different ecological processes determine species richness and evenness. The local richness of species depends on a regional process on large scales, which may relate to the regional species pool, while species evenness depends on a fine- or coarse-grained farming system, which may relate to the patch quality of the habitats of field edges near the buffer strips. My results suggested some guidelines of species diversity conservation in the agricultural ecosystem. To maintain a high level of species diversity in the strips, a high level of phosphorus in strip soil should be avoided. Widening the strips is the most effective mean to improve species richness. Habitat connectivity is not always favorable to species diversity because increasing connectivity in communities containing high habitat heterogeneity can lead to the homogenization of local communities (beta diversity) and, consequently, to lower regional diversity. Overall, a synthesis of local and regional factors emerged as the model that best explain variations in plant species diversity. The studies also suggest that the effects of determinants on species diversity have a complex relationship with scale.

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.

Selenium and its effects on growth, yield and tuber quality in potato

Selenium (Se) has been demonstrated to be an essential trace element for maintenance of animal and human health. Although it has not been confirmed to be an essential micronutrient in higher plants, there is increasing evidence that Se functions as an antioxidant in plants. Selenium has been shown to exert a beneficial effect on crop growth and promotes stress tolerance at low concentrations. However, the specific physiological mechanisms that underlie the positive effects of Se in plants have not been clearly elucidated. The aims of this study were to determine the Se concentration in potato (Solanum tuberosum L.) and the effects of Se on the accumulation of carbohydrates, growth and yield in potato plants. An additional aim was to study the impact of Se on the total glycoalkaloid concentration in immature potato tubers. The distribution of Se in different biochemical Se fractions and the effect of storage on the Se concentration were studied in Se-enriched tubers. Furthermore, the effect of Se on raw darkening and translocation of Se from seed tubers to the next tuber generation was investigated. Due to the established anti-ageing properties of Se, it was of interest to study if Se affects physiological age and growth vigour of seed tubers. The Se concentrations in the upper leaves, roots, stolons and tubers of potato increased with increasing Se supplementation. The highest Se concentration was reached in young upper leaves, roots and stolons, indicating that added selenate was efficiently utilized and taken up at an early stage. During the growing period the Se concentration declined in the aerial parts, roots and stolons of potato plants whereas an intensive accumulation took place in immature and mature tubers. Selenium increased carbohydrate accumulation in the young upper leaves and in stolons, roots and tubers at maturity. This could not be explained by increased production of photoassimilates as net photosynthesis did not differ among Se treatments. The Se treated plants produced higher tuber yields than control plants, and at the highest Se concentration (0.3 mg kg-1) lower numbers of larger tubers were harvested. Increased yield of Se treated plants suggested that Se may enhance the allocation of photoassimilates for tuber growth, acting as a strong sink for both Se and for carbohydrates. Similarly as for other plant species, the positive impact of Se on the yield of potato plants could be related to its antioxidative effect in delaying senescence. The highest Se supplementation (0.9 mg kg-1) slightly decreased the glycoalkaloid concentration of immature tubers. However, at this level the Se concentration in tubers was about 20 µg g-1 DW. A 100 g consumption of potato would provide about 500 mg of Se, which exceeds the upper safe intake level of 400 µg per day for human dietary. The low Se applications (0.0035 and 0.1 mg kg-1) diminished and retarded the degree of raw darkening in tubers stored for one and eight months, which can be attributed to the antioxidative properties of Se. The storage for 1 to 12 months did not affect the Se concentrations of tubers. In the Se enriched tubers Se was allocated to the organic Se fraction, indicating that it was incorporated into organic compounds in tubers. Elevated Se concentration in the next-generation tubers produced by the Se enriched seed tubers indicated that Se could be translocated from the seed tubers to the progeny. In the seed tubers stored for 8 months, at high levels, Se had some positive effects on the growth vigour of sprouts, but Se had no consistent effect on the growth vigour of seed tubers of optimal physiological age. These results indicate that Se is a beneficial trace element in potato plants that exerts a positive effect on yield formation and improves the processing and storage quality of table potato tubers. These positive effects of Se are, however, dependent on the Se concentration and the age of the potato plant and tuber.

Automatic Lameness Detection in a Milking Robot : Instrumentation, measurement software, algorithms for data analysis and a neural network model

The aim of this thesis is to develop a fully automatic lameness detection system that operates in a milking robot. The instrumentation, measurement software, algorithms for data analysis and a neural network model for lameness detection were developed. Automatic milking has become a common practice in dairy husbandry, and in the year 2006 about 4000 farms worldwide used over 6000 milking robots. There is a worldwide movement with the objective of fully automating every process from feeding to milking. Increase in automation is a consequence of increasing farm sizes, the demand for more efficient production and the growth of labour costs. As the level of automation increases, the time that the cattle keeper uses for monitoring animals often decreases. This has created a need for systems for automatically monitoring the health of farm animals. The popularity of milking robots also offers a new and unique possibility to monitor animals in a single confined space up to four times daily. Lameness is a crucial welfare issue in the modern dairy industry. Limb disorders cause serious welfare, health and economic problems especially in loose housing of cattle. Lameness causes losses in milk production and leads to early culling of animals. These costs could be reduced with early identification and treatment. At present, only a few methods for automatically detecting lameness have been developed, and the most common methods used for lameness detection and assessment are various visual locomotion scoring systems. The problem with locomotion scoring is that it needs experience to be conducted properly, it is labour intensive as an on-farm method and the results are subjective. A four balance system for measuring the leg load distribution of dairy cows during milking in order to detect lameness was developed and set up in the University of Helsinki Research farm Suitia. The leg weights of 73 cows were successfully recorded during almost 10,000 robotic milkings over a period of 5 months. The cows were locomotion scored weekly, and the lame cows were inspected clinically for hoof lesions. Unsuccessful measurements, caused by cows standing outside the balances, were removed from the data with a special algorithm, and the mean leg loads and the number of kicks during milking was calculated. In order to develop an expert system to automatically detect lameness cases, a model was needed. A probabilistic neural network (PNN) classifier model was chosen for the task. The data was divided in two parts and 5,074 measurements from 37 cows were used to train the model. The operation of the model was evaluated for its ability to detect lameness in the validating dataset, which had 4,868 measurements from 36 cows. The model was able to classify 96% of the measurements correctly as sound or lame cows, and 100% of the lameness cases in the validation data were identified. The number of measurements causing false alarms was 1.1%. The developed model has the potential to be used for on-farm decision support and can be used in a real-time lameness monitoring system.

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.