Fusarium proliferatum isolated from garlic in Spain: Identification, toxigenic potential and pathogenicity on related Allium species

Fusarium proliferatum has been reported on garlic in the Northwest USA, Spain and Serbia, causing water-soaked tan-colored lesions on cloves. In this work, Fusarium proliferatum was isolated from 300 symptomatic garlic bulbs. Morphological identification of Fusarium was confirmed using species-specific PCR assays and EF-1α sequencing. Confirmation of pathogenicity was conducted with eighteen isolates. Six randomly selected F. proliferatum isolates from garlic were tested for specific pathogenicity and screened for fusaric acid production. Additionally, pathogenicity of each F. proliferatum isolate was tested on healthy seedlings of onion (Allium cepa), leek (A. porrum), scallions (A. fistulosum), chives (A. schoenoprasum) and garlic (A. sativum). A disease severity index (DSI) was calculated as the mean severity on three plants of each species with four test replicates. Symptoms on onion and garlic plants were observed three weeks after inoculation. All isolates tested produced symptoms on all varieties inoculated. Inoculation of F. proliferatum isolates from diseased garlic onto other Allium species provided new information on host range and pathogenicity. The results demonstrated differences in susceptibility with respect to host species and cultivar. The F. proliferatum isolates tested all produced fusaric acid (FA); correlations between FA production and isolate pathogenicity are discussed. Additionally, all isolates showed the presence of the FUM1 gene suggesting the ability of Spanish isolates to produce fumonisins.

Mecanismos implicados en las etapas iniciales de infección en la cancrosis de los cítricos provocada por Xanthomonas citri subsp. citri

La cancrosis o chancro bacteriano de los cítricos (CBC) causada por Xanthomonas citri subsp. citri (Xcc) y X. fuscans subsp. aurantifolii, afecta a un gran número de especies dentro de la familia de las rutáceas, especialmente cítricos. Esta enfermedad produce graves pérdidas económicas allí donde está presente, principalmente porque la comercialización de cítricos desde las zonas afectadas hacía zonas libres de cancrosis, está sujeta a fuertes medidas cuarentenarias. La cancrosis se encuentra distribuida a nivel mundial pero no se ha localizado ni en la Unión Europea ni en ningún área del Mediterráneo. Se han descrito tres tipos de cancrosis en función de la gama de huésped y de las características fenotípicas y genotípicas de las bacterias que las producen. La más extendida es la cancrosis tipo A producida por Xcc, dentro de la cual se distinguen los subtipos Aw y A*, originarios de Florida y Sudeste Asiático, respectivamente, que de forma natural solo son capaces de producir enfermedad en lima mejicana. En este trabajo se presentan estudios sobre mecanismos implicados en las primeras etapas de la infección, como la quimiotaxis y formación de biopelículas, en la cancrosis de los cítricos. La quimiotaxis es el proceso por el cual las bacterias se dirigen hacia zonas favorables para su supervivencia y desarrollo. Los perfiles quimiotácticos obtenidos frente a distintas fuentes de carbono, así como los estudios en relación al contenido de proteínas aceptoras de grupos metilo (MCPs), permitieron agrupar a las cepas de Xanthomonas estudiadas en este trabajo, de acuerdo a la enfermedad producida y a su gama de huésped. Todas las cepas mostraron quimiotaxis positiva frente a extractos de hoja y apoplasto de diferentes especies, sin embargo, Xcc 306, X. alfalfae subsp. citrumelonis (Xac) y X. campestris pv. campestris (Xc) manifestaron respuestas más específicas frente a extractos de apoplasto de hojas de naranjo dulce, lima y col china, respectivamente. Dicho resultado nos permite asociar el mecanismo de quimiotaxis con la capacidad de las cepas de Xanthomonas para colonizar estos huéspedes de forma específica. Las cepas estudiadas fueron capaces de realizar movimiento tipo swimming, twitching y sliding en distintos medios, siendo el movimiento swimming el único en el que se encontraron diferencias entre las cepas de Xcc con distinta gama de huésped. En este trabajo se ha estudiado además la formación de biopelículas en superficies bióticas y abióticas, un mecanismo importante tanto para la supervivencia en superficie vegetal como para el desarrollo de la infección. Las cepas de Xanthomonas estudiadas fueron capaces de formar biopelículas in vitro, siendo mayor en un medio que simula el apoplasto y que contiene una baja concentración de nutrientes en comparación con medios que contenían alta concentración de nutrientes. La formación de biopelículas en superficie vegetal se encontró relacionada, en las cepas patógenas de cítricos, con la capacidad para infectar un tejido o huésped determinado. Se han caracterizado algunos de los componentes de la matriz extracelular producida por Xcc, que compone hasta un 90% de las bipoelículas. Entre ellos destaca el ADN extracelular, que tiene un papel como adhesina en las primeras etapas de formación de biopelículas y estructural en biopelículas maduras. Además, se han identificado el pilus tipo IV como componente importante en las biopelículas, que también participa en motilidad. Finalmente, se han realizado estudios sobre la expresión de genes implicados en motilidad bacteriana y formación de biopelículas que han confirmado las diferencias existentes entre cepas de Xcc de amplia y limitada gama de huésped, así como el papel que juegan elementos como el pilus tipo IV o el flagelo en estos procesos. ABSTRACT Xanthomonas citri subsp. citri (Xcc) and X. fuscans subsp. aurantifolii are the causal agents of Citrus Bacterial Canker (CBC) which is one of the most important citrus diseases. CBC affects all Citrus species as well as other species from Rutaceae family. CBC produces strong economic losses; furthermore the commercialization of plants and fruits is restricted from infested to citrus canker free areas. The disease is worldwide distributed in tropical and subtropical areas, however it is not present in the European Union. Three types of CBC have been described according to the host range and phenotypic and genotypic characteristics. CBC type A caused by Xcc is he widest distributed. Within CBC A type two subtypes Aw and A* were described from Florida and Iran respectively, both infecting only Mexican lime. Herein mechanisms connected to early events in the citrus bacterial canker disease such as chemotaxis and biofilm formation, were studied. Chemotaxis allows bacteria to move towards the more suitable environments for its survival, host colonization and infection. Studies performed on citrus pathogenic Xanthomonas and X. campestris pv. campestris (Xc), a crucifer pathogen, have shown different chemotactic profiles towards carbon compound as well as different MCPs profile, which clustered strains according to host range and disease caused. Every strain showed positive chemotaxis toward leaf extracts and apoplastic fluids from sweet orange, Mexican lime and Chinese cabbage leaves. However, a more specific response was found for strains Xcc 306, X. alfalfae subsp. citrumelonis and Xc towards sweet orange, Mexican lime and Chinese cabbage apoplastic fluids, respectively. These results relate chemotaxis with the higher ability of those strains to specifically colonize their proper host. Xanthomonas strains studied were able to perform swimming, sliding and twitching motilities. The ability to swim was variable among CBC strains and seemed related to host range. Biofilm formation is an important virulence factor for Xcc because it allows a better survival onto the plant surface as well as facilitates the infection process. The studied Xanthomonas strains were able to form biofilm in vitro, on both nutrient rich and apoplast mimicking media, furthermore the biofilm formation by all the strains was higher in the apoplast mimicking media. The ability to form biofilm in planta by Xcc and Xac strains was dependent of the host and the tissue colonized. The wide host range CBC strain was able to form biofilm onto several citrus leaves and fruits, however the limited host range CBC strain produced biofilm solely onto Mexican lime leaves and fruits. Furthermore Xac strain, which solely infects leaves of young plants, was not able to develop biofilms on fruits. Some components of the extracellular matrix produced by Xcc strains have been characterized. Extracellular DNA acted as an adhesin at the very early stages of biofilm formation and as structural component of mature biofilm for citrus pathogenic Xanthomonas. Furthermore type IV pilus has been identified as a component of the extracellular matrix in biofilm and motility. Transcriptional studies of genes related with biofilm formation and motility have confirmed the differential behavior found among wide and limited host range CBC strains as well as the role of type IV pili and flagellum on those processes.

The role of secretion systems and small molecules in soft-rot enterobacteriaceae pathogenicity

Soft-rot Enterobacteriaceae (SRE), which belong to the genera Pectobacterium and Dickeya, consist mainly of broad host-range pathogens that cause wilt, rot, and blackleg diseases on a wide range of plants. They are found in plants, insects, soil, and water in agricultural regions worldwide. SRE encode all six known protein secretion systems present in gram-negative bacteria, and these systems are involved in attacking host plants and competing bacteria. They also produce and detect multiple types of small molecules to coordinate pathogenesis, modify the plant environment, attack competing microbes, and perhaps to attract insect vectors. This review integrates new information about the role protein secretion and detection and production of ions and small molecules play in soft-rot pathogenicity.

Ecological and genetic determinants of Pepino mosaic virus emergence

Virus emergence is a complex phenomenon, which generally involves spread to a new host from a wild host, followed by adaptation to the new host. Although viruses account for the largest fraction of emerging crop pathogens, knowledge about their emergence is incomplete. We address here the question of whether Pepino mosaic virus (PepMV) emergence as a major tomato pathogen worldwide could have involved spread from wild to cultivated plant species and host adaptation. For this, we surveyed natural populations of wild tomatoes in southern Peru for PepMV infection. PepMV incidence, genetic variation, population structure, and accumulation in various hosts were analyzed. PepMV incidence in wild tomatoes was high, and a strain not yet reported in domestic tomato was characterized. This strain had a wide host range within the Solanaceae, multiplying efficiently in most assayed Solanum species and being adapted to wild tomato hosts. Conversely, PepMV isolates from tomato crops showed evidence of adaptation to domestic tomato, possibly traded against adaptation to wild tomatoes. Phylogenetic reconstructions indicated that the most probable ancestral sequence came from a wild Solanum species. A high incidence of PepMV in wild tomato relatives would favor virus spread to crops and its efficient multiplication in different Solanum species, including tomato, allowing its establishment as an epidemic pathogen. Later, adaptation to tomato, traded off against adaptation to other Solanum species, would isolate tomato populations from those in other hosts.

Compromisos en la adaptación a distintos huéspedes en virus de plantas

Los patógenos han desarrollado estrategias para sobrevivir en su entorno, infectar a sus huéspedes, multiplicarse dentro de estos y posteriormente transmitirse a otros huéspedes. Todos estos componentes hacen parte de la eficacia biológica de los patógenos, y les permiten ser los causantes de enfermedades infecciosas tanto en hombres y animales, como en plantas. El proceso de infección produce efectos negativos en la eficacia biológica del huésped y la gravedad de los efectos, dependerá de la virulencia del patógeno. Por su parte, el huésped ha desarrollado mecanismos de respuesta en contra del patógeno, tales como la resistencia, por la que reduce la multiplicación del patógeno, o la tolerancia, por la que disminuye el efecto negativo de la infección. Estas respuestas del huésped a la infección producen efectos negativos en la eficacia biológica del patógeno, actuando como una presión selectiva sobre su población. Si la presión selectiva sobre el patógeno varía según el huésped, se predice que un mismo patógeno no podrá aumentar su eficacia biológica en distintos huéspedes y estará más adaptado a un huésped y menos a otro, disminuyendo su gama de huéspedes. Esto supone que la adaptación de un patógeno a distintos huéspedes estará a menudo dificultada por compromisos (trade-off) en diferentes componentes de la eficacia biológica del patógeno. Hasta el momento, la evidencia de compromisos de la adaptación del patógeno a distintos huéspedes no es muy abundante, en lo que se respecta a los virus de plantas. En las últimas décadas, se ha descrito un aumento en la incidencia de virus nuevos o previamente descritos que producen enfermedades infecciosas con mayor gravedad y/o diferente patogenicidad, como la infección de huéspedes previamente resistentes. Esto se conoce como la emergencia de enfermedades infecciosas y está causada por patógenos emergentes, que proceden de un huésped reservorio donde se encuentran adaptados. Los huéspedes que actúan como reservorios pueden ser plantas silvestres, que a menudo presentan pocos síntomas o muy leves a pesar de estar infectados con diferentes virus, y asimismo se encuentran en ecosistemas con ninguna o poca intervención humana. El estudio de los factores ecológicos y biológicos que actúan en el proceso de la emergencia de enfermedades infecciosas, ayudará a entender sus causas para crear estrategias de prevención y control. Los virus son los principales patógenos causales de la emergencia de enfermedades infecciosas en humanos, animales y plantas y un buen modelo para entender los procesos de la emergencia. Asimismo, las plantas a diferencia de los animales, son huéspedes fáciles de manipular y los virus que las afectan, más seguros para el trabajo en laboratorio que los virus de humanos y animales, otros modelos también usados en la investigación. Por lo tanto, la interacción virus – planta es un buen modelo experimental para el estudio de la emergencia de enfermedades infecciosas. El estudio de la emergencia de virus en plantas tiene también un interés particular, debido a que los virus pueden ocasionar pérdidas económicas en los cultivos agrícolas y poner en riesgo la durabilidad de la resistencia de plantas mejoradas, lo que supone un riesgo en la seguridad alimentaria con impactos importantes en la sociedad, comparables con las enfermedades infecciosas de humanos y animales domésticos. Para que un virus se convierta en un patógeno emergente debe primero saltar desde su huésped reservorio a un nuevo huésped, segundo adaptarse al nuevo huésped hasta que la infección dentro de la población de éste se vuelva independiente del reservorio y finalmente debe cambiar su epidemiología. En este estudio, se escogió la emergencia del virus del mosaico del pepino dulce (PepMV) en el tomate, como modelo experimental para estudiar la emergencia de un virus en una nueva especie de huésped, así como las infecciones de distintos genotipos del virus del moteado atenuado del pimiento (PMMoV) en pimiento, para estudiar la emergencia de un virus que aumenta su patogenicidad en un huésped previamente resistente. El estudio de ambos patosistemas nos permitió ampliar el conocimiento sobre los factores ecológicos y evolutivos en las dos primeras fases de la emergencia de enfermedades virales en plantas. El PepMV es un patógeno emergente en cultivos de tomate (Solanum lycopersicum) a nivel mundial, que se describió primero en 1980 infectando pepino dulce (Solanum muricatum L.) en Perú, y casi una década después causando una epidemia en cultivos de tomate en Holanda. La introducción a Europa posiblemente fue a través de semillas infectadas de tomate procedentes de Perú, y desde entonces se han descrito nuevos aislados que se agrupan en cuatro cepas (EU, LP, CH2, US1) que infectan a tomate. Sin embargo, el proceso de su emergencia desde pepino dulce hasta tomate es un interrogante de gran interés, porque es uno de los virus emergentes más recientes y de gran importancia económica. Para la emergencia de PepMV en tomate, se recolectaron muestras de tomate silvestre procedentes del sur de Perú, se analizó la presencia y diversidad de aislados de PepMV y se caracterizaron tanto biológicamente (gama de huéspedes), como genéticamente (secuencias genomicas). Se han descrito en diferentes regiones del mundo aislados de PMMoV que han adquirido la capacidad de infectar variedades previamente resistentes de pimiento (Capsicum spp), es decir, un típico caso de emergencia de virus que implica la ampliación de su gama de huéspedes y un aumento de patogenicidad. Esto tiene gran interés, ya que compromete el uso de variedades resistentes obtenidas por mejora genética, que es la forma de control de virus más eficaz que existe. Para estudiar la emergencia de genotipos altamente patogénicos de PMMoV, se analizaron clones biológicos de PMMoV procedentes de aislados de campo cuya patogenicidad era conocida (P1,2) y por mutagénesis se les aumentó la patogenicidad (P1,2,3 y P1,2,3,4), introduciendo las mutaciones descritas como responsables de estos fenotipos. Se analizó si el aumento de la patogenicidad conlleva un compromiso en la eficacia biológica de los genotipos de PMMoV. Para ello se evaluaron diferentes componentes de la eficacia biológica del virus en diferentes huéspedes con distintos alelos de resistencia. Los resultados de esta tesis demuestran: i). El potencial de las plantas silvestres como reservorios de virus emergentes, en este caso tomates silvestres del sur de Perú, así como la existencia en estas plantas de aislados de PepMV de una nueva cepa no descrita que llamamos PES. ii) El aumento de la gama de huéspedes no es una condición estricta para la emergencia de los virus de plantas. iii) La adaptación es el mecanismo más probable en la emergencia de PepMV en tomate cultivado. iv) El aumento de la patogenicidad tiene un efecto pleiotrópico en distintos componentes de la eficacia biológica, así mismo el signo y magnitud de este efecto dependerá del genotipo del virus, del huésped y de la interacción de estos factores. ABSTRACT host Pathogens have evolved strategies to survive in their environment, infecting their hosts, multiplying inside them and being transmitted to other hosts. All of these components form part of the pathogen fitness, and allow them to be the cause of infectious diseases in humans, animals, and plants. The infection process produces negative effects on the host fitness and the effects severity will depend on the pathogen virulence. On the other hand, hosts have developed response mechanisms against pathogens such as resistance, which reduces the growth of pathogens, or tolerance, which decreases the negative effects of infection. T he se responses of s to infection cause negative effects on the pathogen fitness, acting as a selective pressure on its population. If the selective pressures on pathogens va ry according to the host s , probably one pathogen cannot increase its fitness in different hosts and will be more adapted to one host and less to another, decreasing its host range. This means that the adaptation of one pathogen to different hosts , will be often limited by different trade - off components of biological effectiveness of pathogen. Nowadays , trade - off evidence of pathogen adaptation to different hosts is not extensive, in relation with plant viruses. In last decades, an increase in the incidence of new or previously detected viruses has been described, causing infectious diseases with increased severity and/or different pathogenicity, such as the hosts infection previously resistants. This is known as the emergence of infectious diseases and is caused by emerging pathogens that come from a reservoir host where they are adapted. The hosts which act as reservoirs can be wild plants, that often have few symptoms or very mild , despite of being infected with different viruses, and being found in ecosystems with little or any human intervention. The study of ecological and biological factors , acting in the process of the infectious diseases emergence will help to understand its causes to create strategies for its prevention and control. Viruses are the main causative pathogens of the infectious diseases emergence in humans, animals and plants, and a good model to understand the emergency processes. Likewise, plants in contrast to animals are easy host to handle and viruses that affect them, safer for laboratory work than viruses of humans and animals, another models used in research. Therefore, the interaction plant-virus is a good experimental model for the study of the infectious diseases emergence. The study of virus emergence in plants also has a particular interest, because the viruses can cause economic losses in agricultural crops and threaten the resistance durability of improved plants, it suppose a risk for food security with significant impacts on society, comparable with infectious diseases of humans and domestic animals. To become an emerging pathogen, a virus must jump first from its reservoir host to a new host, then adapt to a new host until the infection within the population becomes independent from the reservoir, and finally must change its epidemiology. In this study, the emergence of pepino mosaic virus (PepMV) in tomato, was selected as experimental model to study the emergence of a virus in a new host specie, as well as the infections of different genotypes of pepper mild mottle virus (PMMoV) in pepper, to study the emergence of a virus that increases its pathogenicity in a previously resistant host. The study of both Pathosystems increased our knowledge about the ecological and evolutionary factors in the two first phases of the emergence of viral diseases in plants. The PepMV is an emerging pathogen in tomato (Solanum lycopersicum L.) in the world, which was first described in 1980 by infecting pepino (Solanum muricatum L.) in Peru, and almost after a decade caused an epidemic in tomato crops in Netherlands. The introduction to Europe was possibly through infected tomato seeds from Peru, and from then have been described new isolates that are grouped in four strains (EU, LP, CH2, US1) that infect tomato. However, the process of its emergence from pepino up tomato is a very interesting question, because it is one of the newest emerging viruses and economically important. For the PepMV emergence in tomato, wild tomato samples from southern Peru were collected, and the presence and diversity of PepMV isolates were analyzed and characterized at biological (host range) and genetics (genomic sequences) levels. Isolates from PMMoV have been described in different world regions which have acquired the ability to infect pepper varieties that were previously resistants (Capsicum spp), it means, a typical case of virus emergence which involves the host range extension and an increased pathogenicity. This is of great interest due to involve the use of resistant varieties obtained by breeding, which is the most effective way to control virus. To study the emergence of highly pathogenic genotypes of PMMoV, biological clones from field isolates whose pathogenicity was known were analyzed (P1,2) and by mutagenesis we increased its pathogenicity (P1,2,3 and P1,2, 3,4), introducing the mutations described as responsible for these phenotypes. We analyzed whether the increased pathogenicity involves a trade-off in fitness of PMMoV genotypes. For this aim, different components of virus fitness in different hosts with several resistance alleles were evaluated. The results of this thesis show: i). The potential of wild plants as reservoirs of emerging viruses, in this case wild tomatoes in southern Peru, and the existence in these plants of PepMV isolates of a new undescribed strain that we call PES. ii) The host range expansion is not a strict condition for the plant virus emergence. iii) The adaptation is the most likely mechanism in the PepMV emergence in cultivated tomato. iv) The increased pathogenicity has a pleiotropic effect on several fitness components, besides the sign and magnitude of this effect depends on the virus genotype, the host and the interaction of both.

Native bradyrhizobial symbionts of Lupinus mariae-josephae, a unique endemism thriving in alkaline soils in Eastern Spain

Lupinus mariae-josephae (Lmj) es una especie de lupino endémica de una pequeña y específica área de Comunidad Valenciana (Este de España), donde prospera en suelos alcalinoscalcáreos, un hábitat singular para los altramuces, que crecen preferentemente en suelos ácidos o neutros. Esto hace de Lmj una especie de lupino única. Cuando se inició este trabajo, la extensión conocida de este endemismo abarcaba unos 700 kilómetros cuadrados, confinados en la provincia de Valencia. En esta área, Lmj prospera en pequeñas poblaciones aisladas que contienen un número reducido de plantas por lo que se la consideró una especie en peligro de extinción. Todos los esfuerzos, utilizando estrategias clásicas dirigidas a ampliar el área de crecimiento de Lmj y garantizar su conservación, han tenido un éxito limitado. El trabajo que se presenta está dirigido a mejorar el conocimiento de la ecología de Lmj, en particular la interacción simbiótica que establece con bacterias del suelo denominadas rizobios y se centra en la caracterización fenotípica, filogenética y genómica de esos rizobios. También se investiga la posible contribución de la simbiosis en mejorar la conservación de Lmj. Para este fin, se han estudiado diferentes aspectos que se describen a continuación. El primero objetivo se centró en aislar y estudiar de la diversidad genética de las bacterias endosimbióticas de Lmj. . Se realizó un análisis filogenético de genes esenciales que mostró que las cepas de Lmj pertenecen al género Bradyrhizobium y que presentan una gran diversidad con características fenotípicas y simbióticas diferentes de cepas de Bradyrhizobium que nodulan otras especies de lupinos nativos de España (cepas ISLU). Las cepas estudiadas se dividieron en dos grupos (Clado I y Clado II). El Clado I, incluye a las cepas Lmj, definiendo un nuevo linaje, filogenéticamente relacionado con otras especies de Bradyrhizobium, como B. jicamae y B. elkanii. El Clado II contiene cepas ISLU relacionadas con cepas de B. canariense y B. japonicum que establecen simbiosis con lupinos de suelos ácidos. Otro análisis filogenético basado en genes simbióticos, distribuyó las cepas de Lmj en sólo dos grupos diferentes. La singularidad y gran diversidad de estas cepas en una pequeña área geográfica, hacen de este, un atractivo sistema para el estudio de la evolución y adaptación de las bacterias simbióticas a su respectiva planta huésped. Adicionalmente, se estudio la presencia de bacterias capaces de nodular Lmj en suelos básicos de Chiapas, México. Sorprendentemente, estos suelos contienen bacterias capaces establecer interacciones simbióticas eficientes con Lmj en ensayos de invernadero. A continuación se investigó la taxonomía de los endosimbiontes de Lmj analizando la secuencia de cuatro genes esenciales (16S rRNA, recA, glnII y atpD) y el promedio de identidad de nucleótidos de genomas completos de algunas cepas representativas de la diversidad (ANIm). Se identificaron nuevas especies de Bradyrhizobium dentro del Clado I y se definió una de ellas: 'Bradyrhizobium valentinum' sp. nov (cepa tipo LmjM3T = CECT 8364T, LMG 2761T). También se abordó cómo conservar Lmj en su hábitat natural mediante inoculación con alguna de las cepas aisladas. Se demostró la ausencia de bacterias capaces de nodular Lmj en suelos rojos alcalinos o ‘‘terra rossa’’ de la Península Ibérica y Baleares. Dos cepas, altamente eficientes en cuanto a la fijación de nitrógeno, LmjC y LmjM3T, fueron seleccionadas para ser empleadas como inoculantes. Dos experimentos de campo llevados a cabo en años consecutivos en áreas con características edafoclimáticas similares a las que presentan las poblaciones de Lmj, lograron la reproducción exitosa de la planta. Se concluyó que un ciclo reproductivo exitoso de Lmj es absolutamente dependiente de la inoculación con sus simbiontes naturales y que la simbiosis debe ser considerada un factor esencial en estrategias de conservación de leguminosas en peligro. La obtención de varias secuencias genómicas de cepas aisladas de Lmj y de otras cepas de Bradyrhizobium reveló una alta similitud entre los genomas de las cepas del Clado I, y permitió la identificación de cinco posibles nuevas especies. Además, se estudiaron tres agrupaciones de genes relacionados con la simbiosis (nod, nif y fix) definiendo un nuevo linaje para las cepas de Lmj, diferente del symbiovar “genistearum” de B. canariense y B. japonicum. La baja diversidad encontrada en el análisis filogenético de los genes simbióticos contrasta con la gran diversidad asociada a genes esenciales. La presencia de plásmidos en cepas del género Bradyrhizobium ha sido descrita en muy pocas ocasiones, sin embargo el análisis de la secuencia genómica de la cepa ISLU101, aislada de Lupinus angustifolius, reveló la presencia de un origen de replicación extracromosómico homólogo al operón repABC, presente en el plásmido de Bradyrhizobium sp BTAi1. Gracias a esta secuencia se identificaron genes homólogos en 19 de 72 cepas ISLU. Filogenéticamente, las secuencias de repABC se agruparon en un grupo monofilético con las de pBTAi1 y separadas de los rizobios de crecimiento rápido. Finalmente, se identificaron sistemas de secreción de proteínas de tipo III (T3SS) en nueve genomas de cepas de Lmj. Los T3SS pueden inyectar proteínas efectoras al interior de células vegetales. Su presencia en rizobios se ha relacionado con la gama de hospedador que pueden nodular y puede tener un efecto beneficioso, neutro o perjudicial en la simbiosis. Los T3SS de las cepas de Lmj codifican para una proteína efectora similar a NopE, un efector dependiente de T3SS descrito en B. diazoefficiens USDA 110T. La proteína NopE de la cepa LmjC se ha caracterizado bioquímicamente. ABSTRACT Lupinus mariae-josephae (Lmj) is a lupine species endemic of a unique small area in Valencia region (Eastern Spain) where the lupine plants thrive in alkaline-limed soils, which preferentially grow in acid or neutral soils. This is the type of soils native lupines of Spain. When this work was initiated, the extension of the endemic area of Lmj was of about 700 squared kilometers confined to the Valencia province. In this area, Lmj thrives in small, isolated patches containing a reduced number of plants, and points to an endemism that can easily became endangered or extinct. Consequently, the Valencia Community authorities gave a ‘‘microreserve” status for conservation of the species. All efforts, using classical strategies directed to extend the area of Lmj growth and ensure its conservation have been so far unsuccessful. The work presented here is directed to improve our knowledge of Lmj ecology and it is centered in the characterization of the rhizobial symbiosis by phenotypic, phylogenetic and genomic analysis as well as in investigate the potential contribution of the symbiosis to improve its conservation. To this end, five different topics have been studied, and results are briefly described here. Extensive details can be followed en the attached, published articles. The first topic deals with the indigenous rhizobial symbionts of the Lmj endemism, and its genetic diversity was investigated. The Lmj root symbionts belong to the Bradyrhizobium genus, and phylogenetic analysis based on core genes identified a large diversity of Bradyrhizobium strains with phenotypic and symbiotic characteristics different from rhizobia nodulating other Lupinus spp. native of Spain. The strains were split in two clades. Clade II contained strains close to classical B. canariense and B. japonicum lineages that establish symbioses with lupines in acid soils of the Mediterranean area. Clade I included Lmj strains that define a new lineage, close to other Bradyrhizobium species as B. jicamae and B. elkanii. The phylogenetic analysis based on symbiotic genes identified only two distinct clusters. The singularity and large diversity of these strains in such a small geographical area makes this an attractive system for studying the evolution and adaptation of the rhizobial symbiont to the plant host. Additionally, the presence of bacteria able to nodulate Lmj in basic soils from Chiapas, Mexico was investigated. Surprisingly, these soils contain bacteria able to effectively nodulate and fix nitrogen with Lmj plants in greenhouse assays. In the second topic, the taxonomic status of the endosymbiotic bacteria of Lmj from Valencia endemism and Chiapas was investigated. Results from phylogenetic analysis of core genes and Average Nucleotide Identity (ANIm) using draft genomic sequences identified new Bradyrhizobium species within strains of Clade I of Lmj endosymbiotic bacteria. Only one of these potentially new species has been defined, meanwhile the others are under process of characterization. The name ‘Bradyrhizobium valentinum’ sp. nov. was proposed for the defined species (type strain LmjM3T= CECT 8364T, LMG 2761T). The third topic was directed to conservation of endangered Lmj in its natural habitat. The relevant conclusion of this experimentation is that the symbiosis should be considered as a relevant factor in the conservation strategies for endangered legumes. First, we showed absence of bacteria able to nodulate Lmj in all the inspected ‘‘terra rossa’’ or alkaline red soils of the Iberian Peninsula and Balearic Islands. Then, two efficient nitrogen fixing strains with Lmj plants, LmjC and LmjM3T, were selected as inoculum for seed coating. Two planting experiments were carried out in consecutive years under natural conditions in areas with edapho-climatic characteristics identical to those sustaining natural Lmj populations, and successful reproduction of the plant was achieved. The relevant conclusion from these assays was that the successful reproductive cycle was absolutely dependent on seedling inoculation with effective bradyrhizobia The forth topic deep into the analysis of the genomic of Lmj representative strains. To this end, draft genomic sequences of selected Lmj strains and type strains of Bradyrhizobium spp. were assembled. The comparison analysis of the draft genomic sequences of Lmj strains and related Bradyrhizobium species grouped in Clade I, revealed a high genomic homology among them, and allowed the definition of five potentially new species of Lmj nodulating bacteria. Also, based on the available draft genomic sequences, only three clusters of nod, fix and nif genes from Lmj strains were identified and showed to define a new symbiotic lineage, distant from that of B. canariense and B. japonicum bv. genistearum. The low diversity exhibited by the phylogenetic analysis of symbiotic genes contrast with the large diversity of strains as regards the housekeeping genes analyzed. Besides, the genomic analysis of a Lupinus angustifolius strain ISLU101, revealed the presence of an extrachromosomal replication origin homologous to repABC cluster from plasmid present in Bradyrhizobium spp BTAi1. This repABC cluster gene sequence allowed the identification of extrachromosomic replication origin in 19 out of 72 Bradyrhizobium strains from Lupinus spp., a highly significant result since the absence of plasmids in the Bradyrhizobium genus was traditionally assumed. The repABC gene sequences of these strains grouped them in a unique monophyletic group, related to B. sp. BTAi1 plasmid, but differentiated from the repABC gene cluster of plasmids in fast growing rhizobium strains. The last topic was focused on characterization of type III secreted effectors present in Lmj endosymbiotic bacteria. Type III secretion systems (T3SS) are specialized protein export machineries which can deliver effector proteins into plant cells. The presence of T3SS in rhizobia has frequently been related to the symbiotic nodulation host-range and may have a beneficial or detrimental effect on the symbiosis with legumes. In this context, the presence of T3SS in genomes of nine Lmj strains was investigated, and it was shown the presence of clusters encoding NopE type III-secreted protein similar to the NopE1 and NopE2 of B. diazoefficiens USDA 110T. The putative NopE protein of LmjC strain is at present being characterized regarding its structure and function.

Podredumbre parda del melocotonero (Monilinia spp.) : detección, identificación de especies y contribución a la epidemiología de la enfermedad

Monilinia spp. (M. laxa, M. fructigena y M. fructicola) causa marchitez en brotes y flores, chancros en ramas y podredumbre de la fruta de hueso provocando pérdidas económicas importantes en años con climatología favorable para el desarrollo de la enfermedad, particularmente en variedades tardías de melocotonero y nectarino. En estos huéspedes en España, hasta el momento, la especie predominante es M. laxa y, en menor proporción, M. fructigena. La reciente introducción en Europa de la especie de cuarentena M. fructicola hace necesaria una detección e identificación rápida de cada una de las especies. Además, hay diversos aspectos de la etiología y epidemiología de la enfermedad que no se conocen en las condiciones de cultivo españolas. En un primer objetivo de esta Tesis se ha abordado la detección e identificación de las especies de Monilinia spp. causantes de podredumbre parda. El estudio de las bases epidemiológicas para el control de la enfermedad constituye el fin del segundo objetivo. Para la detección del género Monilinia en material vegetal por PCR, diferenciándolo de otros hongos presentes en la superficie del melocotonero, se diseñaron una pareja de cebadores siguiendo un análisis del ADN ribosomal. La discriminación entre especies de Monilinia se consiguió utilizando marcadores SCAR (región amplificada de secuencia caracterizada), obtenidos después de un estudio de marcadores polimórficos de ADN amplificados al azar (RAPDs). También fue diseñado un control interno de amplificación (CI) basado en la utilización de un plásmido con secuencias de los cebadores diferenciadores del género, para ser utilizado en el protocolo de diagnóstico de la podredumbre parda con el fin de reconocer falsos negativos debidos a la inhibición de PCR por componentes celulares del material vegetal. Se disponía de un kit comercial que permitía distinguir Monilinia de otros géneros y M. fructicola del resto de especies mediante anticuerpos monoclonales utilizando la técnica DAS-ELISA. En esta Tesis se probaron diferentes fuentes de material como micelio ó conidias procedentes de cultivos en APD, o el micelio de la superficie de frutas o de momias frescas, como formas de antígeno. Los resultados obtenidos con ELISA se compararon con la identificación por métodos morfológico-culturales y por PCR con los cebadores desarrollados en esta Tesis. Los resultados demostraron la posibilidad de una detección temprana en frutas frescas por este método, realzando las posibilidades de una diagnosis temprana para una prevención más eficaz de M. fructicola en fruta de hueso. El estudio epidemiológico de la enfermedad comenzó con la determinación de las principales fuentes de inóculo primario y su importancia relativa en melocotoneros y nectarinos del valle del Ebro. Para ello se muestrearon 9 huertos durante los años 2003 a 2005 recogiendo todas las momias, frutos abortados, gomas, chancros, y brotes necróticos en los árboles. También se recogieron brotes aparentemente sanos y muestras de material vegetal situados en el suelo. En estas muestras se determinó la presencia de Monilinia spp. Los resultados mostraron que la fuente principal de inóculo son las momias que se quedan en los árboles en las que la supervivencia del hongo tras el invierno es muy alta. También son fuentes de inóculo las momias del suelo y los brotes necróticos. De aquí se deriva que una recomendación importante para los agricultores es que deben eliminar este material de los huertos. Un aspecto no estudiado en melocotonero o nectarino en España es la posible relación que puede darse entre la incidencia de infecciones latentes en los frutos inmaduros a lo largo del cultivo y la incidencia de podredumbre en los frutos en el momento de la recolección y en postcosecha. Esta relación se había observado previamente en otros frutales de hueso infectados con M. fructicola en diversos países del mundo. Para estudiar esta relación se realizaron ensayos en cinco huertos comerciales de melocotonero y nectarino situados en el Valle del Ebro en cuatro estados fenológicos durante los años 2000-2002. No se observaron infecciones latentes en botón rosa, dándose la máxima incidencia en precosecha, aunque en algunos huertos se daba otro pico en el endurecimiento del embrión. La especie prevaleciente fue M. laxa. Se obtuvo una correlación positiva significativa entre la incidencia de infecciones latentes y la incidencia de podredumbre en postcosecha. Se desarrolló también un modelo de predicción de las infecciones latentes en función de la temperatura (T) y el periodo de humectación (W). Este modelo indicaba que T y W explicaban el 83% de la variación en la incidencia de infecciones latentes causadas por Monilinia spp. Por debajo de 8ºC no se predecían latentes, necesitándose más de 22h de W para predecir la ocurrencia de latentes con T = 8ºC, mientras que solo se necesitaban 5h de W a 25ºC. Se hicieron también ensayos en condiciones controladas para determinar la relación entre la incidencia de las infecciones latentes, las condiciones ambientales (T y W), la concentración de inóculo del patógeno (I) y el estado de desarrollo del huésped (S) y para validar el modelo de predicción desarrollado con los experimentos de campo. Estos ensayos se llevaron cabo con flores y frutos de nectarino procedentes de un huerto comercial en seis estados fenológicos en los años 2004 y 2005, demostrándose que la incidencia de podredumbre en postcosecha y de infecciones latentes estaba afectada por T, W, I y S. En los frutos se producían infecciones latentes cuando la T no era adecuada para el desarrollo de podredumbre. Una vez desarrollado el embrión eran necesarias más de 4-5h de W al día y un inóculo superior a 104 conidias ml-1 para que se desarrollase o podredumbre o infección latente. La ecuación del modelo obtenido con los datos de campo era capaz de predecir los datos observados en estos experimentos. Para evaluar el efecto del inóculo de Monilinia spp. en la incidencia de infecciones latentes y de podredumbre de frutos en postcosecha se hicieron 11 experimentos en huertos comerciales de melocotonero y nectarino del Valle del Ebro durante 2002 a 2005. Se observó una correlación positiva entre los números de conidias de Monilinia spp. en la superficie de los frutos y la incidencia de infecciones latentes De los estudios anteriores se deducen otras dos recomendaciones importantes para los agricultores: las estrategias de control deben tener en cuenta las infecciones latentes y estimar el riesgo potencial de las mismas basándose en la T y W. Deben tener también en cuenta la concentración de esporas de Monilinia spp. en la superficie de los frutos para disminuir el riesgo de podredumbre parda. El conocimiento de la estructura poblacional de los patógenos sienta las bases para establecer métodos más eficaces de manejo de las enfermedades. Por ello en esta Tesis se ha estudiado el grado de diversidad genética entre distintas poblaciones de M. laxa en diferentes localidades españolas utilizando 144 marcadores RAPDs (59 polimórficos y 85 monomórficos) y 21 aislados. El análisis de la estructura de la población reveló que la diversidad genética dentro de las subpoblaciones (huertos) (HS) representaba el 97% de la diversidad genética (HT), mientras que la diversidad genética entre subpoblaciones (DST) sólo representaba un 3% del total de esta diversidad. La magnitud relativa de la diferenciación génica entre subpoblaciones (GST) alcanzaba 0,032 y el número estimado de migrantes por generación (Nm) fue de 15,1. Los resultados obtenidos en los dendrogramas estaban de acuerdo con el análisis de diversidad génica. Las agrupaciones obtenidas eran independientes del huerto de procedencia, año o huésped. En la Tesis se discute la importancia relativa de las diferentes fuentes evolutivas en las poblaciones de M. laxa. Finalmente se realizó un muestreo en distintos huertos de melocotonero y nectarino del Valle del Ebro para determinar la existencia o no de aislados resistentes a los fungicidas del grupo de los benzimidazoles y las dicarboximidas, fungicidas utilizados habitualmente para el control de la podredumbre parda y con alto riesgo de desarrollar resistencia en las poblaciones patógenas. El análisis de 114 aislados de M. laxa con los fungicidas Benomilo (bencimidazol) (1Bg m.a ml-1), e Iprodiona (dicarboximida) (5Bg m.a ml-1), mostró que ninguno era resistente en las dosis ensayadas. Monilinia spp. (M. laxa, M. fructigena and M. fructicola) cause bud and flower wilt, canker in branches and stone fruit rot giving rise important economic losses in years with appropriate environmental conditions, it is particularly important in late varieties of peach and nectarine. Right now, M. laxa is the major species for peach and nectarine in Spain followed by M. fructigena, in a smaller proportion. The recent introduction of the quarantine organism M. fructicola in Europe makes detection and identification of each one of the species necessary. In addition, there are different aspects of disease etiology and epidemiology that are not well known in Spain conditions. The first goal of this Thesis was the detection and identification of Monilinia spp. causing brown rot. Study of the epidemiology basis for disease control was the second objective. A pair of primers for PCR detection was designed based on the ribosomal DNA sequence in order to detect Monilinia spp. in plant material and to discriminate it from other fungi colonizing peach tree surface. Discrimination among Monilinia spp. was successful by SCAR markers (Sequence Characterized Amplified Region), obtained after a random amplified polymorphic DNA markers (RAPDs) study. An internal control for the PCR (CI) based on the use of a mimic plasmid designed on the primers specific for Monilinia was constructed to be used in diagnosis protocol for brown rot in order to avoid false negatives due to the inhibition of PCR as consequence of remained plant material. A commercial kit based on DAS-ELISA and monoclonals antibodies was successfully tested to distinguish Monilinia from other fungus genera and M. fructicola from other Monilinia species. Different materials such as micelium or conidias from APD cultures, or micelium from fresh fruit surfaces or mummies were tested in this Thesis, as antigens. Results obtained by ELISA were compared to classical identification by morphologic methods and PCR with the primers developed in this Thesis. Results demonstrated the possibility of an early detection in fresh fruits by this method for a more effective prevention of M. fructicola in stone fruit. The epidemiology study of the disease started with the determination of the main sources of primary inoculum and its relative importance in peach trees and nectarines in the Ebro valley. Nine orchards were evaluated during years 2003 to 2005 collecting all mummies, aborted fruits, rubbers, cankers, and necrotic buds from the trees. Apparently healthy buds and plant material located in the ground were also collected. In these samples presence of Monilinia spp. was determined. Results showed that the main inoculum sources are mummies that stay in the trees and where fungus survival after the winter is very high. Mummies on the ground and the necrotics buds are also sources of inoculum. As consequence of this an important recommendation for the growers is the removal of this material of the orchards. An important issue not well studied in peach or nectarine in Spain is the possible relationship between the incidence of latent infections in the immature fruits and the incidence of fruit rot at harvesting and postharvesting. This relationship had been previously shown in other stone fruit trees infected with M. fructicola in different countries over the world. In order to study this relationship experiments were run in five commercial peach and nectarine orchards located in the Ebro Valley in four phenologic states from 2000 to 2002. Latent infections were not observed in pink button, the maxima incidence arise in preharvest, although in some orchards another increase occurred in the embryo hardening. The most prevalence species was M. laxa. A significant positive correlation between the incidence of latent infections and the incidence of rot in postharvest was obtained. A prediction model of the latent infections based on the temperature (T) and the wetness duration (W) was also developed. This model showed that T and W explained 83% of the variation in latent infection incidence caused by Monilinia spp. Below 8ºC latent infection was not predicted, more than 22h of W with T = 8ºC were needed to predict latent infection occurrence of, whereas at 25ºC just 5h of W were enough. Tests under controlled conditions were also made to determine the relationship among latent infections incidence, environmental conditions (T and W), inoculum concentration of the pathogen (I) and development state of the host (S) to validate the prediction model developed on the field experiments. These tests were made with flowers and fruits of nectarine coming from a commercial orchard, in six phenologic states in 2004 and 2005, showing that incidence of rot in postharvest and latent infections were affected by T, W, I and S. In fruits latent infections took place when the T was not suitable for rot development. Once developed the embryo, more than 4-5h of W per day and higher inoculums (104 conidia ml-1) were necessary for rot or latent infection development. The equation of the model obtained with the field data was able to predict the data observed in these experiments. In order to evaluate the effect of inoculum of Monilinia spp. in the incidence of latent infections and of rot of fruits in postharvest, 11 experiments in commercial orchards of peach and nectarine of the Ebro Valley were performed from 2002 to 2005. A positive correlation between the conidial numbers of Monilinia spp. in the surface of the fruits and the incidence of latent infections was observed. Based on those studies other two important recommendations for the agriculturists are deduced: control strategies must consider the latent infections and potential risk based on the T and W. Spores concentration of Monilinia spp. in the surface of fruits must be also taken in concern to reduce the brown rot risk. The knowledge of the population structure of the pathogens determines the bases to establish more effective methods of diseases handling. For that reason in this Thesis the degree of genetic diversity among different M. laxa populations has been studied in different Spanish locations using 144 RAPDs markers (59 polymorphic and 85 monomorphics) on 21 fungal isolates. The analysis of the structure of the population revealed that the genetic diversity within the subpopulations (orchards) (HS) represented 97% of the genetic diversity (HT), whereas the genetic diversity between subpopulations (DST) only represented a 3% of the total of this diversity. The relative magnitude of the genic differentiation between subpopulations (GST) reached 0.032 and the considered number of migrantes by generation (Nm) was of 15.1. The results obtained in dendrograms were in agreement with the analysis of genic diversity. The obtained groupings were independent of the orchard of origin, year or host. In the Thesis the relative importance of the different evolutionary sources in the populations from M. laxa is discussed. Finally a sampling of resistant isolates in different orchards from peach and nectarine of Ebro Valley was made to determine the existence of fungicide resistance of the group of benzimidazoles and the dicarboximidas, fungicides used habitually for the control of rot brown and with high risk of resistance developing in the pathogenic populations. The analysis of 114 isolated ones of M. laxa with the fungicides Benomilo (bencimidazol) (1Bg m.a ml-1), and Iprodiona (dicarboximida) (5Bg m.a ml-1), showed no resistant in the doses evaluated.

Effect of Biodiversity Changes in Disease Risk: Exploring Disease Emergence in a Plant-Virus System

The effect of biodiversity on the ability of parasites to infect their host and cause disease (i.e. disease risk) is a major question in pathology, which is central to understand the emergence of infectious diseases, and to develop strategies for their management. Two hypotheses, which can be considered as extremes of a continuum, relate biodiversity to disease risk: One states that biodiversity is positively correlated with disease risk (Amplification Effect), and the second predicts a negative correlation between biodiversity and disease risk (Dilution Effect). Which of them applies better to different host-parasite systems is still a source of debate, due to limited experimental or empirical data. This is especially the case for viral diseases of plants. To address this subject, we have monitored for three years the prevalence of several viruses, and virus-associated symptoms, in populations of wild pepper (chiltepin) under different levels of human management. For each population, we also measured the habitat species diversity, host plant genetic diversity and host plant density. Results indicate that disease and infection risk increased with the level of human management, which was associated with decreased species diversity and host genetic diversity, and with increased host plant density. Importantly, species diversity of the habitat was the primary predictor of disease risk for wild chiltepin populations. This changed in managed populations where host genetic diversity was the primary predictor. Host density was generally a poorer predictor of disease and infection risk. These results support the dilution effect hypothesis, and underline the relevance of different ecological factors in determining disease/infection risk in host plant populations under different levels of anthropic influence. These results are relevant for managing plant diseases and for establishing conservation policies for endangered plant species.

New Intermediate band sulphide nanoparticles acting in the full visible light range spectra as an active photocatalyst

Nowadays one of the challenges of materials science is to find new technologies that will be able to make the most of renewable energies. An example of new proposals in this field are the intermediate-band (IB) materials, which promise higher efficiencies in photovoltaic applications (through the intermediate band solar cells), or in heterogeneous photocatalysis (using nanoparticles of them, for the light-induced degradation of pollutants or for the efficient photoevolution of hydrogen from water). An IB material consists in a semiconductor in which gap a new level is introduced [1], the intermediate band (IB), which should be partially filled by electrons and completely separated of the valence band (VB) and of the conduction band (CB). This scheme (figure 1) allows an electron from the VB to be promoted to the IB, and from the latter to the CB, upon absorption of photons with energy below the band gap Eg, so that energy can be absorbed in a wider range of the solar spectrum and a higher current can be obtained without sacrificing the photovoltage (or the chemical driving force) corresponding to the full bandgap Eg, thus increasing the overall efficiency. This concept, applied to photocatalysis, would allow using photons of a wider visible range while keeping the same redox capacity. It is important to note that this concept differs from the classic photocatalyst doping principle, which essentially tries just to decrease the bandgap. This new type of materials would keep the full bandgap potential but would use also lower energy photons. In our group several IB materials have been proposed, mainly for the photovoltaic application, based on extensively doping known semiconductors with transition metals [2], examining with DFT calculations their electronic structures. Here we refer to In2S3 and SnS2, which contain octahedral cations; when doped with Ti or V an IB is formed according to quantum calculations (see e.g. figure 2). We have used a solvotermal synthesis method to prepare in nanocrystalline form the In2S3 thiospinel and the layered compound SnS2 (which when undoped have bandgaps of 2.0 and 2.2 eV respectively) where the cation is substituted by vanadium at a ?10% level. This substitution has been studied, characterizing the materials by different physical and chemical techniques (TXRF, XRD, HR-TEM/EDS) (see e.g. figure 3) and verifying with UV spectrometry that this substitution introduces in the spectrum the sub-bandgap features predicted by the calculations (figure 4). For both sulphide type nanoparticles (doped and undoped) the photocatalytic activity was studied by following at room temperature the oxidation of formic acid in aqueous suspension, a simple reaction which is easily monitored by UV-Vis spectroscopy. The spectral response of the process is measured using a collection of band pass filters that allow only some wavelengths into the reaction system. Thanks to this method the spectral range in which the materials are active in the photodecomposition (which coincides with the band gap for the undoped samples) can be checked, proving that for the vanadium substituted samples this range is increased, making possible to cover all the visible light range. Furthermore it is checked that these new materials are more photocorrosion resistant than the toxic CdS witch is a well know compound frequently used in tests of visible light photocatalysis. These materials are thus promising not only for degradation of pollutants (or for photovoltaic cells) but also for efficient photoevolution of hydrogen from water; work in this direction is now being pursued.

Research on wide-bandgap intermediate band solar cells and development of experimental techniques for their characterization

El trabajo que ha dado lugar a esta Tesis Doctoral se enmarca en la invesitagación en células solares de banda intermedia (IBSCs, por sus siglas en inglés). Se trata de un nuevo concepto de célula solar que ofrece la posibilidad de alcanzar altas eficiencias de conversión fotovoltaica. Hasta ahora, se han demostrado de manera experimental los fundamentos de operación de las IBSCs; sin embargo, esto tan sólo has sido posible en condicines de baja temperatura. El concepto de banda intermedia (IB, por sus siglas en inglés) exige que haya desacoplamiento térmico entre la IB y las bandas de valencia y conducción (VB and CB, respectivamente, por sus siglas en inglés). Los materiales de IB actuales presentan un acoplamiento térmico demasiado fuerte entre la IB y una de las otras dos bandas, lo cual impide el correcto funcionamiento de las IBSCs a temperatura ambiente. En el caso particular de las IBSCs fabricadas con puntos cuánticos (QDs, por sus siglas en inglés) de InAs/GaAs - a día de hoy, la tecnología de IBSC más estudiada - , se produce un rápido intercambio de portadores entre la IB y la CB, por dos motivos: (1) una banda prohibida estrecha (< 0.2 eV) entre la IB y la CB, E^, y (2) la existencia de niveles electrónicos entre ellas. El motivo (1) implica, a su vez, que la máxima eficiencia alcanzable en estos dispositivos es inferior al límite teórico de la IBSC ideal, en la cual E^ = 0.71 eV. En este contexto, nuestro trabajo se centra en el estudio de IBSCs de alto gap (o banda prohibida) fabricadsas con QDs, o lo que es lo mismo, QD-IBSCs de alto gap. Hemos fabricado e investigado experimentalmente los primeros prototipos de QD-IBSC en los que se utiliza AlGaAs o InGaP para albergar QDs de InAs. En ellos demostramos une distribución de gaps mejorada con respecto al caso de InAs/GaAs. En concreto, hemos medido valores de E^ mayores que 0.4 eV. En los prototipos de InAs/AlGaAs, este incremento de E^ viene acompaado de un incremento, en más de 100 meV, de la energía de activación del escape térmico. Además, nuestros dispositivos de InAs/AlGaAs demuestran conversión a la alza de tensión; es decir, la producción de una tensión de circuito abierto mayor que la energía de los fotones (dividida por la carga del electrón) de un haz monocromático incidente, así como la preservación del voltaje a temperaura ambiente bajo iluminación de luz blanca concentrada. Asimismo, analizamos el potencial para detección infrarroja de los materiales de IB. Presentamos un nuevo concepto de fotodetector de infrarrojos, basado en la IB, que hemos llamado: fotodetector de infrarrojos activado ópticamente (OTIP, por sus siglas en inglés). Nuestro novedoso dispositivo se basa en un nuevo pricipio físico que permite que la detección de luz infrarroja sea conmutable (ON y OFF) mediante iluminación externa. Hemos fabricado un OTIP basado en QDs de InAs/AlGaAs con el que demostramos fotodetección, bajo incidencia normal, en el rango 2-6/xm, activada ópticamente por un diodoe emisor de luz de 590 nm. El estudio teórico del mecanismo de detección asistido por la IB en el OTIP nos lleva a poner en cuestión la asunción de quasi-niveles de Fermi planos en la zona de carga del espacio de una célula solar. Apoyados por simuaciones a nivel de dispositivo, demostramos y explicamos por qué esta asunción no es válida en condiciones de corto-circuito e iluminación. También llevamos a cabo estudios experimentales en QD-IBSCs de InAs/AlGaAs con la finalidad de ampliar el conocimiento sobre algunos aspectos de estos dispositivos que no han sido tratados aun. En particular, analizamos el impacto que tiene el uso de capas de disminución de campo (FDLs, por sus siglas en inglés), demostrando su eficiencia para evitar el escape por túnel de portadores desde el QD al material anfitrión. Analizamos la relación existente entre el escape por túnel y la preservación del voltaje, y proponemos las medidas de eficiencia cuántica en función de la tensión como una herramienta útil para evaluar la limitación del voltaje relacionada con el túnel en QD-IBSCs. Además, realizamos medidas de luminiscencia en función de la temperatura en muestras de InAs/GaAs y verificamos que los resltados obtenidos están en coherencia con la separación de los quasi-niveles de Fermi de la IB y la CB a baja temperatura. Con objeto de contribuir a la capacidad de fabricación y caracterización del Instituto de Energía Solar de la Universidad Politécnica de Madrid (IES-UPM), hemos participado en la instalación y puesta en marcha de un reactor de epitaxia de haz molecular (MBE, por sus siglas en inglés) y el desarrollo de un equipo de caracterización de foto y electroluminiscencia. Utilizando dicho reactor MBE, hemos crecido, y posteriormente caracterizado, la primera QD-IBSC enteramente fabricada en el IES-UPM. ABSTRACT The constituent work of this Thesis is framed in the research on intermediate band solar cells (IBSCs). This concept offers the possibility of achieving devices with high photovoltaic-conversion efficiency. Up to now, the fundamentals of operation of IBSCs have been demonstrated experimentally; however, this has only been possible at low temperatures. The intermediate band (IB) concept demands thermal decoupling between the IB and the valence and conduction bands. Stateof- the-art IB materials exhibit a too strong thermal coupling between the IB and one of the other two bands, which prevents the proper operation of IBSCs at room temperature. In the particular case of InAs/GaAs quantum-dot (QD) IBSCs - as of today, the most widely studied IBSC technology - , there exist fast thermal carrier exchange between the IB and the conduction band (CB), for two reasons: (1) a narrow (< 0.2 eV) energy gap between the IB and the CB, EL, and (2) the existence of multiple electronic levels between them. Reason (1) also implies that maximum achievable efficiency is below the theoretical limit for the ideal IBSC, in which EL = 0.71 eV. In this context, our work focuses on the study of wide-bandgap QD-IBSCs. We have fabricated and experimentally investigated the first QD-IBSC prototypes in which AlGaAs or InGaP is the host material for the InAs QDs. We demonstrate an improved bandgap distribution, compared to the InAs/GaAs case, in our wide-bandgap devices. In particular, we have measured values of EL higher than 0.4 eV. In the case of the AlGaAs prototypes, the increase in EL comes with an increase of more than 100 meV of the activation energy of the thermal carrier escape. In addition, in our InAs/AlGaAs devices, we demonstrate voltage up-conversion; i. e., the production of an open-circuit voltage larger than the photon energy (divided by the electron charge) of the incident monochromatic beam, and the achievement of voltage preservation at room temperature under concentrated white-light illumination. We also analyze the potential of an IB material for infrared detection. We present a IB-based new concept of infrared photodetector that we have called the optically triggered infrared photodetector (OTIP). Our novel device is based on a new physical principle that allows the detection of infrared light to be switched ON and OFF by means of an external light. We have fabricated an OTIP based on InAs/AlGaAs QDs with which we demonstrate normal incidence photodetection in the 2-6 /xm range optically triggered by a 590 nm light-emitting diode. The theoretical study of the IB-assisted detection mechanism in the OTIP leads us to questioning the assumption of flat quasi-Fermi levels in the space-charge region of a solar cell. Based on device simulations, we prove and explain why this assumption is not valid under short-circuit and illumination conditions. We perform new experimental studies on InAs/GaAs QD-IBSC prototypes in order to gain knowledge on yet unexplored aspects of the performance of these devices. Specifically, we analyze the impact of the use of field-damping layers, and demonstrate this technique to be efficient for avoiding tunnel carrier escape from the QDs to the host material. We analyze the relationship between tunnel escape and voltage preservation, and propose voltage-dependent quantum efficiency measurements as an useful technique for assessing the tunneling-related limitation to the voltage preservation of QD-IBSC prototypes. Moreover, we perform temperature-dependent luminescence studies on InAs/GaAs samples and verify that the results are consistent with a split of the quasi-Fermi levels for the CB and the IB at low temperature. In order to contribute to the fabrication and characterization capabilities of the Solar Energy Institute of the Universidad Polite´cnica de Madrid (IES-UPM), we have participated in the installation and start-up of an molecular beam epitaxy (MBE) reactor and the development of a photo and electroluminescence characterization set-up. Using the MBE reactor, we have manufactured and characterized the first QD-IBSC fully fabricated at the IES-UPM.

V-substituted In2S3: an intermediate band material with photocatalytic activity in the whole visible light range

We proposed in our previous work V-substituted In2S3 as an intermediate band (IB) material able to enhance the efficiency of photovoltaic cells by combining two photons to achieve a higher energy electron excitation, much like natural photosynthesis. Here this hyper-doped material is tested in a photocatalytic reaction using wavelength-controlled light. The results evidence its ability to use photons with wavelengths of up to 750 nm, i.e. with energy significantly lower than the bandgap (=2.0 eV) of non-substituted In2S3, driving with them the photocatalytic reaction at rates comparable to those of non-substituted In2S3 in its photoactivity range (λ ≤ 650 nm). Photoluminescence spectra evidence that the same bandgap excitation as in V-free In2S3 occurs in V-substituted In2S3 upon illumination with photons in the same sub-bandgap energy range which is effective in photocatalysis, and its linear dependence on light intensity proves that this is not due to a nonlinear optical property. This evidences for the first time that a two-photon process can be active in photocatalysis in a single-phase material. Quantum calculations using GW-type many-body perturbation theory suggest that the new band introduced in the In2S3 gap by V insertion is located closer to the conduction band than to the valence band, so that hot carriers produced by the two-photon process would be of electron type; they also show that the absorption coefficients of both transitions involving the IB are of significant and similar magnitude. The results imply that V-substituted In2S3, besides being photocatalytically active in the whole visible light range (a property which could be used for the production of solar fuels), could make possible photovoltaic cells of improved efficiency.