Studies on Lobesia botrana and Scaphoideus titanus for their successful management in organic and conventional viticulture

Lobesia botrana Den & Shiff (Lepidoptera: Tortricidae) and Scaphoideus titanus Ball (Hemiptera: Cicadellidae) are considered major pests in European viticulture. Lobesia botrana is native from the Mediterranean basin and now is present in America while Scaphoideus titanus native from North America is an exotic pest for Europe. They are both present in north-eastern Italy. Their importance comes from the big damage they cause to the quality and the quantity of grape production. This damage is caused directly through larval feeding of Lobesia botrana, and indirectly by Scaphoideus titanus as a vector of a dangerous quarantine Phytoplasma disease Flavescence dorée). Consequently, they are the target of different pest anagement strategies. They are mainly controlled with the use of pesticides and mating disruption for L. botrana only. The raising awareness on the impact of pesticides on the human health and the environment, concerns about pesticide resistance, the spread of these species into new regions and the recent challenges such as climate change all underline the necessity of more efficient control for those pests based on an improved knowledge of their biology and ecology. A more comprehensive understanding of the insect phenology and behaviour could be the first step in building a coherent and successful control strategy. This is the main motivation to conduct this research. In this thesis the phenology (I) and the genetic structure of populations (II) of L. botrana and regarding S. titanus the phenology (III), behavior (IV) and Grapevine Phytoplasmas interaction (V) were studied (I) the phenology of grape berry moths Lobesia botrana and Eupoecilia ambiguella was investigated in several sites in Veneto region during the period of 2010 and 2011. Few sites were also studied in 2012. The results show a clear preference for E. ambiguella to hilly areas and for L. botrana to plain areas. Number of generations per year varied among the sites, and the beginning of the flights were generally earlier in 2011. For E. ambiguella the observed generation numbers was 2 to 3. Regarding L. botrana 2 to 4 flights were recorded. In some areas L. botrana showed a long flight period which made it difficult to determine whether it was one or two overlapping flights. However, this phenomenon could be associated with larval aestivation. Moreover, four flights were noticed for Lobesia botrana in some areas, but no evidence for fourth generation was provided. Temperature was found to have an influence on the second flight of E. ambiguella and the beginning of this flight for L. botrana. (II) The genetic structure of populations of L. botrana was studied, because, in spite of the importance of grape berry moth, little is known about its genetic structure. In this study, six microsatellite loci were used to analyse 16 population of Lobesia botrana from the Middle East and Europe, to investigate their variation and structure. The results showed moderate levels of genetic differentiation among the different populations. An excess heterozygosity was noticed in most of the populations due to the mating among the populations. The populations coming from Middle East and Spain belong to different genetic clusters, while the German and Italian ones were mixed. No clear geographical effect was detected on the different studied populations. These data are relevant for the development of pest control strategies because, the study of the gene flow of populations could help in knowing the distance over which the population could disperse, consequently, knowing the spatial scale within which the forecasting techniques could be effective. (III) The phenology of S. titanus was studied in several sites in Veneto region in 2010-2012 in order to know the best time to apply the different pest management practices. The collected data showed that the S. titanus nymphs appear in May, while the adults appeared, between the third part of June and the mid of July, and disappeared between September and early October. In general, S. titanus nymphs and adults appeared earlier in 2011 and 2012 than in 2010 with some variations among the sites depending on altitude and sun exposure. The temperature affects the nymphs phenology and the nymphs appearance and development are synchronized with the host phenology, while for the adults there are other factors that could affect the phenology beside the temperature such as altitude and photoperiod. (IV) The study on the preference of Scaphoideus titanus to different grape cultivars, and the role of stimuli in host recognition was conducted because these aspects are not well known and explained for this leafhopper. In this study four grapevine Cultivars were used (Chardonnay, Cabernet franc, Merlot and Glera) to study their attractiveness to different life stages of S. titanus. Furthermore, healthy and infected shoots by Grape Yellow Phytoplasma Diseases (Flavescence dorée and Bois noir) were used to investigate the ability of the leafhopper to distinguish among their different stimuli. The results of this study showed that there are different levels of preference rates for S. titanus towards the investigated cultivars. This preference varied according to the age and throughout the experiment period. Chardonnay was more attractive to the young nymphs and nymphs. Young nymphs and adults seemed to prefer Cabernet Franc. Moreover, S. titanus was found to be able to distinguish among healthy and GYs infected stimuli, while no strong attraction was detected of this insect to the stimuli of FD, BN phytoplasma. These results could provide help in understanding the insect behaviour and distribution within the vineyard. Hence, they could contribute to the development of stronger tools for the monitoring and control strategy. (V) The effect of the Grapevine Yellow Phytoplasmas on the development and the survival of Scaphoideus titanus was studied using grapevine leaves as phytoplasma infection source. In addition to Flavescence dorée (FD) the Bois noir (BN) causal agent was also investigated because its importance and occurrence are increasing in many Italian regions, and because it was detected inside Scaphoideus titanus. Although this leafhopper is not involved in BN transmission and spread, the BN phytoplasmas could have an effect on the insect life. Newly hatched nymphs were collected on asymptomatic shoots and reared artificially on healthy, FD or BN infected leaves, under controlled conditions. The results showed that nymphs reared on phytoplasma infected leaves had a greatly longer longevity and lower survival rate, while no differences between FD and BN were found. The phytoplasmas detection analyses confirmed the ability of S. titanus in acquiring the causal agent of BN.

Lobesia botrana Den & Shiff (Lepidoptera: Tortricidae) e Scaphoideus titanus Ball (Hemiptera: Cicadellidae) sono considerati tra i parassiti animali più importanti della viticoltura europea. Lobesia botrana oltre che nel del bacino del Mediterraneo, suo areale di origine, è attualmente presente in Giappone, America Latina e California, mentre lo Scaphoideus titanus nativo del Nord America è ampiamente diffuso in Europa. Entrambi gli insetti sono presenti nelle regioni del Nordest Italia. La loro importanza deriva dal danno quali-quantitativo che arrecano alla produzioni di uva. Il danno è causato per via diretta dall’attività trofica delle larve di L. botrana delle infiorescenze e degli acini, o indirettamente dallo S. titanus attraverso la trasmissione del fitoplasma agente della Flavescenza dorata. A causa di ciò, sono sempre considerati nei disciplinari di difesa delle regioni italiane. Essi vengono principalmente controllati tramite l’applicazione di insetticidi; recentemente per L. botrana si sta diffondendo l’impiego della tecnica della confusione sessuale. La recente Direttiva Europea 128/2009 sull’uso sostenibile dei pesticidi in agricoltura, la comparsa di ceppi di insetti resistenti ai pesticidi di sintesi, la diffusione di queste due specie in nuove regioni e le recenti problematiche legate al cambiamento climatico, impongono una migliore conoscenza della biologia ed ecologia di questi artropodi al fine di un loro controllo più efficace e compatibile con la salute umana e l’ambiente Una comprensione più completa della fenologia dell'insetto e del suo comportamento potrebbe essere il primo passo per la costruzione di una strategia di controllo coerente e di successo. Questa è la motivazione principale per la quale è stata effettuata questa ricerca. Nel presente lavoro è stata indagata la fenologia(I) e la struttura genetica di popolazioni (II) di L. botrana e per S. titanus la fenologia (III), il comportamento (IV) e l’interazione con i fitoplasmi agenti dei Giallumi della vite (V). (I) La fenologia delle tignole dell’uva L. botrana ed Eupoecilia ambiguella è stata indagata in diverse località in Veneto durante il triennio 2010 - 2012. I risultati mostrano una netta preferenza per E. ambiguella delle aree collinari e per L. botrana delle zone di pianura. Il numero di generazioni annuali è risultato variabile tra i diversi siti e tra i diversi anni. Generalmente nel 2011 è stato evidenziato un anticipo di voli per entrambi i carpofagi rispetto al 2010 e 2012. Per E. ambiguella sono stati osservati dai 2 ai 3 voli. Per quanto riguarda L. botrana sono stati registrati dai 2 ai 4 voli. In alcune località, si è avuto un lungo periodo di catture che ha reso difficile stabilire se si erano verificati uno o due voli sovrapposti. Inoltre, a fronte dei quattro voli che sono stati notati in alcune zone, nessuna prova per la quarta generazione è stata fornita. La temperatura è stata trovata per avere un'influenza sul secondo volo di E. ambiguella e l'inizio di questo volo per L. botrana. (II) La struttura genetica delle popolazioni di L. botrana è stata indagata in quanto, nonostante l'importanza economica della tignoletta dell’uva, poco è noto dal punto di vista genetico su questo insetto. Al fine di indagare la variazione interspecifica e la struttura genetica di 16 popolazioni di L. botrana provenienti dal Bacino del Mediterraneo e dal Medio Oriente, sono stati analizzati sei loci microsatelliti. I risultati hanno mostrato moderati livelli di differenziazione genetica tra le diverse popolazioni. Una elevata eterozigosi è stata notata nella maggior parte delle popolazioni probabilmente a causa dell'accoppiamento tra individui di diverse popolazioni. Le popolazioni provenienti dal Medio Oriente e dalla Spagna appartengono a due diversi gruppi genetici, mentre le popolazioni provenienti dalla Germania e dall’Italia sono risultate mescolate tra loro. Nessun effetto chiaro riferimento geografico è stato rilevato sulle diverse popolazioni studiate. Questi dati sono rilevanti per lo sviluppo di strategie di controllo dei parassiti, in quanto lo studio del flusso genico delle popolazioni potrebbe aiutare a conoscere la distanza entro la quale la popolazione riesce a disperdersi, e di conseguenza capire la scala spaziale entro la quale le tecniche di prevenzione potrebbero essere efficaci. (III) La fenologia di S. titanus è stata indagata in diverse località Venete nel triennio 2010-2012, al fine di conoscere il momento migliore per applicare le diverse strategie di difesa. I dati raccolti hanno dimostrato che le ninfe di S. titanus compaiono in maggio, mentre gli adulti è sono presenti, tra la terza decade di giugno - prima metà di luglio fino alla fine di settembre - primi di ottobre. In generale i diversi stadi di sviluppo dell’insetto sono comparsi prima nel 2011 e nel 2012 rispetto al 2010 con alcune varianti tra i diversi siti a seconda dell'altitudine e dell’esposizione dei vigneti. La temperatura ha influito sulla comparsa e sullo sviluppo degli stadi giovanili e la fenologia delle ninfe sembra essere sincrona con lo stadio di sviluppo della pianta ospite. Per quanto riguarda gli adulti, è emerso che ci sono altri fattori oltre la temperatura che possono influenzare la fenologia, come ad es. l'altitudine ed il fotoperiodo. (IV) La preferenza a diverse cultivar di uva, ed il ruolo degli stimoli olfattivi nel riconoscimento della pianta ospite, sono stati indagati in Scaphoideus titanus, in quanto questi parametri comportamentali non sono finora ben noti e spiegati per questa cicalina vettrice. L’attrattività verso i diversi stadi di sviluppo di S. titanus è stata indagata su Chardonnay, Cabernet Franc, Merlot e Glera. Inoltre, germogli di vite sani ed infetti dai fitoplasmi agenti dei Giallumi della Vite (Flavescenza dorata e Legno nero) sono stati utilizzati per determinare la capacità della cicalina di distinguere i loro diversi stimoli olfattivi. I risultati di questo studio hanno mostrato che la preferenza di S. titanus per le diverse cultivar indagate varia a seconda dell'età. Chardonnay è risultato attrattivo sulle neanidi e sulle ninfe, mentre il Cabernet Franc è risultato attrattivo per neanidi ed adulti. Per quanto riguarda gli stimoli olfattivi, S. titanus è risultato essere in grado di distinguere tra un germoglio di vite sano ed infetto da fitoplasmi dei giallumi, mentre non è in grado di distinguere i due diversi fitoplasmi agenti della FD e del LN. Questi risultati fornendo un aiuto nella comprensione del comportamento degli insetti e la loro distribuzione all'interno dei vigneti, potrebbero contribuire allo sviluppo di utili strumenti per le strategie di monitoraggio e di controllo. (V) L'effetto dei fitoplasmi agenti dei Giallumi della Vite sulla longevità e sulla sopravvivenza di Scaphoideus titanus è stata studiata utilizzando foglie di vite infette come fonte di infezione da fitoplasmi. Oltre alla Flavescenza dorata (FD) è stato indagato anche il fitoplasma agente del Legno nero (BN) in quanto la sua presenza è in aumento in molte regioni italiane e perché è stato rilevato all'interno di S. titanus. Inoltre, anche se S. titanus non è coinvolto nella trasmissione e diffusione del BN il fitoplasma agente del giallume potrebbe avere un effetto sulla vita dell’insetto. Ninfe appena nate sono state raccolte da germogli di vite asintomatici e allevate artificialmente in condizioni controllate su foglie sane, infette da FD o LN. I risultati hanno mostrato che le ninfe allevate su foglie infette da fitoplasmi, sono sopravvissute di meno e sono diventate adulti in più giorni rispetto a quelle allevate su foglie sane. Le analisi di rilevamento fitoplasmi confermato la capacità di S. titanus ad acquisire l'agente causale della BN.