Abstract Fetal alcohol syndrome (FAS) is a pattern of anomalies in affected children due to maternal alcohol administration at vulnerable stages of fetal development. Intrauterine growth restriction and facial malformation are the presenting phenotypes of FAS. In this investigation, novel pathomechanisms of intrauterine growth restriction and facial malformation were the primary aims. We found by a FAS mouse model that AceCS1 gene expression and polyamines are the immediate targets of fetal alcohol exposure. The AceCS1 product is a precursor for lipid synthesis and protein acetylation and possibly, for polycation acetylation. We cloned the Mus musculus nuclear-cytosolic AceCS1 gene, and showed that its expression is developmentally regulated with a dynamic localization in the cytosolic and nuclear compartment. The enzyme plays an essential role in de novo synthesis of acetyl Coenzyme A. Fetal alcohol administration targets nutrient supplying networks, which are localized at critical barriers. The main findings were reduced surface of the labyrinthine zone, destruction of gap junctions in the hemotrichorial placenta, reduced syncytiotrophoblastic cell layers and loosening of interaction between cell layers and embryo endothelial cells, reduced Reichert’s membrane thickness with discontinued Reichert’s trophoblast and loss of interaction by Reichert’s-parietal cells, reduction of capillary network and reduced vascularization in the brain area, and perturbed neural crest migration and formation of neural tube defect. Alteration of angiogenesis -regulating proteins such as VEGF, PlGF, PECAM was detected in FAS, with no significant changes in placental angiogenesis of the labyrinthine zone, but up-regulation of VEGF/PlGF caused permeability changes in the placenta and yolk sac. On the other hand, the PECAM pool in embryos’ brain was reduced, which in turn led to decreased angiogenesis and vascularization. / Tiivistelmä Sikiön alkoholisyndrooma (engl. Fetal alcohol syndrome, FAS) on joukko muutoksia, joita esiintyy äidin raskaudenaikaisen alkoholin käytön seurauksena, kun käyttö osuu sikiökehityksen kannalta kriittiseen vaiheeseen. Kohdunsisäisen kasvun rajoittuminen ja kasvojen epämuodostumat ovat FAS:n tyypillisimpiä ilmentymiä. Tässä tutkimuksessa pyrittiin löytämään uusia patomekanismeja kohdunsisäisen kasvun rajoittumiselle ja kasvojen epämuodostumille. Hiiren FAS-mallin avulla selvisi, että sikiön altistuminen alkoholille vaikuttaa suoraan AceCS1-geenin ilmentymiseen ja polyamiinien pitoisuuteen. AceCS1-geenin tuote on esiaste lipidien synteesissä ja proteiinien asetylaatiossa sekä mahdollisesti myös polykationien asetylaatiossa. Työssä myös kloonattiin hiiren (Mus musculus) AceCS1-geeni, jonka tuotetta esiintyy sekä tumassa että solulimassa. Lisäksi osoitettiin, että geenin ekspressio oli kehityksen aikana säädelty tuottamaan entsyymiä dynaamisesti eri paikkoihin solussa. Entsyymillä on lisäksi merkittävä osuus asetyyli-koentsyymi-A:n de novo–synteesissä. Sikiön altistuminen alkoholille kohdistuu sellaisten ravintoaineiden saatavuuteen, jotka sijaitsevat kriittisesti tärkeissä kudosrajapinnoissa. Päälöydöksinä olivat vähentynyt labyrinttikudoksen pinta-ala, gap-liitosten tuhoutuminen istukan veriesteessä (hemotrichorial?), ohentunut trofoblastisolujen kerros ja Reichertin kalvon paksuus, harventunut hiusverisuonten verkosto sekä verisuonitus aivojen alueella sekä hermopienan solujen siirtymishäiriö ja hermostoputken sulkeutumishäiriö. Verisuonten muodostumista (angiogeneesiä) säätelevien proteiinien (kuten VEGF, PlGF, PECAM) muutoksia todettiin FAS:ssa, mutta merkittäviä muutoksia ei havaittu istukan verisuonten muodostumisessa. VEGF/PlGF-suhteen suureneminen muutti istukan ja ruskuaispussin verisuonten läpäisevyyttä. Toisaalta sikiöiden aivojen PECAM-määrä pieneni, mikä johti verisuonten ja verisuoniverkoston muodostumisen vähenemiseen.

Abstract Changes in climate will impose abiotic stress on plant species, and eventually affect their distributional range. This is a particular challenge especially to tree species with long generation times and slow rates of evolution. In the boreal zone, most of these species also hold high economic value. The aim of the study was to enhance understanding of the abiotic stress coping strategies of Scots pine (Pinus sylvestris L.) in its vulnerable early growth phase. In particular, the study evaluates the role of polyamine (PA) metabolism of Scots pine under abiotic stress. Polyamines (PAs) are small, ubiquitous nitrogenous compounds involved in fundamental biological processes of plants such as growth, organogenesis, embryogenesis and abiotic and biotic stress defence. The effects of different water availabilities and spring frost temperatures on shoots and roots of young seedlings were investigated in two growth chamber experiments. Proembryogenic liquid cell culture system was established and used as a controllable platform. Effects of polyethylene glycol (PEG) induced osmotic stress was investigated at the cellular level in liquid cultures. Responses to treatments were evaluated by quantifying changes in the expression of PA metabolism, stress, cell death and cell division -related genes, metabolite concentrations, as well as stress-induced physiology and morphology. The results revealed that PA metabolism is tissue specific and strictly regulated. Drought stress induced the accumulation of putrescine (Put) in photosynthesizing tissues, whereas the prime response to spring frost was a reorganization of root growth. Generally, drought and osmotic stress decreased the expression of PA catabolizing genes, leading to consistent PA levels in tissues even under severe stress. To conclude, PAs have a protective role in maintaining the growth and development of pine tissues subjected to abiotic stress. / Tiivistelmä Ilmastonmuutos vaikuttaa eri kasvilajien levinneisyyteen. Nopeasti muuttuva ilmasto on haaste erityisesti metsäpuulajeille, jotka pitkän sukupolvenvälin takia kehittyvät evolutiivisesti hitaasti. Erilaisten ympäristötekijöiden aiheuttamien puolustusaineenvaihdunnan muutosten tunteminen metsäpuilla on tulevaisuuden kannalta myös taloudellisesti tärkeää. Työn tavoitteena oli selvittää millainen merkitys polyamiineilla on metsämännyn (Pinus sylvestris L.) abioottisessa stressivasteessa. Polyamiinit (PAt) ovat pienimolekyylisiä typpiyhdisteitä, joiden tiedetään olevan mukana solujen perusaineenvaihdunnassa, kasvien kasvussa ja kehityksessä ja stressivasteissa. Tutkimus koostuu kolmesta kokeesta, joissa selvitettiin PA aineenvaihduntaa osana männyn taimien ja erilaistumattomien somaattisista alkioista peräisin olevien soluviljelmien stressivasteita. Kahdessa kokeellisessa tutkimuksessa männyn sirkkataimia altistettiin erilaisille kasvualustan vesipitoisuuksille ja keväthallan lämpötilaolosuhteille. Kolmannessa kokeessa PA aineenvaihdunnan reagointia osmoottiseen stressiin tutkittiin erilaistumattomissa somaattisissa epäkypsissä männyn alkiosta peräisin olevissa solukoissa kontrolloidussa nesteviljely-ympäristössä. Tutkimuksessa tarkastelin PA aineenvaihduntaa säätelevien geenien ilmenemistä ja PA pitoisuuksien muutoksia suhteessa kasvuun, kehitykseen ja stressissä indusoituvien geenien ilmenemiseen. Tulokset osoittavat, että PA aineenvaihdunta on tiukasti säädeltyä erilaisissa solukoissa. Taimien yhteyttävät solukot kerryttivät putreskiinia (Put) kuivuudessa. Ensimmäiset vasteet keväthallaolosuhteisiin havaittiin muutoksena juurten kasvun säätelyssä. Sekä kuivuus että osmoottinen stressi laskevat PA hajottavien geenien ilmenemistä, mikä on metsämännyn tapa ylläpitää tasaiset PA pitoisuudet solukoissa stressitekijöistä huolimatta. Johtopäätöksenä voidaan todeta, että PA aineenvaihdunta on tärkeä metsämännyn kasvun ja kehityksen kannalta.