Abstract Most plants form symbiotic associations with various fungi in natural ecosystems. Traditionally, many of these associations are viewed as mutually beneficial, but recent studies show that symbiotic interactions can be complex and labile. I studied the variability of interactions between grasses and fungi, using root-associated fungi and foliar endophytes in grasses as study systems. First, I studied experimentally how root-associated fungi colonize their host grasses in different natural and artificial conditions. I then investigated experimentally how foliar endophytes affect their host grasses, and whether the endophyte contributes to the host’s adaptation to local and/or foreign habitats. Finally, I reviewed the current use of foliar endophytes in agriculture, with a particular focus on Europe, and critically considered their potential for practices beyond agriculture. I found root fungi to be common, but different types of root fungi had contrasting colonization patterns in natural environments. However, I found that grasses lose almost all of their root fungi in controlled and more favourable conditions, indicating that the associations are fairly loose and conditional to environmental context. My results also showed that foliar endophytes affected the host’s performance in varying ways, depending on plant origin and experimental country, indicating that the associations were context dependent and could represent conditional mutualism. I also found that endophytes contribute to plant adaptation only weakly, but that the grasses were clearly locally adapted to their sites of origin, especially in regard to reproduction. However, the grasses of subalpine origin performed well vegetatively also in Northern Finland, suggesting that they may have high adaptive potential under changing climates. The literary review showed that foliar endophytes are successfully used in agriculture, e.g. in the USA and New Zealand, and that they possess the potential for several practical applications. However, the intentional use of endophyte-enhanced grasses is non-existent in Europe, although many European grass cultivars have great potential for improvement via endophytes. Taken together, these results show that plant–fungal interactions are highly variable along sites, environmental contexts and origins of the symbiotum, making predictions for these interactions difficult. / Tiivistelmä Luonnollisissa ekosysteemeissä melkein kaikilla kasveilla on symbionttisia sienikumppaneita. Perinteisesti monien näiden vuorovaikutusten on oletettu olevan molemmille hyödyllisiä, mutta viimeaikaiset tutkimukset osoittavat symbionttisten yhteyksien olevan vaihtelevia. Väitöskirjassani tutkin tätä heinien ja sienien välisten yhteyksien vaihtelevuutta, käyttäen heinissä esiintyviä juurisieniä ja lehtiendofyyttejä tutkimuskohteinani. Ensiksi tutkin kokeellisesti, kuinka juurisienet kolonisoivat heiniä erilaisissa luonnon- ja kasvihuoneolosuhteissa. Seuraavaksi tutkin kokeellisesti, kuinka lehtiendofyytit vaikuttivat heinien menestymiseen ja edesauttoivatko endofyytit heinien sopeutumista paikallisiin ja/tai vieraisiin elinympäristöihin. Viimeiseksi selvitin kirjallisuuskatsauksen avulla, kuinka lehtiendofyyttejä hyödynnetään maataloudessa ja arvioin endofyyttien potentiaalista käyttöarvoa maatalouden ulkopuolella, erityisesti keskittyen niiden hyödyntämiseen Euroopassa. Tutkimukseni osoitti, että heinien juurisienet ovat yleisiä, mutta niiden keskinäiset runsaussuhteet vaihtelivat luonnollisissa ympäristöissä. Kasvihuoneolosuhteissa heinät kuitenkin menettivät juurisienensä, viitaten siihen, että kyseinen yhteys on melko löyhä ja riippuvainen ympäristöstä. Tutkimukseni osoitti myös, että lehtiendofyytit vaikuttivat heinien menestykseen vaihtelevasti riippuen heinien alkuperästä sekä koemaasta, viitaten siihen, että nämä yhteydet ovat niin ikään olosuhteista riippuvaisia. Endofyytti vaikutti vain heikosti heinien sopeutumiseen, mutta heinät olivat selkeästi paikallisesti sopeutuneita niiden alkuperäisiin elinympäristöihin, erityisesti heinien lisääntymisen suhteen. Alppien heinät kuitenkin menestyivät vegetatiivisesti myös Pohjois-Lapissa, mikä viittaa siihen, että näillä heinillä saattaa olla korkea sopeutumispotentiaali muuttuvissa olosuhteissa. Kirjallisuuskatsaukseni osoitti, että lehtiendofyyttejä käytetään menestyksekkäästi mm. USA:n ja Uudessa-Seelannin maataloudessa. Euroopassa niiden käyttö on kuitenkin lähes olematonta, vaikka endofyyteillä voisi olla monia käyttömahdollisuuksia, sekä maataloudessa että ympäristön hoidossa. Kaiken kaikkiaan tutkimukseni osoittavat, että heinien ja sienten väliset vuorovaikutukset ovat hyvin vaihtelevia riippuen ympäristöstä ja heinien alkuperästä, minkä vuoksi näiden sienien vaikutuksia heiniin on vaikea ennustaa.

Abstract To date, plant endophytic bacteria have mainly been studied in roots of crop plants. However, shoot-associated endophytes are less diverse than root-associated ones. Hence, endophytic bacteria of plant shoots evolved different traits, than root colonizers, especially with types of host tissues infected and patterns of growth and development. This study found Methylobacterium extorquens colonized pine seedlings similarly to stem-colonizing rhizobia of other plants. M. extorquens DSM13060 was isolated from meristematic cells in shoot tip cultures of Scots pine (Pinus sylvestris L.). M. extorquens infected the plant stem through epidermis or stomatal apertures, forming infection pockets in the root and stem epidermis, or cortex. Post-infection, thread-like infection structures passed through the endoderm, invading vascular tissues. This led to systemic colonization of above and below ground-parts, observed in in vitro grown Scots pine. A novel mechanism enabling development of endophyte-host symbiosis is discovered within the M. extorquens – Scots pine model. This mechanism involves ability of M. extorquens to produce polyhydroxybutyrates (PHB) to protect itself from host-induced oxidative stress during infection. Upon initial colonization on the host surface, M. extorquens DSM13060 consumes methanol as a carbon source, using it to biosynthesize PHB. PHB are then degraded, upon host infection, by PHB depolymerases (PhaZ) to yield methyl-esterified 3-hydroxybutyrate oligomers. These oligomers have substantial antioxidant activity towards host-induced oxidative stress, enabling the bacterium to bypass host defenses and colonize further tissues. The bacteria can also store PHBs for future protection. The capacity for PHB production and, thus, protection from oxidative stress, is discovered in a wide taxonomic range of bacteria. This study also shows meristematic endophytes are important in growth and development of their hosts. Unlike many bacterial root endophytes, M. extorquens DSM13060 does not induce plant growth through hormones. However, this bacterium can colonize the interior of living host cells, where it aggregates around the nucleus of the host plant. M. extorquens DSM13060 genome encodes nucleomodulins, eukaryotic-like transcription factors, which may intervene in host transcription and metabolism. / Tiivistelmä Kasvin sisällä elävien endofyyttisten bakteerien tutkimus on perinteisesti keskittynyt viljelykasveihin ja niiden juuristoon. Kasvien maanpäällisissä versoissa elävät endofyytit eroavat merkittävästi juuriston bakteereista lajirikkauden suhteen. Versoissa eläville bakteereille on todennäköisesti kehittynyt erilaisia sopeumia kuin juuriston endofyyttilajeille. Endofyyttinen Methylobacterium extorquens DSM13060 elää männyn silmujen kasvusolukossa lisäten isäntäkasvin kasvua. Tässä tutkimuksessa M. extorquens –bakteerin todettiin siirtyvän männyn taimiin samoja mekanismeja käyttäen kuin Rhizobium –suvun typensitojabakteerit. Metylobakteeri tunkeutui isäntäkasviin aktiivisesti soluseinien läpi tai varren ilmarakojen kautta muodostaen mikropesäkkeitä juuren ja varren pinnoille, sekä infektiotaskuja kuorisolukkoon. Bakteeri eteni infektiolankojen avulla endodermin ohi johtosolukoihin, mikä mahdollisti bakteerin siirtymisen muualle taimeen. M. extorquens käytti kasvin pinnalla runsaana olevaa metanolia hiilenlähteenään, varastoiden sen solujen sisäiseksi polyhydroksibutyraatti (PHB) polymeeriksi. Infektion myöhemmissä vaiheissa bakteeri hajotti varastoidun polymeerin PHB-depolymeraasientsyymien (PhaZ) avulla lyhyiksi rasvahappoketjuiksi. Nämä metyloidut 3-hydroksibutyraatin oligomeerit suojasivat bakteeria isäntäkasvin puolustuksen tuottamilta happiradikaaleilta mahdollistaen infektion etenemisen. Tutkimuksessa saatujen tulosten perusteella endofyytin solunsisäinen energiavarasto, PHB, toimii pelkistävänä varastona ympäristön hapettavaa stressiä vastaan. Löytö osoitti uudenlaisen antioksidatiivisen puolustumekanismin, joka on levinnyt laajalle bakteerikunnassa ja liittyy yleisesti bakteerien kykyyn sietää vaikeita olosuhteita. Toisin kuin useat juurissa elävät bakteeriendofyytit, M. extorquens ei lisää isäntäkasvin kasvua tuottamalla kasvihormoneja. Bakteeri kykenee elämään männyn elävien solujen sisällä tumien läheisyydessä. M. extorquens DSM13060 genomi sisältääkin useita geenejä, jotka koodaavat nukleomoduliineja, eukaryoottisolujen säätylytekijöiden kaltaisia entsyymejä, joiden avulla bakteeri todennäköisesti vaikuttaa isäntäkasvin aineenvaihduntaan. Vastaavaa vaikutusmekanismia ei ole aikaisemmin kuvattu endofyyteillä. Tutkimus korostaa aiemmin tuntemattomien meristemaattisten bakteeriendofyyttien merkitystä isäntäkasvin kasvussa ja erilaistumisessa.