La Flavescence Dorée (FD) est une maladie épidémique infectant les vignes européennes causée par un phytoplasme (pFD) qui est transmis de vigne à vigne par l’insecte vecteur Scaphoideus titanus. Aucun cépage actuellement cultivé n’est totalement résistant, mais des différences de sensibilité existent. En France, les méthodes de lutte réglementaires se concentrent sur la plantation de pieds certifiés sains, l’arrachage des plants contaminés et des traitements insecticides contre le vecteur dans les zones touchées par la FD. En plus du coût économique de ces moyens de lutte, l’usage des produits phytosanitaires impacte l’environnement et la santé humaine. Une meilleure compréhension des relations entre les différents acteurs du pathosystème vigne-pFD-S. titanus est donc essentielle pour pouvoir appliquer d’autres stratégies de lutte. Dans ce contexte, les principaux objectifs de ma thèse étaient (1) d’identifier et de caractériser au niveau fonctionnel des gènes codant des protéases de surface, les FtsH, potentiellement impliquées dans la virulence du pFD, (2) de caractériser la multiplication et la diffusion du pFD dans la vigne en s’affranchissant des interactions vigne-S. titanus, (3) d’initier la caractérisation du déterminisme génétique de la résistance par analyse d’un pool de descendants issus du croisement entre un cépage sensible (CF) et un cépage peu sensible (Mag) et (4) d’identifier des différences de dérégulations géniques entre le cépage très sensible CS et le cépage peu sensible M par comparaison des transcriptomes. Les résultats indiquent que (1) huit gènes FtsH sont codés par le pFD et s’expriment de manière différentielle selon l’hôte, (2) les différences de sensibilité à la FD chez la vigne sont dues au moins en partie aux interactions vigne-pFD, (3) une ségrégation des caractères « infection des plantes » et « multiplication du pFD » dans cette descendance est obtenue et (4) le M active des voies métaboliques différentes par rapport au CS lors de l’infection. A terme, la compréhension puis l’exploitation des différences de sensibilités des cépages pourront contribuer à l’élaboration de pistes alternatives à la lutte actuelle contre la FD dans le cadre d’une réduction des intrants. / Flavescence Dorée (FD) is a severe epidemic disease of grapevine caused by a wall-less bacteria, a phytoplasma (pFD), transmitted by the insect vector Scaphoideus titanus. There is no resistant variety, but differences in susceptibility between Vitis exist. In France, the actual control consists in insecticide treatments against the vector, up-rooting of diseased plants and sanitary control of plants. It has high economic and environmental impacts. A better understanding of the pathosystem FDp-grapevine-S. titanus is essential to develop alternative measures. In this context, the main objectives of my thesis were (1) to identify and characterize the expression of genes encoding surface proteases, FtsH, potentially involved in the virulence of the pFD, (2) to characterize the FDp multiplication and diffusion in Vitis without taking into account grapevine-S. titanus interactions, (3) to initiate the characterization of genetic determinism by phenotyping a pool of progeny from the cross between the susceptible variety CF and the poorly susceptible variety Mag and, (4) to identify differences in gene expression between the very susceptible variety CS and the poorly susceptible variety M by transcriptomes comparison. Results indicate that (1) eight FtsH genes are encoded by the FDp and are differentially expressed between plant and insect hosts, (2) differences in FD susceptibility in Vitis are caused, at least in part, by Vitis-FDp interactions, (3) a segregation of the characters "plant infection" and "pFD multiplication" is obtained in the progeny and, (4) M activates different metabolic pathways than CS to respond to FDp infection. Such knowledge can contribute to the development of alternative methods for limiting phytosanitary inputs.

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Phytoplasmas are bacteria with a persistent propagative transmission by insect vectors that generates direct and indirect interactions among them. In order to understand these interactions for maize bushy stunt phytoplasma (MBSP) and the leafhopper vector Dalbulus maidis (Hemiptera: Cicadellidae), two research lines were addressed. The first one aimed to determine the indirect effects of maize infection by MBSP on some biological and behavioral parameters of the vector, whereas a second line investigated direct interactions of the phytoplasma with D. maidis during its movement through the vector body following acquisition from plants, and associated microbiota. Indirect effects were investigated in choice experiments in which alighting and oviposition preferences by D. maidis were compared on healthy vs. MBSP-infected plants with variable incubation time (diseased plants with early and advanced symptoms, or still asymptomatic). Likewise, indirect effect of MBSP on the D. maidis biology was determined in two life table experiments in which the vector was reared on healthy vs. MBSP-infected plants expressing advanced disease symptoms or still asymptomatic. Choice experiments showed that alighting and oviposition preferences of D. maidis on MBSP-infected plants compared to healthy plants depend on the pathogen incubation period in the plant. The leafhopper preferred MBSP-infected plants over healthy ones during the asymptomatic phase of the disease, but rejected infected plants with advanced symptoms. The vector was able to acquire MBSP from asymptomatic infected plants shortly (3 days) after inoculation, but transmission efficiency increased when acquisition occurred at later stages of the pathogen incubation period (≥14 days) in the source plants and the test plants showed disease symptoms faster. These results suggest that MBSP modulates D. maidis preference for asymptomatic infected plants in the early stages of the crop, allowing rapid spread of this pathogen. Maize infection by the phytoplasma had a neutral effect on most life table parameters of D. maidis; a lower net reproductivity rate (Ro) was observed in the cohort reared on MBSP-infected plants with advanced symptoms, which was compensated to some extent by a higher sexual ratio. MBSP acquisition by all vector nymphal stadia was confirmed by PCR, and the pathogen as detected in both male and female reproductive organs. Concerning direct MBSP-vector interactions, transmission electron microscopy analyses showed phytoplasma-like cells in the midgut lumen, microvilli and epithelial cells, suggesting that MBSP enters the epithelium midgut through the microvilli wall. Within the epithelial cells, mitochondria and bacteria-like cells (possibly endosymbionts) were observed together with masses of phythoplasma-like cells. In the hemocoel, phytoplasma-like cells grouped into a matrix were also observed in association with bacteria-like cells similar to those observed in the midgut epithelium. Similar associations were found in the salivary gland. Interestingly, in-situ hybridization (FISH) technique revealed a variation in diversity and abundance of the microbiota in intestine and salivary glands of D. maidis adults over time after MBSP acquisition from plants. Sulcia sp., Cardinium sp. and eubacteria increased their abundance over time, whereas Rickettsia sp. decreased. The frequent association of the vector microbiota with the phytoplasma in some tissues of D. maidis suggests that endosymbiotic bacteria may play some role in MBSP-vector interactions. / Fitoplasmas são bactérias transmitidas de forma persistente propagativa por insetos vetores, havendo interações diretas e indiretas envolvendo tais organismos. Para entender algumas dessas interações no caso do enfezamento vermelho do milho, associado ao \'maize bushy stunt phytoplasma\' (MBPS) e à cigarrinha vetora Dalbulus maidis (Hemiptera: Cicadellidae), foram desenvolvidas duas linhas de trabalho. Na primeira determinou-se o efeito indireto de MBSP no comportamento e biologia do vetor, enquanto que na segunda estudaram-se as interações diretas do fitoplasma com o vetor durante sua movimentação através de órgãos internos e associação com a microbiota do inseto. O efeito indireto no comportamento foi demostrado em testes de escolha nos quais se variou o período de incubação de MBSP na planta (plantas com sintomas iniciais ou avançados da doença, e plantas infectadas assintomáticas) sobre a preferência para pouso e oviposição pelo vetor. O efeito indireto na biologia do D. maidis foi estabelecido em dois experimentos de tabela de vida, alimentando o inseto durante seu ciclo de vida em plantas de milho sadias ou plantas infectadas com o fitoplasma em dois tempos de incubação (plantas com sintomas avançados da doença e plantas infectadas assintomáticas). Os testes de escolha mostraram que a preferência de D. maidis para pouso e oviposição em plantas infectadas por MBSP em relação a plantas sadias depende do período de incubação do patógeno na planta. A cigarrinha preferiu plantas infectadas por MBSP na fase assintomática da doença, mas rejeitou plantas com sintomas avançados. Ocorreu aquisição do fitoplasma pelo vetor em plantas assintomáticas a partir de 3 dias após a inoculação, mas a eficiência de transmissão aumentou após 14 dias de incubação do patógeno na planta-fonte, e diminuiu o tempo para expressão de sintomas nas plantas-teste inoculadas. Os resultados sugerem que MBSP modula a preferência do vetor para plantas infectadas no estágio inicial da cultura de modo a permitir sua rápida disseminação. O efeito da infecção de plantas por MBSP na biologia de D. maidis mostrou ser neutro para a maioria dos parâmetros biológicos estimados; houve menor taxa líquida de reprodução (Ro), que foi compensada por maior razão sexual, para insetos criados em plantas com sintomas avançados. Verificou-se, por PCR, aquisição do fitoplasma por todos os estádios ninfais do vetor e sua presença em órgãos reprodutivos dos adultos. Por microscopia eletrônica de transmissão, observaram-se células do tipo fitoplasma no lúmen, microvilosidades e células epiteliais do mesêntero de D. maidis, sugerindo que o MBSP penetra no epitélio através das microvilosidades. No epitélio intestinal, foram observadas massas de células do tipo fitoplasma próximas a mitocôndrias e células bacterianas, possíveis endossimbiontes. Na hemocele, também foram observadas células do tipo fitoplasma agrupadas numa matriz, em associação com bactérias similares às observadas no intestino. Associações semelhantes foram observadas na glândula salivar. A técnica de FISH revelou uma variação na riqueza e abundância das espécies na da microbiota no mesêntero e glândula salivar de D. maidis em função do tempo após a aquisição de MBSP. A abundância de Sulcia sp., Cardinium sp. e eubacteria aumentou, enquanto que a de Rickettsia sp. decresceu. A associação frequente dessas bactérias com fitoplasma em alguns tecidos de D. maidis sugere que endossimbiontes possam ter um papel nas interações fitoplasma-vetor.

O milho (Zea mays L.) é uma cultura de grande importância para o agronegócio brasileiro, que enfrenta diversos problemas fitossanitários. Dentre as doenças destaca-se o enfezamento vermelho, que está associado ao molicute fitopatogênico, \'maize bushy stunt phytoplasma\' (MBSP). Este fitoplasma é transmitido por um grupo restrito de cicadelídeos (Hemiptera: Cicadellidae), constituído principalmente por espécies do gênero Dalbulus; no Brasil é relatada a presença de apenas uma espécie vetora, a cigarrinha-do-milho, Dalbulus maidis (DeLong & Wolcott). A cigarrinha-do-milho possui profunda associação e coevolução com o milho, sendo considerada específica dessa cultura. No México há relatos de D. maidis se desenvolvendo em espécies selvagens do gênero Zea e Tripsacum. Mas no Brasil a única planta hospedeira conhecida de D. maidis é o milho. Portanto, não se sabe como esta cigarrinha, assim como o fitoplasma por ela transmitido, sobrevivem ao longo período de entressafra que ocorre em algumas regiões brasileiras. Estudos têm demonstrado que a presença de fitopatógenos na planta e nos insetos e as alterações por eles causadas na fisiologia dos mesmos, podem melhorar desempenho biológico do inseto vetor. No México, MBSP é altamente patogênico a outras espécies de cigarrinhas do gênero Dalbulus que se alimentam no milho e competem com D. maidis. Considerando-se que no Brasil outras espécies de cigarrinhas apresentam pequenas populações em milho, postulase que este fitoplasma as afete negativamente, reduzindo sua capacidade de competição com D. maidis. O presente trabalho investigou possíveis plantas hospedeiras alternativas do inseto e do fitoplasma, outros possíveis vetores do MBSP, e o efeito do fitoplasma na sobrevivência de D. maidis e em alguns parâmetros biológicos desse vetor e do cicadelídeo Agallia albidula Uhler, espécie não vetora, presente na vegetação espontânea da cultura do milho. Dez espécies de plantas daninhas em milharais foram submetidas à inoculação de MBSP com adultos infectivos de D. maidis, mas em nenhuma delas foi detectada a infecção pelo fitoplasma, indicando que o fitoplasma possui alta especificidade em relação a plantas hospedeiras. Duas espécies de cicadelídeos comuns na vegetação rasteira de cultivos de milho, A. albidula e Planicephalus flavicosta (Stål) foram testadas como vetores de MBSP, e nenhuma delas foi capaz de transmitir o patógeno para o milho, indicando que a especificidade de vetores também é elevada. A infecção de D. maidis por MBSP afetou negativamente a sobrevivência de adultos deste inseto vetor. Por outro lado, plantas de milho infectadas por MBSP estimularam a oviposição das cigarrinhas D. maidis e A. albidula. Entretanto, a sobrevivência de ninfas de A. albidula foi muito baixa tanto em plantas sadias quanto em plantas infectadas pelo fitoplasma, indicando que o milho, independentemente do fitoplasma, não é um bom hospedeiro para desenvolvimento de A. albidula. / Corn (Zea mays L.) is an important crop for Brazilian agribusiness, but it is affected by various pests and diseases. A stunting disease associated with the phytopathogenic mollicute, maize bushy stunt phytoplasma (MBPS), is a one of the main problems. This phytoplasma is transmitted by a narrow range of leafhoppers (Hemiptera: Cicadellidae), mainly in the genus Dalbulus. In Brazil, the only known vector is the corn leafhopper, Dalbulus maidis (DeLong & Walcott). The corn leafhopper has a deep association and co-evolution with corn, and it is thought to be specific to this crop. In Mexico there are reports of D. maidis developing on wild species of Zea and Tripsacum. Because corn is the only known host of D. maidis in Brazil, it is unknown how this leafhopper and MBSP survive the long corn off-season that occurs in some Brazilian growing regions. Studies have shown that the presence of pathogens in plants and insects and the physiological changes caused by them can improve the biological performance of insect vectors. In Mexico, MBSP is highly pathogenic to some Dalbulus species that feed on corn and compete with D. maidis. Considering that in Brazil other leafhopper species have small populations in corn, it is postulated that MBSP may negatively affect them and reduce their ability to compete with D. maidis. The current study investigated possible alternative host plants of MBSP and D. maidis, other possible leafhopper vectors of MBSP and the effects of the phytoplasma on D. maidis survival and in some biological parameters of this vector and of Agallia albidula Uhler, a non-vector leafhopper present in the weedy vegetation of corn fields. Ten weed species commonly present in corn fields were inoculated with MBSP by infective adults of D. maidis, but none of them became infected with the phytoplasma, suggesting that MBSP has high host plant specificity. Two leafhopper species that inhabit the weedy vegetation of corn fields, A. albidula e Planicephalus flavicosta (Stål), were tested as vectors of MBSP, but none of them was able to transmit the pathogen to corn, indicating that the vector specificity of this phytoplasma is also high. Infection of D. maidis by MBSP negatively affected adult survival. On the other hand, infection of corn plants by MBSP induced higher oviposition by D. maidis and A. albidula. However, the survival of A. albidula nymphs was very low not only on infected plants, but also on healthy corn plants, indicating corn is not a suitable developmental host for A. albidula, regardless of the phytoplasma infection.

Plantas de mostarda-do-campo (Brassica rapa) exibindo intenso superbrotamento de ramos finos, com folhas e flores de tamanho reduzido, foram observadas em campos cultivados com couve-flor. Como os sintomas se mostravam similares àqueles induzidos por fitoplasmas, suspeitou-se que esta espécie daninha estava infectada por este tipo patógeno. Visando confirmar a diagnose, plantas foram amostradas e seu DNA extraído para ser usado em ensaios de duplo PCR, conduzidos com os iniciadores R16mF2/mR1, SN910601/SN011119, 16F2n/R2 e R16(III)F2/16(III)R. As amplificações de fragmentos genômicos correspondentes ao 16S rRNA revelaram uma constante associação entre um fitoplasma do grupo 16SrIII com as plantas sintomáticas. A doença foi denominada de superbrotamento. Cigarrinhas da espécie Agalia albidula foram coletadas nas áreas marginais e no interior dos campos de couve-flor, onde cresciam plantas de mostarda-do-campo. O DNA total foi extraído e usado em duplo PCR desenvolvido com os mesmos iniciadores citados anteriormente. Os resultados mostraram que os insetos analisados eram portadores de um fitoplasma do grupo 16SrIII. Para alguns isolados do fitoplasma encontrado em plantas de mostarda-do-campo, os produtos amplicados em duplo PCR com os iniciadores R16(III)F2/16(III)R foram sequenciados e confirmaram que as sequências pertenciam a um representante do grupo 16SrIII. Mapas de sítios putativos de restrição foram elaborados com o emprego de diversas endonucleases, porém não se logrou sucesso em definir a identidade deste fitoplasma ao nível de classificação de subgrupo. Com base nos resultados obtidos no presente estudo, plantas de mostarda-do-campo servem como hospedeiro alternativo de um fitoplasma do grupo 16SrIII, o qual foi anteriormente associado à doença conhecida como enfezamento, ocorrente em outras espécies de brássica, como repolho, brócolis e couve-flor. Assim, é sugerido que esta espécie daninha possa abrigar o agente de doença, garantindo sua sobrevivência e atuando como fonte de inóculo para as culturas comerciais. Além disto, cigarrinhas da espécie A. albidula podem ser apontadas como potenciais vetores do fitoplasma relacionado ao superbrotamento da mostarda-do-campo, bem como ao agente causal do enfezamento em brássicas. A presente pesquisa contribuiu para melhor compreensão dos aspectos relacionados aos enfezamentos das brássicas, envolvendo diversidade de fitoplasmas, gama de hospedeiros alternativos destes agentes de doença e ocorrência de vetores deste tipo de patógeno. / Mustard-field plants (Brassica rapa) showing intense shoots proliferation, small sized leaves and flowers, were observed in cauliflower production fields. Since the symptoms were similar to those induced by phytoplasmas, it was suspected that this weed was infected by this type of pathogen. To confirm the diagnosis, plants were sampled for DNA extraction to be used in nested PCR tests conducted with primers R16mF2/mR1, SN910601/SN011119, F6F2n/R2 and R16(III)F2/16(III)R. The amplification of genomic fragments corresponding to the 16S rRNA showed a constant association between a phytoplasma group 16SrIII with symptomatic plants. The disease was called witche\"s broom. Species of leafhopper, Agalia albidula, were collected in marginal areas and at cauliflower fields, where mustard-field plants grew. The total DNA was extracted and used in nested PCR carried out with the same primers mentioned above. The results showed that the insects analyzed were carriers of a phytoplasma group 16SrIII. For some isolates of phytoplasma found in mustard-field plants, the products obtained in nested PCR with primers R16(III)F2/16 (III)R were sequenced and confirmed that belonged to a representative 16SrIII group. Putative restriction sites maps, were prepared using a many restriction endonucleases, but no success has been achieved in defining the identity of the phytoplasma subgroup classification level. Based on the results in the present study, mustard-field plants could be an alternative host of a phytoplasma group 16SrIII, which was previously associated with the disease known as stunting, occurring in other species of rapeseed such as cabbage, broccoli and cauliflower. Thus, it is suggested this weed could harbor the disease agent, ensuring their survival and acting as a source of inoculum for commercial crops. Moreover, the species of leafhoppers, A. albidula, could be identified as a potential vector of the phytoplasma associated with witche\"s broom mustard-field as well as the causal agent of stunting in brassicas. This research contributed to understanding the issues related to stunting in brassicas, involving a diversity of phytoplasmas, range of alternative hosts of these disease agents and occurrence of vectors of this pathogen type.

O milho (Zea mays L.) é uma cultura de grande importância para o agronegócio brasileiro, que enfrenta diversos problemas fitossanitários. Dentre as doenças destaca-se o enfezamento vermelho, que está associado ao molicute fitopatogênico, \'maize bushy stunt phytoplasma\' (MBSP). Este fitoplasma é transmitido por um grupo restrito de cicadelídeos (Hemiptera: Cicadellidae), constituído principalmente por espécies do gênero Dalbulus; no Brasil é relatada a presença de apenas uma espécie vetora, a cigarrinha-do-milho, Dalbulus maidis (DeLong & Wolcott). A cigarrinha-do-milho possui profunda associação e coevolução com o milho, sendo considerada específica dessa cultura. No México há relatos de D. maidis se desenvolvendo em espécies selvagens do gênero Zea e Tripsacum. Mas no Brasil a única planta hospedeira conhecida de D. maidis é o milho. Portanto, não se sabe como esta cigarrinha, assim como o fitoplasma por ela transmitido, sobrevivem ao longo período de entressafra que ocorre em algumas regiões brasileiras. Estudos têm demonstrado que a presença de fitopatógenos na planta e nos insetos e as alterações por eles causadas na fisiologia dos mesmos, podem melhorar desempenho biológico do inseto vetor. No México, MBSP é altamente patogênico a outras espécies de cigarrinhas do gênero Dalbulus que se alimentam no milho e competem com D. maidis. Considerando-se que no Brasil outras espécies de cigarrinhas apresentam pequenas populações em milho, postulase que este fitoplasma as afete negativamente, reduzindo sua capacidade de competição com D. maidis. O presente trabalho investigou possíveis plantas hospedeiras alternativas do inseto e do fitoplasma, outros possíveis vetores do MBSP, e o efeito do fitoplasma na sobrevivência de D. maidis e em alguns parâmetros biológicos desse vetor e do cicadelídeo Agallia albidula Uhler, espécie não vetora, presente na vegetação espontânea da cultura do milho. Dez espécies de plantas daninhas em milharais foram submetidas à inoculação de MBSP com adultos infectivos de D. maidis, mas em nenhuma delas foi detectada a infecção pelo fitoplasma, indicando que o fitoplasma possui alta especificidade em relação a plantas hospedeiras. Duas espécies de cicadelídeos comuns na vegetação rasteira de cultivos de milho, A. albidula e Planicephalus flavicosta (Stål) foram testadas como vetores de MBSP, e nenhuma delas foi capaz de transmitir o patógeno para o milho, indicando que a especificidade de vetores também é elevada. A infecção de D. maidis por MBSP afetou negativamente a sobrevivência de adultos deste inseto vetor. Por outro lado, plantas de milho infectadas por MBSP estimularam a oviposição das cigarrinhas D. maidis e A. albidula. Entretanto, a sobrevivência de ninfas de A. albidula foi muito baixa tanto em plantas sadias quanto em plantas infectadas pelo fitoplasma, indicando que o milho, independentemente do fitoplasma, não é um bom hospedeiro para desenvolvimento de A. albidula. / Corn (Zea mays L.) is an important crop for Brazilian agribusiness, but it is affected by various pests and diseases. A stunting disease associated with the phytopathogenic mollicute, maize bushy stunt phytoplasma (MBPS), is a one of the main problems. This phytoplasma is transmitted by a narrow range of leafhoppers (Hemiptera: Cicadellidae), mainly in the genus Dalbulus. In Brazil, the only known vector is the corn leafhopper, Dalbulus maidis (DeLong & Walcott). The corn leafhopper has a deep association and co-evolution with corn, and it is thought to be specific to this crop. In Mexico there are reports of D. maidis developing on wild species of Zea and Tripsacum. Because corn is the only known host of D. maidis in Brazil, it is unknown how this leafhopper and MBSP survive the long corn off-season that occurs in some Brazilian growing regions. Studies have shown that the presence of pathogens in plants and insects and the physiological changes caused by them can improve the biological performance of insect vectors. In Mexico, MBSP is highly pathogenic to some Dalbulus species that feed on corn and compete with D. maidis. Considering that in Brazil other leafhopper species have small populations in corn, it is postulated that MBSP may negatively affect them and reduce their ability to compete with D. maidis. The current study investigated possible alternative host plants of MBSP and D. maidis, other possible leafhopper vectors of MBSP and the effects of the phytoplasma on D. maidis survival and in some biological parameters of this vector and of Agallia albidula Uhler, a non-vector leafhopper present in the weedy vegetation of corn fields. Ten weed species commonly present in corn fields were inoculated with MBSP by infective adults of D. maidis, but none of them became infected with the phytoplasma, suggesting that MBSP has high host plant specificity. Two leafhopper species that inhabit the weedy vegetation of corn fields, A. albidula e Planicephalus flavicosta (Stål), were tested as vectors of MBSP, but none of them was able to transmit the pathogen to corn, indicating that the vector specificity of this phytoplasma is also high. Infection of D. maidis by MBSP negatively affected adult survival. On the other hand, infection of corn plants by MBSP induced higher oviposition by D. maidis and A. albidula. However, the survival of A. albidula nymphs was very low not only on infected plants, but also on healthy corn plants, indicating corn is not a suitable developmental host for A. albidula, regardless of the phytoplasma infection.

Phytoplasmas are bacteria with a persistent propagative transmission by insect vectors that generates direct and indirect interactions among them. In order to understand these interactions for maize bushy stunt phytoplasma (MBSP) and the leafhopper vector Dalbulus maidis (Hemiptera: Cicadellidae), two research lines were addressed. The first one aimed to determine the indirect effects of maize infection by MBSP on some biological and behavioral parameters of the vector, whereas a second line investigated direct interactions of the phytoplasma with D. maidis during its movement through the vector body following acquisition from plants, and associated microbiota. Indirect effects were investigated in choice experiments in which alighting and oviposition preferences by D. maidis were compared on healthy vs. MBSP-infected plants with variable incubation time (diseased plants with early and advanced symptoms, or still asymptomatic). Likewise, indirect effect of MBSP on the D. maidis biology was determined in two life table experiments in which the vector was reared on healthy vs. MBSP-infected plants expressing advanced disease symptoms or still asymptomatic. Choice experiments showed that alighting and oviposition preferences of D. maidis on MBSP-infected plants compared to healthy plants depend on the pathogen incubation period in the plant. The leafhopper preferred MBSP-infected plants over healthy ones during the asymptomatic phase of the disease, but rejected infected plants with advanced symptoms. The vector was able to acquire MBSP from asymptomatic infected plants shortly (3 days) after inoculation, but transmission efficiency increased when acquisition occurred at later stages of the pathogen incubation period (≥14 days) in the source plants and the test plants showed disease symptoms faster. These results suggest that MBSP modulates D. maidis preference for asymptomatic infected plants in the early stages of the crop, allowing rapid spread of this pathogen. Maize infection by the phytoplasma had a neutral effect on most life table parameters of D. maidis; a lower net reproductivity rate (Ro) was observed in the cohort reared on MBSP-infected plants with advanced symptoms, which was compensated to some extent by a higher sexual ratio. MBSP acquisition by all vector nymphal stadia was confirmed by PCR, and the pathogen as detected in both male and female reproductive organs. Concerning direct MBSP-vector interactions, transmission electron microscopy analyses showed phytoplasma-like cells in the midgut lumen, microvilli and epithelial cells, suggesting that MBSP enters the epithelium midgut through the microvilli wall. Within the epithelial cells, mitochondria and bacteria-like cells (possibly endosymbionts) were observed together with masses of phythoplasma-like cells. In the hemocoel, phytoplasma-like cells grouped into a matrix were also observed in association with bacteria-like cells similar to those observed in the midgut epithelium. Similar associations were found in the salivary gland. Interestingly, in-situ hybridization (FISH) technique revealed a variation in diversity and abundance of the microbiota in intestine and salivary glands of D. maidis adults over time after MBSP acquisition from plants. Sulcia sp., Cardinium sp. and eubacteria increased their abundance over time, whereas Rickettsia sp. decreased. The frequent association of the vector microbiota with the phytoplasma in some tissues of D. maidis suggests that endosymbiotic bacteria may play some role in MBSP-vector interactions. / Fitoplasmas são bactérias transmitidas de forma persistente propagativa por insetos vetores, havendo interações diretas e indiretas envolvendo tais organismos. Para entender algumas dessas interações no caso do enfezamento vermelho do milho, associado ao \'maize bushy stunt phytoplasma\' (MBPS) e à cigarrinha vetora Dalbulus maidis (Hemiptera: Cicadellidae), foram desenvolvidas duas linhas de trabalho. Na primeira determinou-se o efeito indireto de MBSP no comportamento e biologia do vetor, enquanto que na segunda estudaram-se as interações diretas do fitoplasma com o vetor durante sua movimentação através de órgãos internos e associação com a microbiota do inseto. O efeito indireto no comportamento foi demostrado em testes de escolha nos quais se variou o período de incubação de MBSP na planta (plantas com sintomas iniciais ou avançados da doença, e plantas infectadas assintomáticas) sobre a preferência para pouso e oviposição pelo vetor. O efeito indireto na biologia do D. maidis foi estabelecido em dois experimentos de tabela de vida, alimentando o inseto durante seu ciclo de vida em plantas de milho sadias ou plantas infectadas com o fitoplasma em dois tempos de incubação (plantas com sintomas avançados da doença e plantas infectadas assintomáticas). Os testes de escolha mostraram que a preferência de D. maidis para pouso e oviposição em plantas infectadas por MBSP em relação a plantas sadias depende do período de incubação do patógeno na planta. A cigarrinha preferiu plantas infectadas por MBSP na fase assintomática da doença, mas rejeitou plantas com sintomas avançados. Ocorreu aquisição do fitoplasma pelo vetor em plantas assintomáticas a partir de 3 dias após a inoculação, mas a eficiência de transmissão aumentou após 14 dias de incubação do patógeno na planta-fonte, e diminuiu o tempo para expressão de sintomas nas plantas-teste inoculadas. Os resultados sugerem que MBSP modula a preferência do vetor para plantas infectadas no estágio inicial da cultura de modo a permitir sua rápida disseminação. O efeito da infecção de plantas por MBSP na biologia de D. maidis mostrou ser neutro para a maioria dos parâmetros biológicos estimados; houve menor taxa líquida de reprodução (Ro), que foi compensada por maior razão sexual, para insetos criados em plantas com sintomas avançados. Verificou-se, por PCR, aquisição do fitoplasma por todos os estádios ninfais do vetor e sua presença em órgãos reprodutivos dos adultos. Por microscopia eletrônica de transmissão, observaram-se células do tipo fitoplasma no lúmen, microvilosidades e células epiteliais do mesêntero de D. maidis, sugerindo que o MBSP penetra no epitélio através das microvilosidades. No epitélio intestinal, foram observadas massas de células do tipo fitoplasma próximas a mitocôndrias e células bacterianas, possíveis endossimbiontes. Na hemocele, também foram observadas células do tipo fitoplasma agrupadas numa matriz, em associação com bactérias similares às observadas no intestino. Associações semelhantes foram observadas na glândula salivar. A técnica de FISH revelou uma variação na riqueza e abundância das espécies na da microbiota no mesêntero e glândula salivar de D. maidis em função do tempo após a aquisição de MBSP. A abundância de Sulcia sp., Cardinium sp. e eubacteria aumentou, enquanto que a de Rickettsia sp. decresceu. A associação frequente dessas bactérias com fitoplasma em alguns tecidos de D. maidis sugere que endossimbiontes possam ter um papel nas interações fitoplasma-vetor.

Plantas de mostarda-do-campo (Brassica rapa) exibindo intenso superbrotamento de ramos finos, com folhas e flores de tamanho reduzido, foram observadas em campos cultivados com couve-flor. Como os sintomas se mostravam similares àqueles induzidos por fitoplasmas, suspeitou-se que esta espécie daninha estava infectada por este tipo patógeno. Visando confirmar a diagnose, plantas foram amostradas e seu DNA extraído para ser usado em ensaios de duplo PCR, conduzidos com os iniciadores R16mF2/mR1, SN910601/SN011119, 16F2n/R2 e R16(III)F2/16(III)R. As amplificações de fragmentos genômicos correspondentes ao 16S rRNA revelaram uma constante associação entre um fitoplasma do grupo 16SrIII com as plantas sintomáticas. A doença foi denominada de superbrotamento. Cigarrinhas da espécie Agalia albidula foram coletadas nas áreas marginais e no interior dos campos de couve-flor, onde cresciam plantas de mostarda-do-campo. O DNA total foi extraído e usado em duplo PCR desenvolvido com os mesmos iniciadores citados anteriormente. Os resultados mostraram que os insetos analisados eram portadores de um fitoplasma do grupo 16SrIII. Para alguns isolados do fitoplasma encontrado em plantas de mostarda-do-campo, os produtos amplicados em duplo PCR com os iniciadores R16(III)F2/16(III)R foram sequenciados e confirmaram que as sequências pertenciam a um representante do grupo 16SrIII. Mapas de sítios putativos de restrição foram elaborados com o emprego de diversas endonucleases, porém não se logrou sucesso em definir a identidade deste fitoplasma ao nível de classificação de subgrupo. Com base nos resultados obtidos no presente estudo, plantas de mostarda-do-campo servem como hospedeiro alternativo de um fitoplasma do grupo 16SrIII, o qual foi anteriormente associado à doença conhecida como enfezamento, ocorrente em outras espécies de brássica, como repolho, brócolis e couve-flor. Assim, é sugerido que esta espécie daninha possa abrigar o agente de doença, garantindo sua sobrevivência e atuando como fonte de inóculo para as culturas comerciais. Além disto, cigarrinhas da espécie A. albidula podem ser apontadas como potenciais vetores do fitoplasma relacionado ao superbrotamento da mostarda-do-campo, bem como ao agente causal do enfezamento em brássicas. A presente pesquisa contribuiu para melhor compreensão dos aspectos relacionados aos enfezamentos das brássicas, envolvendo diversidade de fitoplasmas, gama de hospedeiros alternativos destes agentes de doença e ocorrência de vetores deste tipo de patógeno. / Mustard-field plants (Brassica rapa) showing intense shoots proliferation, small sized leaves and flowers, were observed in cauliflower production fields. Since the symptoms were similar to those induced by phytoplasmas, it was suspected that this weed was infected by this type of pathogen. To confirm the diagnosis, plants were sampled for DNA extraction to be used in nested PCR tests conducted with primers R16mF2/mR1, SN910601/SN011119, F6F2n/R2 and R16(III)F2/16(III)R. The amplification of genomic fragments corresponding to the 16S rRNA showed a constant association between a phytoplasma group 16SrIII with symptomatic plants. The disease was called witche\"s broom. Species of leafhopper, Agalia albidula, were collected in marginal areas and at cauliflower fields, where mustard-field plants grew. The total DNA was extracted and used in nested PCR carried out with the same primers mentioned above. The results showed that the insects analyzed were carriers of a phytoplasma group 16SrIII. For some isolates of phytoplasma found in mustard-field plants, the products obtained in nested PCR with primers R16(III)F2/16 (III)R were sequenced and confirmed that belonged to a representative 16SrIII group. Putative restriction sites maps, were prepared using a many restriction endonucleases, but no success has been achieved in defining the identity of the phytoplasma subgroup classification level. Based on the results in the present study, mustard-field plants could be an alternative host of a phytoplasma group 16SrIII, which was previously associated with the disease known as stunting, occurring in other species of rapeseed such as cabbage, broccoli and cauliflower. Thus, it is suggested this weed could harbor the disease agent, ensuring their survival and acting as a source of inoculum for commercial crops. Moreover, the species of leafhoppers, A. albidula, could be identified as a potential vector of the phytoplasma associated with witche\"s broom mustard-field as well as the causal agent of stunting in brassicas. This research contributed to understanding the issues related to stunting in brassicas, involving a diversity of phytoplasmas, range of alternative hosts of these disease agents and occurrence of vectors of this pathogen type.

O enfezamento vermelho, causado por um fitoplasma, foi registrado no Brasil no início da década de setenta, sendo relatado como de pequena importância para a cultura do milho. A partir de meados dos anos oitenta, com a introdução dos plantios de safrinha e dos cultivos irrigados, a doença passou a ser considerada de relevância econômica. Atualmente, o enfezamento se constitui em uma das mais importantes doenças do milho, sendo, inclusive, fator limitante para produção em função da região, do híbrido escolhido e da época de plantio.Um ponto crítico no manejo da doença se refere ao escasso conhecimento sobre a sobrevivência do patógeno e do inseto vetor (Dalbulus maidis) durante a ausência da cultura do milho no campo. Este tipo de informação pode ser útil principalmente na redução do inóculo inicial do patógeno, visando um controle mais eficiente da doença. Assim sendo, o presente trabalho teve por objetivo avaliar algumas gramíneas, usadas na formação de pastagens, e espécies daninhas, que ocorrem na cultura do milho, como potenciais hospedeiros alternativos do fitoplasma e do seu vetor . Treze espécies de capins e ervas daninhas foram experimentalmente inoculadas com o fitoplasma do enfezamento vermelho do milho, através de cigarrinhas infectivas. Avaliações foram feitas com base na observação de sintomas, na detecção molecular do fitoplasma nos tecidos das plantas inoculadas e na contagem de insetos sobreviventes nestas plantas inoculadas. A detecção foi feita por duplo PCR e a identificação do fitoplasma foi realizada pela análise de RFLP, com as enzimas de restrição AluI, RsaI, KpnI e MboI. Das treze espécies testadas, o fitoplasma foi encontrado nos capins colonião (Panicum maximum), marmelada (Brachiaria plantaginea) e braquiária (Brachiaria decumbens), através da amplificação do 16S rDNA, visualizado em gel de agarose na forma de bandas. Os insetos sobreviveram nos três capins até o final do período de experimentação, revelando que os capins foram capazes de abrigar a cigarrinha. Estes resultados demonstraram a possibilidade destas espécies atuarem como potenciais hospedeiros alternativos para o patógeno e o seu vetor, em condições naturais. Estas informações poderão contribuir para novas investigações, na busca de melhor conhecimento sobre a epidemiologia da doença, principalmente quanto à sobrevivência do fitoplasma e da cigarrinha vetora. / Maize bushy stunt, caused by a phytoplasma, was reported in Brazil in the beginning of the seventies, and it was considered as not important for corn. Since the middle of the eighties decade, when the later planting practice and irrigation were adopted, the disease became relevant. Currently, maize bushy stunt represents one of the most important diseases and has caused significant losses. In some conditions the disease can limit the production, especially in relation to the region, used hybrids and crop season. A critical point to disease control is the lack of about survival of pathogen and vector, during the absence of corn crop on the field. This kind of information can be useful to promote the reduction of the initial inoculum, aiming a more efficient disease control. Thus, the objective of the present study was to evaluate some grasses and weeds species as potential alternative hosts of the maize bushy stunt phytoplasma and its vector Dalbulus maidis. Thirteen botanical species were experimentally inoculated with the phytoplasma by using infective leafhoppers. Evaluations were based upon symptom observation, molecular detection of the phytoplasma in tissue of inoculated plants and the of number of insects present in the plants. Detection was conducted by nested PCR and phytoplasma identification by RFLP analyses, using AluI, RsaI, KpnI and MboI as restriction enzymes. Phytoplasma was detected in three species, Panicum maximum, Brachiaria plantaginea and Brachiaria decumbens based on amplification of 16S rDNA, visualized as specific band in agarose gel. Insects remain on alive on the plants belonging to those three species up to the end of the assays. Thus, the present study showed the possibility of those species as potential alternative hosts to the pathogen and its vector, under natural conditions. The results can contribute for new investigations, in order to understanding the epidemiology of the disease, especially in relation to phytoplasma and vector survival.

Thesis (MSc (Genetics))--University of Stellenbosch, 2011. / Includes bibliography / ENGLISH ABSTRACT: This study investigated the use of antimicrobial peptides (AMPs) as possible source of resistance against a range of pathogens in grapevine. Whilst the ultimate aim would be to express AMPs in grapevine, the development of transgenic grapevine is time consuming and therefore pre-screening of potential AMPs is necessary. These small molecules, of less than 50 amino acids in length, are expressed by almost all organisms as part of their non-specific defence system. In vitro pre-screening of AMP activity is valuable but is limited since the activity on artificial media may differ from the AMP activity in planta. These tests are also restricted to pathogens which can be cultured in vitro. These limitations can be overcome by using transient expression systems to determine the in planta activity of AMPs against pathogens of interest. In this study transient systems were used to express AMPs in developed plant tissue to test their efficacy against grapevine pathogens such as Agrobacterium vitis, Xylophilus ampelinus and aster yellows phytoplasma. Aster yellows phytoplasma, which was recently discovered in local vineyards, is known to cause extensive damage and therefore pose a great threat to the South African grapevine industry. To study the in planta effect of AMPs against the abovementioned pathogens, transient expression vectors were constructed expressing either of the AMPs D4E1 or Vv-AMP1. D4E1 is a synthetically designed AMP known to be active against bacteria and fungi, while Vv-AMP1, isolated from grapevine berries, has already shown activity against fungi. In a transient approach in grapevine, the expression of foreign genes from viral and non-viral vectors was confirmed by expression of the marker genes β-glucuronidase and Green Fluorescent Protein, while tissue-printing immunoassays confirmed viral replication and systemic spread in Nicotiana benthamiana. The viral vectors were based on the phloem-limited virus grapevine virus A. Only Agrobacterium-mediated 35S transient expression vectors were used for AMP in planta activity screening since the viral-mediated expression in grapevine was insufficient for screening against A. vitis and X. ampelinus as it was restricted to phloem tissues after whole-leaf infiltration. No phytoplasma-infected material could be established and as a result AMP activity screening was only performed against the A. vitis and X. ampelinus. Quantification of the bacteria was performed by qPCR. Vv-AMP1 did not show activity against either of the two bacteria in planta while D4E1 was found to be active against both. The observed in planta activity of D4E1 correlated with the in vitro activity as measured in an AMP plate bioassay. In contrast to in vitro screenings, the in planta AMP activity screening might give a more accurate representation of the potential antimicrobial activity of the peptide in a transgenic plant environment. This study proved that transient expression systems can be used as a pre-screening method of AMP activity in planta against grapevine pathogens, allowing the screening of various AMPs in a relatively short period of time before committing to transgenic grapevine development. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Hierdie studie het die gebruik van antimikrobiese peptiede (AMPe) as 'n moontlik bron van weerstand teen 'n reeks van patogene in wingerd ondersoek. Alhoewel die uiteindelike doel sal wees om AMPe uit te druk in wingerd, is transgeniese wingerd ontwikkeling tydrowend en daarom is vooraf evaluering van potensiële AMPe nodig. Hierdie klein molekules, van minder as 50 aminosure in lengte, word uitgedruk deur amper alle organismes as deel van hul nie-spesifieke verdedigingsisteem. In vitro vooraf evaluering van AMP aktiwiteit is van waarde, maar is beperk aangesien die aktiwiteit op kunsmatige media mag verskil van die AMP-aktiwiteit in planta. Hierdie toetse is ook beperk tot patogene wat in vitro gekweek kan word. Hierdie beperkinge kan oorkom word deur gebruik te maak van tydelike uitdrukkingsisteme om die in planta aktiwiteit van AMPe te bepaal teen patogene van belang. In hierdie studie is tydelike uitdrukkingsisteme gebruik om AMPe uit te druk in ontwikkelde plantweefsel om hul effektiwiteite te toets teen wingerdpatogene soos Agrobacterium vitis, Xylophilus ampelinus en aster yellows fitoplasma. Aster yellows fitoplasmas, wat onlangs in plaaslike wingerde ontdek is, is bekend vir die uitgebreide skade wat hul aanrig en hou daarom 'n groot bedreiging in vir die Suid-Afrikaanse wingerd industrie. Om die in planta effek van AMPe teen die bogenoemde patogene te bestudeer is tydelike uitdrukkingsvektore ontwikkel wat die AMPe D4E1 of Vv-AMP1 uitdruk. D4E1 is 'n sinteties-ontwerpte AMP wat aktief is teen bakterieë en fungi, terwyl Vv-AMP1, wat uit druiwekorrels geïsoleer is, alreeds aktiwiteit teen fungi getoon het. In 'n tydelike uitdrukkingsbenadering in wingerd is die uitdrukking van transgene, vanaf virus of nie-virus gebaseerde vektore, bevestig deur die uitdrukking van die merker gene β-glukuronidase en die Groen Fluoresserende Proteïen, terwyl weefsel afdrukkings-immunotoetse virus replisering en sistemiese beweging in Nicotiana benthamiana bevestig het. Die virusvektore was gebaseer op die floëem-beperkte virus, wingerdvirus A. Slegs Agrobacterium-bemiddelde 35S tydelike uitdrukkingsvektore is gebruik om die AMP in planta aktiwiteit te bepaal aangesien die virus-bemiddelde uitdrukking in wingerd onvoldoende was vir evaluering teen A. vitis en X. ampelinus weens die beperking tot die floëem weefsel na infiltrering van die totale blaar. Geen fitoplasma geïnfekteerde materiaal kon gevestig word nie, en daarom is AMP aktiwiteitsevaluering slegs teen A. vitis en X. ampelinus uitgevoer. Kwantifisering van die bakterieë is deur middel van qPCR uitgevoer. Vv-AMP1 het geen aktiwiteit getoon teen enige van die bakterieë in planta nie, terwyl D4E1 aktief was teen beide. Die waargenome in planta aktiwiteit van D4E1 het ooreengestem met die in vitro aktiwiteit soos bepaal deur 'n AMP plaat bio-toets. In kontras tot in vitro evaluering kan die in planta AMP-aktiwiteit evaluering 'n meer akkurate voorspelling bied van die potensiële antimikrobiese aktiwiteite van die peptied in 'n transgeniese plant omgewing. Hierdie studie het bewys dat tydelike uitdrukkingsisteme gebruik kan word as 'n voorafgaande evalueringsmetode vir AMP in planta aktiwiteit teen wingerdpatogene, wat die evaluering van 'n verskeidenheid AMPe in 'n relatiewe kort tydperk toelaat voor verbintenis tot die ontwikkeling van transgeniese wingerd.