Thesis (PhD (Viticulture and Oenlogy))--University of Stellenbosch, 2008. / Includes bibliography and list of tables and figures. / ENGLISH ABSTRACT: Over the last decade research has shown the importance of small antimicrobial peptides in the innate immunity of plants. These peptides do not only play a critical role in the multilayered defense systems of plants, but have proven valuable in the engineering of disease resistant food crops towards the ultimate aim of reducing the dependency on chemical fungicides. As the lists of isolated and characterized peptides grew, it became clear that other biological activities, in addition to the antimicrobial capacity, could be linked to some of these peptides; these alternative activities could have important applications in the field of medicine. This has made the defensin encoding genes prime targets for the agricultural and medical biotechnology sectors. To this end we set out to evaluate South African flora for the presence of plant defensin sequences and to isolate plant defensin genes that might be useful in biotechnology applications. Moreover, by isolating and characterizing these novel peptides, also in an in planta environment and in interaction with fungal pathogens, important knowledge will be gained of the biological role and importance of the peptides in the plant body. The plant host targets were South Africa Brassicaceae species including indigenous species, as well as Vitis vinifera, as the most important fruit crop in the world and since no defensins have been isolated from this economically important crop plant. The Brassicaceae family has been shown to be abundant in defensin peptides and several of the best characterized peptides with potent activity have been isolated from this family. Based on initial activity screens conducted on selected South African Brassicaceae spp. we concluded that these spp. contain promising antifungal peptide activities, warranting further efforts to isolate the genes and encoding peptides and to characterize them further. The preliminary activity screens used a peptide-enrichment isolation strategy that favored the isolation of basic, heat-stable peptides; these properties are characteristic features of plant antimicrobial peptides. These peptide fractions showed strong antifungal activities against the test organisms. A PCR-amplification strategy was subsequently designed and implemented, leading to the isolation of 14 novel defensin peptide encoding genes from four South African Brassicaceae spp., including the indigenous South African species Heliophila coronopifolia. Amino acid sequence analysis of these peptides revealed that they are diverse in amino acid composition and share only 42% homology at amino acid level. This divergence in amino acid composition is important for the identification of new biological activities within closely related plant defensins. Single amino acid changes have been contributed with the divergent biological activities observed in closely related plant defensin peptides. Phylogenetic analysis conducted on the deduced amino acid sequences revealed that all the new defensins share a close relationship to other Brassicaceae members of the plant defensin superfamily and was furthest removed from the defensins isolated from the families Solanaceae and Poaceae. Classification analysis of these peptides showed that they belong to subgroup A3 of the defensin superfamily. A putative defensin sequence was also isolated from V. vinifera cultivar, Pinotage, and termed Vv-AMP1. Genetic characterization showed that only a single gene copy of this peptide is present within the V. vinifera genome, situated on chromosome 1. Genetic characterization of this peptide encoding gene within the Vitis genus showed that this gene has stayed conserved throughout the divergent evolution of the Vitis genus. Expression studies of Vv-AMP1 revealed that this gene is expressed in a tissue specific and developmentally regulated manner, being only expressed in grape berries and only at the onset of vèraison. Induction of Vv-AMP1 in grapevine leaf material could never be achieved through the external application of hormones, osmotic stress, wounding, or pathogen infection by Botrytis cinerea. Deduced amino acid analysis showed that Vv-AMP1 encoded for a 77 amino acid peptide consisting of a 30 amino acid signal peptide and a 47 amino acid mature peptide, with putative antifungal activity. The Vv-AMP1 peptide grouped with the subclass B type defensins, which have been documented to have both antifungal and antibacterial activities. The Vv-AMP1 signal peptide directed the green fluorescent protein (GFP) reporter gene to the apoplastic regions in cells with high levels of accumulation in the vascular tissue and the guard cells of the stomata. Recombinant Vv-AMP1 peptide was successfully purified from a bacterial host and shown to have a size of 5.495 kDa. Recombinant Vv-AMP1 showed strong antifungal activity at low concentrations against a broad spectrum of fungal pathogens, which included Verticillium dahliae (IC50 of 1.8 μg mL-1) and the necrotrophic pathogen Botrytis cinerea (IC50 of 12-13 μg mL-1). Antifungal activity of Vv-AMP1 did not induce morphological changes in fungal hyphae, but its activity was associated with induced membrane permeabilization in treated hyphae. Vv-AMP1 was successfully introduced into Nicotiana tabacum as confirmed by Southern blot analysis and 20 individual lines were generated. Genetic characterization confirmed the integration and expression of the gene in the heterologous tobacco environment. The peptide was under control of its native signal sequence which has been shown to direct its product to the apoplastic regions of cells. The transgenic lines were analyzed to determine the presence and activity of the grapevine defensin peptide. Western blot analyses of partially purified plant extracts detected a signal of the expected size in both the untransformed control and the transgenic lines. Comprehensive analysis of EST databases identified three highly homologous sequences from tobacco that probably caused the background signal in the control. These crude protein extracts were able to inhibit the growth of V. dahliae in vitro when tested in a microtiter plate assay, but the inhibition could not be conclusively linked to the presence of the transgenic peptide, since non-expressing transgenic lines, included as controls, also showed inhibition. Similar results were obtained with infection studies, clearly showing that despite successful integration and expression of the transgene, the peptides was either not functional in the heterologous environment, or perhaps unstable under the particular regulatory conditions. This peptide belongs to a subclass of peptides known for associated activities that might activate tight control by plant hosts if threshold levels are reached. These aspects need further investigation, specifically since it is in stark contrast to previous results obtained with defensins from a different subclass. This study has also yielded significant other related resources that would be instrumental for further possible biotechnology exploitation of some of the novel peptides, but also to provide genetic constructs and plant material that would be invaluable to address fundamentally important questions such as the regulation and mode of action of defensin peptides, specifically in interaction with pathogen hosts. The novel peptides have been transformed to various hosts, including grapevine and these transgenic populations are available to facilitate the next rounds of research into this extremely promising group of antifungal peptides. / AFRIKAANSE OPSOMMING: In die laaste dekade het navorsing die belangrike rol van klein antimikrobiese peptiede in plantweerstandsmeganismes beklemtoon. Hierdie peptiede speel nie alleenlik 'n belangrike rol in die komplekse lae van plantweerstandstelsels nie, maar het ook hulle ekonomiese potensiaal getoon in die manipulering van siekteweerstandbiedendheid in voedselgewasse met die oorkoepelende doel om landbougewasse minder afhanklik van chemiese spuitstowwe te maak. Soos wat die hoeveelheid geïsoleerde en gekarakteriseerde peptiede toeneem, het dit duidelik geword dat ander biologiese aktiwiteite, bykomend tot die antimikrobiese kapasiteit, met sommige van dié peptiede verbind kan word; hierdie alternatiewe aktiwiteite het belangrike toepassing in veral die mediese veld. Dit het die defensin-koderende gene kernteikens vir die landbou- en mediese biotegnologiesektore gemaak. In die studie is daar begin om die Suid-Afrikaanse blommeryk te evalueer vir die teenwoordigheid van plantdefensingene en om dié gene te isoleer wat van ekonomiese belang vir die biotegnologiebedryf kan wees. Deur die in vitro- én in planta karakterisering van die unieke plantdefensinpeptiede word daar gemik daarna om belangrike inligting in te win oor die biologiese rol van die peptiede binne die plantligggaam. Die plantgashere wat geteiken is sluit in die Suid-Afrikaanse Brassicaceae-spesies, insluitende inheemse spesies, asook Vitis vinifera, wat as die belangrikste vrugtegewas ter wêreld beskou word. Die Brassicaceae-familie is welbekend daarvoor dat dit 'n ryk bron van plantdefensinpeptiede is en verskeie van die bes gekarakteriseerde antifungiese defensinpeptiede is van dié familie afkomstig. Aanvanklike aktiwiteitstoetse het getoon dat die Suid-Afrikaanse Brassicaceae-spesies belowende antifungiese aktiwiteit toon, wat die verdere isolering en karakterisering van dié gene en hul peptiedprodukte regverdig. Die aanvanklike aktiwiteitstoetse het 'n selektiewe peptiedverrykingstrategie gevolg wat die isolering van basiese, hittestabiele peptiede bevoordeel het; hierdie eienskappe is baie kenmerkend van plant-antimikrobiese peptiede. Die peptiedfraksies wat met hierdie metode geïsoleer is, het sterk antifungiese aktiwiteit teen die toetsorganismes getoon. Die resultate het gelei tot die ontwikkeling en toepassing van 'n polimerasekettingreaksie-strategie, wat daartoe gelei het dat 14 nuwe defensingene van vier Suid-Afrikaanse Brassicaceae-genera, insluitend die inheemse spesie Heliophila coronopifolia, geïsoleer kon word. Afgeleide aminosuurvolgorde-analises van die nuwe defensinpeptiede het gewys dat hulle slegs 42% homologie het. Hierdie diversiteit in aminosuurvolgorde is belangrik vir die identifisering van nuwe biologiese aktiwitiete binne die groep van verwante peptiede. Navorsing het verder getoon dat enkel-aminosuurverskille bydra tot die diverse spektrum van biologiese aktiwiteite binne 'n groep van verwante defensinpeptiede. Filogenetiese analise van die aminosuurvolgordes het getoon dat al die nuwe defensinpeptiede 'n sterk verwantskap met plantdefensinpeptiede, wat van ander Brassicaceae-spesies geïsoleer is, toon. Daarteenoor het dit die kleinste verwantskap getoon met plantdefensinpeptiede wat van die Solanaceae- en Poaceae-families geïsoleer is. Klassifikasiestudies het bewys dat die nuwe peptiede saam met subgroep A3 van die plantdefensin-superfamilie groepeer. 'n Moontlike plantdefensingeen, genaamd Vv-AMP1, is ook van die V vinifera-kultivar, Pinotage, geïsoleer. Genetiese karakterisering het aangedui dat slegs 'n enkele kopie van die geen in die V. vinifera-genoom teenwoordig en op chromosoom 1 geleë is. Genetiese karakterisering van Vv-AMP1 binne die Vitus-genus het gewys dat die geen binne die genus evolusionêr gekonserveerd is. Uitdrukkingstudies van Vv-AMP1 het verder bewys dat die geen uitgedruk word op 'n weefselspesifieke, ontwikkelingsgekoppelde wyse, naamlik slegs in druiwekorrels en slegs tydens rypwording. Vv-AMP1-uitdrukking kon nooit geïnduseer word in wingerdblare deur die uitwendige toediening van hormone, osmotiese stres, wonding of patogeeninfeksie deur Botrtys cinerea nie. Ontleding van die afgeleide aminosuurvolgorde het gewys dat Vv-AMP1 kodeer vir 'n 77-aminosuurpeptied, wat uit 'n 30-aminosuurseinpeptied en 'n 47-aminosuur-aktiewe peptied met voorspelde antifungiese aktiwiteit bestaan. Die Vv-AMP1-peptied is gegroepeer met subgroep B van die plantdefensin-superfamilie, 'n subgroep wat vir beide antifungiese en antibakteriese aktiwiteit gedokumenteer is. Die Vv-AMP1-seinpeptied het die groen fluoressensie-indikatorproteïen (GFP) na die apoplastiese areas van die plantselle gelei, met hoë vlakke van lokalisering in die vaatbundelweefsel en sluitselle van die huidmondjies. Die rekombinante Vv-AMP1-peptied is suksesvol geproduseer en uit 'n bakteriese produksieras gesuiwer, en het 'n molekulêre massa van 5.495 kDa gehad. Die gesuiwerde peptide het by lae konsentrasies 'n sterk aktiwiteit getoon teen 'n breë spektrum van fungiese patogene, wat Verticllium dahliae (IC50 van 1.8 μg mL-1) en die nekrotrofiese patogeen, B. cinerea (IC50 van 12-13 μg mL-1), ingesluit het. Vv-AMP1-aktiwiteit het geen ooglopende morfologiese veranderinge in die fungi-hifes veroorsaak nie, maar hulle aktiwiteit is verbind met 'n verhoogde membraandeurdringbaarheid in behandelde fungi-hifes. Suksesvolle intergrasie van Vv-AMP1 in die Nicotiana tabacum-genoom is deur Southern-kladontledings bevestig en 20 individuele transgeniese lyne is ontwikkel. Genetiese karakterisering van die transgeniese lyne het gewys dat Vv-AMP1 suksesvol geïntegreer is en ook in die transgeniese tabakomgewing uitgedruk word. Die peptied is uitgedruk onder beheer van sy eie seinpeptied, wat die aktiewe produk na die apoplastiese areas van die plantselle teiken. Die transgeniese tabaklyne is ook ontleed om te bepaal of die wingerdpeptied suksesvol geproduseer word en sy aktiwiteit in die transgeniese omgewing behou. Western-kladanalise van semi-gesuiwerde plantproteïenekstrakte het 'n positiewe sein gelewer in beide die kontroleplante en die transgeniese plantlyne. Bestudering van tabakgeenuitdrukkings-databasisse het drie nukleotiedvolgordes opgelewer wat homologie met Vv-AMP1 toon en moontlik verantwoordelik kan wees vir die positiewe sein in die ongetransformeerde kontroleplante. Kru proteïenekstrakte van die transgeniese tabaklyne het in vitro-aktiwiteit teen V. dahliae getoon. Geen oortuigende ooreenkoms kon egter gevind word tussen V. dahliae-inhibisie en die teenwoordigheid van die transgeniese Vv-AMP1-peptied nie, aangesien kontroleplante wat Southern-klad-positief is, maar nie geenuitdrukking toon nie, ook inhibisie van V. dahliae veroorsaak het. Soortgelyke resultate is met infeksiestudies verkry. Alle resultate dui daarop dat, al is daar suksesvolle integrasie en uitdrukking van die geen in tabak verkry, dat die Vv-AMP1 peptied óf onaktief óf onstabiel in die transgeniese tabakomgewing is. Die peptied behoort aan 'n subgroep peptiede met aktiwiteite wat, sodra sekere vlakke van peptied oorskry word, die moontlik streng kontrole op proteïenvlak in die gasheerplant kan uitlok. Sekere aspekte van die studie sal verder bestudeer moet word, aangesien die data teenstrydig is met data wat verkry is met soortgelyke plantdefensinpeptiede wat aan 'n ander subgroep behoort. Die studie het baie hulpbronne gegenereer wat vir die biotegnologiesektor belangrik kan wees, veral op ekonomiese gebied. Verder is die geenkonstrukte en plantlyne wat ontwikkel is waardevol om fundamentele vrae rondom die regulering en meganisme van aksie van defensinpeptiede, spesifiek plantpatogeeninteraksie, te beantwoord. Die nuwe plantdefensingene is na verskeie gasheerplante, insluitende wingerd, getransformeer waar die transgeniese lyne die volgende rondte van navorsing oor die bestudering oor die belangrike groep van antifungiese peptiede, sal aanvul.

Tyrimų objektas – dirvinis garstukas (Sinapis arvensis L.), dirvinė čiužutė (Thlaspi arvense L.), smalkinis tvertikas (Erysimum cheiranthoides L.), trikertė žvaginė (Capsella bursa-pastoris (L.) Medik.). Tyrimų tikslas ir metodai – nustatyti ir palyginti bastutinių šeimos piktžolių alelopatinę įtaką žemės ūkio augalams. Bendrasis fenolinių junginių kiekis buvo nustatytas pagal (Ragaee et al., 2006) metodiką. Praskiedimo būdu paruoštos vandeninės ištraukos: 1:6250, 1:1250, 1:250 ir 1:50 koncentracijų (Гродзинский, 1965; Lazauskas, 1990). Žieminių ir vasarinių rapsų sėklos bei žieminių kviečių ir vasarinių miežių grūdai buvo daiginami keturias paras ant filtrinio popieriaus, sudrėkinto paruoštų koncentracijų vandeninėmis ištraukomis, Petri lėkštelėse, klimatinėje kameroje RUMED 1301, 22 oC temperatūroje ir esant 65 proc. oro drėgniui. Buvo apskaičiuotas sudygusių žemės ūkio augalų kiekis procentais, išmatuotas jų daigų aukštis ir šaknų ilgis. Tyrimų rezultatai – didžiausias bendrasis fenolinių junginių kiekis nustatytas dirvinio garstuko ir smalkinio tvertiko lapuose (atitinkamai 1,70 ± 0,15 mg g-1 ir 1,81 ± 0,03 mg g-1 žaliosios masės), o trikertės žvaginės ir dirvinės čiužutės – žiedynuose (atitinkamai 1,56 ± 0,02 ir 1,70 ± 0,31 mg g-1). Mažiausiai fenolinių junginių kaupiasi piktžolių šaknyse. Žieminių ir vasarinių rapsų sėklų dygimas ir pradinis augimas labiausiai buvo slopinamas dirvinio garstuko vandeninėse ištraukose, lyginant su kitų piktžolių rūšių vandeninėmis... [toliau žr. visą tekstą] / Research object – charlock mustard (Sinapis arvensis L.), field penny cress (Thlaspi arvense L.), treacle mustard (Erysimum cheiranthoides L.), shepherd’s purse (Capsella bursa-pastoris L.). The aim and methods of investigations – The total phenols content was research in accordance with the methodology (Ragaee et al., 2006 ). Treatments of investigations: Factor A – weed species of Brassicaceae family: 1) charlock mustard (Sinapis arvensis L.), 2) field penny cress (Thlaspi arvense L.), 3) treacle mustard (Erysimum cheiranthoides L.), 4) shepherd’s purse (Capsella bursa-pastoris L.). Factor B – concentrations of aqueous extracts: 1) distilled water, 2) 1: 6250 (ratio of aqueous extracts weed biomass and water), 3) 1: 1250, 4) 1: 250, 5) 1:50, 6) 1:10. The seeds of winter and spring oilseed rape, winter wheat and spring barley was grown for four days on filter paper moistened with the prepared aqueous extracts in Petri dishes, in a climate chamber. Research results – The significant highest content of total phenols was in the leaves of charlock mustard and treacle mustard (respectively 1.70 ± 0.15 mg g-1 and 1.81 ± 0.03 mg g-1 of green mass), in the flowers of shepherd’s purse and field pennycress (respectively 1.56 ± 0.02 and 1.70 ± 0.31 mg g-1). The significant least content of total phenols accumulated in the roots of weeds. The germination and early seedling growth of winter and spring oilseed rape were most inhibited in the aqueous extracts of charlock mustard, compared... [to full text]

L'espèce Plutella xylostella (L.) (Lepidoptera : Plutellidae) défoliatrice des choux constitue surtout un problème dans les régions tropicales et subtropicales. La lutte chimique a rapidement montré ses limites du fait de l'apparition de résistance dans les populations. Des moyens de lutte alternatifs ont été mis en place, impliquant principalement des insectes parasitoïdes, parmi lesquels Oomyzus sokolowskii (Kurdjumov) (Hymenoptera : Eulophidae) et Cotesia vestalis (Haliday) (Hymenoptera : Braconidae) qui sont les plus couramment utilisés en raison de leur spécificité envers P. xylostella. Afin de contribuer à une meilleure connaissance du contrôle de la teigne en région tropicale, nous avons étudié les relations hôteparasitoïde entre P. xylostella et O. sokolowskii d’une part, et P. xylostella et C. vestalis d’autre part, en conditions de laboratoire et sur le terrain au Sénégal et au Bénin. Au Sénégal, quatre espèces de parasitoïdes sont présentes sur les chenilles : O. sokolowskii, Apanteles litae, C. vestalis et Brachymeria citrae. Au Bénin, seule l'espèce C. vestalis est présente. Au Sénégal comme au Bénin, les facteurs climatiques contribuent au développement de la teigne et les précipitations ne régulent pas les populations du ravageur. Dans ces deux pays, la teigne n’est pas contrôlée par ses ennemis naturels. La lutte biologique par conservation y est à prendre en considération et l’utilisation de plantes compagnes cultivées en association avec le chou peut être envisagée pour réduire les populations de la teigne. Les études en laboratoire ont montré qu’Oomyzus sokolowskii est un parasitoïde larvo-nymphal performant. ConcernantC. vestalis, les femelles détectent et reconnaissent leur hôte grâce aux lipides cuticulaires émis par les chenilles. Des marqueurs moléculaires (isozymes et ISSR) ont confirmé une forte variabilité entre les populations de P. xylostella à l’échelle mondiale, les populations d’Australie et du Japon étant très différentes des autres et formant deux groupes distincts. La structuration des populations semble influencée par le type de climat : tropical et non tropical. / The diamondback moth (DBM), Plutella xylostella (L.) (Lepidoptera: Plutellidae), is the most destructive pest of Brassicaceae worldwide and poses particularly acute problems in tropical areas. Chemical control is impaired by multiple-insecticide resistance in this species. Alternative methods are based on biological control by parasitoids, such as Oomyzussokolowskii (Kurdjumov) (Hymenoptera: Eulophidae) and Cotesia vestalis (Haliday) (Hymenoptera: Braconidae), which are commonly used due to their specificity towards DBM. To help to improve the biocontrol of the moth in the tropics, we studied host-parasitoid relationships between P. xylostella and these two parasitoids under both laboratory and field conditions in Senegal and Benin. In both countries, climatic conditions are favourable for the development of DBM and rainfall does not limit populations of this pest. In Senegal, four parasitoid species are present on DBM larvae: O. sokolowskii, C. vestalis, Apanteles litae, and Brachymeria citrae. In Benin, C. vestalis is largely dominant. In neither of these countries, the moth is sufficiently controlled by natural enemies. Conservation biological control might be combined with the use of companion plants in cabbage crops to reduce DBM populations. Laboratory studies have shown that O. sokolowskii is an efficient larval-pupal parasitoid. In C. vestalis, females detect and recognize their host using cuticular lipids produced by the caterpillar. Studies of molecular markers (isozymes and ISSR) have confirmed high variability among DBM populations around the world, those from Australia and Japan being distinct and very different from any other population. Population structure seems to be influenced by the type of climate (tropical vs. non-tropical).

Onset of flowering is a major transition in the plant life cycle and is controlled by environmental factors including photoperiod, light quality and temperature. Prevalence of controlling factors depends on species, hence physiological models were selected for their strong requirement for one or another environmental cue. Among Brassicaceae, Sinapis alba was intensively studied for its strong response to photoperiod while molecular-genetic analyses of Arabidopsis thaliana disclosed complex interactions between pathways inducing flowering in response to photoperiod and other environmental cues, such as vernalization. We were therefore interested in studying the vernalization process in S. alba and its interactions with the previously characterized floral response to long days (LDs). Two-week old seedlings grown in non-inductive short days (SDs) were vernalized at 7°C for increasing durations and a strong promotive effect of vernalization was observed. In contrast to the common view of vernalization as a preliminary step bringing the competence to flower, we observed that vernalization had a direct inductive effect on flowering: floral buds were initiated during cold-exposure. Floral integrator genes SaMADSA (homologous to SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CO 1) and SaLEAFY were up-regulated in the shoot apex after 3-4 weeks of vernalization. To monitor the vernalization process at the molecular level, we isolated SaFLC which, based on sequence analysis, expression patterns and complementation test, appeared as orthologous to FLOWERING LOCUS C. Down-regulation of SaFLC by vernalization was fast since transcript level was already very low after one week of vernalization, but stability of the repression required longer exposure to cold. To test the physiological significance of these observations, we studied the floral response to 16-h LDs after unstable and stable repression of SaFLC. We observed that one week of vernalization which was sufficient for SaFLC repression but not for maintenance of the silenced state - increased the flowering response of S. alba to LDs when the LDs just followed the cold treatment. This effect was lost after two weeks post-vernalization. In contrast, the promotive effect of longer vernalization on flowering response to LDs was maintained post-vernalization. These results suggested that vernalization not only works when plants experience long exposure to cold in winter: short cold periods might stimulate flowering of LD-plants if occurring when photoperiod is increasing, i.e. in spring.

The meals from many oilseed crops contain biocidal chemicals that are known to inhibit the growth and activity of several soil pathogens, though little is known concerning impacts on whole soil microbial communities. We investigated the effect of oilseed meals (SMs) from both brassicaceous plants, including mustard and camelina, as well as non-brassicaceous plants, including jatropha and flax, on P. omnivora (the casual agent of cotton root rot) in Branyon clay soil (at 1 and 5% application rates). We also investigated the effect of SMs from camelina, jatropha, flax, and wheat straw on microbial communities in Weswood loam soil. We also used four types of isothiocyanates (ITCs) including allyl, butyl, phenyl, and benzyl ITC to test their effects on P. omnivora growth on potato dextrose agar (PDA), as well as on soil microbial communities in a microcosm study. Community qPCR assays were used to evaluate relative abundances of soil microbial populations. Soil microbial community composition was determined through tag-pyrosequencing using 454 GS FLX titanium technology, targeting ITS and 16S rRNA gene regions for fungal and bacterial communities, respectively. The results showed that all tested brassicaceous and jatropha SMs were able to inhibit P. omnivora sclerotial germination and hyphal growth, with mustard SM being the most effective. Flax didn't show any inhibitory effects on sclerotial germination. All tested ITCs inhibited P. omnivora OKAlf8 hyphal growth, and the level of inhibition varied with concentration and ITC type. Total soil fungal populations were reduced by ITC addition, and microbial community compositions were changed following SM and ITC application. These changes varied according to the type of SM or ITC added. Our results indicated that SMs of several brassicaceous species as well as jatropha may have potential for reducing cotton root rot as well as some other pathogens. Different SMs releasing varied ITCs may result in differential impacts on soil microorganisms including some pathogens.

Afin d’étudier l’écologie microbienne, il est nécessaire, dans un premier temps, de déterminer quels micro-organismes sont présents dans un milieu et à quel instant. Ces informations sont requises pour pouvoir ensuite développer des outils permettant de prédire l’assemblage des communautés et les fonctions que celles-ci peuvent contenir. Cependant, la multitude des processus entrant en jeu dans la structure et la composition des communautés microbiennes, rendent leur étude complexe. Parmi les nombreux processus à étudier, il est notamment question de l’échelle temporelle à prendre en compte pour comprendre l’assemblage des communautés microbiennes. En effet, les événements historiques conditionnent la composition et la biodiversité des futures communautés microbiennes. Pourtant, dans les sols, peu d’études se sont intéressées à l’impact des événements historiques dans l’assemblage des communautés microbiennes. Par conséquent, l’objectif de cette thèse était de quantifier comment les différentes histoires du sol ont influencé la structure et biodiversité des communautés bactériennes et oomycètes associées aux plantes hôtes des Brassicaceae à travers le temps. Les rotations de cultures de Brassicaceae sont de plus en plus courantes dans le monde et ont démontré des avantages pour les cultures concernées, telles que la rétention de l’humidité du sol ou la suppression de certains agents pathogènes des plantes. En revanche, l’impact des rotations de cultures de Brassicaceae sur la structure et biodiversité des communautés microbiennes résidentes est peu connu. Ainsi, des terrains agricoles des prairies canadiennes ayant des expériences de rotations de cultures en cours ont été utilisés pour modéliser l’impact des histoires de sol précédemment établies sur les futures communautés microbiennes. Les communautés microbiennes des racines, de la rhizosphère, et du sol éloigné des racines des Brassicaceae ont été étudiées grâce aux métabarcodes d’ARNr 16S ou ITS. La PCR quantitative et des méthodes phylogénétiques ont été utilisées pour améliorer l’analyse des communautés microbiennes. Cette thèse illustre comment différentes histories de sol établies par les cultures de l’année précédente ont continué à structurer les communautés microbiennes de la rhizosphère tout au long de la saison de croissance, à différents stades de croissance, jusqu’à un an après leur établissement. Cependant, le phénomène de rétroactions entre plantes et micro-organismes a permis de masquer cet héritage dans la rhizosphere de différentes espèces hôtes de Brassicacea pour lesquelles des communautés bactériennes phylogénétiquement similaires ont été retrouvées malgré diverses histoires du sol. Nos résultats montrent également que les différentes espèces hôtes de Brassicacea n’avaient pas d’impact sur la structure des communautés d’oomycètes et que le stress hydrique limitait également cette structuration pour les communautés bactériennes. Dans ces deux cas, l’effet de l’histoire du sol était donc encore visible sur la structure les communautés microbiennes durant l’année subséquente. Les découvertes selon lesquelles différentes histoires de sol persistent jusqu'à un an, même en présence de nouvelles plantes hôtes, et qu’elles peuvent continuer à façonner les communautés microbiennes ont des implications importantes pour la gestion agricole et les recherches futures sur les composants physiques de l'histoire du sol. Comprendre comment l'histoire du sol est impliquée dans la structure et la biodiversité des communautés microbiennes à travers le temps est une limitation de l'écologie microbienne et est nécessaire pour utiliser les technologies microbiennes à l'avenir pour une agriculture durable et dans toute la société. / A fundamental task of microbial ecology is determining which organisms are present, and when, in order to improve the predictive models of community assembly and functions. However, the heterogeneity of community assembly processes that underlie how microbial communities are formed and structured are makes assembly of taxonomic and functional profiles difficult. One reason for this challenge is the compounding effect temporal scales have on microbial communities. For example, historical events have been shown to condition future microbial community composition and biodiversity. Yet, how historical events structure microbial communities in the soil has not been well tested. Therefore, the objective of this thesis was to quantify how different soil histories influenced the structure and biodiversity of bacterial and oomycete communities associated with Brassicaceae host plants through time. Brassicaceae crop rotations are increasingly common globally, and have demonstrated benefits for the crops involved, such as retaining soil moisture, or suppressing certain plant pathogens. In contrast, there is a lack of knowledge surrounding how Brassicaceae crop rotations impact the structure and biodiversity of resident microbial communities. As such, on-going agricultural field experiments with crop rotations on the Canadian prairies were used to model how previously established soil histories impacted future microbial communities. The Brassicaceae microbial communities were inferred from the roots, rhizosphere and bulk soil using 16S rRNA or ITS metabarcodes. Quantitative PCR and phylogenetic methods were used to improve the analysis of the microbial communities. This thesis illustrates how different soil histories established by the previous year’s crops continued to structure the microbial rhizosphere communities throughout the growing season, at various growth stages, and up to a year after being established. However, active plant-soil microbial feedback allowed different Brassicaceae host species to mask the soil history in the rhizosphere and derive phylogenetically similar bacterial communities from these diverse soil histories. Furthermore, host plants were unable to structure the oomycete communities, and lost the ability to structure the bacterial rhizosphere communities under water stress. In both circumstances, the soil history continued to structure the microbial communities. The findings that different soil histories persist for up to a year, even in the presence of new host plants, and can continue to shape microbial communities has important implications for agricultural management and future research on the physical components of soil history. Understanding how soil history is involved in the structure and biodiversity of microbial communities through time is a limitation in microbial ecology and is required for employing microbial technologies in the future for sustainable agriculture and throughout society.

Das Wissen über Mechanismen, die einen Einfluss auf Muster der Artenvielfalt und biotische Interaktionen haben, ist grundlegend für den Schutz von Biodiversität. Darüber hinaus kann es von direktem ökonomischem Nutzen sein, zum Beispiel im biologischen Pflanzenschutz oder bei Bestäubungsdienstleistungen. Die Größe eines Organismus kann ein solcher Faktor sein, der die Artenzahl und Interaktionen der assoziierten Organismen beeinflusst, denn große Organismen sind auffälliger als kleine und ihr Angebot an Ressourcen und Nischen für mit ihnen assoziierte Organismen ist oft reicher. Bezogen auf Pflanzen könnte daher die Größe einer Pflanze einen erheblichen Einfluss auf die Artenzahl der mit ihr assoziierten Arthropoden und ihre biotischen Interaktionen wie Herbivorie oder Bestäubung haben. Trotzdem ist der Einfluss der Pflanzengröße auf mutualistische und antagonistische Interaktionspartner der Pflanze und der sich daraus ergebende Einfluss auf die reproduktive Fitness der Pflanze bisher nicht umfassend und unter standardisierten Bedingungen untersucht worden. In der vorliegenden Studie wurden die Auswirkungen der Pflanzengröße auf die Artenzahl von Herbivoren, deren Gegenspielern und Bestäubern untersucht, sowie die Auswirkungen dieser Interaktionspartner auf die Pflanzenfitness. Dabei wurde zusätzlich zwischen endophagen und ektophagen Herbivoren und deren Gegenspielern unterschieden. Außerdem wurden die Herbivoren einzelner Pflanzenkompartimente und deren Gegenspieler separat analysiert. Des Weiteren wurde der Einfluss der Pflanzengröße auf den Herbivorieschaden an den verschiedenen Pflanzenkompartimenten und deren Einfluss auf die reproduktive Fitness der Pflanze, d.h. auf ihre Samenzahl, Tausendkorngewicht und Samengesamtgewicht, untersucht. Zuletzt wurde besonderes Augenmerk auf den Einfluss der Pflanzengröße auf mutualistische und antagonistische Blütenbesucher und deren Einfluss auf die reproduktive Fitness gelegt und untersucht, ob und inwiefern die reproduktive Fitness letztendlich von der Pflanzengröße abhängig ist. Zur Untersuchung dieser Fragen wurde ein „Common Garden“-Experiment angelegt. Um einen interspezifischen Pflanzengrößengradienten zu erzeugen, wurden 21 annuelle Pflanzenarten aus der Familie der Kreuzblütler (Brassicaceae) ausgewählt, deren Größe von 10 bis 130 cm reichte (gemessen als Pflanzenhöhe vom Boden bis zur Spitze). So konnten die Einflüsse des Habitats und der umgebenden Landschaft für alle Pflanzenarten standardisiert und trotzdem ein breiter Gradient realisiert werden. Dadurch hebt sich diese Studie von den bisherigen ab, die den Effekt von meist intraspezifischer Pflanzengröße auf die assoziierten Tiere anhand wild wachsender Pflanzen untersucht haben. Pflanzengröße sowie Zahl, Biomasse und Größe der unterschiedlichen überirdischen Pflanzenkompartimente (Blüten, Schoten, Blätter, Stängel) sowie Blütendeckung und -farbe wurden aufgenommen. Der Herbivorieschaden an diesen Pflanzenkompartimenten und die reproduktive Fitness (Samenzahl, Tausendkorngewicht und Gesamtsamengewicht) wurden gemessen. An und in Blüten, Schoten, Blättern und Stängeln wurden herbivore, räuberische, parasitäre und bestäubende Arthropoden gezählt. Die Pflanzengröße hatte einen positiven Einfluss auf die Artenzahl von Herbivoren, deren Gegenspielern und Bestäubern. Das traf ebenso auf endophage und ektophage sowie auf mit Blättern und Schoten assoziierte Herbivore und deren Gegenspieler zu. Des Weiteren konnte ein Anstieg des Herbivorieschadens an Blüten und Schoten mit zunehmender Pflanzengröße festgestellt werden, wohingegen der Schaden an Blättern und Stängeln von der Biomasse des entsprechenden Kompartiments positiv beeinflusst wurde. Der Schaden an Blüten hatte den stärksten Einfluss auf die reproduktive Fitness und reduzierte neben der Samenzahl auch das Tausendkorngewicht und das Gesamtsamengewicht der Pflanze. Die genaue Analyse der blütenbesuchenden Insekten ergab einen positiven Einfluss der Pflanzengröße auf die Abundanz und Artenzahl von Bestäubern (allerdings nicht bei extrem großem Blütenangebot), wie auch auf die Abundanz der adulten und juvenilen Rapsglanzkäfer und deren Parasitierungsrate. Steigende Rapsglanzkäferzahlen verringerten die Samenzahl sowie das Tausendkorngewicht, während die Bestäuber sich lediglich auf die Samenzahl positiv auswirkten. Insgesamt führte ein Anstieg der Pflanzenhöhe zu einer Abnahme des Tausendkorngewichts, aber nicht zu einer Veränderung der Samenzahl oder des Gesamtsamengewichts, was auf einen Ausgleich der Effekte von zunehmender Antagonistenzahl und zunehmender Mutualistenzahl hindeutet. Großen Pflanzen entstehen also durch ihre Auffälligkeit und Attraktivität für Herbivore hohe Fitnesskosten, wobei insbesondere der Blütenschaden durch Rapsglanzkäfer einen starken negativen Einfluss auf Samenzahl, Tausendkorngewicht und Gesamtsamengewicht hat. Diesen Fitnesskosten großer Pflanzen wirkt der Nutzen durch ihre Auffälligkeit und Attraktivität für Bestäuber entgegen, die die Samenzahl positiv beeinflussen. Hinsichtlich der Samenzahl sollten also große Pflanzen gegenüber kleineren im Vorteil sein, wenn die Insektengemeinschaft des Habitats von Bestäubern dominiert wird. Wird sie aber von herbivoren Blütenbesuchern dominiert, sollten kleine Pflanzen gegenüber großen einen Vorteil haben. Im Gegensatz dazu sollten große Pflanzen immer einen Nachteil bezüglich des Tausendkorngewichts haben, das von Antagonisten, nicht aber von Mutualisten beeinflusst wurde. Der Einfluss der Pflanzengröße auf biotische Interaktionen wurde bisher oft unterschätzt, obwohl er sich auf komplexe Weise über die mutualistischen und antagonistischen Insekten auf die reproduktive Fitness der Pflanze auswirkt.

Les recherches menées au cours des dernières années ont permis de mettre en évidence les nombreuses fonctions écologiques des composés organiques volatils (COVs) émis par les plantes. Cette thèse a eu pour objectif d'utiliser ces connaissances dans un cadre de protection des cultures. Nous avons essayé de poser les bases d'une stratégie de type " Push-Pull " contre la mouche du chou (Delia radicum) en utilisant des sources d'odeurs synthétiques (diffuseurs de COVs) ou des sources d'odeurs naturelles (plantes compagnes). A partir d'observations menées en plein champ nous avons sélectionné plusieurs brassicacées présentant des taux d'infestations contrastés vis-à-vis de la mouche du chou. Des expérimentations de laboratoires combinant des études comportementales et des analyses chromatographiques ont permis (i) d'établir un lien entre l'infestation et l'attractivité de certaines plantes (ii) d'identifier de nouveaux COVs potentiellement impliqués dans les prises de décisions comportementales de D. radicum. En parallèle, des études de terrain ont permis de tester l'efficacité de diffuseurs de COVs synthétiques au sein de parcelles expérimentales, que ce soit (i) pour favoriser le recrutement d'ennemis naturels (ii) attirer (composante " Pull ") ou repousser (composante " Push ") la mouche du chou. Enfin, l'utilisation de plantes pièges concentrant le ravageur semble être intéressante pour modifier la répartition de la mouche du chou à l'échelle de la parcelle en vue de protéger des cultures d'intérêt telles que le brocoli.

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