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 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 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.

Abstract Pulmonary surfactant is a lipid-protein mixture that lines the inner surface of the lung. The main function of surfactant is to reduce surface tension at the air-liquid interface, thus preventing alveolar collapse at the end of expiration. Lack of surfactant is the main cause of respiratory distress syndrome (RDS) in preterm infants. Very preterm babies are at risk of developing a lung disease called bronchopulmonary dysplasia (BPD). The surfactant proteins SP-A, -B, -C and -D have important functions in surfactant structure, homeostasis and innate immunity of the lung. The genes of these proteins have been studied as candidates for several multifactorial lung diseases both in adults and in children. The aim of the present study was to examine the genetic variation in SP genes and to evaluate the role of SP gene polymorphism in the etiology of severe pulmonary infantile diseases, including RDS, BPD and severe respiratory syncytial virus (RSV) infection among the Finnish population. Conventional allelic association methods in combination with multiparameter analysis and family-based transmission disequilibrium test (TDT) were used. The SP-D Met11 allele was associated with a risk for severe RSV bronchiolitis in a matched case-control setting of 84 infants with severe RSV infection and 93 control infants. The variants of the SP-C gene had no detectable association with BPD. However, a modest association of SP-C Asn138 and Asn186 alleles with RDS was found. A length variation in the SP-B gene was associated with BPD among very preterm infants born before 32 weeks of gestation. The SP-B intron 4 deletion variant allele increased the risk for BPD especially in very low birth weight infants. The association was confounded by birth order, being evident only among presenting infants, who are more prone to ascending infections during a preterm birth process. The present study provides new evidence about the significance of SP gene polymorphisms in the etiology of complex infantile pulmonary diseases, including RDS, BPD and severe RSV bronchiolitis. The results help us to understand the molecular mechanisms underlying these diseases and may, in the long run, enable better treatment of these life-threatening diseases. / Tiivistelmä Keuhkosurfaktantti on keuhkon sisäpintaa peittävä kalvomainen rasva-proteiinikompleksi, jonka tärkein ominaisuus on pintajännityksen vähentäminen keuhkorakkuloissa. Surfaktantin puutos ennenaikaisesti syntyneillä lapsilla aiheuttaa hengitysvaikeusoireyhtymän, RDS-taudin (respiratory distress syndrome). Alle 30 raskausviikon iässä syntyneistä, useimmiten RDS-taudin saaneista keskosista n. 30 % sairastuu vakavaan krooniseen keuhkotautiin, BPD-tautiin (bronchopulmonary dysplasia). Surfaktanttiproteiineilla SP-A, -B, -C ja -D on osoitettu olevan tärkeä tehtävä surfaktantin toiminnassa ja keuhkon synnynnäisessä immuniteetissa. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää surfaktanttiproteiineissa esiintyvän geneettisen muuntelun määrää ja merkitystä keskosten RDS- ja BPD-taudeissa sekä pienten lasten vakavassa respiratory syncytial -viruksen (RSV) aiheuttamassa keuhkotulehduksessa. Tutkimuksen laajin osa keskittyi tutkimaan keskosten BPD-tautia ja surfaktanttiproteiinien geenien osuutta siinä. Geneettisen muuntelun merkitystä tarkasteltiin populaatiogeneettisin keinoin tapaus-verrokkiasetelmissa ja perheaineistojen avulla. Yhteensä analysoitiin noin tuhannen lapsen ja yli kahdensadan vanhemman DNA-näytteet. Tutkimuksessa havaittiin SP-D-geenissä olevan metioniini11-geenimuodon liittyvän pienten lasten vakavaan RSV-infektioon. Lisäksi saatiin uutta tietoa SP-C-geenin populaatiotason yleisestä muuntelusta ja todettiin SP-C:n asparagiini138 ja asparagiini186 -geenimuotojen yhteys keskosten RDS-taudin esiintymiseen. Merkittävin löydös oli SP-B-geenissä olevan deleetiovariantin kytkeytyminen alle 32-viikkoisina syntyneiden keskosten BPD-tautiin. Geneettisen altistuksen lisäksi BPD-tautiin sairastumiseen vaikuttivat lukuisat keskosuudelle ominaiset seikat, kuten alhainen syntymäpaino, RDS-tauti ja syntymähetkellä todettu hapenpuute. Geneettisen tekijän vaikutus oli voimakkain erittäin pienipainoisilla keskosilla. Tutkimuksen tulokset ovat tuoneet arvokasta lisätietoa surfaktanttiproteiinien geenien osuudesta keskosten RDS- ja BPD-taudeissa sekä pienten lasten vakavassa RSV-infektiossa. Ne auttavat ymmärtämään näiden molekyylibiologisia syntymekanismeja ja voivat ajan mittaan olla edistämässä uusien hoitomuotojen kehittämistä.