This study was undertaken to determine the sensitivity of grape downy mildew (DM, Plasmopara viticola) and powdery mildew (PM, Erysiphe necator) to commonly used single-site fungicides in Virginia and nearby states. DM and PM isolates were collected from 2005 to 2007. In grape leaf disc bioassays, 92% of the DM isolates were QoI (azoxystrobin)-resistant, but none were resistant to mefenoxam. Eighty-two percent of the PM isolates were QoI-resistant, but none were resistant to boscalid and quinoxyfen. The frequency of the G143A point mutation, which confers high levels of QoI resistance, was quantified in DM and PM isolates by real-time PCR. Most of the QoI-resistant DM and PM isolates contained >95% of the 143A allele. QoI-sensitive DM isolates contained less than 1% of 143A. One out of 145 and 14 out of 154 QoI-resistant DM and PM isolates (able to grow on azoxystrobin concentration ï ³ 1 µg/ml), respectively, contained less than 1% 143A. Most PM isolates exhibited reduced sensitivity to five DMI fungicides when compared to a sensitive subgroup (n=9) and compared to published reports for unexposed populations; the resistance factor (median EC50 of the entire isolate collection divided by median EC50 of sensitive subgroup) was highest for tebuconazole (360) and myclobutanil (350), followed by triflumizole (79), triadimefon (61), and fenarimol (53). Sensitivities to all five DMI fungicides, but also azoxystrobin, were moderately to strongly correlated (pairwise r-values ranging from 0.60 to 0.88). / Master of Science in Life Sciences

Development of fungicide resistance in fungal and oomycete pathogens is a serious problem in grape production. Quinoxyfen is a fungicide widely used against grape powdery mildew (Erysiphe necator). In 2013, E. necator isolates with reduced quinoxyfen sensitivity (designated as quinoxyfen lab resistance or QLR) were detected in Virginia. Field trials were conducted in 2014, 2015, and 2016 at the affected vineyard to determine to what extent quinoxyfen might still contribute to disease control. Powdery mildew control by quinoxyfen was good, similar to, or only slightly less, than that provided by myclobutanil and boscalid in all three years. The frequency of QLR in vines not treated with quinoxyfen declined only slowly over the three years, from 65% to 46%. Information about the mode of action of quinoxyfen is limited; previous research suggests that quinoxyfen interferes with the signal transduction process. We profiled the transcriptomes of QLR and sensitive isolates in response to quinoxyfen treatment, providing support for this hypothesis. Additional transcriptional targets of quinoxyfen were revealed to be involved in the positive regulation of the MAPK signaling cascade, pathogenesis, and sporulation activity. Grape downy mildew (Plasmopara viticola), another important grape pathogen, is commonly controlled by phosphite fungicides. A field trial and laboratory bioassays were conducted to determine whether P. viticola isolates from vineyards with suspected control failures showed reduced sensitivity against phosphite fungicides. Prophyt applied at 14-day intervals under high disease pressure provided poor downy mildew control in the field. Next-generation sequencing technologies were utilized to identify 391,930 single nucleotide polymorphisms (SNPs) and generated a draft P. viticola genome assembly at ~130 megabase (Mb). Finally, field isolates of P. viticola collected from a Virginia vineyard with suspected mandipropamid control failure were bioassayed. The EC50 values of the isolates were >240 μg.ml-1 for mandipropamid, well above the field rate. The PvCesA3 gene of two resistant isolates was sequenced revealing that these isolates had a GGC-to-AGC substitution at codon 1105, the same mutation that has been found associated with CAA resistance elsewhere. / PHD / Powdery and downy mildew are two diseases of grapes that can cause large yield losses, and are usually controlled by regular fungicide applications. Development of fungicide resistance has been a growing challenge. Quinoxyfen is a protectant fungicide commonly used against powdery mildews. Unusual grape powdery mildew isolates that grew well on quinoxyfen-treated plants in the laboratory (designated as quinoxyfen lab resistance or QLR) were detected in a Virginia vineyard. In 2014, the first year of this study, 65% of powdery mildew isolates from parts of this vineyard that received no further quinoxyfen treatments had the QLR type of resistance, and this declined only slowly to 46% by the third year. Field trials were conducted in 2014, 2015, and 2016 to determine the efficacy of quinoxyfen in the presence of QLR. Powdery mildew control by quinoxyfen on both grape clusters and leaves was similar to, or only slightly less, than that provided by the standard anti-powdery mildew fungicides myclobutanil and boscalid in all three years. In order to gain a better understanding of the mode(s) of action and resistance mechanism(s) of quinoxyfen, gene expression of QLR and sensitive isolates, both in the presence and absence of quinoxyfen, was analyzed by nucleic acid sequencing. This study confirms previous research suggesting that quinoxyfen interferes with the important biological process signal transduction, and revealed additional gene targets of quinoxyfen. The phosphites are a group of fungicides commonly used to control grape downy mildew. Control failures after phosphite application have occasionally been suspected, and downy mildew isolates from vineyards with and without suspected control failures were tested in laboratory bioassays to determine if any level of resistance could be demonstrated. There was a limited range of sensitivity, and none of the isolates showed a notable loss of sensitivity. A field trial was conducted to determine the efficacy of one phosphite fungicide, Prophyt, applied at 14-day intervals under conditions favorable for disease development. Prophyt provided poor downy mildew control, suggesting that it has to be applied more frequently. Next-generation sequencing technologies were utilized to identify genetic markers for clade identification and generated a draft genome assembly of grape downy mildew, which improves the understanding of grape downy mildew genome. Grape downy mildew isolates collected from a vineyard in Virginia where mandipropamid provided poor control of downy mildew were bioassayed. The isolates tolerated mandipropamid rates well above the field rate, showing that they were indeed resistant. The mutation that confers mandipropamid resistance on other continents was found in the PvCesA3 gene of two resistant isolates.

Maîtriser l’impact des maladies sur les cultures est un défi majeur de l’agriculture moderne. Cette préoccupation est un aspect important de l’optimisation de la productivité, notamment en viticulture. En France, le mildiou de la vigne causé par Plasmopara viticola est une des maladies cryptogamiques responsable des épidémies les plus dévastatrices et les plus redoutées. Les traitements reposent sur l’utilisation préventive, systématique et onéreuse de composés chimiques antifongiques dont l’utilisation massive constitue un risque à la fois pour l’homme et l’environnement. La réduction de l’utilisation de fongicide implique le développement d’outils de diagnostic au champ, qui requiert la compréhension des interactions entre la plante et les agents pathogènes. Les travaux de cette thèse pluridisciplinaire ont porté sur le pathosystème Plasmopara viticola - Vitis vinifera, notamment pour répondre à l’intérêt croissant pour un outil de diagnostic en temps réel de la maladie utilisable au vignoble. Les stilbènes sont des phytoalexines impliqués dans la défense de certaines plantes supérieures vis-à-vis de stress biotiques et abiotiques. L’autofluorescence de ces composés phénoliques, dont la biosynthèse est induite dans les feuilles de vigne par P. viticola, en fait un potentiel marqueur naturel de l’infection. En effet, la faible autofluorescence bleu-verte des feuilles de vigne saines est considérablement renforcée par l’autofluorescence violet-bleue des stilbènes à la surface de feuilles de vigne infectée par P. viticola. Cette étude a montré que quelque soit le niveau de résistance du génotype, l’autofluorescence violet-bleue des stilbènes induit par l’infection est présente au niveau des parois des cellules de l’épiderme. En dehors de la concentration, la viscosité s’est révélé être la principale variable physico-chimique influençant l’intensité de l’autofluorescence des stilbènes dans les différents compartiments cellulaires des feuilles de vigne. Ceci explique la fluorescence intense des parois, particulièrement rigides, des cellules de garde (stomates) des feuilles infectées. Le suivi cinétique journalier a révélé la nature transitoire de l’autofluorescence des stilbènes lors de l’infection. La robustesse et l’intérêt de ce signal a également été validée par la mesure à différentes échelles (de la cellule à la feuille entière) et avec différentes méthodes fluorimétriques. Les résultats de ce travail ont permis des avancées sur la connaissance du rôle de composés phénoliques induits et constitutifs dans la défense contre P. viticola. En plus de la localisation de l’autofluorescence des stilbènes en surface des feuilles, la microscopie confocale couplée à la microspectrofluorimetrie a révélé différentes localisations de ces phytoalexines dans la profondeur des tissus en corrélation avec le niveau de résistance des génotypes. L’utilisation de l’autofluorescence des stilbènes comme marqueur de l’infection a permis de mettre en évidence : 1) le fait que les flavonols constitutifs des feuilles de V. vinifera retardent le développement de l’infection par P. viticola; et 2) le fait que les acides hydroxycinnamiques constitutifs ne semble pas participer à la défense contre P. viticola. Enfin, une nouvelle méthode de diagnostic non-destructive du mildiou sur feuille basée sur l’autofluorescence des stilbènes a été développée. Elle a montré une détection pré-symptomatique du mildiou sur les feuilles de vigne entières dès le premier jour après l’infection sur la face abaxiale et le troisième jour sur la face adaxiale. Cette méthode de diagnostic du mildiou a été validée au laboratoire notamment grâce à un prototype de capteur proximal développé en collaboration avec la société Force-A. La validation de la méthode au vignoble dans le cadre d’infection naturelle est la prochaine étape pour une utilisation de ce capteur optique dans le cadre de l’agriculture durable et de la sélection variétale. / Controlling the impact of diseases on crops is a major challenge of modern agriculture. This concern is an important aspect of optimizing productivity, notably in viticulture. In France, downy mildew caused by Plasmopara viticola is a fungal disease responsible for the most devastating epidemics. The preventive and systematic treatments are expensive, while the massive use of antifungal chemicals is a risk to both humans and the environment. Reducing the use of fungicide involves the development of diagnostic tools in the field, which requires understanding the interactions between plants and pathogens. The work of this multidisciplinary thesis focused on the pathosystem Plasmopara viticola - Vitis vinifera, especially to meet the growing interest in a real-time diagnostic tool of disease applicable in the vineyard. Stilbenes are phytoalexins involved in the defense of certain higher plants against biotic and abiotic stresses. The autofluorescence of these phenolic compounds, whose biosynthesis is induced in grapevine leaves by P. viticola, makes it a potential marker of natural infection. Indeed, the low blue-green autofluorescence of grapevine leaves is greatly enhanced by the violet-blue autofluorescence of stilbenes on the surface of leaves infected by P. viticola. This study showed that whatever the level of resistance in various genotypes, violet-blue autofluorescence induced by stilbene is present in the walls of epidermal cells. In addition to their concentration, viscosity proved the main physico-chemical variable affecting the intensity of the autofluorescence of stilbenes in different compartments of vine leaves. This explains the intense fluorescence of the walls, particularly rigid, of guard cells (stomata) of infected leaves. Daily monitoring revealed a kinetic with a transient rise of the autofluorescence of stilbenes during infection. The robustness and value of this signal was also validated by measuring at different levels (cellular to whole leaf) and with various fluorimetric methods (imaging, spectroscopy, proximal sensing). These results advance our understanding of the role of constitutive and induced phenolic compounds in plant defence against P. viticola. In addition to a common location of the autofluorescence of stilbenes on the leaf surface, confocal microscopy coupled with microspectrofluorometry revealed distinctive localizations of these phytoalexins in the deep tissue correlated with the level of resistance in genotypes. This aspect no doubt needs broader testing. The use of autofluorescence of stilbene as a marker of infection allowed us to ascertain that: 1) constitutive flavonols of the leaves of V. vinifera retard the development of infection by P. viticola and 2) the constitutive hydroxycinnamic acids do not seem to participate in the defence against P. viticola. Finally, a new method for the non-destructive diagnosis of leaf infection based on the autofluorescence of stilbenes has been developed. We have demonstrated a pre-symptomatic detection of downy mildew on whole grape leaves from the first day after infection on the abaxial surface and from the third day on the adaxial surface. This method of diagnosis has been validated in the laboratory thanks to a proximal sensor prototype developed in collaboration with the company Force-A. The validation of the method in the vineyard in a context of natural infections is the next step for use of this optical sensor as a tool for sustainable agriculture and for genetic screening.

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Maîtriser l'impact des maladies sur les cultures est un défi majeur de l'agriculture moderne. Cette préoccupation est un aspect important de l'optimisation de la productivité, notamment en viticulture. En France, le mildiou de la vigne causé par Plasmopara viticola est une des maladies cryptogamiques responsable des épidémies les plus dévastatrices et les plus redoutées. Les traitements reposent sur l'utilisation préventive, systématique et onéreuse de composés chimiques antifongiques dont l'utilisation massive constitue un risque à la fois pour l'homme et l'environnement. La réduction de l'utilisation de fongicide implique le développement d'outils de diagnostic au champ, qui requiert la compréhension des interactions entre la plante et les agents pathogènes. Les travaux de cette thèse pluridisciplinaire ont porté sur le pathosystème Plasmopara viticola - Vitis vinifera, notamment pour répondre à l'intérêt croissant pour un outil de diagnostic en temps réel de la maladie utilisable au vignoble. Les stilbènes sont des phytoalexines impliqués dans la défense de certaines plantes supérieures vis-à-vis de stress biotiques et abiotiques. L'autofluorescence de ces composés phénoliques, dont la biosynthèse est induite dans les feuilles de vigne par P. viticola, en fait un potentiel marqueur naturel de l'infection. En effet, la faible autofluorescence bleu-verte des feuilles de vigne saines est considérablement renforcée par l'autofluorescence violet-bleue des stilbènes à la surface de feuilles de vigne infectée par P. viticola. Cette étude a montré que quelque soit le niveau de résistance du génotype, l'autofluorescence violet-bleue des stilbènes induit par l'infection est présente au niveau des parois des cellules de l'épiderme. En dehors de la concentration, la viscosité s'est révélé être la principale variable physico-chimique influençant l'intensité de l'autofluorescence des stilbènes dans les différents compartiments cellulaires des feuilles de vigne. Ceci explique la fluorescence intense des parois, particulièrement rigides, des cellules de garde (stomates) des feuilles infectées. Le suivi cinétique journalier a révélé la nature transitoire de l'autofluorescence des stilbènes lors de l'infection. La robustesse et l'intérêt de ce signal a également été validée par la mesure à différentes échelles (de la cellule à la feuille entière) et avec différentes méthodes fluorimétriques. Les résultats de ce travail ont permis des avancées sur la connaissance du rôle de composés phénoliques induits et constitutifs dans la défense contre P. viticola. En plus de la localisation de l'autofluorescence des stilbènes en surface des feuilles, la microscopie confocale couplée à la microspectrofluorimetrie a révélé différentes localisations de ces phytoalexines dans la profondeur des tissus en corrélation avec le niveau de résistance des génotypes. L'utilisation de l'autofluorescence des stilbènes comme marqueur de l'infection a permis de mettre en évidence : 1) le fait que les flavonols constitutifs des feuilles de V. vinifera retardent le développement de l'infection par P. viticola; et 2) le fait que les acides hydroxycinnamiques constitutifs ne semble pas participer à la défense contre P. viticola. Enfin, une nouvelle méthode de diagnostic non-destructive du mildiou sur feuille basée sur l'autofluorescence des stilbènes a été développée. Elle a montré une détection pré-symptomatique du mildiou sur les feuilles de vigne entières dès le premier jour après l'infection sur la face abaxiale et le troisième jour sur la face adaxiale. Cette méthode de diagnostic du mildiou a été validée au laboratoire notamment grâce à un prototype de capteur proximal développé en collaboration avec la société Force-A. La validation de la méthode au vignoble dans le cadre d'infection naturelle est la prochaine étape pour une utilisation de ce capteur optique dans le cadre de l'agriculture durable et de la sélection variétale.

Les stilbènes sont les métabolites de défense majeurs de la vigne, qui sont également connus pour leurs nombreuses propriétés pharmacologiques. Tirant parti du récent séquençage du génome de la vigne, l'objectif de ce travail est de caractériser les familles de gènes impliqués dans la biosynthèse des stilbènes chez la vigne, et de préciser leur rôle dans les défenses contre le mildiou (Plasmopara viticola). La première étape de la biosynthèse des stilbènes est catalysée par la stilbène synthase (STS), pour former le resvératrol. L'analyse détaillée du génome de la vigne a permis d'identifier 48 gènes STS, dont 32 gènes potentiellement fonctionnels. La caractérisation fonctionnelle d'une sélection de gènes représentatifs de la diversité de la famille suggère que l'ensemble des 32 gènes STS code pour des protéines ayant réellement une activité stilbène synthase. L'analyse évolutive des gènes STS montre que la famille est très contrainte, sans trace de néo-fonctionnalisation. La famille des STS de la vigne représente donc un exemple unique d'une famille de plus de 30 gènes codant pour des protéines de fonction identique, et la signification biologique de cette expansion est discutée. Une seconde enzyme importante du métabolisme des stilbènes est la resvératrol O-méthyltransférase (ROMT). La ROMT est impliquée dans la méthylation du resvératrol pour former le ptérostilbène, un composé hautement fongitoxique qui pourrait jouer un rôle important dans les mécanismes de défenses de la vigne. Notre analyse de la famille ROMT montre qu'elle est constituée de 17 gènes, dont deux seulement (VvROMT1 et VvROMT2) semblent impliqués dans la synthèse de ptérostilbène. L'expression de ces deux gènes est induite suite à une infection par P. viticola au niveau des feuilles de vigne. Deux autres gènes de la famille, VvROMT12 et VvROMT13, sont exprimés constitutivement au niveau des racines, et ne semblent pas répondre au stress. Des analyses métabolomiques sur des plants de Nicotiana benthamiana transgéniques exprimant ces deux ROMT ainsi que des tests enzymatiques in vitro ont été réalisés afin de déterminer la fonction des gènes ROMT12 et 13. L'ensemble de ces résultats fait apparaître une amplification remarquable des gènes impliqués dans la synthèse des stilbènes chez la vigne et ouvrent la voie à l'étude détaillée de la régulation de cette voie importante du métabolisme de défense de la vigne.