Effects of chestnut brown rot caused by Gnomoniopsis castaneae and mycotoxin-producing fungi on fruit yield and quality: management approaches in the field and post-harvest

Abstract

The European chestnut (Castanea sativa Mill.) is an important seasonal fruit crop cultivated across Europe and Asia, yet its sustainability is increasingly threatened by microbial decay, insect infestations, and fungal infections. Among these, Gnomoniopsis castaneae, the causal agent of brown rot, has emerged as the most serious threat, causing significant post-harvest losses and reducing market quality. Since the mid-2000s, outbreaks of this pathogen have severely affected production in Italy, France, and Switzerland, with losses exceeding 80% in some regions. The fungus establishes latent infections in chestnut flowers and tissues, becoming symptomatic as nuts mature. Alongside G. castaneae, other fungi including Penicillium, Fusarium, Phomopsis, Aspergillus, and Sclerotinia pseudotuberosa further contribute to fruit decay and introduce risks of mycotoxin contamination. This PhD research investigated the critical phases of chestnut production and post-harvest processing to develop integrated strategies for managing fungal diseases and ensuring fruit safety. Field experiments in Central Italy assessed the efficacy of environmentally friendly pre-harvest treatments, particularly phosphonate-based salts such as Zn-phosphonate, applied through crown spraying and endotherapy during flowering. Results demonstrated that phosphonates significantly reduced disease severity and pathogen presence, with effectiveness comparable to synthetic fungicides, thereby confirming chestnut flowers as the primary infection site. Post-harvest analyses focused on industrial handling processes, particularly the thermohydrotherapy “warm bath” (50 °C for 45 min), which was shown to completely inactivate G. castaneae inoculum in both symptomatic and asymptomatic fruits. However, this treatment was less effective against the wider fungal community, notably Penicillium spp., which persisted and accumulated during storage. Next-Generation Sequencing (NGS) revealed distinct fungal assemblages in shells and kernels, with higher biodiversity in the shell. Importantly, genera associated with mycotoxin production (Penicillium, Fusarium, Aspergillus) were consistently detected at different post-harvest stages. ELISA assays confirmed contamination by aflatoxins, ochratoxin A, fumonisins, and T-2/HT-2 toxins, with ochratoxin exceeding EU limits and fumonisins and T-2/HT-2 reported for the first time in chestnuts. The findings highlight the necessity of integrating orchard-level preventive measures with optimized post-harvest treatments and strict sanitation protocols to mitigate fungal contamination. While thermo-hydrotherapy remains the most effective tool for eliminating G. castaneae, it must be complemented with orchard phosphonate treatments and stringent hygienic practices to control other spoilage and mycotoxigenic fungi. In conclusion, this research advances understanding of chestnut disease epidemiology and fungal ecology, offering innovative, low-impact control strategies that safeguard fruit quality and consumer health. By combining field management with targeted post-harvest interventions, the study provides a framework for sustainable chestnut production in Europe and beyond.

Η ευρωπαϊκή καστανιά (Castanea sativa Mill.) αποτελεί μια σημαντική δενδρώδη καλλιέργεια, η οποία καλλιεργείται εκτενώς στην Ευρώπη και την Ασία. Ωστόσο, η βιωσιμότητά της απειλείται ολοένα και περισσότερο από προσβολές εντόμων και μυκητολογικές ασθένειες. Μεταξύ αυτών, ο μύκητας Gnomoniopsis castaneae, παθογόνο αίτιο της φαιάς σήψης, έχει αναδειχθεί στη σοβαρότερη απειλή, προκαλώντας σημαντικές μετασυλλεκτικές απώλειες και υποβάθμιση της εμπορικής ποιότητας των καρπών. Από τα μέσα της δεκαετίας του 2000, επιδημικές εξάρσεις του παθογόνου έχουν επηρεάσει σοβαρά την παραγωγή στην Ιταλία, τη Γαλλία και την Ελβετία, με απώλειες που σε ορισμένες περιοχές υπερβαίνουν το 80%. Ο μύκητας εγκαθιστά λανθάνουσες μολύνσεις στα άνθη και στους ιστούς της καστανιάς, οι οποίες εκδηλώνονται με συμπτώματα κατά την ωρίμανση των καρπών. Παράλληλα με το G. castaneae, και άλλοι μύκητες όπως Penicillium, Fusarium, Phomopsis, Aspergillus και Sclerotinia pseudotuberosa συμβάλλουν περαιτέρω στη σήψη των καρπών και εισάγουν κινδύνους επιμόλυνσης με μυκοτοξίνες. Η παρούσα διδακτορική έρευνα διερεύνησε τα κρίσιμα στάδια της παραγωγής και της μετασυλλεκτικής επεξεργασίας του κάστανου με στόχο την ανάπτυξη ολοκληρωμένων στρατηγικών για τη διαχείριση των μυκητολογικών ασθενειών και τη διασφάλιση της ασφάλειας των καρπών. Πειράματα αγρού στην Κεντρική Ιταλία αξιολόγησαν την αποτελεσματικότητα φιλικών προς το περιβάλλον προσυλλεκτικών εφαρμογών, με ιδιαίτερη έμφαση σε άλατα φωσφονικών ενώσεων, όπως το φωσφονικό ψευδάργυρο (Zn-phosphonate), τα οποία εφαρμόστηκαν με ψεκασμό της κόμης και ενδοθεραπεία κατά την άνθηση. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα φωσφονικά άλατα μείωσαν σημαντικά τη σοβαρότητα της ασθένειας και την παρουσία του παθογόνου, παρουσιάζοντας αποτελεσματικότητα συγκρίσιμη με εκείνη των συνθετικών μυκητοκτόνων, επιβεβαιώνοντας παράλληλα ότι τα άνθη της καστανιάς αποτελούν το κύριο σημείο πρωτογενούς μόλυνσης. Οι μετασυλλεκτικές αναλύσεις επικεντρώθηκαν στις διαδικασίες χειρισμού, και ειδικότερα στη θερμοϋδροθεραπεία τύπου «θερμό λουτρό» (50 °C για 45 λεπτά), η οποία αποδείχθηκε ότι αδρανοποιεί πλήρως το μολυσματικό δυναμικό του G. castaneae τόσο σε συμπτωματικούς όσο και σε ασυμπτωματικούς καρπούς. Ωστόσο, η μέθοδος αυτή ήταν λιγότερο αποτελεσματική έναντι του ευρύτερου μυκητολογικού συμπλέγματος, και ιδίως των ειδών Penicillium, τα οποία παρέμειναν και συσσωρεύτηκαν κατά την αποθήκευση. Η ανάλυση με Τεχνολογίες Αλληλούχησης Νέας Γενιάς (NGS) αποκάλυψε διακριτές μυκητολογικές κοινότητες στο περικάρπιο και στον πυρήνα του καρπού, με υψηλότερη βιοποικιλότητα στο περικάρπιο. Σημαντικό είναι ότι γένη που σχετίζονται με την παραγωγή μυκοτοξινών (Penicillium, Fusarium, Aspergillus) ανιχνεύθηκαν συστηματικά σε διαφορετικά μετασυλλεκτικά στάδια. Οι αναλύσεις ELISA επιβεβαίωσαν την παρουσία αφλατοξινών, ωχρατοξίνης Α, φουμονισινών και τοξινών T-2/HT-2, με την ωχρατοξίνη Α να υπερβαίνει τα όρια της Ευρωπαϊκής Ένωσης, ενώ οι φουμονισίνες και οι τοξίνες T-2/HT-2 αναφέρθηκαν για πρώτη φορά σε κάστανα. Τα ευρήματα υπογραμμίζουν την αναγκαιότητα συνδυασμού προληπτικών μέτρων σε επίπεδο οπωρώνα με βελτιστοποιημένες μετασυλλεκτικές εφαρμογές και αυστηρά πρωτόκολλα υγιεινής για τον περιορισμό της μυκητολογικής επιμόλυνσης. Παρότι η θερμοϋδροθεραπεία παραμένει το αποτελεσματικότερο εργαλείο για την εξάλειψη του G. castaneae, πρέπει να συμπληρώνεται από εφαρμογές φωσφονικών στον αγρό και αυστηρές πρακτικές υγιεινής ώστε να ελέγχονται και άλλοι αλλοιογόνοι και μυκοτοξινογόνοι μύκητες. Συμπερασματικά, η έρευνα αυτή προάγει την κατανόηση της επιδημιολογίας των ασθενειών της καστανιάς και της μυκητολογικής οικολογίας των καρπών, προτείνοντας καινοτόμες, χαμηλής περιβαλλοντικής επιβάρυνσης στρατηγικές ελέγχου που διασφαλίζουν την ποιότητα των προϊόντων και την υγεία των καταναλωτών. Μέσω του συνδυασμού διαχείρισης στον αγρό και στοχευμένων μετασυλλεκτικών παρεμβάσεων, η μελέτη παρέχει ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο για τη βιώσιμη παραγωγή κάστανου στην Ευρώπη και διεθνώς.