Integrated Approaches to Understanding and Managing Basil Downy Mildew

Sweet basil (Ocimum basilicum L.) is one of the major aromatic crops cultivated worldwide and has important economic value for the food industry and for the production of extracts and essential oils. Basil downy mildew, caused by the oomycete Peronospora belbahrii, represents one of the major constraints to basil production and can cause severe yield losses under environmental conditions favourable to the pathogen. Despite advances in the understanding of the disease, important knowledge gaps remain concerning the infection cycle, pathogen ecology, population structure, host resistance mechanisms, and prediction of epidemic development. This thesis aimed to improve the understanding of the P. belbahrii – sweet basil pathosystem through an integrated approach, encompassing the potential presence of the pathogen in seed, disease development under different environmental conditions, host–pathogen interactions, pathogen population dynamics, and epidemiological modelling. The first part of the study revealed a widespread presence of P. belbahrii DNA in commercial basil seed lots: 96% of the analysed samples tested positive by qPCR, whereas only 52% developed disease symptoms in greenhouse assays, indicating that DNA detection alone does not demonstrate the presence of viable and infective inoculum. Controlled experiments further demonstrated a strong influence of temperature, photoperiod, and basil variety on disease development, with temperatures of 20 and 25°C associated with the highest values of sporulating leaf area. Microcosm experiments additionally highlighted the influence of climatic conditions and host genotype on epidemic development. The genetic characterization of 202 P. belbahrii isolates using microsatellite markers revealed a highly diverse and dynamic pathogen population within a single field, with 11 multilocus genotypes and differential genotype distributions among basil varieties. These findings suggest a possible association between pathogen genotype and host genotype and highlight the importance of pathogen population monitoring for resistance management. Integrated transcriptomic and metabolomic analyses of susceptible and resistant basil varieties revealed a coordinated defence response associated with immune signalling, hypersensitive response, programmed cell death, and oxidative stress, together with the upregulation of candidate resistance genes. Metabolomic profiling further identified differences in lipid-derived compounds, energy-related metabolites, and phenylpropanoid intermediates between the two genotypes. Finally, two mechanistic modelling prototypes were developed for basil downy mildew, adopting pathogen-focused and plant-focused approaches. Simulations generated epidemic trajectories consistent with the expected effects of weather conditions on disease development. Although further calibration and field validation are required, the modelling framework provides a basis for the future development of decision-support systems aimed at improving the timing and sustainability of basil downy mildew management.

Il basilico (Ocimum basilicum L.) è una delle principali piante aromatiche coltivate a livello mondiale e riveste un’importante rilevanza economica per il settore alimentare e per la produzione di estratti e oli essenziali. La peronospora del basilico, causata dall’oomicete Peronospora belbahrii, rappresenta una delle principali limitazioni alla produzione, potendo determinare ingenti perdite di resa in condizioni ambientali favorevoli. Nonostante i progressi nella conoscenza della malattia, rimangono importanti lacune riguardanti il ciclo infettivo, l’ecologia del patogeno, la struttura delle popolazioni, i meccanismi di resistenza dell’ospite e la previsione dello sviluppo epidemico. La presente tesi ha avuto l’obiettivo di migliorare la conoscenza del sistema P. belbahrii – basilico attraverso un approccio integrato, dalla potenziale presenza del patogeno nel seme fino allo sviluppo della malattia, alle interazioni ospite–patogeno e alla modellistica epidemiologica. La prima parte dello studio ha evidenziato un’ampia presenza del DNA di P. belbahrii nei lotti di seme commerciale analizzati: il 96% dei campioni è risultato positivo mediante qPCR, mentre solo il 52% ha determinato la comparsa di sintomi nelle prove di crescita in serra, evidenziando che la rilevazione del DNA non costituisce di per sé una dimostrazione della presenza di inoculo vitale e infettivo. Gli esperimenti in condizioni controllate hanno inoltre mostrato una forte influenza della temperatura, del fotoperiodo e della varietà di basilico sullo sviluppo della malattia, con temperature di 20 e 25 °C associate ai valori più elevati di area fogliare sporulante. Gli esperimenti in microcosmo hanno ulteriormente evidenziato l'importanza delle condizioni climatiche e della risposta varietale nella dinamica epidemica. La caratterizzazione genetica di 202 isolati di P. belbahrii mediante microsatelliti ha rivelato una popolazione altamente diversificata e dinamica all’interno di un singolo campo, con 11 genotipi multilocus e una distribuzione differenziata dei genotipi tra le varietà. Questi risultati suggeriscono una possibile associazione tra genotipo del patogeno e genotipo dell’ospite e sottolineano l’importanza del monitoraggio delle popolazioni del patogeno per la gestione della resistenza. L’analisi integrata di trascrittomica e metabolomica di una varietà suscettibile e di una resistente ha evidenziato una risposta di difesa coordinata, caratterizzata dall’attivazione di processi associati alla risposta immunitaria, alla risposta ipersensibile, alla morte cellulare programmata e allo stress ossidativo, insieme all’induzione di geni candidati coinvolti nella resistenza. Il profilo metabolomico ha inoltre evidenziato differenze nei composti derivati dai lipidi, nei metaboliti associati al metabolismo energetico e negli intermedi della via dei fenilpropanoidi. Infine, sono stati sviluppati due prototipi di modelli meccanicistici per la peronospora del basilico, basati rispettivamente sulla dinamica del patogeno e sullo stato dei tessuti della pianta. Le simulazioni hanno mostrato traiettorie epidemiche coerenti con l’influenza attesa delle condizioni meteorologiche sullo sviluppo della malattia. Sebbene siano necessari ulteriori studi di calibrazione e validazione in condizioni di campo, il lavoro fornisce una base per lo sviluppo futuro di sistemi di supporto alle decisioni per una gestione più preventiva e sostenibile della peronospora del basilico.