Effect of Sustainable Agronomic Measures on Durum Wheat Pathobiome
Author(s)
Jasarevic, Merima
Date Issued
July 18, 2025
Type
Doctoral Thesis
Abstract
The plant pathobiome is a complex community of microorganisms associated with a plant, including pathogens, commensals, and beneficial microbes, whose interactions influence plant health. The production of durum wheat is highly threatened by fungal diseases such as “Black Point” disease and Fusarium Head Blight (FHB), caused by highly pathogenic species Alternaria and Fusarium, respectively. These pathogens not influence only grain quality but also increase significantly food safety risks, due to their ability to produce mycotoxins. Furthermore, these pathogens do not affect only wheat kernels, they are also known as soilborne pathogens that influence crop health from the rhizosphere to carpophore. This PhD thesis aimed to assess the impact of determined phenological stages and agronomic practices, soil tillage techniques (ploughing, subsoiling, and spading), and fertilization treatments (mineral versus organic fertilizer), on fungal colonization and mycotoxin contamination in durum wheat in Central Italy over three years (2020–2022). Moreover, the study investigated the effects of these sustainable agronomic practices on the rhizosphere microbiome of durum wheat in rotation with potato over two growing seasons (2021 and 2022). Results showed that Alternaria alternata and A. infectoria were the predominant species colonizing kernels, with sporadic occurrences of Fusarium spp. Also, mycotoxins produced by Alternaria spp. were frequently detected, whereas those from Fusarium spp. remained below the quantification limit. Additionally, mineral fertilization increased mycotoxin presence, while organic amendments reduced Alternaria frequency, highlighting the role of soil carbon content in microbial dynamics. Regarding the soil microbiome analyses, organic fertilization significantly enhanced microbial diversity and altered community composition, particularly during the tillering and ripening stages. Conservation tillage techniques influenced fungal abundance, with Alternaria species
being more prevalent under mineral fertilization at heading. Conversely, F. equiseti and F. brachygibbosum were more abundant under spading and mineral fertilization at tillering, while F. verticillioides dominated under ploughing and mineral fertilization at heading. Beneficial fungal species such as Trichoderma amazonicum, Vishniacozyma victoriae, Botryotrichum atrogriseum, and Humicola sardiniae were more abundant in compost-treated soils, suggesting their role in promoting plant health. Taking into account the antagonistic potential of Trichoderma spp. against fungal pathogens, this dissertation also evaluated their biocontrol efficacy as a sustainable alternative to chemical fungicides. A set of the Trichoderma species demonstrated the ability to suppress Alternaria and Fusarium infections through competition and parasitism, reinforcing their role in integrated disease management strategies. These findings highlight the importance of microbiome diversity in shaping plant health and emphasize the need for sustainable disease management approaches. Overall, this study advances sustainable agriculture by promoting biological control measures that enhance crop resilience, reduce dependency on synthetic pesticides, and improve food safety.
Il patobioma vegetale è una comunità complessa di microrganismi associati a una pianta, inclusi patogeni, commensali e microrganismi benefici, le cui interazioni influenzano la salute della pianta. La produzione di grano duro è fortemente minacciata da malattie fungine come il “Black Point” e la Fusariosi della Spiga (FHB), causate rispettivamente da specie altamente patogene di Alternaria e Fusarium. Questi patogeni non influenzano solo la qualità del grano, ma aumentano significativamente anche i rischi per la sicurezza alimentare, a causa della loro capacità di produrre micotossine. Inoltre, questi patogeni non colpiscono solo i chicchi di grano, ma sono anche noti come patogeni tellurici che influenzano la salute della coltura dalla rizosfera al carpoforo. Questa tesi di dottorato ha avuto l’obiettivo di valutare l’impatto di determinati stadi fenologici e pratiche agronomiche, delle tecniche di lavorazione del terreno (aratura, subsolatura e vangatura), e dei trattamenti fertilizzanti (concimazione minerale versus organica), sulla colonizzazione fungina e contaminazione da micotossine nel grano duro in Italia centrale nell’arco di tre anni (2020–2022). Inoltre, lo studio ha indagato gli effetti di queste pratiche agronomiche sostenibili sul microbioma della rizosfera del grano duro in rotazione con la patata durante due stagioni colturali (2021 e 2022). I risultati hanno mostrato che Alternaria alternata e A. infectoria erano le specie predominanti che colonizzavano i chicchi, con occorrenze sporadiche di Fusarium spp.. Le micotossine prodotte da Alternaria spp. sono state rilevate frequentemente, mentre quelle da Fusarium spp. sono rimaste al di sotto del limite di quantificazione. Inoltre, la fertilizzazione minerale ha aumentato la presenza di micotossine, mentre gli ammendanti organici hanno ridotto la frequenza di Alternaria, evidenziando il ruolo del contenuto di carbonio del suolo nelle dinamiche microbiche. Per quanto riguarda le analisi del microbioma del suolo, la fertilizzazione organica ha migliorato
significativamente la diversità microbica e alterato la composizione della comunità, in particolare durante gli stadi di accestimento e maturazione. Le tecniche di lavorazione conservativa del suolo hanno influenzato l’abbondanza fungina, con le specie di Alternaria più prevalenti sotto fertilizzazione minerale alla spigatura. Al contrario, F. equiseti e F. brachygibbosum erano più abbondanti sotto vangatura e fertilizzazione minerale durante l’accestimento, mentre F. verticillioides dominava sotto aratura e fertilizzazione minerale alla spigatura. Specie fungine benefiche come Trichoderma amazonicum, Vishniacozyma victoriae, Botryotrichum atrogriseum e Humicola sardiniae erano più abbondanti nei suoli trattati con compost, suggerendo il loro ruolo nella promozione della salute delle piante. Tenendo conto del potenziale antagonista di Trichoderma spp. contro i patogeni fungini, questa dissertazione ha anche valutato la loro efficacia di biocontrollo come alternativa sostenibile ai fungicidi chimici. Un insieme di specie di Trichoderma ha dimostrato la capacità di sopprimere le infezioni da Alternaria e Fusarium attraverso competizione e parassitismo, rafforzando il loro ruolo nelle strategie di gestione integrata delle malattie. Questi risultati evidenziano l’importanza della diversità del microbioma nel determinare la salute delle piante e sottolineano la necessità di approcci sostenibili alla gestione delle malattie. Complessivamente, questo studio promuove l’agricoltura sostenibile favorendo misure di biocontrollo che migliorano la resilienza delle colture, riducono la dipendenza dai pesticidi di sintesi e migliorano la sicurezza alimentare.
Additional information
Dottorato di ricerca in Scienze, Tecnologie e Biotecnologie per la Sostenibilità
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