Abstract A population growth rate is the sum of all individuals’ reproduction and survival, which in turn depend on many external and internal factors, e.g. weather and individual reproductive history. In plants, for example, previous reproduction can deplete an individual’s resources, resulting in trade-offs between demographic functions. To understand these demographic processes, it is necessary to follow populations for many years. Such long-term studies are especially crucial for endangered species, as they can reveal the causes of population declines and provide information that is directly applicable for the management. In my thesis, I applied this approach to the study of rare orchids. Specifically, I analyzed long-term orchid monitoring data from two countries, Finland and Estonia, to assess the external and internal factors that affect the performance of these long-lived plants, which reproduce both sexually (via seeds) and vegetatively (via new ramets). My research reveals that plant performance depends on both the demographic history and the environment of a plant. For example, although Finnish and Estonian populations of the lady’s slipper orchid, Cypripedium calceolus, differed in direction and statistical significance of their responses to environmental factors, the two most-influential weather variables in both cases were spring snow depth and the temperature of the previous summer. However, the influence of weather on both flowering and vegetative growth was dwarfed by the effect of plants’ own demographic histories: there was a trade-off between current and future reproduction which created asynchronous two-year cycles in reproduction and growth. Furthermore, in all three studied orchid species — the lady’s slipper orchid (C. calceolus), the fairy’s slipper orchid (Calypso bulbosa), and the dark-red helleborine (Epipactis atrorubens) — the probability of dormancy (a state in which the plant spends a year or more underground) and the demographic costs this state incurred with respect to size or future reproduction depended on a plant’s size and whether it flowered prior to dormancy. In other words, dormancy had both absolute and relative costs in large, but not in small, individuals. Finally, I show here that environmental alteration via selective tree removal can be used as a management method to increase orchid reproduction via both seeds and ramets. / Tiivistelmä Populaation kasvunopeus riippuu siitä, kuinka monta yksilöä populaatioon syntyy ja kuinka monta yksilöä kuolee. Yksilöiden lisääntyvyyteen ja elossa säilyvyyteen puolestaan vaikuttavat monet ulkoiset ja sisäiset tekijät, kuten sää ja yksilön oma lisääntymishistoria. Kasvilla on rajallinen määrä resursseja, joten sen pitää tehdä kompromisseja eri elintoimintojen, esimerkiksi kasvun ja lisääntymisen, välillä. Klonaaliset kasvit voivat myös lisääntyä usealla tavalla: joko suvullisesti siemenistä tai kasvullisesti tuottamalla uusia versoja. Demografisten prosessien tutkimisessa pitkäaikaiset seuranta-aineistot ovat välttämättömiä. Pitkäaikaisseurannat voivat myös paljastaa uhanalaisen lajin populaation taantumisen syyt ja näistä seurannoista saatua tietoa voidaan soveltaa harvinaisten lajien, esimerkiksi kämmeköiden, suojelutoimien suunnittelussa. Tässä väitöskirjassa analysoin aineistoa kämmeköiden pitkäaikaisseurannoista Suomesta ja Virosta. Tavoitteenani oli arvioida ulkoisten ja sisäisten tekijöiden merkitystä pitkäikäisten kasvien menestykselle. Tulokset osoittavat, että kasvin menestys riippuu sekä yksilön omasta demografisesta historiasta että sen ympäristöstä. Eri säätekijöiden vaikutus tikankontin (Cypripedium calceolus) kasvuun ja kukkimiseen vaihteli Suomen ja Viron välillä, mutta lumen syvyys ja edellisen kasvukauden lämpötila nousivat merkittävimmiksi tekijöiksi molemmissa maissa. Tikankontin kasvu ja kukinta riippuivat kuitenkin säätä enemmän kasvin omasta demografisesta historiasta. Runsas lisääntyminen edeltävällä kasvukaudella vähensi lisääntymistä tulevalla kasvukaudella, mikä johti kaksivuotiseen jaksottaisuuteen tikankontin lisääntymisessä ja kasvussa. Tutkiessani dormanssia (lepotila, jossa kasvi ei tuota maanpäällistä versoa) kolmella kämmekkälajilla, tikankontilla, neidonkengällä (Calypso bulbosa) ja tummaneidonvaipalla (Epipactis atrorubens), havaitsin lisäksi, että todennäköisyys siirtyä dormanssiin riippui kasvin koosta. Myöskin tämän lepotilan aiheuttamat kustannukset olivat riippuvaisia kasvin aikaisemmasta tilasta. Isoilla kasveilla dormanssilla oli sekä suoria kustannuksia että kustannuksia suhteessa versomiseen. Pienillä kasveilla näitä kustannuksia ei ollut. Osoitan väitöskirjassani myös, että maltillisella puunpoistolla voidaan lisätä tikankonttipopulaatioiden siementuottoa ja versotiheyttä.

Abstract Polycystic ovary syndrome (PCOS) is a common endocrine disorder affecting 5–15% of women of reproductive age. The syndrome is characterized by menstrual irregularities, hyperandrogenism and polycystic ovaries. Infertility is a major problem in PCOS and it can be explained partially by chronic anovulatory cycles. Excess body weight and insulin resistance are common among women with PCOS, exposing them to the most common pregnancy complication, gestational diabetes mellitus (GDM) and, later in life, to a higher risk of developing glucose metabolism disorders eventually leading to outbreak of type 2 diabetes mellitus (T2DM). However, the respective roles of the syndrome per se, excess body weight and hyperandrogenism regarding the aforementioned complications are still to be clarified. The objectives were first to determine the risks of PCOS, infertility problems and decreased fertility at age 26 in women with a history of menstrual irregularity or elevated androgen levels in adolescence (at age 16). We also aimed to clarify whether PCOS per se is associated with decreased fertility and increased incidence of miscarriage, GDM, prediabetes and T2DM. Lastly, we focused on the respective roles of excess body weight and hyperandrogenism as regards the development of GDM and impaired glucose metabolism. The study populations were derived from the prospective Northern Finland Birth Cohorts 1966 and 1986, comprising all expected births in 1966 (n = 5889 females) and 1986 (n = 4567) in the two northernmost provinces of Finland. The data was complemented with fertility rates and diagnoses of GDM and T2DM from registers held by the National Institute for Health and Welfare and The Social Insurance Institution of Finland. Menstrual irregularity or elevated androgen levels in adolescence were associated at age 26 with increased risks of PCOS and infertility problems, but not with decreased fertility rates. At the end of their reproductive life women with symptoms of PCOS were not more often childless, had had a similar incidence of miscarriages but had a smaller family size compared with healthy women, and obesity further decreased family size in this group. Excess body weight and elevated androgen levels, but not PCOS per se, were independent risk factors of GDM. The increased risk of T2DM in PCOS was mainly due to excess body weight, although both factors had a synergistic effect on the development of T2DM. / Tiivistelmä Monirakkulainen munasarjaoireyhtymä (PCOS) on yleinen naisilla esiintyvä hormonaalinen häiriö, josta kärsii 5-15% lisääntymisikäisistä naisista. Kuukautiskierron häiriöt, mieshormoniylimäärä ja monirakkulaiset munasarjat ovat ominaisia oireyhtymälle. Lapsettomuus on keskeinen ongelma oireyhtymässä, mikä johtuu osittain kroonisesta ovulaatioiden epäsäännöllisyydestä tai niiden puuttumisesta. Ylipainoa ja insuliiniresistenssiä esiintyy usein oireyhtymää sairastavilla naisilla ja ne altistavat raskausajan diabeteksen puhkeamiselle. Myöhemmällä iällä PCOS-naisilla on suurentunut riski sairastua sokeriaineenvaihdunnan häiriöihin, jotka lisäävät riskiä tyypin 2 diabeteksen (T2DM) puhkeamiselle. PCOS:n, ylipainon ja mieshormoniylimäärän itsenäiset roolit edellä mainittujen häiriöiden kehittymisessä ovat kuitenkin edelleen epäselviä. Ensimmäisenä tavoitteena oli selvittää PCOS:n, lapsettomuusongelmien ja alentuneen hedelmällisyyden riskiä 26-vuotiaana naisilla, joilla todettiin kuukautiskierron häiriö tai kohonneet mieshormonipitoisuudet nuoruusiällä (16-vuotiaana). Toiseksi selvitimme, liittyykö PCOS itsessään alentuneeseen hedelmällisyyteen sekä kohonneeseen keskenmenojen, raskausdiabeteksen, diabeteksen esiasteiden ja T2DM esiintyvyyteen. Lisäksi selvitimme ylipainon ja mieshormoniylimäärän itsenäisiä rooleja raskausdiabeteksen ja muiden sokeriaineenvaihdunnan häiriöiden kehittymisessä. Tutkimusaineistoina olivat Pohjois-Suomen syntymäkohortit 1966 (n = 5889 naista) ja 1986 (n = 4567 naista), joihin sisältyivät kaikki elävänä syntyneet lapset vuosina 1966 ja 1986 kahdesta Suomen pohjoisimmasta läänistä. Tutkimusaineistoja täydennettiin hedelmällisyyslukujen ja GDM- sekä T2DM-diagnoosien osalta Terveyden ja hyvinvoinnin laitoksen ja Kansaneläkelaitoksen ylläpitämistä rekistereistä. Nuoruusiän kuukautiskierron häiriöt ja mieshormoniylimäärä olivat yhteydessä suurentuneeseen riskiin kehittää PCOS ja kärsiä lapsettomuusongelmista, mutta näiden yhteyttä alentuneisiin hedelmällisyyslukuihin 26-vuotiaana ei todettu. PCOS-oireiset naiset eivät kärsineet lapsettomuudesta lisääntymisiän aikana verrokkinaisia enemmän ja keskenmenojen esiintyvyys ei eronnut oireisten ja terveiden naisten välillä. Oireisilla naisilla oli kuitenkin pienempi perhekoko kuin verrokeilla, ja lihavuus entisestään pienensi perhekokoa oireisilla naisilla. Ylipaino ja mieshormoniylimäärä olivat itsenäisiä riskitekijöitä raskausdiabeteksen kehittymiselle. PCOS ei ollut riskitekijä raskausdiabeteksen kehittymiselle. Kohonnut T2DM-riski PCOS:ssa johtui lähinnä ylipainosta, vaikkakin molemmat tekijät olivat itsenäisiä riskitekijöitä T2DM:n kehittymiselle.

Abstract The life histories of ectoparasites are shaped by both host and off-host environment. A suitable host is primarily needed during reproduction, whereas juvenile stages outside the host are directly exposed to environmental variability. Viviparity, i.e. the development of an embryo inside the body of the mother resulting in large offspring size, increases offspring survival. The production of large offspring has its consequences in terms of high variation in offspring age and in the environment that each young individual will face. I used a viviparous ectoparasite, the deer ked (Lipoptena cervi), to investigate the consequences of long reproductive lifespan and varying offspring environment on offspring life-histories and seasonal adaptations. Offspring life-histories varied seasonally. I showed that the resources provided by the deer ked females determine offspring performance throughout its off-host period. Offspring size increased towards the spring and the end of the reproductive period, and simultaneously offspring survival and cold tolerance increased. Seasonal variation in offspring size did not reflect the resources that would guarantee offspring survival during the longest diapause or the highest cold tolerance during the harshest winter period. Diapause intensity varies with birth time according to the expected length of the winter ahead. However, the deer ked pupae, regardless of their age, overwinter at an opportunistic diapause, which may be terminated rapidly only by an exposure to high temperature. Contrary to general observations, photoperiod has no role in regulating the seasonal shifts of the deer ked. Neither is high cold tolerance associated only with diapause, but it remains high through four seasons, also in the active developmental and adult stages. I also evaluated the effects of life-history variation on the invasion potential of the deer ked. I conducted a large-scale transplant experiment to test the survival and pupal development at and beyond the current range. I found that the lower spring and summer temperatures and the shorter growth season in the north cause a deterioration in pupal performance and shorten the flight period. However, the colder climate may not totally prevent further spread. A more important factor that will affect deer ked invasion is host availability, and especially in Finland, the density of the moose population. Seasonal variation in offspring life histories in viviparous ectoparasites differs from the variation patterns reported in most invertebrates. This may be due to the extremely large offspring size and to the fact that maternally derived resources determine offspring performance through the entire off-host period. Variation in offspring performance is thus determined by maternal resources and seasonal variation in the condition of the moose. / Tiivistelmä Useimpien ulkoloisten elinkierto on riippuvainen isännästä ja isännän ulkopuolella kasvavien jälkeläisten kohtaamista ympäristöoloista. Viviparia eli jälkeläisen kehitys naaraan sisällä ja siitä usein seuraava suuri jälkeläiskoko parantavat jälkeläisten selviytymistä. Suurten jälkeläisten tuottaminen pitkällä aikavälillä johtaa siihen, että eri-ikäiset jälkeläiset kohtaavat vuodenajasta riippuen hyvin erilaiset olosuhteet. Väitöstyössäni tarkastelin Suomessa nopeasti yleistyneen hirvieläinten ulkoloisen, hirvikärpäsen (Lipoptena cervi), avulla, mitä seurauksia viviparialla, pitkällä lisääntymiskaudella ja ympäristön vuodenaikaisvaihtelulla on jälkeläisten elinkierto-ominaisuuksiin. Väitöskirjatyössäni havaitsin, että hirvikärpäsjälkeläisten elinkiertopiirteet vaihtelevat jälkeläisen syntymäajan mukaan. Osoitin myös, että hirvikärpäsnaaraan jälkeläisilleen tarjoamat ravintovarat määrittelevät jälkeläisten isännästä riippumattoman elinkierron aikaisen menestyksen. Jälkeläisten keskimääräinen koko kasvoi lisääntymiskauden edetessä talvesta kohti kevättä, jolloin myös selviytyminen ja kylmänsietokyky paranivat. Jälkeläiskoon vuodenaikaisvaihtelu ei näin ollen vastaa jälkeläisten tarvitsemia resursseja suhteessa talvehtimisen pituuteen eikä korreloi koville talvipakkasille altistumisen todennäköisyyden kanssa. Lepotilan keston määrittelevä diapaussin syvyys vaihteli syntymävuodenaikaa vastaavasti. Diapaussin havaitsin kuitenkin olevan ensisijaisesti opportunistinen, jolloin pelkästään korkea lämpötila voi nopeasti päättää lepotilan kaikenikäisillä yksilöillä. Vastoin yleisiä käsityksiä valorytmi ei vaikuta diapaussin säätelyyn. Vastoin ennakko-odotuksia kylmänsietokyky säilyy korkeana vuoden ympäri ja kaikissa tutkituissa elinkierron vaiheissa. Sovelsin tutkimieni elinkiertopiirteiden vaikutusta myös lajin invaasiokykyyn, ja tutkin istutuskokeen avulla koteloiden selviytymistä ja kehitystä nykyisellä esiintymisalueella ja sen pohjoispuolella. Alhaisemmat kevät- ja kesälämpötilat sekä lyhyempi kasvukausi vähentävät aikuiseksi selviytymistä ja lyhentävät lentoaikaa syksyllä. Ilmastotekijöiden suhteen hirvikärpänen voisi esiintyä nykyistä pohjoisempana. Tärkein tekijä hirvikärpäsen leviämistä tarkasteltaessa on kuitenkin sopivien isäntäeläimien saatavuus ja Suomen oloissa erityisesti hirven eli hirvikärpäsen pääisännän kannan tiheys. Tutkimukseni perusteella ulkoloisten vivipariasta seuraava jälkeläisten elinkiertopiirteiden ajallinen vaihtelu eroaa muiden selkärangattomien vastaavasta vaihtelusta. Yhtenä syynä eroihin lienee se, että hirvikärpäsnaaras tuottaa erityisen suuria jälkeläisiä ja että jälkeläiset puolestaan ovat täysin riippuvaisia emon antamista resursseista. Emon lisääntymisresurssit ja hirven kunnon vuodenaikaisvaihtelu vaikuttavat mahdollisesti siihen, minkälaisia jälkeläisiä hirvikärpänen milloinkin kykenee tuottamaan.

Abstract Climate change and its warming effects on vegetation and soils are a widely recognized phenomenon. In addition to warming, the understorey vegetation in northern environments has been subjected to several environmental changes, such as increasing nitrogen (N) and other disturbances. This thesis examines the effects of N-fertilization and disturbances on the vegetation biomass and abundance, plant community composition and plant, soil and microbial N and C pools. Seedling establishment of the most common dwarf shrubs (deciduous Vaccinium myrtillus, evergreens V. vitis-idaea and Empetrum nigrum ssp. hermaphroditum) was investigated after artificial disturbance treatments (vegetation and soil removal). These studies were conducted in the boreal and subarctic ecosystems and in the forest-tundra ecotone in northern Finland. N-fertilization and disturbances enhanced the amount of graminoids in plant communities, and the recovery ability of graminoids was enhanced after N-fertilization, which homogenized the vegetation and resulted in a new stable state in the plant community. The recovery ability of evergreen dwarf shrubs was low after disturbances. Disturbances created habitats for seed germination, but the seedling establishment of dwarf shrubs studied was still limited by seed availability. N-fertilization had no effect on microbial biomass. Instead, microbial biomass decreased with disturbance treatment in the boreal forest. However, the concentration of N increased in above-ground vegetation, both after N-fertilization and disturbance without any indication of N immobilization, suggesting that plant species captured the available N effectively for their recovery. The study shows that the likely outcome of N enrichment, when combined with disturbances, is the enhanced growth of graminoids. The seedling establishment does not compensate for the reduction of the vegetative recovery of evergreen dwarf shrubs, which makes evergreen dwarf shrubs sensitive to environmental changes. As the understorey is more resilient to perturbations in the boreal forest than in the subarctic ecosystem, these results emphasize the sensitivity of the vegetation to simultaneous environmental changes in the northernmost ecosystems. Moreover, microbial properties are more resilient to environmental changes than is above-ground vegetation. / Tiivistelmä Ilmaston muutos ja siitä aiheutuvan lämpenemisen vaikutus kasvillisuuteen ja maaperään on laajasti tunnustettu ilmiö. Lämpenemisen lisäksi pohjoisten alueiden aluskasvillisuuteen kohdistuu useita muutospaineita, kuten lisääntynyt typpipitoisuuden nousu ja kasvillisuutta muokkaavat häiriöt. Tässä tutkimuksessa mitattiin lisääntyneen typpipitoisuuden ja häiriöiden vaikutus kasvillisuuden biomassaan ja runsauteen sekä yhteisörakenteeseen, sekä kasvilajeihin, maaperään ja mikrobibiomassaan sitoutuneen typen ja hiilen määrään. Lisäksi tutkittiin yleisimpien varpukasvien (lehtensä pudottava mustikka, ikivihreät puolukka ja variksenmarja) siemenellistä lisääntymistä kokeellisen häiriön (kasvillisuuden tai maaperän poisto) jälkeen. Tutkimukset tehtiin boreaalisessa ja subarctisessa ekosysteemeissä sekä metsänrajaympäristössä Pohjois-Suomessa. Typpilannoitus ja häiriöt lisäsivät heinien määrää kasviyhteisöissä. Lisäksi typpilannoitus edisti heinien kasvullista palautumiskykyä häiriön jälkeen, joka johti kasvillisuuden homogenisoitumiseen ja kasviyhteisön uuteen tasapainotilaan. Häiriöt heikensivät ikivihreiden varpujen kasvullista palautumista häiriön jälkeen. Häiriö loi sopivia elinympäristöjä siementen itämiselle, mutta tutkittujen lajien siementen määrä rajoitti siemenellistä lisääntymistä. Typpilannoitus ei vaikuttanut mikrobibiomassaan, mutta häiriö vähensi mikrobibiomassaa boreaalisessa ekosysteemissä. Kuitenkin kasvien typen pitoisuudet lisääntyivät sekä lannoituksen että häiriön jälkeen ilman viitteitä typen sitoutumisesta mikrobibiomassaan. Tämä viittaa siihen, että kasvit käyttävät maaperän typen tehokkaasti häiriön jälkeiseen palautumiseen. Väitöskirjan mukaan typen lisääntyminen häiriöiden yhteydessä edistää heinien esiintymistä. Koska ikivihreiden varpujen siemenellinen lisääntyminen ei kompensoi häiriöstä kasvulliselle palautumiselle aiheutuvaa haittaa, ovat ikivihreät varvut erityisen herkkiä häiriöille. Aluskasvillisuus on vastustuskykyisempi ympäristön muutoksille boreaalisessa kuin subarktisessa ekosysteemissä, mikä korostaa pohjoisimpien alueiden herkkyyttä yhtäaikaisille ympäristön muutoksille. Maaperän olosuhteet ovat kasvillisuutta kestävämpiä ympäristön muutoksille.