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.

Abstract Wood is an essential material that has many applications in the fields of engineering and especially in the forest industry, which is particularly important in Fennoscandia. Among the various modification methods for wood, thermal modification has grown substantially over the past decades. It is an environmentally friendly method for increasing the lifetime and usability of timber. The aim of this thesis is to characterize the properties of thermally modified wood as well as to obtain new information on the changes taking place in pinewood due to the thermal modification process. Several NMR methods were used to gain information on the effect of thermal modification on the microstructure and moisture components of Pinus sylvestris pinewood. Pinewood samples thermally modified at different temperatures were studied and compared to corresponding unmodified wood samples. Diffusion of water and methane was studied using pulsed-field-gradient stimulated-echo measurements to determine the highly anisotropic size distribution of pores in different cell structures of pinewood. NMR cryoporometry and relaxometry measurements were conducted to gain information on the amounts and environments of both the bound and free water absorbed into the wood samples. Cryoporometry measurements resulted in an upper limit value for the size of bound water sites and the combination of cryoporometry and relaxometry data enabled the size determination of cell wall micropores. Magnetic resonance imaging was used to visualize the spatial distribution of absorbed free water in the studied samples. Together these methods give a broad overall picture of the effects of the modification process. The results of this work give new insight into the microstructure of thermally modified pinewood and its relationship to moisture, which is of importance for both wood science as well as industry. The applicability of the NMR techniques used here to the study of wood is also proven in this work. Using the techniques developed, it is possible to determine the optimal modification temperature, which is high enough to obtain the desired effects, but low enough not to destroy the microstructure of wood. / Tiivistelmä Puuta pystytään hyödyntämään useilla eri aloilla ja se on materiaalina tärkeä etenkin Fennoskandiassa merkittävälle metsäteollisuudelle. Useiden erilaisten puun käsittelymenetelmien joukossa lämpökäsittely on kasvattanut voimakkaasti suosiotaan viime vuosikymmeninä. Kyseessä on ympäristöystävällinen menetelmä, jolla voidaan pidentää puun käyttöikää sekä käytettävyyttä erilaisissa sovelluskohteissa. Tämän väitöskirjan päämääränä on ollut lämpökäsitellyn puun ominaisuuksien tutkiminen ja uuden tiedon saaminen puussa lämpökäsittelyprosessin myötä tapahtuvista muutoksista. Työssä käytettiin useita eri NMR-menetelmiä lämpökäsitellyn mäntypuun (Pinus sylvestris) mikrorakenteen sekä puussa olevan kosteuden aiheuttamien vaikutusten tutkimiseksi. Työssä tutkittiin eri lämpötiloissa käsiteltyjä mäntypuunäytteitä, joita verrattiin vastaaviin käsittelemättömiin näytteisiin. Veden ja metaanin diffuusiota tutkittiin PGSTE-menetelmällä puun erittäin anisotrooppisen solurakenteen sisältämien huokosten mittojen määrittämiseksi. NMR-kryoporometria- ja -relaksometriamittaukset antoivat tietoa puuhun imeytyneen sidotun ja vapaan veden määrästä ja esiintymisympäristöstä. Kryoporometria-mittausten tuloksista saatiin yläraja sidotun veden esiintymispaikkojen koolle, ja kryoporometria- ja relaksometriamittausten tuottaman tiedon yhdistäminen mahdollisti soluseinämien mikrohuokosten koon määrittämisen. Magneettikuvausta käytettiin näytteisiin absorboituneen veden avaruudellisen jakauman määrittämiseen. Käytetyt menetelmät tarjoavat laajan kokonaiskuvan lämpökäsittelyprosessin vaikutuksista puulle. Tämän työn tulokset antavat puutiedettä ja -teollisuutta hyödyttävää uutta tietoa lämpökäsitellyn männyn mikrorakenteesta sekä sen suhteesta kosteuteen. Väitöskirja myös osoittaa käytettyjen NMR-menetelmien soveltuvan hyvin puun tutkimiseen. Tämän tutkimuksen myötä kehitettyjen menetelmien avulla voidaan määrittää mm. optimaalinen lämpökäsittelylämpötila, joka on riittävän korkea haluttujen ominaisuuksien kannalta aiheuttamatta kuitenkaan puun mikrorakenteen hajoamista.