Biocontrol of phytopathogenic fungi relevant for cacao- and olive-derived economy

Abstract

Plant diseases caused by fungal pathogens constitute an increasing threat to food production and security. This is the case of Witches’ Broom Disease (WBD) of cacao, caused by the basidiomycete Moniliophthora perniciosa, and of Olive Anthracnose (OA), caused by a consortium of Colletotrichum gloeosporioides and C. acutatum species complexes, which seriously impact the economy. Both share the lack of effective containment methods. The use of chemical fungicides is increasingly more precarious and restricted. More effective eco-friendly methods are required, such as the use of biocontrol agents. This work aimed to evaluate the ability of yeasts to antagonize the fungal causal agents of both diseases. A group of yeasts originating from Brazilian sugarcane-based fermentation industries were tested against M. perniciosa. Two isolates from cachaça production fermentation and one of the most used strains in bioethanol production, efficiently kill six strains of M. perniciosa in vitro. Antagonistic ability is maintained in non-optimal conditions. Microscopy analysis showed that fungal cells die upon contact with these yeasts, which physically attach and fuse to the mycelium and drain the cells, in what appears like a yeast predacious behaviour. Two further observations revealed the formation of connections between yeast and fungal cells, as well as fimbriae-like connections between yeast cells. These results agree in that, at a distance, only the proliferation of mycelia is diverted through the probable secretion of a non-volatile agar diffusible compound. Several proteins were identified specifically secreted by fungi and yeasts in single culture and co-culture. The methodology now developed was further used to study the antagonism of yeasts against the OA-causing Colletotrichum sp.. The same group of fermentative yeasts were tested along with others originating from the olive biome in Portuguese orchards. One of these last strains showed a promising antagonistic potential, by inhibiting the growth of the three fungal strains in all the conditions tested. Moreover, the possibility of using vinasse, a waste product from sugarcane bioethanol production process, to control the development of M. perniciosa was also evaluated. Immersing or spraying the mycelium with vinasse either kills the fungus or impedes its proliferation. This effect is not extensive the OA-causing fungi. The results support the exploration of microbial biodiversity of the infected plant-associated biome to generate greener and more sustainable alternatives to contain phytopathogens like those causing WBD and OA, contributing to alleviate the socio-economic impact of these diseases.

Fitopatologias causadas por fungos são uma ameaça crescente à produção e segurança alimentares. É o caso da doença da Vassoura-de-bruxa (VB) do cacau, causada pelo fungo Moniliophthora perniciosa, e da Antracnose da oliveira (AO), causada pelos complexos de espécies Colletotrichum gloeosporioides e C. acutatum, que se tornaram um risco para a economia, por não haver métodos eficazes de contenção. O uso de fungicidas químicos é cada vez mais ineficaz e mais restrito, pelo que é necessário encontrar alternativas mais amigas do ambiente, como por exemplo a utilização de biocidas. Este trabalho teve como objetivo avaliar a capacidade de leveduras para antagonizar os fungos causadores destas doenças. Um grupo de leveduras proveniente da fermentação de caldo-de-cana no Brasil foi testado contra M. perniciosa. Dois isolados do processo de produção de cachaça e uma das leveduras mais utilizadas na produção industrial de bioetanol matam eficientemente 6 estirpes de M. perniciosa, in vitro. O antagonismo mantém-se em condições adversas. Observações de microscopia confirmaram que o fungo morre em contacto com as leveduras que aderem e se fundem com o micélio, esvaziando-o, no que parece ser um comportamento predatório. Além disso, observou-se a existência de conexões entre células de levedura e do micélio, e entre células de levedura entre si. Isto concorda com o facto de, à distância, haver apenas redireccionamento do desenvolvimento do micélio, através da difusão de um composto não-volátil, tendo sido verificado que os fungos e as leveduras segregam proteínas diferentes em cultura simples ou em co-cultura. O método desenvolvido neste trabalho foi aplicado para verificar o antagonismo de leveduras contra os agentes causadores da AO. O mesmo conjunto de leveduras fermentativas foi testado, em confronto com estirpes provenientes do bioma de olivais portugueses. Uma destas últimas leveduras mostrou grande potencial antagonista contra 3 estirpes de Colletotrichum sp. em todas as condições testadas. Adicionalmente, foi ensaiada com sucesso a utilização da vinhaça, o resíduo denso e líquido que resulta da destilação do etanol após a fermentação do caldo-de-cana, no controlo do desenvolvimento do M. perniciosa. A imersão ou a pulverização do micélio com vinhaça mata ou impede drasticamente a proliferação do fungo. Este efeito não foi extensível aos fungos causadores da AO. Em suma, a exploração da biodiversidade microbiana do bioma associado às plantas infetadas pode permitir desenvolver metodologias alternativas, mais amigas do ambiente e mais sustentáveis, para a contenção da presente progressão dos agentes fitopatogénicos, como os que provocam a VB e a AO, contribuindo para aliviar o impacto socioeconómico destas doenças.