Vine microbiome: a deep analysis of the natural microbial community of Vitis vinifera L.

Abstract

A vinha, Vitis vinifera L., abriga naturalmente um ecossistema microbiano complexo ou microbioma, tais como microrganismos neutros, fitopatogenos ou benéficos. Entre os fitopatogenos, aqueles implicados nas doenças do lenho da videira (GTDs) são responsáveis pelas doenças mais destrutivas, para o qual não existem tratamentos altamente eficazes. Por outro lado, os microrganismos benéficos (BCAs) podem desempenhar papéis específicos na proteção das plantas contra estes agentes. Neste sentido, o atual desafio consiste em compreender como estes BCAs interagem com a planta e qual o seu potencial biotecnológico para o desenvolvimento de novas estratégias de proteção da planta. Neste contexto, o objetivo deste estudo visou primeiramente analisar profundamente as comunidades microbianas associadas com a videira ao longo do seu ciclo de crescimento até à fermentação do vinho e, em seguida, compreender as interações entre vinha-BCAs-GTDs. Para isso, dois potenciais BCAs isolados da videira foram testados contra diferentes espécies de Botryosphaeriaceae e, em seguida, caracterizados relativamente ao seu potencial de colonização, de indução dos mecanismos de defesa da planta, na presença ou não do fitopatogeno (D. seriata F98.1), e análise do respetivo genoma. Os resultados demonstraram que o microbioma da videira é altamente dinâmico ao longo do ciclo de crescimento da planta. Como esperado, a biodiversidade microbiana é maior nos solos, e estas comunidades diferem significativamente daquelas presentes nas folhas e mostos vínicos. Contudo, alguns destes microrganismos são partilhados, o que sugere a existência de um microbioma comum. Diferentes isolados foram obtidos, pertencendo na sua maioria ao género Bacillus, Streptomyces e Aureobasidium. A videira é naturalmente colonizada por microrganismos com potencial antagonista de várias espécies de Botryosphaeriaceae. Entre estes, destacam-se os isolados Streptomyces sp. Fito_S127B e A. pullulans Fito_F278, que foram selecionados como potenciais BCAs. Estes microrganismos produzem diferentes enzimas extracelulares importantes para as atividades de controlo biológico e são capazes de colonizar com sucesso a videira: Fito_S127B coloniza a rizosfera, enquanto que Fito_F278 coloniza desde as raízes até às folhas. A inoculação artificial da videira com D. seriata F98.1 mostrou que o comprimento das lesões necróticas causadas pelo fitopatogeno são significativamente reduzidas na presença de Fito_S127B. Em contrapartida, a espécie Fito_F278 foi menos eficaz. Estes BCAs ativaram algumas respostas de defesa específicas da videira, o que permitiu uma resposta mais rápida e sólida da planta contra o agente fitopatogénico. A análise do genoma destes microrganismos permitiu averiguar diferentes genes que codificam compostos bioativos altamente importantes para o controlo biológico. De uma forma geral, este estudo abrange novos conhecimentos relativos à estrutura das comunidades microbianas associadas à videira e às suas interações. Para além disso, destaca que a videira ostenta naturalmente microrganismos com um controlo biológico promissor e que estes podem promover respostas de defesa importantes na planta. Neste sentido, estes resultados permitem não só uma melhor compreensão das interações da videira-BCAs-GTDs, mas também representam um forte contributo e avanço para o desenvolvimento de novas estratégias da gestão da vinha, tais como as doenças do lenho.

Vitis vinifera L. is a widely cultivated fruit crop, that naturally harbours a complex microbial ecosystem or plant microbiome, such as neutral, phytopathogenic or beneficial microorganisms. Among phytopathogens, those implied in Grapevine Trunk Diseases (GTDs) are responsible for the most destructive diseases worldwide, and currently no highly effective treatments are available. Beneficial microorganisms (BCAs) may play specific roles on plant protection against phytopathogens though, the present challenge is to understand how such BCAs interact with plant and their biotechnological potential for development of innovation strategies. In this context, the aim of this study was firstly to unveil the microbial communities associated with grapevine along its growth cycle until wine fermentation and, secondly, to better understand the grapevine – BCAs – GTDs interactions. Two potential BCAs isolated from grapevine were tested against Botryosphaeriaceae species and then deep characterized, namely for their colonisation potential, induction of defence mechanisms in grapevine, in the presence or not of D. seriata F98.1, and their genome analysis. Results showed that grapevine microbiome was very dynamic along the growth cycle. As expected, the microbial biodiversity was higher in soils, and these microbial communities differed significantly from those of leaves and wine musts. A proportion of microbial communities was shared within these structures, suggesting the existence of a core microbiome. Several isolates were then obtained from grapevine which mostly belonged to Bacillus, Streptomyces and Aureobasidium genera. Some of them significantly decreased in vitro the mycelium growth of several Botryosphaeriaceae species, such as Streptomyces sp. Fito_S127B and A. pullulans Fito_F278 which were highly effective and thus selected as potential BCAs. These strains showed to produce a high range of extracellular enzymes with biocontrol value, and were able to successfully colonize grapevine: Fito_S127B was an epiphyte from rhizosphere, while Fito_F278 colonised grapevine from roots to leaves. The artificial inoculation of green stems with D. seriata F98.1 on cutting plants showed that the necrotic lesions length caused by the pathogen was significantly reduced by Fito_S127B, in contrast to Fito_F278, which was less effective. Furthermore, these BCAs activated some specific defence responses of grapevine, allowing a more rapid and solid response of plant against the pathogen. The genome analysis also showed that these BCAs strains are an important source of bioactive compounds of biocontrol value. Overall, this study brought new insights on the structure of microbial communities of grapevine and their interactions. Moreover, highlighted that grapevine is a natural source of microorganisms with a promising biocontrol against GTDs, and that they can promote plant defence responses. Thus, these findings provide not only a better understand of the grapevine- BCAs- GTDs interactions but also a strong contribution to future GTDs management strategy.