Sustainable Management of Grapevine Trunk Diseases in Vineyard: Deliver Biocontrol Agents and Associated Molecules

Abstract

[ES] Las plantas de vid (Vitis vinifera L.) están expuestas a una gran variedad de patógenos. En la actualidad, las enfermedades fúngicas de la madera de la vid (GTDs) se encuentran entre los principales factores que limitan la productividad de este cultivo. Una vez las vides están infectadas, la productividad de la planta disminuye, provocando una muerte lenta o apoplética. La investigación de agentes de control biológico (BCAs) capaces de prevenir, o al menos minimizar, el impacto de las GTDs, se considera una prioridad de investigación. En esta Tesis Doctoral se caracterizó un agente de biocontrol potencial y, junto con un producto comercial biológico ya registrado, fueron probados contra varios patógenos agentes causales de GTDs, en invernadero bajo condiciones controladas, y también durante el proceso de propagación de la vid en vivero. Los resultados del análisis genómico completo de Bacillus subtilis PTA-271 muestran un sistema funcional de motilidad de enjambre, una fuerte capacidad de supervivencia y un conjunto de genes que codifican sustancias bioactivas conocidas por estimular el crecimiento o las defensas de las plantas, influir en la microbiota beneficiosa y contrarrestar la agresividad de los patógenos. Cuando Bs PTA-271 se probó contra Neofusicoccum parvum BT67 en plantas injertadas de invernadero, Bs PTA-271 y Ta SC1 demostraron que el cultivar contribuye a los efectos beneficiosos de Bs PTA-271 y Ta SC1 contra Np-Bt67. La aplicación simultánea de ambos BCAs demostró ser beneficiosa contra este patógeno en vides del cultivar Tempranillo. El análisis transcriptómico de las mismas muestras mostró ampliamente los cambios en la fisiología de la planta inducidos tanto por Bs PTA-271 como por Ta SC1 para proteger la vid ante la infección por Np-Bt67. En Chardonnay, las plantas infectadas con Np-Bt67 presentan genes sobreexpresados que están implicados en las vías de señalización del acido absicico (ABA). En Tempranillo, la infección con Np-Bt67 provoca cambios de expresión en más de 200 genes, relacionados sobre todo con la importación de aminoácidos, procesos relacionados con el cloroplasto y el fotosistema, respuestas de la planta a estímulos bióticos y biosíntesis de metabolitos secundarios. La protección de Ta SC1 en las plantas de Tempranilllo implica un mayor número de cambios, que abarcan tanto el metabolismo primario como el secundario, relacionados con cambios en las señales hormonales, como con el aicdo absicico (ABA). Durante el proceso de producción de la vid en vivero, los resultados demostraron una reducción significativa del porcentaje de plantas infectadas con los patógenos asociados a las enfermedades de decaimiento por Botryosphaeria y Pie negro en el material de vivero tratado con Ta SC1 y Bs PTA-271 respectivamente. Los tratamientos simultáneos con ambos BCAs presentaron una reducción en el porcentaje de plantas infectadas con ambos tipos de patógenos. Al probar el efecto de Bs PTA-271 y Ta SC1 en el microbioma de la rizosfera de la vid de dos suelos diferentes infectados con patógenos del pie negro, los resultados muestran que la inoculación de los BCAs parece mejorar las redes del microbioma de la rizosfera y el estado de saneamiento, sin embargo, el efecto beneficioso de los BCAs puede ser dependiente del suelo. En general, este estudio aportó nuevos conocimientos sobre el uso de uno o más BCAs contra varios patógenos asociados a las GTDs, tanto en el vivero como en vides adultas (viñedo). Además, se destacó el modo de acción de ambos BCAs en la protección de la vid. Por lo tanto, estos hallazgos proporcionan, no sólo una mejor comprensión de las interacciones entre los BCAs, la vid y los patógenos, sino que también son una fuerte contribución a una estrategia de gestión sostenible de las GTDs.

[CA] Les plantes de vinya (Vitis vinifera L.) estan exposades a una gran varietat de patògens. En l'actualitat, les malalties fúngiques de la fusta de la vinya (GTDs) es troben entre els principals factors que limiten la productivitat d'aquest cultiu. Una vegada les vinyes estan infectades, la productivitat de la planta disminueix, provocant una mort lenta o apoplética. La investigació d'agents de control biològic (BCAs) capaços de previndre, o almenys minimitzar, l'impacte de les GTDs, es considera una prioritat d'investigació. En aquesta Tesi Doctoral es va caracteritzar en profunditat un agent de biocontrol potencial i, juntament amb un producte comercial biològic ja registrat, tots dos BCAs van ser provats contra diversos patògens agents causals de GTDs, en hivernacle sota condicions controlades, i també durant el procés de propagació de la vinya en viver. Els resultats de l'anàlisi genòmica completa de Bs PTA-271 mostren un sistema funcional de motilitat d'eixam, una forta capacitat de supervivència i un conjunt de gens que codifiquen substàncies bioactivas conegudes per estimular el creixement o les defenses de les plantes, influir en la microbiota beneficiosa i contrarestar l'agressivitat dels patògens. Quan Bs PTA-271 es va provar contra Np BT67 en plantes empeltades d'hivernacle, Bs PTA-271 i Ta SC1 van demostrar que la cultivar contribueix als efectes beneficiosos de Bs PTA-271 i Ta SC1 contra Np-Bt67. L'aplicació simultània de tots dos BCAs va demostrar ser beneficiosa contra aquest patogen en vinyes del cultivar Ull de llebre. L'anàlisi transcriptómico de les mateixes mostres va mostrar àmpliament els canvis en la fisiologia de la planta induïts tant per Bs PTA-271 com per Ta SC1 per a protegir la vinya davant la infecció per Np-Bt67. En Chardonnay, les plantes infectades amb Np-Bt67 presenten gens sobreexpresados que estan implicats en les vies de senyalització de l'acidifique absicico (ABA). En Ull de llebre, la infecció amb Np-Bt67 provoca canvis d'expressió en més de 200 gens, relacionats sobretot amb la importació d'aminoàcids, processos relacionats amb el cloroplast i el fotosistema, respostes de la planta a estímuls biòtics i biosíntesis de metabòlits secundaris. La protecció de Bs PTA-271 en Chardonnay implica gens relacionats amb la biosíntesi d'ABA, les vies dels fenilpropanoides, els metabòlits secundaris, i l'estructura i organització de la paret cellular. La protecció de Ta SC1 en les plantes de Tempranilllo implica un major nombre de canvis, que abasten tant el metabolisme primari com el secundari, relacionats amb canvis en els senyals hormonals, com amb l'acid abcísic (ABA). Durant el procés de producció de la vinya en viver, els resultats van demostrar una reducció significativa del percentatge de plantes infectades amb els patògens associats a les malalties de decaïment per Botryosphaeria i Peu negre en el material de viver tractat amb Ta SC1 i Bs PTA-271 respectivament. Els tractaments simultanis amb tots dos BCAs van presentar una reducció en el percentatge de plantes infectades amb tots dos tipus de patògens. En provar l'efecte de Bs PTA-271 i Ta SC1 en el microbioma de la rizosfera de la vinya de dos sòls diferents infectats amb patògens del Peu negre, els resultats mostren que la inoculació dels BCAs sembla millorar les xarxes del microbioma de la rizosfera i l'estat de sanejament, no obstant això, l'efecte beneficiós dels BCAs pot ser dependent del sòl. En general, aquest estudi va aportar nous coneixements sobre l'ús d'un o més BCAs contra diversos patògens associats a les GTDs, tant en el viver com en vinyes adultes. A més, es va destacar la manera d'acció de tots dos BCAs en la protecció de la vinya. Per tant, aquestes troballes proporcionen, no sols una millor comprensió de les interaccions entre els BCAs, la vinya i els patògens, sinó que també són una forta contribució a una estratègia de gestió sostenible de les GTDs.

[EN] Grapevine (Vitis vinifera L.) plants are exposed to a wide variety of pathogens. Nowadays, grapevine fungal trunk diseases (GTDs) are amongst the main constraints for the productivity of this crop. Once infected, plant productivity is decreased, leading to a plant slow or apoplectic death. Investigation of biocontrol agents (BCAs) capable to forestall or at least to minimize the impact of GTDs, while being a sustainable treatment, is viewed as a research priority. One potential BCA was deeply characterized, and together with a biological commercial product, both BCAs were tested against several GTD pathogens, in greenhouse under controlled conditions, and during the grapevine propagation process. Results from the full genomic analysis of Bacillus subtilis PTA-271 (as BCA with a potential) show a functional swarming motility system, strong survival capacities and a set of genes encoding for bioactive substances known to stimulate plant growth or defenses, influence beneficial microbiota, and counteract pathogen aggressiveness. When tested against Neofusicoccum parvum Bt67 (thereafter Np-Bt67) in greenhouse cuttings, B. subtilis PTA-271 (Bs PTA-271) and T. atroviride SC1 (Ta SC1) proved that the cultivar contributes to their beneficial effects against Np-Bt67. The simultaneous application of both BCAs was further proved to be even more effective to protect Tempranillo cuttings. Moreover, the transcriptomic analysis from the same samples showed extensively the plant physiology changes induced by the pathogen but also by each BCA, Bs PTA-271 on Chardonnay and Ta SC1 on Tempranillo, to protect grapevine from Np-Bt67 infection. Thus, Chardonnay cuttings infected with Np-Bt67 showed overexpressed genes implicated on abscisic acid (ABA) biosynthesis and signaling pathways. In Tempranillo, the infection with Np-Bt67 leads to more substantial changes in gene expression, related mostly with amino acid import, chloroplast and photosystem related processes, plant responses to biotic stimulus, and biosynthesis of secondary metabolites. Protection induced by Bs PTA-271 in Chardonnay targets genes related to ABA biosynthesis, phenylpropanoid pathways and secondary metabolites, and cell wall structure/organization in relationship with carbohydrate metabolism that requires much more consideration. Protection with Ta SC1 in Tempranilllo requires a larger number of changes related to transporters, cell wall integrity and extension, cell division and pathogen induced cell death, multidirectional active proteins, and microbiome interactions. During the grapevine nursery process, the results demonstrated a significant reduction on the percentage of infected plants with Botryosphaeria dieback and Black-foot pathogens in the material treated with Ta SC1 and Bs PTA-271 respectively. The simultaneous treatments with both BCAs presented a reduction on infected plants with both Botryosphaeria dieback and Black foot pathogens. When testing the effect of Bs PTA- 271 and Ta SC1 in grapevine rhizosphere microbiome of two different soil infected with Black foot pathogens, results show that the inoculation of BCAs seems to improve the rhizosphere microbiome networks and sanitation status, however, the beneficial effect of BCAs can be soil-dependent. Moreover, as observed in the other experiments, the combination of both BCAs improves their beneficial effect in the rhizosphere microbiome. Overall, this study brought new insights on the use of one or more BCAs against several GTD pathogens, from nursery to adult grapevines. Moreover, highlighted both BCAs mode of action in grapevine protection. Thus, these findings provide, not only a better understanding of BCAs, grapevine, and pathogens interactions, but are also a strong contribution for the future development of sustainable GTDs management strategies.