Integrating Grapevine Microbiome Profiling and Microbial-Based Strategies for Drought-Resilient Viticulture

Mediterranean vineyards are increasingly exposed to the combined pressures of rising temperatures, declining rainfall, and recurrent episodes of severe drought. These conditions threaten grapevine physiology, productivity, and fruit composition, highlighting the need for adaptive solutions that strengthen resilience while remaining aligned with sustainable viticultural practices. In this context, grapevine-associated microbial communities are gaining attention, as key taxa can enhance drought tolerance through nutrient cycling, phytohormone production, and modulation of stress responses. This PhD thesis addresses this challenge by investigating the structure and function of grapevine-associated microbiomes and by leveraging this knowledge to develop microbial based strategies capable of supporting vine performance under water-limited conditions. The research first explores how soil management practices, rootstock genotype, and inter-annual environmental variability shape bacterial and fungal communities across vine compartments and examines how these shifts relate to vine water status, physiological responses and vegetative growth. In a rainfed vineyard, winter cover crops terminated as under-row dry mulch created a more favourable microclimate around the root zone, improving soil water retention, buffering temperature, and enhancing microbial richness. These conditions likely favoured beneficial taxa involved in nutrient cycling, such as Bradyrhizobium sp. and Nitrospira japonica, while reducing the abundance of the fungal pathogen Erysiphe necator and increasing the presence of the well-known biocontrol agent Aureobasidium pullulans. A complementary study compared traditional rootstocks (K5BB, 420A, SO4, and 1103P) with newly developed drought-tolerant hybrids (M2 and M4) across contrasting seasons. Rootstocks strongly shaped bacterial and fungal communities, particularly in the phyllosphere, where taxa such as Sphingomonas sp. and Methylobacterium sp. emerged as functional biomarkers associated with enhanced gas exchange, higher stem water potential, and potential roles in aromatic metabolism in M2 and M4. Building upon these ecological insights, drought-tolerant plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR) were isolated from drought-stressed vines, characterised for key plant growth-promoting traits (PGPTs) and genomic features, and assembled into microbial consortia according to their complementarity. In a controlled pot experiment, one consortium significantly improved shoot growth, root development, and photosynthetic efficiency in young grapevines during progressive water deficit, demonstrating its promise as a microbial biostimulant in water-deficit situations. In addition, a foliar yeast-derived biostimulant was evaluated under field conditions and improved vine physiological performance during summer heat and drought episodes. To complement these biological strategies, a sensorless, data-driven drought-forecasting tool was developed to predict phenological stages and provide early warnings of meteorological drought using freely available weather and vineyard information. This approach offers a practical, low-cost decision-support system and could support the timing and integration of future microbial-based interventions. Taken together, this thesis advances current understanding of the grapevine holobiont under contrasting environmental conditions and vineyard management scenarios, and demonstrates the potential of PGPR and microbial-derived products to enhance grapevine drought tolerance. By combining grapevine microbiome, microbial biostimulant development, and sensorless drought forecasting, this work outlines an integrated pathway toward more resilient and climate-smart Mediterranean viticulture.

I vigneti mediterranei sono sempre più esposti alle pressioni combinate dell’aumento delle temperature, della diminuzione delle precipitazioni e del susseguirsi di episodi ricorrenti di siccità severa. Queste condizioni compromettono la fisiologia della vite, la produttività e la composizione delle uve, evidenziando la necessità di soluzioni adattative in grado di rafforzare la resilienza mantenendo al contempo la coerenza con pratiche viticole sostenibili. In questo contesto, le comunità microbiche associate alla vite stanno ricevendo crescente attenzione, poiché alcuni taxa chiave possono migliorare la tolleranza alla siccità attraverso il ciclo dei nutrienti, la produzione di fitormoni e la modulazione delle risposte allo stress. Questa tesi di dottorato affronta tale sfida indagando la struttura e la funzione dei microbiomi associati alla vite e sfruttando queste conoscenze per sviluppare strategie microbiche in grado di sostenere le prestazioni della pianta in condizioni di limitata disponibilità idrica. La ricerca esplora inizialmente come le pratiche di gestione del suolo, il genotipo del portinnesto e la variabilità ambientale interannuale influenzino le comunità batteriche e fungine nei diversi comparti della pianta, esaminando al contempo le relazioni tra tali variazioni e lo stato idrico della vite, le risposte fisiologiche e la crescita vegetativa. In un vigneto non irriguo, l’impiego di colture di copertura invernali terminate e utilizzate come pacciamatura sottofila ha creato un microclima più favorevole nella zona radicale, migliorando la ritenzione idrica del suolo, attenuando le escursioni termiche e aumentando la ricchezza microbica. Queste condizioni sembra abbiano favorito taxa benefici coinvolti nel ciclo dei nutrienti, come Bradyrhizobium sp. e Nitrospira japonica. Mentre, nella parte aerea, si è osservata una riduzione dell’abbondanza del patogeno fungino Erysiphe necator e un aumento della presenza del noto agente di biocontrollo Aureobasidium pullulans. Uno studio complementare ha confrontato portinnesti tradizionali (K5BB, 420A, SO4 e 1103P) con nuovi ibridi tolleranti alla siccità (M2 e M4) in stagioni caratterizzate da condizioni contrastanti. I portinnesti hanno influenzato in modo significativo le comunità batteriche e fungine, in particolare nella fillosfera, dove taxa come Sphingomonas sp. e Methylobacterium sp. si sono distinti come biomarcatori funzionali associati a un miglior scambio gassoso, a un più elevato potenziale idrico dello stelo e a possibili ruoli nel metabolismo aromatico nei portinnesti M2 e M4. Sulla base di queste evidenze ecologiche, sono stati isolati batteri rizosferici promotori della crescita delle piante (PGPR) da viti sottoposte a stress idrico, caratterizzati per i principali tratti promotori della crescita (PGPT) e per le caratteristiche genomiche, e successivamente assemblati in consorzi microbici sulla base della loro complementarità funzionale. In un esperimento in vaso controllato, uno dei consorzi ha migliorato significativamente la crescita dei germogli, lo sviluppo radicale e l’efficienza fotosintetica in giovani piante di vite durante un deficit idrico progressivo, dimostrando il suo potenziale come biostimolante microbico in condizioni di stress idrico. Inoltre, un biostimolante fogliare derivato da lieviti è stato valutato in condizioni di campo, mostrando un miglioramento delle prestazioni fisiologiche della vite durante episodi estivi di caldo e siccità. A complemento di queste strategie biologiche, è stato sviluppato uno strumento previsionale della siccità, basato su dati e privo di sensori, in grado di predire gli stadi fenologici e fornire un allarme precoce di siccità meteorologica utilizzando dati meteorologici e informazioni aziendali liberamente disponibili. Questo approccio rappresenta un sistema di supporto alle decisioni pratico ed economico e potrebbe facilitare la tempistica e l’integrazione di future applicazioni di strategie microbiche. Nel complesso, questa tesi amplia le conoscenze attuali sull’olobionte vite in condizioni ambientali e gestionali contrastanti e dimostra il potenziale dei PGPR e dei prodotti di derivazione microbica nel migliorare la tolleranza della vite alla siccità. Integrando lo studio del microbioma della vite, lo sviluppo di biostimolanti microbici e strumenti previsionali senza sensori, questo lavoro propone un approccio integrato verso una viticoltura mediterranea più resiliente e adattata ai cambiamenti climatici.