Abstract Spatial and temporal variation is a universal feature in most organisms in nature, commonly reflecting the past evolutionary history of the species as well as the prevailing environmental conditions. The purpose of this doctoral thesis study was to investigate the genetic and phenotypic variation, and to assess the roles of the different processes affecting them in the moose (Alces alces). Altogether 809 DNA samples of moose, gathered throughout Finland and the Republic of Karelia in Russia, were analysed with a variety of population genetic methods. Furthermore, the shape of the moose mandible was investigated with the help of geometric morphometrics using a subset of samples gathered from 179 moose in Finland. This study showed that the Finnish and especially the Karelian moose population harboured relatively high genetic diversity, albeit with clear regional differences in its spatial distribution. In the northern half of Finland, a secondary contact of two diverged mitochondrial lineages was revealed. The presence of the two lineages was interpreted to reflect the existence of allopatric refugia of moose during the Last Glacial Maximum and the subsequent bi-directional recolonisation of Fennoscandia. Furthermore, a spatially explicit Bayesian clustering analysis suggested existence of three genetic clusters, which were estimated to have split after the post-glacial recolonisation. The results also showed that past declines in the moose numbers during the 18th and 19th centuries led to population bottlenecks, leaving a genetic imprint. Thus, the present moose population in eastern Fennoscandia carries the signs of both ancient and more recent events in its genetic composition. Finally, a significant latitudinal shift was revealed in the shape of the moose mandible. The pattern was considered independent of the genetic clustering of the population. The main changes included an enlargement of the attachment surfaces of the muscles controlling biting and mastication, implying more effective mastication in the north compared with the south, possibly an adaptive response to a longer period of hard wintertime diet. The results of this thesis encourage continuation of studies on the moose in order to fully reveal the impact of particular historical events and especially anthropogenic factors on the genetic and phenotypic variation of this species. They also provide the starting point for ‘genetically enlightened’ moose management and conservation in Finland. / Tiivistelmä Lähes kaikilla eliölajeilla esiintyy ajallista ja paikallista muuntelua, joka on seurausta lajin evolutiivisesta historiasta ja vallitsevista ympäristöoloista. Tässä väitöskirjatutkimuksessa tutkin hirven (Alces alces) geneettistä ja fenotyyppistä muuntelua sekä niitä selittäviä taustatekijöitä populaatiogeneettisillä ja geometrisen morfometrian menetelmillä. Geneettisen aineiston muodostivat Suomesta ja Venäjän Karjalasta kerätyt 809 hirven DNA-näytteet. Fenotyyppisenä ominaisuutena tutkittiin hirven leukaluun muotoa yhteensä 179 alaleuasta. Geneettinen monimuotoisuus oli tutkimuksen mukaan Suomen ja erityisesti Karjalan hirvipopulaatiossa verrattain korkea, joskin alueelliset erot olivat varsin selviä. Pohjoisesta Suomesta löytyi kahta erilaistunutta mitokondrion DNA:n sukulinjaa, joiden arvioin erilaistuneen viimeisen jääkauden aikana, todennäköisesti erillisissä refugioissa, ja saapuneen aikoinaan Suomeen eri reittejä pitkin. Tämän ohella tuman DNA paljasti lisää alueellisia rakenteita; bayesilainen ryhmittelyanalyysi havaitsi hirvellä kolme erillistä alapopulaatiota. Näiden ryhmien arvioin kehittyneen vasta Suomen uudelleenasuttamisen jälkeen. Tämän tutkimuksen tulokset osoittivat myös, että historiallisesti tunnetut kannanromahdukset 1700- ja 1800-luvuilla johtivat populaation pullonkaulaan, joka jätti jälkensä hirven perimään. Itäisen Fennoskandian hirvipopulaation geneettiseen muunteluun ovat siis vaikuttaneet sen historian aikana niin jääkauden aikaiset kuin tuoreemmatkin tapahtumat. Tämän lisäksi hirven alaleuan muodossa havaittiin merkitsevä etelä-pohjoissuuntainen muutos. Tulosten mukaan purentaa ohjaavien lihasten kiinnityspinnat laajenevat pohjoista kohti siirryttäessä, mikä viittaisi siihen, että hirven leukojen puruvoima on pohjoisessa suurempi kuin etelässä. Ilmiö oli riippumaton populaation geneettisestä ryhmittyneisyydestä, ja se on mahdollisesti seurausta kovemman talviruokavalion aiheuttamasta adaptiivisesta vasteesta. Tämän väitöskirjan tulokset rohkaisevat jatkamaan aiheen tutkimusta, jotta eri historiallisten tapahtumien sekä eritoten ihmisvaikutuksen merkitys lajin geneettiseen ja fenotyyppiseen muunteluun voitaisiin selvittää perin pohjin. Lisäksi tulokset muodostavat lähtökohdan ’geneettisesti valistuneelle’ hirvikannan hoidolle Suomessa.

Abstract Wild populations of large carnivores in Europe were almost wiped out during the last centuries. Nowadays, the number of brown bears in North and Eastern Europe has increased, and the current situation suggests that these populations have recovered or are in the process of recovery. Knowledge of the population genetic consequences of demographic recovery in large carnivores, especially across national borders and on broader geographical scales, is still limited. In this study, we collected 3,757 fecal and hair samples as well as 881 tissue samples from brown bears across Northern Europe, with a focus on the Finnish population and neighboring areas, to investigate the population structure, connectivity, and genetic diversity on a spatial as well as a temporal scale. Bayesian clustering analysis of the population structure suggested the division of brown bears in Northern Europe into several genetic clusters, and the subdivision of the Finnish population into a northern and southern subpopulation. The estimation of gene flow pointed to better connectivity of the bears between Southern Finland and Western Russia, while migration between Scandinavia and Northern Finland as well as between Scandinavia and Southern Finland/Western Russia appeared to be restricted. Genetic clusters identified in Finland, Russia and Northern Norway displayed high genetic diversity, which was among the highest reported in wild brown bears. Recovery of the Finnish population has been accompanied by a detected range expansion towards the north, while genetic differentiation between clusters has decreased and genetic diversity has increased in the southern population, suggesting expansion from the south. Our results demonstrated that the immigration of bears from Russia still plays a major role in the Finnish bear population; however, connectivity between the Finnish-Russian population and Scandinavian bears appears to be restricted and should be improved, as well as regularly monitored. / Tiivistelmä Suurpetojen luonnonpopulaatiot hävisivät Euroopasta melkein kokonaan viimeisten vuosisatojen aikana. Ruskeakarhujen määrä on viime aikoina kasvanut Pohjois- ja Itä-Euroopassa, ja karhupopulaatiot ovat toipuneet tai toipumassa. Tieto demografisen toipumisen geneettisistä seurauksista populaatioissa on varsin rajoittunutta etenkin laajemmassa maantieteellisessä mittakaavassa, yli valtiorajojen. Keräsimme tätä tutkimusta varten 3757 uloste- ja karvanäytettä ja 881 kudosnäytettä Suomesta ja sen lähialueilta. Tarkoituksenamme oli kartoittaa Pohjois-Euroopan karhupopulaatioiden geneettistä rakennetta ja monimuotoisuutta, sekä populaatioiden välisiä yhteyksiä huomioiden ajallinen ja maantieteellinen ulottuvuus. Bayesiläisen ryhmittelyanalyysin perusteella Pohjois-Euroopan karhut jakaantuvat useaan geneettiseen ryhmään. Suomen populaatiossa erottuivat eteläinen ja pohjoinen alapopulaatio. Analyysit geenivirran määrästä osoittivat, että Etelä-Suomen ja Länsi-Venäjän karhupopulaatiot ovat yhteneväisemmät, kun taas migraatio Skandinavian ja Pohjois-Suomen sekä Etelä-Suomen ja Länsi-Venäjän välillä vaikuttaisi olevan rajoittunutta. Suomesta, Venäjältä ja Pohjois-Norjasta tunnistetut alaryhmät olivat geneettisesti hyvin monimuotoisia, ja muuntelu oli korkeampaa kuin koskaan aiemmin karhuilla havaittu. Suomen karhupopulaation toipuessa ja levitessä pohjoiseen, geneettinen erilaistuminen maan sisällä on vähentynyt ja eteläisen alapopulaation monimuotoisuus kasvanut. Tämä viittaa populaation laajentumiseen etelästä käsin. Tulosten perusteella karhujen tulomuutto Venäjältä on yhä tärkeää Suomen populaatiolle. Suomen ja Venäjän karhupopulaatioiden yhteyttä Skandinavian karhupopulaatioihin tulisi seurata ja parantaa.

Abstract Knowledge of the determinants of the viability of populations is essential in order to undertake effective conservation and management of endangered species. In this study, long-term demographic data was combined with genetic data to study the viability of an endangered orchid species, Epipactis atrorubens. The genetic analyses revealed low levels of genetic variation and the presence of population genetic differentiation independent of the spatial scale. Low levels of seed-mediated gene flow, possibly linked to low seedling recruitment, is the likely cause of the low levels of gene flow. Indications of slow post-glacial colonisation rates were found, which together with the low gene flow predict a limited capacity of the species to shift its range to more suitable habitats after environmental change. Low genetic variation as a proxy for low evolutionary potential also suggests that the species has limited capacity to adapt to new environmental conditions. Furthermore, poor seedling recruitment lowers population viability in small populations, as highlighted by the low population growth rates. In addition, we found a strong effect of stochasticity that limits the viability of populations. Both the genetic and demographic analyses indicated low viability of the studied species and that seedling recruitment could be the main determinant for the viability. / Tiivistelmä Luonnonsuojelun perusta on populaatioiden elinkykyyn vaikuttavien tekijöiden tuntemus. Tässä väitöskirjatyössä tutkittiin uhanalaisen orkidean, tummaneidonvaipan (Epipactis atrorubens), elinkykyyn vaikuttavia tekijöitä yhdistämällä pitkäaikaisseurannoilla kerätyt demografiset aineistot geneettisin menetelmin kerättyihin aineistoihin. Lajin populaatioiden geneettisen muuntelun määrän havaittiin olevan pieni ja populaatioiden todettiin olevan geneettisesti erilaistuneita maantieteellisestä skaalasta riippumatta. Geneettisen erilaistumisen syy voi olla alhainen geenivirta, joka on seurausta vähäisestä siemendispersaalista ja huonosta taimettumisesta. Populaatioiden evolutiivista historiaa tutkittaessa havaittiin merkkejä hitaasta jääkauden jälkeisestä kolonisaatiosta, mikä yhdessä alhaisen geenivirran kanssa ennustaa, että lajilla on huono kyky siirtyä sille sopivammille alueille, jos ympäristö muuttuu. Huonoa evolutiivista potentiaalia kuvastava vähäinen geneettinen muuntelu ennustaa, että lajilla on huono kyky sopeutua uusiin ympäristöoloihin. Tämän lisäksi huono taimettuminen laskee elinkykyä etenkin pienissä populaatioissa, mikä näkyy muun muassa pienten populaatioiden matalina kasvukertoimina. Stokastinen vaihtelu vaikutti elinkykyä alentavasti, mikä pitäisikin huomioida nykyistä paremmin elinkykyanalyyseissä. Sekä geneettiset että demografiset analyysit osoittivat taimettumisen mahdollisesti olevan määräävä tekijä tummaneidonvaipan populaatioiden elinkyvylle.

Abstract A central goal in evolutionary biology is to identify the ecological and genetic mechanisms that give rise to adaptation and speciation. Importantly, a large body of theoretical work has modelled the adaptive evolution under selection, migration and drift. Yet to test these predictions on an empirical level has proven a challenging task. The aim of my thesis is to explore outstanding questions in local adaptation and reproductive isolation using natural populations of Arabidopsis lyrata: How does differential selection lead to adaptive divergence in the face of gene flow and drift? What traits underlie both short- and large-scale adaptive differentiation? And what reproductive barriers are involved in incipient speciation? By combining whole-genome based demography simulations with a multi-year reciprocal transplant experiment, I confirmed that alpine and lowland populations of A. lyrata are adapted to their local environments despite high gene flow and strong drift. Patterns of trait differentiation, supported by analysis of phenotypic selection, further suggested that flowering traits have contributed to the adaptive divergence. Selection patterns at the sequence level confirmed that the genetic architecture underlying the local adaptation conforms to theory: populations under higher levels of gene flow had fewer adaptive loci that were also found in areas of reduced recombination. Although most selection outliers were population specific, indicating conditional neutrality, a small proportion showed potential for genetic trade-offs (antagonistic pleiotropy). The analysis also revealed important traits and biological processes linked to alpine and lowland adaptation. The role of seed germination in large-scale adaptation and reproductive isolation was also studied. Populations representing the European and North American subspecies exhibited germination patterns consistent with adaptive differentiation. Comparisons against first- and second-generation hybrids then indicated that genetic incompatibilities impede germination of the hybrid seeds. Furthermore, genetic mapping helped to clarify the genetic basis of these phenotypic traits. Taken together, the three studies in this thesis highlight the value of combining traditional organismal methods with next-generation genomics, by providing novel insights into processes underlying adaptation and speciation. / Tiivistelmä Evoluutiobiologian keskeinen tehtävä on sopeutumiseen ja lajiutumiseen johtavien prosessien selvittäminen. Vaikka evoluutiovoimien – luonnonvalinnan, geenivirran ja geneettisen satunnaisajautumisen – vaikutusta adaptiivisen muuntelun määrään on mallinnettu laajalti, teoreettisten ennusteiden tarkastelu empiirisellä tasolla on usein osoittautunut haastavaksi. Tässä väitöskirjatyössä pyrin vastaamaan eräisiin paikallissopeutumisen ja lajiutumisen kannalta tärkeisiin kysymyksiin, hyödyntäen kasvilaji idänpitkäpalkoa (Arabidopsis lyrata) malliorganismina: Kuinka luonnonvalinta johtaa paikallissopeutumiseen tilanteessa, jossa geenivirta samankaltaistaa eriytyvien populaatioiden perimää? Mitkä ominaisuudet vaikuttavat adaptiiviseen erilaistumiseen eri etäisyyksillä olevien populaatioiden välillä? Sekä millaiset lisääntymisesteet johtavat alkavaan lajiutumiseen? Yhdistämällä genomisekvensointiin perustuvan demografia-analyysin ja monivuotisen siirtoistutuskokeen, selvitin kuinka idänpitkäpalkopopulaatiot ovat sopeutuneet elinympäristöihinsä runsaasta geenivirrasta ja voimakkaasta satunnaisajautumisesta huolimatta. Fenotyyppisen muuntelun ja kelpoisuuden yhteys vahvisti myös, että kukkimisominaisuudet ovat vaikuttaneet populaatioidenväliseen adaptiiviseen erilaistumiseen. Valinnan merkkien etsiminen sekvenssitasolla osoitti, että havaintoni paikallissopeutumisen geneettisestä arkkitehtuurista tukevat teoreettisia ennusteita: populaatioista, joihin kohdistuu voimakasta geenivirtaa, löytyi vähemmän adaptiivisia lokuksia ja ne olivat keskittyneet matalamman rekombinaation alueille. Suurin osa adaptiivisista lokuksista löytyi ainoastaan yhdestä populaatiosta, ollen näin todennäköisesti valinnan alla ainoastaan tietyssä elinympäristössä. Pieni osuus lokuksista vastasi kuitenkin harvoin havaittua tilannetta, jossa hajottava valinta on johtanut eri alleelien runsastumiseen populaatioissa, joita yhdistää geenivirta. Tutkin myös, miten itämisajan muuntelu vaikuttaa sopeutumiseen pitkällä aikavälillä. Eurooppalaista ja pohjoisamerikkalaista alalajia edustavat populaatiot itivät tavalla, joka viittaa adaptiiviseen erilaistumiseen. Ensimmäisen ja toisen hybridisukupolven siementen vertailu paljasti lisäksi, että geneettiset yhteensopimattomuudet haittaavat hybridien itämistä, toimien näin lisääntymisesteenä. Geenikartoitus auttoi myös selventämään näiden itämisominaisuuksien geneettistä taustaa. Tämän väitöskirjan kolme osatyötä korostavat miten perinteisten yhteiskenttäkokeiden ja uuden sukupolven genomimenetelmien yhdistelmä voi tuottaa arvokasta lisätietoa sopeutumisen ja lajiutumisen mekanismeista.

Abstract Many species and populations have perished as a consequence of human actions. During the last ~200 years, large carnivores have been almost completely extirpated from Western Europe. Large-scale wolf hunting started in Finland around the 1850s, and the population size quickly collapsed. The population was very small until the mid-1990s, when wolves started to regularly reproduce in Finland again. The wolf is an endangered species in Finland, and the biggest threat to the species’ survival is excessive hunting. In this doctoral thesis study, I inspected the genetic structure and diversity of the Finnish wolf population using neutral genetic markers. Almost 300 wolves from the contemporary Finnish population and over 50 wolves from the north-western Russia were analyzed with genetic methods. Additionally, the genetic history of the population was examined with the help of over 100 museum samples. The modern Finnish wolf population proved to be genetically as diverse as the non-endangered Eastern European and North American wolf populations. However, the genetic diversity decreased significantly during the study period (1995–2009), and was at its lowest level in the final phase of the examination. In tandem, the inbreeding coefficient rose to a relatively high level. Genetic sub-structures were observed due to social structures within wolf packs. The mean dispersal distances of wolves were approximately only 100 km. The Finnish wolf population is divided into neighbourhoods of related individuals, and their size substantially decreased during the study period. This pattern, together with the growth of the inbreeding coefficient, suggests that lost alpha individuals in wolf packs are replaced by their offspring. This study demonstrated that Russian and Finnish wolf populations are nowadays genetically differentiated. Gene flow between the populations is low, despite the geographic interconnection. Only a few possible immigrants from Russia into Finland were detected in the study. The effective size of the Finnish wolf population proved to be small, and was mainly below the often-considered critical size of 50. Historical analysis revealed that the Finnish wolf population was formerly genetically more diverse, more continuous with the Russian wolf population, and had a more than 90% larger effective size. On the basis of this study, the genetic status of the Finnish wolf population is worrying and needs to be monitored. The population should be substantially larger than today and/or the amount of gene flow higher, so that the population viability could be considered secured even in the short term. / Tiivistelmä Ihmisen toiminnan seurauksena lukuisat eliölajit ja –populaatiot ovat hävinneet. Viimeisten noin 200 vuoden aikana suurpedot hävitettiin lähes koko Länsi-Euroopasta. Laajamittainen sudenmetsästys alkoi Suomessa 1850-luvun paikkeilla ja kanta romahti nopeasti. Populaatio oli hyvin pieni lähes koko 1900-luvun, ja sudet ovat jälleen lisääntyneet yhtäjaksoisesti Suomessa vasta 1990-luvun puolivälistä. Susi on erittäin uhanalainen Suomessa ja merkittävin uhka lajin säilymiselle on liiallinen metsästys. Tarkastelen tässä väitöskirjatyössäni Suomen susipopulaation geneettistä rakennetta ja monimuotoisuutta neutraaleja geenimerkkejä käyttäen. Tutkimuksessa analysoitiin geneettisin menetelmin lähes 300 sutta nyky-Suomesta sekä yli 50 sutta Luoteis-Venäjältä. Lisäksi populaation geneettistä historiaa selvitettiin yli 100 museonäytteen avulla. Nykyinen Suomen susipopulaatio osoittautui tutkimuksessa geneettisesti yhtä monimuotoiseksi kuin ei-uhanalaiset susipopulaatiot Itä-Euroopassa ja Pohjois-Amerikassa. Geneettisen muuntelun määrä kuitenkin laski tutkimusajanjaksolla (1995–2009) merkitsevästi ollen matalin tarkastelujakson lopussa. Samanaikaisesti populaation sukusiitoskerroin nousi verrattain korkeaksi. Susipopulaatiossa havaittiin sosiaalisista rakenteista johtuvia geneettisiä alarakenteita. Susien dispersaalimatkat olivat keskimäärin vain noin 100 km. Suomen susipopulaatio on jakautunut toisilleen sukua olevien yksilöiden naapurustoiksi, joiden koko pieneni huomattavasti tutkimusajanjaksolla. Tämä yhdessä sukusiitoskertoimen kasvun kanssa viittaa susilaumojen menetettyjen alfayksilöiden korvautumiseen jälkeläisillään. Tutkimus osoitti, että Venäjän ja Suomen susipopulaatiot ovat nykyisin geneettisesti erilaistuneet. Geenivirta populaatioiden välillä on maantieteellisestä yhteydestä huolimatta vähäistä. Tutkimuksessa havaittiin vain muutamia todennäköisiä immigrantteja Venäjältä Suomeen. Suomen susipopulaation efektiivinen koko osoittautui pieneksi ollen pääosin alle kriittisenä rajana pidetyn 50:en. Historiallinen tarkastelu osoitti Suomen susipopulaation olleen aiemmin geneettisesti monimuotoisempi, yhtenäisempi Venäjän susipopulaation kanssa ja efektiiviseltä kooltaan yli 90 % nykyistä suurempi. Tutkimuksen perusteella Suomen susipopulaation geneettinen tila on huolestuttava ja tarvitsee seurantaa. Populaation tulisi olla nykyistä huomattavasti suurempi ja/tai geenivirran määrän korkeampi, jotta populaation elinvoimaisuuden voitaisiin katsoa olevan turvattu edes lyhyellä aikavälillä.

Abstract Thoracic aortic aneurysms (TAAs) are a significant source of morbidity and mortality. Classical risk factors for TAAs are hypertension, atherosclerosis, male gender, smoking, age, high body mass index, family history and chronic obstructive pulmonary disease. In addition, in certain cases of TAAs, i.e., ascending aortic aneurysms (AscAA), genetic factors are highly prominent. Matrix metalloproteinases are in a major role in the destruction of the aortic wall and the imbalance between matrix metalloproteinases, and their inhibitors are involved in the formation of aneurysms. In addition, osteopontin is a potent regulator of matrix metalloproteinases and it is widely expressed in injured arteries. Recently, telomere shortening has been shown to be involved in the development of abdominal aortic aneurysms (AAA). In this aneurysm type, atherosclerosis has a major role. Since atherosclerosis is frequently absent in the case of TAAs, the length of telomeres was measured in the blood samples of TAA patients. The purpose of this thesis was to study the genetic background of TAAs of the ascending aorta and furthermore, the molecular background of this disease. The first study was done with families with TAAs, and dissections and one chromosomal locus (5q13-14) of the studied seven loci showed a significant genetic linkage for TAAs. Two other studies were done exploiting our TAA case-control material. Study II showed elevated levels of osteopontin, matrix metalloproteinase type 2 and 9 in the plasma and tissue samples of TAA patients compared with controls. In the third study, longer blood leukocyte telomeres were found in the DNA samples of TAA patients compared with controls; furthermore, the elevation of telomere lengthening protein telomerase expression was found in the tissue samples of TAA patients. This thesis presents region 5q13-14 as a potential genetic regulator for TAAs in Finnish families. In addition, elevated levels of osteopontin, matrix metalloproteinase type 2 and 9 can be considered as a plasma biomarker for aneurysmal disease. Furthermore, longer blood leukocytes were found to be a significant risk factor for developing TAAs. / Tiivistelmä Rinta-aortan aneurysmat ovat merkittävä sairastumisiin ja kuolemiin johtava tekijä. Perinteisinä riskitekijöinä aneurysmille on pidetty korkeaa verenpainetta, ateroskleroosia, miessukupuolta, tupakointia, ikää, ylipainoa, suvussa esiintyneitä aneurysmatapauksia ja keuhkoahtaumatautia. Näiden lisäksi erityisesti nousevan rinta-aortan alueella esiintyvissä aneurysmissa myös perinnöllisillä tekijöillä on korostunut merkitys. Matriksimetalloproteinaaseilla ja niiden estäjillä on merkittävä rooli, kun aortan seinämää hajotetaan. Tasapainon järkkyminen kyseisten proteiinien keskinäisessä suhteessa voi johtaa aneurysman muodostumiseen. Myös osteopontiinin tiedetään olevan tehokas matriksimetalloproteinaasien säätelijä, ja sitä tuotetaankin yleisesti vahingoittuneessa verisuonessa. Telomeerien lyhentyminen on vastikään yhdistetty vatsa-aortan alueella esiintyviin aneurysmiin, joissa ateroskleroosilla on yleensä merkittävä rooli. Koska ateroskleroosi on vain harvoin nousevan rinta-aortan alueen aneurysmien taustalla, rinta-aortan aneurysmapotilaiden valkosolujen telomeerien suhteelliset pituudet määritettiin. Väitöskirjan ensimmäisessä osatyössä keskityttiin löytämään geneettinen kytkentä rinta-aortan aneurysmien ja jonkin seitsemän tutkitun kromosomialueen välille. Geneettinen kytkentä löydettiin kromosomialueelta 5q13-14. Osatöissä 2 ja 3 hyödynnettiin rinta-aortan aneurysmien potilas- ja verrokkiaineistoja. Osatyö 2 osoitti, että matriksimetalloproteinaasien (2 ja 9) määrät ovat kohonneet rinta-aortan aneurysmapotilaiden näytteissä verrokkeihin verrattuna. Osatyössä 3 telomeerien suhteelliset pituudet veren valkosoluissa olivat pidemmät nousevan rinta-aortan aneurysmapotilaiden näytteissä verrokkihenkilöiden näytteisiin verrattuna. Myös telomeraasin tuotto oli lisääntynyt rinta-aortan aneurysmapotilaiden aorttakudosnäytteissä. Väitöskirjassa esitetään tuloksena kromosomialue 5q13-14 geneettisenä säätelijänä suomalaisissa suvuittain esiintyvissä rinta-aortan aneurysmatapauksissa. Kohonneita matriksimetalloproteinaasien ja osteopontiinin tasoja voidaan lisäksi pitää biomarkkereina rinta-aortan aneurysmien sairastavuudelle. Veren valkosolujen pidemmät telomeerit näyttävät myös olevan yhteydessä rinta-aortan aneurysmien sairastavuuteen.

Abstract The study of speciation has been an area of primary interest in evolutionary biology from Darwin to the present day. Understanding the processes that give rise to new species requires knowledge on how reproductive isolation develops between diverging populations. An irreversible and therefore important component of reproductive isolation is intrinsic postzygotic isolation. Postzygotic incompatibilities often manifest themselves through hybrid inviability or sterility, and distort allelic transmission ratios in hybrid progenies. The genetic basis of such incompatibilities has often been found to be negative interactions between two or more loci, also known as Bateson-Dobzhansky-Muller incompatibilities. During the last decade some genes involved in this type of incompatibilities have been identified, but especially in plants our knowledge remains scarce. In this thesis I examined whether intrinsic postzygotic isolation had developed between allopatric populations of a perennial, outcrossing plant; Arabidopsis lyrata. The studied populations of A. lyrata were found to be genetically highly differentiated. In F2 progenies of crosses between populations many molecular markers reveal non-Mendelian genotype ratios, that is, show transmission ratio distortion (TRD). By contrast, TRD was found to be nearly absent in progenies of within population crosses. The degree of TRD clearly increased with genetic distance between the crossed populations, and origin for TRD was often in F1 gamete formation, instead of F2 zygotic level. The genetic basis of TRD appeared due to interactions between nuclear loci, and between nuclear and cytoplasmic factors. In addition to transmission ratio distortion, reduced male fertility and cytoplasmic male sterility was found in the F2 hybrids between A. lyrata subspecies petraea and lyrata. Quantitative trait loci for reduced male fertility were polymorphic within populations, and dependent on cytoplasm. Thus, the findings in this thesis underline the role of cytonuclear interactions, and the possibility of development of genic incompatibilities through genomic conflicts due to divergence likely unrelated to local adaptation. / Tiivistelmä Lajiutumistutkimus on ollut yksi evoluutiobiologian suurimmista kiinnostuksen kohteista Darwinin ajoista nykypäivään. Jotta voisimme ymmärtää uusien lajien syntymiseen johtavia prosesseja, on ensin ymmärrettävä, miten lisääntymisisolaatio kehittyy erilaistuvien populaatioiden välille. Lajien välisten risteytysten jälkeläiset ovat usein steriilejä tai elinkyvyttömiä. Tämä perustuu kahden erilaistuneen populaation perimän yhteensopimattomuuteen. Tällaiset sisäsyntyiset hedelmöityksen jälkeiset yhteensopimattomuudet ovat tärkeä osa lisääntymisisolaatiota, sillä ne ovat peruuttamattomia. Ne aiheuttavat vääristymiä genotyyppien lukusuhteissa risteytysjälkeläistöissä. Posttsygoottisen yhteensopimattomuuden taustalla on usein kahden tai useamman geenilokuksen välinen negatiivinen interaktio, jota kutsutaan myös Bateson-Dobzhansky-Muller -inkompatibiliteetiksi. Viime vuosikymmenen aikana on tunnistettu muutamia geenejä, jotka ovat mukana negatiivisissa interaktioissa, mutta kasveista tietoa geneettisistä tekijöistä on vielä vähän. Väitöstutkimuksessa selvitettiin onko geneettisiä posttsygoottisia yhteensopimattomuuksia kehittynyt kasvilajin sisällä (Arabidopsis lyrata) allopatristen populaatioiden välille. Tutkitut kasvipopulaatiot olivat geneettisesti hyvin erilaistuneita. Näiden populaatioiden välisten jälkeläistöjen genotyypeissä havaittiin yleisesti paljon mendelistisistä lukusuhteista poikkeavia lukusuhteita. Genotyyppejä tarkasteltiin myös populaation sisäisissä risteytyksissä, joiden jälkeläistöissä periytyminen oli lähes mendelististä. Väitöstutkimuksessa havaittiin, että mitä geneettisesti erilaisemmat populaatiot risteytettiin, sitä suurempi oli ei-mendelistisen periytymisen osuus. Tutkimukset osoittivat lukusuhteiden vääristyvän jo F1-hybridin tuottaessa sukupuolisoluja, eikä niinkään muodostuneissa uusissa F2-tsygooteissa. Taustalla olevien geneettisten yhteensopimattomuuksien havaittiin vaikuttavan tuman geenien välillä, mutta myös tuman ja soluliman geneettisten tekijöiden välillä. Mendelistisistä lukusuhteista poikkeamisen lisäksi tutkimuksessa havaittiin siitepölyn alentunut elinkyky ja solulimaan liittyvä koirassteriliteetti F2-jälkeläistössä A. lyrata alalajien petraea ja lyrata välillä. Lokukset, jotka vaikuttivat siitepölyn alentuneeseen elinkykyyn, olivat polymorfisia populaatioiden sisällä ja vuorovaikutuksessa soluliman geneettisten tekijöiden kanssa. Nämä tutkimustulokset korostavat tuman ja soluliman geenien vuorovaikutuksen tärkeyttä lajien välisten lisääntymisesteiden synnyssä. Ne myös osoittavat, että yhteensopimattomuus voi kehittyä mahdollisesti ilman luonnonvalinnan vaikutusta.

Abstract Hosts and pathogens are involved in a continuous evolutionary arms race, where pathogens attack and hosts defend themselves. The main tools for winning the race are natural selection and the genetic diversity that selection acts on. However, in small populations natural selection may be ineffective. Therefore, the genes taking part in immune defense may lack adaptability to new or changing pathogens. Major histocompatibility complex (MHC) is an important genomic region that includes highly polymorphic immune defense genes. In this doctoral thesis, I studied the natural selection and genetic diversity of MHC class II genes in dogs and Finnish wolves. I also used dog MHC diversity to estimate the number of founding wolves in dog domestication. The Finnish wolf population declined rapidly in size due to excessive hunting from the late 19th century until the early 20th century. After decades of a very small population size, the population started recovering in the mid-1990s. This study shows that, despite the fluctuations in population size, the diversity of the MHC loci in the Finnish wolf has remained high and comparable to the larger neighboring Russian Karelian wolf population. Unlike the neutral genetic markers, the MHC loci of the Finnish and Russian Karelian populations have not differentiated. These results indicate similar balancing selection acting on the MHC loci of the two wolf populations. In dogs, the strength of natural selection is likely weakened by artificial selection and veterinary care. The potential phases of natural selection would be during embryogenesis and fetal development. However, no strong signs of prenatal selection were found in this study. MHC diversity was estimated to be higher in Asian dogs than in dogs from Europe. A simulation study indicated a minimum of 500 founding wolves for the modern dog population. Dog MHC diversity implies an Asian origin for domestication from a large and diverse wolf population. Both natural selection and demography have an influence on the genetic diversity of a species. In small populations, random genetic drift is enforced. However, in loci with important fitness impacts, selection may be particularly strong and outweigh drift, as demonstrated in the MHC loci of a small wolf population in this study. / Tiivistelmä Isäntä ja taudinaiheuttajat käyvät jatkuvaa kaksinkamppailua, jossa taudinaiheuttajat hyökkäävät ja isäntä puolustautuu. Kamppailussa menestymiseen tarvitaan geneettistä monimuotoisuutta sekä sen pohjalta toimivaa luonnonvalintaa. Pienissä populaatioissa luonnonvalinnan teho voi kuitenkin heikentyä, jolloin immuunipuolustukseen osallistuvat geenit eivät kykene sopeutumaan uusiin tai muuttuneisiin taudinaiheuttajiin. MHC-alueella (major histocompatibility complex) sijaitsee suuri joukko monimuotoisia immuunipuolustukseen osallistuvia geenejä. Väitöskirjassani tutkin luokan II MHC-geeneihin kohdistuvaa luonnonvalintaa ja niiden geneettistä monimuotoisuutta koirilla ja Suomen susilla. Arvioin myös koiran kesyttämisprosessiin osallistuneiden susien määrää nykykoiran MHC-monimuotoisuuden pohjalta. Suomen susipopulaation koko pieneni nopeasti voimakkaan metsästyksen vuoksi 1800-luvun lopulta 1900-luvun alkuun. Populaatio pysyi hyvin pienenä useita vuosikymmeniä, kunnes se alkoi elpyä 1990-luvun puolivälissä. Tutkimus osoitti, että populaatiokoon vaihteluista huolimatta Suomen susien MHC-geenien monimuotoisuus on säilynyt korkeana ja on vastaavalla tasolla kuin Venäjän Karjalan susipopulaatiossa. Suomen ja Venäjän Karjalan susipopulaatioiden MHC-geenit eivät ole erilaistuneet, vaikka populaatiot poikkeavat toisistaan neutraalien geenimerkkien suhteen. Samanlainen tasapainottava valinta näyttäisi kohdistuvan näiden susipopulaatioiden MHC-geeneihin. Keinotekoinen valinta ja eläinlääketieteellinen hoito todennäköisesti heikentävät koirien MHC-geeneihin kohdistuvaa luonnonvalintaa. Luonnonvalinta voisi yhä vaikuttaa alkion- ja sikiönkehityksen aikana, mutta tästä ei tutkimuksessa löytynyt todisteita. MHC-muuntelun määrän arvioitiin olevan suurempaa aasialaisissa kuin eurooppalaisissa koirissa. Simulaatiotutkimuksen mukaan nykyisen koirapopulaation perustamiseen olisi tarvittu vähintään 500 sutta. Tulokset viittaavat koiran kesyttämisen tapahtuneen Aasiassa suuresta ja monimuotoisesta susipopulaatiosta. Sekä luonnonvalinta että demografia vaikuttavat lajien geneettiseen monimuotoisuuteen. Pienissä populaatioissa satunnaisajautuminen voimistuu. Valinta voi kuitenkin olla erityisen voimakasta ja voittaa satunnaisajautumisen geeneissä, joilla on erityisen tärkeä vaikutus yksilön kelpoisuuteen, kuten tutkimuksessa osoitettiin pienen susipopulaation MHC-geenien kohdalla.

Abstract Animal domestication is a complex evolutionary process. Multiple forces influence the genetic variation of the species under domestication and leave their mark on the genome of the species. The European domestic goose is an economically and culturally important species, but knowledge about the domestication history of the species has been lacking. My doctoral thesis has focused on elucidating the genetic background of goose domestication using mitochondrial control region sequences and nuclear single nucleotide polymorphisms (SNPs). By comparing the patterns of genetic diversity observed in the greylag goose (Anser anser) and its descendant European domestic geese, I was able to conclude that genetic diversity has decreased in domestic geese following the domestication albeit being still relatively high. In addition, admixture of populations increased the genetic diversity in both greylag geese and domestic geese. The results also confirmed that greylag geese and domestic geese hybridise in certain locations. What is more, many breeds of European domestic geese shared a substantial amount of ancestry with Chinese domestic geese, domesticated from the swan goose (Anser cygnoid). While the timing and location of goose domestication remains unresolved, the results do not disagree with the suggested origin of domestication in the Eastern Mediterranean. More sampling in this region would be needed to further investigate the matter. Lastly, multiple regions in the goose genome have been targeted by selection which is likely to have contributed to phenotypic divergence of greylag and domestic geese, but the functional basis of these differences needs further investigation. / Tiivistelmä Eläinlajin kesyttäminen on monimutkainen evolutiivinen prosessi. Useat geneettiset tekijät vaikuttavat kesytettävän lajin perinnöllisen monimuotoisuuden määrään ja jättävät lajin perimään jälkensä. Eurooppalainen kesyhanhi on kulttuurillisesti ja taloudellisesti merkittävä laji, mutta tieto sen kesytyshistoriasta on puutteellista. Väitöskirjassani olen keskittynyt tutkimaan hanhen kesytyksen perinnöllistä taustaa käyttäen apuna mitokondrio-DNA:n kontrollialueen sekvenssejä ja yhden emäksen polymorfismeja. Kun vertailin perinnöllisen monimuotoisuuden jakautumista merihanhissa (Anser anser) ja eurooppalaisissa kesyhanhissa, pystyin toteamaan, että perinnöllinen monimuotoisuus on kesytyksen seurauksena vähentynyt kesyhanhissa, mutta se on edelleen suhteellisen korkeaa. Lisäksi risteytyminen muiden populaatioiden kanssa lisäsi perinnöllistä monimuotoisuutta sekä meri- että kesyhanhissa. Tulokset myös vahvistivat, että meri- ja kesyhanhet risteytyvät paikoitellen keskenään. Tämän lisäksi moniin eurooppalaisiin kesyhanhirotuihin on kohdistunut geenivirtaa kiinalaisesta kesyhanhesta, joka on kesytetty joutsenhanhesta (Anser cygnoid). Saadut tulokset vastaavat aiempia näkemyksiä, joiden mukaan hanhi kesytettiin Välimeren idänpuoleisilla alueilla, kanssa, mutta kesytyksen ajankohdan ja paikan tarkempi selvittäminen vaatii vielä lisätutkimuksia ja lisää näytteitä tältä alueelta. Lopuksi voidaan todeta, että useat alueet hanhen perimässä osoittivat merkkejä valinnasta, joka on todennäköisesti vaikuttanut meri- ja kesyhanhien välisiin fenotyyppisiin eroihin, mutta erojen funktionaalinen tausta vaatii lisätutkimuksia.

Abstract Species of Lactobacillus (L.) are important starter and probiotic lactic acid bacteria used in the dairy industry. Industrial fermentation processes are prone to phage infections, which can cause severe economic losses. The main objective of this thesis was to examine in more depth the genetic variation and evolution of L. delbrueckii and L. rhamnosus phages. Aspects of interactions and co-evolution of a phage and its host have also been included in this study. In this study, the complete genomic DNA sequences of four Lactobacillus phages were determined and analyzed in detail. Specific phage genes and genetic elements were identified and studied in more depth. The L. delbrueckii phage JCL1032 was found to be a temperate phage which is able to integrate into two distinct genes of L. delbrueckii, but with exceptionally low frequency. The isolated JCL1032-lysogenic bacteria expressed a complex phage resistance against several L. delbrueckii phages. The rarely reported coexistence of phage adsorption resistance and immunity could not be explained by lysogenic conversion. Instead, the spontaneously induced JCL1032 may have provided a selective advantage to adsorption resistant lysogens. The biological activity of two group I introns residing within the terminase large subunit and tape measure genes of the JCL1032 genome (49,433 bp) was demonstrated. The diversification of L. delbrueckii phages is mainly due to insertions, deletions and recombination, as was demonstrated by comparative analyses of the LL-Ku and c5 genomes of 31,080 bp and 31,841 bp, respectively. Interestingly, both phages have possible autonomous transcription units of genes within their genomes. It seemed that evolution of the 36,366-bp genome of the L. casei phage Lc-Nu has been fuelled by deletions as well. The lytic phage Lc-Nu has an imperfect lysogeny module and the phage is genetically closely related to L. casei prophages. This clearly demonstrated that Lc-Nu has a recent temperate origin. This study provides genetic tools, genes, and regulatory elements for biotechnological applications and for developing starter strains with enhanced phage resistance properties. / Tiivistelmä Hapatteina ja probiootteina käytetyt Lactobacillus-maitohappobakteerit (L. ) ovat merkittävässä asemassa meijeriteollisuudessa. Teolliset käymisprosessit ovat alttiita faagi-infektioille, jotka voivat aiheuttaa tuotantolaitoksille huomattavia taloudellisia tappioita. Tämän tutkimuksen päätavoitteena oli syventää tietoa L. delbrueckii ja L. rhamnosus -bakteereita infektoivien faagien geneettisestä muuntelusta ja evoluutiosta. Tutkimuksessa käsitellään myös faagin ja isäntäbakteerin välistä vuorovaikutusta sekä yhteisevoluutiota. Tutkimuksessa määritettiin neljän Lactobacillus-faagin genominen DNA-sekvenssi, identifioitiin faagigeenejä ja muita geneettisiä elementtejä sekä tutkittiin niiden toimintaa. L. delbrueckiin JCL1032-faagi osoittautui tutkimuksessa temperaatiksi. JCL1032-genomi voi integroitua kahteen eri geeniin isäntäbakteerin kromosomissa, joskin lysogeniafrekvenssi on hyvin alhainen. Tutkimuksessa eristetyt JCL1032-lysogeeniset bakteerikannat olivat resistenttejä useille Lactobacillus-faageille. Osassa lysogeenisia bakteereita resistenssi ilmeni jo faagin adsorptiovaiheessa. Vastaavanlainen ilmiö on kuvattu vain harvoin aiemmin. Havaittua kompleksista resistenssiä ei voitu selittää lysogeenisella konversiolla. Sen sijaan ilmiön taustalla voi olla JCL1032-profaagien spontaani indusoituminen bakteerin kromosomista, mikä voi antaa valintaetua adsorptioresistenteille lysogeenisille bakteereille. JCL1032-genomissa (49 433 emäsparia) osoitettiin olevan kaksi biologisesti aktiivista intronia terminaasin suurta alayksikköa ja hännän mittaproteiinia koodaavissa geeneissä. LL Ku- ja c5-faagien genomien (31 080 ja 31 841 emäsparia) vertailu osoitti L. delbrueckii -faagien evoluution olevan pääasiassa seurausta insertioista, deleetioista ja rekombinaatiosta. Kummassakin genomissa oli mahdollisesti päällekkäisiä ja itsenäisesti transkriptoituvia geenialueita. Deleetiot ovat muokanneet myös L. casein lyyttisen Lc- Nu-faagin genomia (36 466 emäsparia). Faagin lysogeniamoduuli sisälsi vain osan lysogeeniseen elinkiertoon tarvittavista geeneistä. Lc-Nu on geneettisesti läheistä sukua L. casei -profaageille, mikä myös viittaa siihen, että Lc-Nu on kehittynyt temperaatista faagista. Tutkimustuloksia faagien geeneistä ja säätelyelementeistä voidaan hyödyntää hapatebakteerien faagiresistenssiominaisuuksien kehittämisessä sekä erilaisissa bioteknologisissa sovelluksissa.