Susceptibility of source plants to Sugarcane Fiji disease virus influences the acquisition and transmission of the virus by the planthopper vector Perkinsiella saccharicida

Fiji leaf gall (FLG) caused by Sugarcane Fiji disease virus (SCFDV) is transmitted by the planthopper Perkinsiella saccharicida. FLG is managed through the identification and exploitation of plant resistance. The glasshouse-based resistance screening produced inconsistent transmission results and the factors responsible for that are not known. A series of glasshouse trials conducted over a 2-year period was compared to identify the factors responsible for the erratic transmission results. SCFDV transmission was greater when the virus was acquired by the vector from a cultivar that was susceptible to the virus than when the virus was acquired from a resistant cultivar. Virus acquisition by the vector was also greater when the vector was exposed to the susceptible cultivars than when exposed to the resistant cultivar. Results suggest that the variation in transmission levels is due to variation in susceptibility of sugarcane cultivars to SCFDV used for virus acquisition by the vector.

Biological activities of compounds from Piper species

It is well established that secondary metabolites play an important role in plant chemical defense. In an effort to find natural herbicides research on plant growth regulatory activity of secondary metabolites has received more and more attention recently. The genus Piper has been an important source for useful secondary metabolites.^ Crude extracts from Piper species inhibited gram-positive bacteria and higher plant growth under laboratory conditions. Bioassay-guided isolation and purification lead to the identification of safrole, a phenylpropene, as the responsible agent for the inhibitory activity. Safrole was found to leach from naturally fallen leaves with water. Mechanisms of plant growth inhibition by safrole were investigated. Disassociation of cell membrane from cell walls was determined to be a major cause.^ Phenylpropenes structurally similar to safrole had similar phytogrowth inhibitory activity. It is postulated that phenylpropanoids are an important group of naturally occurring secondary metabolites in plant-plant interactions. ^

Coffee Berry Borer Joins Bark Beetles in Coffee Klatch

Unanswered key questions in bark beetle-plant interactions concern host finding in species attacking angiosperms in tropical zones and whether management strategies based on chemical signaling used for their conifer-attacking temperate relatives may also be applied in the tropics. We hypothesized that there should be a common link in chemical signaling mediating host location by these Scolytids. Using laboratory behavioral assays and chemical analysis we demonstrate that the yellow-orange exocarp stage of coffee berries, which attracts the coffee berry borer, releases relatively high amounts of volatiles including conophthorin, chalcogran, frontalin and sulcatone that are typically associated with Scolytinae chemical ecology. The green stage of the berry produces a much less complex bouquet containing small amounts of conophthorin but no other compounds known as bark beetle semiochemicals. In behavioral assays, the coffee berry borer was attracted to the spiroacetals conophthorin and chalcogran, but avoided the monoterpenes verbenone and a-pinene, demonstrating that, as in their conifer-attacking relatives in temperate zones, the use of host and non-host volatiles is also critical in host finding by tropical species. We speculate that microorganisms formed a common basis for the establishment of crucial chemical signals comprising inter-and intraspecific communication systems in both temperate-and tropical-occurring bark beetles attacking gymnosperms and angiosperms.

Predictive Models for Tomato Spotted Wilt Virus Spread Dynamics, Considering Frankliniella occidentalis Specific Life Processes as Influenced by the Virus

Several models have been studied on predictive epidemics of arthropod vectored plant viruses in an attempt to bring understanding to the complex but specific relationship between the three cornered pathosystem (virus, vector and host plant), as well as their interactions with the environment. A large body of studies mainly focuses on weather based models as management tool for monitoring pests and diseases, with very few incorporating the contribution of vector's life processes in the disease dynamics, which is an essential aspect when mitigating virus incidences in a crop stand. In this study, we hypothesized that the multiplication and spread of tomato spotted wilt virus (TSWV) in a crop stand is strongly related to its influences on Frankliniella occidentalis preferential behavior and life expectancy. Model dynamics of important aspects in disease development within TSWV-F. occidentalis-host plant interactions were developed, focusing on F. occidentalis' life processes as influenced by TSWV. The results show that the influence of TSWV on F. occidentalis preferential behaviour leads to an estimated increase in relative acquisition rate of the virus, and up to 33% increase in transmission rate to healthy plants. Also, increased life expectancy; which relates to improved fitness, is dependent on the virus induced preferential behaviour, consequently promoting multiplication and spread of the virus in a crop stand. The development of vector-based models could further help in elucidating the role of tri-trophic interactions in agricultural disease systems. Use of the model to examine the components of the disease process could also boost our understanding on how specific epidemiological characteristics interact to cause diseases in crops. With this level of understanding we can efficiently develop more precise control strategies for the virus and the vector.

Allelopathy: driving mechanisms governing its activity in agriculture.

Allelopathy determines the dynamics of plant species in different environments. Understanding this biological phenomenon could help to develop applications in both natural and agricultural systems. This review summarizes the genetic and environmental characteristics that control the production and release of allelochemicals in agroecosystems. This study highlights the current understanding of the environmental changes caused by allelochemicals and summarizes the knowledge about the mechanisms of action of these compounds. Finally, it reviews novel applications of allelopathy in agricultural production systems, including the role of allelochemicals in consortia and their potential use in no-tillage cropping systems through cover crops or mulches.

Influence of Soil Biogeochemical Properties on the Invasiveness of Old World Climbing Fern (Lygodium microphyllum)

The state of Florida has one of the most severe exotic species invasion problems in the United States, but little is known about their influence on soil biogeochemistry. My dissertation research includes a cross-continental field study in Australia, Florida, and greenhouse and growth chamber experiments, focused on the soil-plant interactions of one of the most problematic weeds introduced in south Florida, Lygodium microphyllum (Old World climbing fern). Analysis of field samples from the ferns introduced and their native range indicate that L microphyllum is highly dependent on arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) for phosphorus uptake and biomass accumulation. Relationship with AMF is stronger in relatively dry conditions, which are commonly found in some Florida sites, compared to more common wet sites where the fern is found in its native Australia. In the field, L. microphyllum is found to thrive in a wide range of soil pH, texture, and nutrient conditions, with strongly acidic soils in Australia and slightly acidic soils in Florida. Soils with pH 5.5 - 6.5 provide the most optimal growth conditions for L. microphyllum, and the growth declines significantly at soil pH 8.0, indicating that further reduction could happen in more alkaline soils. Comparison of invaded and uninvaded soil characteristics demonstrates that L. microphyllum can change the belowground soil environment, with more conspicuous impact on nutrient-poor sandy soils, to its own benefit by enhancing the soil nutrient status. Additionally, the nitrogen concentration in the leaves, which has a significant influence in the relative growth rate and photosynthesis, was significantly higher in Florida plants compared to Australian plants. Given that L. microphyllum allocates up to 40% of the total biomass to rhizomes, which aid in rapid regeneration after burning, cutting or chemical spray, hence management techniques targeting the rhizomes look promising. Over all, my results reveal for the first time that soil pH, texture, and AMF are major factors facilitating the invasive success of L. mcirophyllum. Finally, herbicide treatments targeting rhizomes will most likely become the widely used technique to control invasiveness of L. microphyllum in the future. However, a complete understanding of the soil ecosystem is necessary before adding any chemicals to the soil to achieve a successful long-term invasive species management strategy.

Management of plant invasions mediated by frugivore interactions

1. Some of the most damaging invasive plants are dispersed by frugivores and this is an area of emerging importance in weed management. It highlights the need for practical information on how frugivores affect weed population dynamics and spread, how frugivore populations are affected by weeds and what management recommendations are available. 2. Fruit traits influence frugivore choice. Fruit size, the presence of an inedible peel, defensive chemistry, crop size and phenology may all be useful traits for consideration in screening and eradication programmes. By considering the effect of these traits on the probability, quality and quantity of seed dispersal, it may be possible to rank invasive species by their desirability to frugivores. Fruit traits can also be manipulated with biocontrol agents. 3. Functional groups of frugivores can be assembled according to broad species groupings, and further refined according to size, gape size, pre- and post-ingestion processing techniques and movement patterns, to predict dispersal and establishment patterns for plant introductions. 4. Landscape fragmentation can increase frugivore dispersal of invasives, as many invasive plants and dispersers readily use disturbed matrix environments and fragment edges. Dispersal to particular landscape features, such as perches and edges, can be manipulated to function as seed sinks if control measures are concentrated in these areas. 5. Where invasive plants comprise part of the diet of native frugivores, there may be a conservation conflict between control of the invasive and maintaining populations of the native frugivore, especially where other threats such as habitat destruction have reduced populations of native fruit species. 6. Synthesis and applications. Development of functional groups of frugivore-dispersed invasive plants and dispersers will enable us to develop predictions for novel dispersal interactions at both population and community scales. Increasingly sophisticated mechanistic seed dispersal models combined with spatially explicit simulations show much promise for providing weed managers with the information they need to develop strategies for surveying, eradicating and managing plant invasions. Possible conservation conflicts mean that understanding the nature of the invasive plant-frugivore interaction is essential for determining appropriate management.

Interactions between a cyanobacterial bloom (Microcystis) and the submerged aquatic plant Ceratophyllum oryzetorum Kom.

In aquatic ecosystems, macrophytes and phytoplankton are main primary producers, in which macrophyte plays an important role in maintaining clear water state, while phytoplankton often dominates in turbid waterbodies. In the present study, the growth and photosynthetic activity of the submerged aquatic plant Ceratophyllum oryzetorum Kom. in different cell densities of cyanobacterial bloom are studied. The results show that the plant length and fresh mass of C. oryzetorum are promoted by low cyanobacterial cell densities. Medium and high cyanobacterial cell densities, on the contrary, act as inhibitory. Furthermore, the photosynthetic activity of C. oryzetorum is strongly inhibited by high cyanobacterial cell densities. To a certain extent, the growth of cyanobacteria is inhibited by C. oryzetorum, but no significant effect is found in this study.

Organic Matter-Solid Phase Interactions Are Critical for Predicting Arsenic Release and Plant Uptake in Bangladesh Paddy Soils

Agroecological zones within Bangladesh with low levels of arsenic in groundwater and soils produce rice that is high in arsenic with respect to other producing regions of the globe. Little is known about arsenic cycling in these soils and the labile fractions relevant for plant uptake when flooded. Soil porewater dynamics of field soils (n = 39) were recreated under standardized laboratory conditions to investigate the mobility and interplay of arsenic, Fe, Si, C, and other elements, in relation to rice grain element composition, using the dynamic sampling technique diffusive gradients in thin films (DGT). Based on a simple model using only labile DGT measured arsenic and dissolved organic carbon (DOC), concentrations of arsenic in Aman (Monsoon season) rice grain were predicted reliably. DOC was the strongest determinant of arsenic solid-solution phase partitioning, while arsenic release to the soil porewater was shown to be decoupled from that of Fe. This study demonstrates the dual importance of organic matter (OM), in terms of enhancing arsenic release from soils, while reducing bioavailability by sequestering arsenic in solution.

Molecular interactions of arbuscular mycorrhizal fungi with mycotoxin-producing fungi and their role in plant defense responses

Les trichothécènes de Fusarium appartiennent au groupe des sesquiterpènes qui sont des inhibiteurs la synthèse des protéines des eucaryotes. Les trichothécènes causent d’une part de sérieux problèmes de santé aux humains et aux animaux qui ont consommé des aliments infectés par le champignon et de l’autre part, elles sont des facteurs importants de la virulence chez plantes. Dans cette étude, nous avons isolé et caractérisé seize isolats de Fusarium de la pomme de terre infectée naturellement dans un champs. Les tests de pathogénicité ont été réalisés pour évaluer la virulence des isolats sur la pomme de terre ainsi que leur capacité à produire des trichothécènes. Nous avons choisi F. sambucinum souche T5 comme un modèle pour cette étude parce qu’il était le plus agressif sur la pomme de terre en serre en induisant un flétrissement rapide, un jaunissement suivi de la mort des plantes. Cette souche produit le 4,15-diacétoxyscirpénol (4,15-DAS) lorsqu’elle est cultivée en milieu liquide. Nous avons amplifié et caractérisé cinq gènes de biosynthèse trichothécènes (TRI5, TRI4, TRI3, TRI11, et TRI101) impliqués dans la production du 4,15-DAS. La comparaison des séquences avec les bases de données a montré 98% et 97% d'identité de séquence avec les gènes de la biosynthèse des trichothécènes chez F. sporotrichioides et Gibberella zeae, respectivement. Nous avons confrenté F. sambucinum avec le champignon mycorhizien à arbuscule Glomus irregulare en culture in vitro. Les racines de carotte et F. sambucinum seul, ont été utilisés comme témoins. Nous avons observé que la croissance de F. sambucinum a été significativement réduite avec la présence de G. irregulare par rapport aux témoins. Nous avons remarqué que l'inhibition de la croissance F. sambucinum a été associée avec des changements morphologiques, qui ont été observés lorsque les hyphes de G. irregulare ont atteint le mycélium de F. sambucinum. Ceci suggère que G. irregulare pourrait produire des composés qui inhibent la croissance de F. sambucinum. Nous avons étudié les patrons d’expression des gènes de biosynthèse de trichothécènes de F. sambucinum en présence ou non de G. irregulare, en utilisant le PCR en temps-réel. Nous avons observé que TRI5 et TRI6 étaient sur-exprimés, tandis que TRI4, TRI13 et TRI101 étaient en sous-exprimés en présence de G. irregulare. Des analyses par chromatographie en phase-gazeuse (GC-MS) montrent clairement que la présence de G. irregulare réduit significativement la production des trichothécènes par F. sambucinum. Le dosage du 4,15-DAS a été réduit à 39 μg/ml milieu GYEP par G. irregulare, comparativement à 144 μg/ml milieu GYEP quand F. sambucinum est cultivé sans G. irregulare. Nous avons testé la capacité de G. irregulare à induire la défense des plants de pomme de terre contre l'infection de F. sambucinum. Des essais en chambre de croissance montrent que G. irregulare réduit significativement l’incidence de la maladie causée par F. sambucinum. Nous avons aussi observé que G. irregulare augmente la biomasse des racines, des feuilles et des tubercules. En utilisant le PCR en temps-réel, nous avons étudié les niveaux d’expression des gènes impliqué dans la défense des plants de pommes de terre tels que : chitinase class II (ChtA3), 1,3-β-glucanase (Glub), peroxidase (CEVI16), osmotin-like protéin (OSM-8e) et pathogenèses-related protein (PR-1). Nous avons observé que G. irregulare a induit une sur-expression de tous ces gènes dans les racines après 72 heures de l'infection avec F. sambucinum. Nous avons également trové que la baisse provoquée par F. sambucinum des gènes Glub et CEVI16 dans les feuilles pourrait etre bloquée par le traitement AMF. Ceci montre que l’inoculation avec G. irregulare constitut un bio-inducteur systémique même dans les parties non infectées par F. sambucinum. En conclusion, cette étude apporte de nouvelles connaissances importantes sur les interactions entre les plants et les microbes, d’une part sur les effets directs des champignons mycorhiziens sur l’inhibition de la croissance et la diminution de la production des mycotoxines chez Fusarium et d’autre part, l’atténuation de la sévérité de la maladie dans des plantes par stimulation leur défense. Les données présentées ouvrent de nouvelles perspectives de bio-contrôle contre les pathogènes mycotoxinogènes des plantes.

The plant ovule omics : an integrative approach for pollen−pistil interactions and pollen tube guidance studies in solanaceous species

Chez les plantes à fleurs, l’ovaire est l’organe reproducteur femelle et il interagit de façon importante avec les gamètes mâles durant la croissance, le guidage, la réception et la rupture du tube pollinique ainsi que la fusion des gamètes. Le processus débute lorsque de nombreux gènes de l’ovule sont activés à longue distance lors de la réception du pollen sur le stigmate. Afin d’explorer les signaux provenant de l’ovule ayant un impact important sur les interactions pollen–pistil, particulièrement les molécules sécrétées impliquées dans la signalisation espècespécifique, l’expression génique des ovules sous forme d’ARNm ainsi et la sécrétion protéique ont été étudiées chez Solanum chacoense, une espèce diploïde de pomme de terre sauvage. S. chacoense a subi beaucoup d’hybridation interspécifique avec d’autres espèces sympathiques de solanacées, facilitant ainsi grandement l’étude des interactions pollen–ovule de façon espècespécifique ainsi que leur évolution. Dans ce projet, des ovules provenant de trois conditions différentes ont été comparés: des ovules matures de type sauvage, des ovules légèrement immatures, récoltés deux jours avant l’anthèse et des ovules provenant du mutant frk1 pour lesquels le sac embryonnaire est absent. Un séquençage d’ARN à haut débit a d’abord été effectué sur les ovules de type sauvage de S. chacoense afin de générer un assemblage de référence comprenant 33852 séquences codantes. D’autres séquençages ont été effectués sur les trois conditions d’ovules et sur les feuilles afin de faire une analyse d’expression différentielle des gènes. En comparaison avec les ovules de type sauvage, 818 gènes sont réprimés dans les ovules du mutant frk1. Un sous-groupe de 284 gènes, étaient également sous-exprimés dans les ovules légèrement immatures, suggérant un rôle spécifique dans les stades tardifs de la maturation du sac embryonnaire (stade de développent FG6 à FG7) ainsi que du guidage du tube pollinique, puisque ni les ovules du mutant frk1 ni ceux légèrement immatures ne sont capables d’attirer les tubes polliniques lors d’essais de croissance semi in vivo. De plus, 21% de ces gènes sont des peptides riches en cystéines (CRPs). En utilisant un transcriptome assemblé de novo provenant de deux proches parents de S. chacoense, S. gandarillasii et S. tarijense, une analyse d’orthologie a été effectuée sur ces CRPs, révélant une grande variabilité et une évolution rapide chez les solanacées. De nouveaux motifs de cystéine uniques à cette famille ont également été découverts. En comparant avec des études similaires chez Arabidopsis, le sac embryonnaire de S. chacoense montre un transcriptome fortement divergent, particulièrement en en ce qui a trait à la catégorisation fonctionnelle des gènes et de la similarité entre les gènes orthologues. De plus,même si la glycosylation n’est pas requise lors du guidage mycropylaire du tube pollinique chez Arabidopsis, Torenia ou le maïs, des extraits d’ovules glycosylés de S. chacoense sont capables d’augmenter la capacité de guidage de 18%. Cette étude est donc la première à montrer une corrélation entre glycosylation et le guidage du tube pollinique par l’ovule. En complément à l’approche transcriptomique, une approche protéomique portant sur les protéine sécrétées par l’ovule (le secrétome) a été utilisée afin d’identifier des protéines impliquées dans l’interaction entre ovule et tube pollinique. Des exsudats d’ovules matures (capables d’attirer le tube pollinique) et d’ovules immatures (incapables d’attirer le tube pollinique) ont été récoltés en utilisant une nouvelle méthode d’extraction par gravité permettant de réduire efficacement les contaminants cytosoliques à moins de 1% de l’échantillon. Un total de 305 protéines sécrétées par les ovules (OSPs) ont été identifiées par spectrométrie de masse, parmi lesquelles 58% étaient spécifiques aux ovules lorsque comparées avec des données de protéines sécrétées par des tissus végétatifs. De plus, la sécrétion de 128 OSPs est augmentée dans les ovules matures par rapport aux ovules immatures. Ces 128 protéines sont donc considérées en tant que candidates potentiellement impliquées dans la maturation tardive de l’ovule et dans le guidage du tube pollinique. Cette étude a également montré que la maturation du sac embryonnaire du stade FG6 au stade FG7 influence le niveau de sécrétion de 44% du sécrétome total de l’ovule. De façon surprenante, la grande majorité (83%) de ces protéines n’est pas régulée au niveau de l’ARN, soulignant ainsi l’importance de cette approche dans l’étude du guidage du tube pollinique comme complément essentiel aux études transcriptomiques. Parmi tous les signaux sécrétés par l’ovule et reliés au guidage, obtenus à partir des approches transcriptomiques et protéomiques décrites ci-haut, nous avons spécifiquement évalué l’implication des CRPs dans le guidage du tube pollinique par l’ovule chez S. chacoense, vu l’implication de ce type de protéine dans les interactions pollen-pistil et le guidage du tube pollinique chez d’autres espèces. Au total, 28 CRPs étaient présentes dans les ovules capables d’attirer le tube pollinique tout en étant absentes dans les ovules incapables de l’attirer, et ce, soit au niveau de l’ARNm et/ou au niveau du sécrétome. De celles-ci, 17 CRPs ont été exprimées dans un système bactérien et purifiées en quantité suffisante pour tester le guidage. Alors que des exsudats d’ovules ont été utilisés avec succès pour attirer par chimiotactisme le tube pollinique, les candidats exprimés dans les bactéries n’ont quant à eux pas été capables d’attirer les tubes polliniques. Comme l’utilisation de systèmes d’expression hétérologue eucaryote peut permettre un meilleur repliement et une plus grande activité des protéines, les candidats restants seront de nouveau exprimés, cette fois dans un système de levure ainsi que dans un système végétal pour produire les peptides sécrétés. Ceux-ci seront ensuite utilisés lors d’essais fonctionnels pour évaluer leur capacité à guider les tubes polliniques et ainsi isoler les attractants chimiques responsable du guidage du tube pollinique chez les solanacées comme S. chacoense.

Tissue culture propagation alters plant-microbe interactions in tobacco rhizosphere

We have compared properties of roots from different lines (genotypes) of tobacco raised either in tissue culture or grown from seed. The different lines included unmodified plants and plants modified to express reduced activity of the enzyme cinnamoyl-CoA reductase, which has a pivotal role in lignin biosynthesis. The size and structure of the rhizosphere microbial community, characterized by adenosine triphosphate and phospholipid fatty acid analyses, were related to root chemistry (specifically the soluble carbohydrate concentration) and decomposition rate of the roots. The root material from unmodified plants decomposed faster following tissue culture compared with seed culture, and the faster decomposing material had significantly higher soluble carbohydrate concentrations. These observations are linked to the larger microbial biomass and greater diversity of the rhizosphere communities of tissue culture propagated plants.