Control of mosaic disease using microbial biostimulants: insights from mathematical modelling

Abstract

A major challenge to successful crop production comes from viral diseases of plants that cause significant crop losses, threatening global food security and the livelihoods of countries that rely on those crops for their staple foods or source of income. One example of such diseases is a mosaic disease of plants, which is caused by begomoviruses and is spread to plants by whitefly. In order to mitigate negative impact of mosaic disease, several different strategies have been employed over the years, including roguing/replanting of plants, as well as using pesticides, which have recently been shown to be potentially dangerous to the environment and humans. In this paper we derive and analyse a mathematical model for control of mosaic disease using natural microbial biostimulants that, besides improving plant growth, protect plants against infection through a mechanism of RNA interference. By analysing the stability of the system’s steady states, we will show how properties of biostimulants affect disease dynamics, and in particular, how they determine whether the mosaic disease is eradicated or is rather maintained at some steady level. We will also present the results of numerical simulations that illustrate the behaviour of the model in different dynamical regimes, and discuss biological implications of theoretical results for the practical purpose of control of mosaic disease. Основним викликом успішному рослинництву є вірусні хвороби рослин, які спричиняють значні втрати врожаю, загрожуючи глобальній продовольчій безпеці та засобам існування країн, які покладаються на ці культури для основних продуктів харчування або джерела доходу. Одним із прикладів таких хвороб є мозаїчна хвороба рослин, яка викликається бегомовірусами, а білокрилка поширює на рослини. З метою пом'якшення негативного впливу мозаїчної хвороби впродовж багатьох років було застосовано декілька різних стратегій, включаючи мотузку/пересадку рослин, а також використання пестицидів, які останнім часом виявляються потенційно небезпечними для навколишнього середовища та людей. У цій роботі ми виводимо та аналізуємо математичну модель для контролю мозаїчної хвороби з використанням природних мікробних біостимуляторів, які, крім поліпшення росту рослин, захищають рослини від зараження за допомогою механізму втручання РНК. Аналізуючи стабільність стійких станів системи, ми покажемо, як властивості біостимуляторів впливають на динаміку захворювань, і зокрема, як вони визначають, чи викорінюється мозаїчна хвороба, чи, навпаки, підтримується на якомусь стабільному рівні. Ми також представимо результати чисельного моделювання, що ілюструє поведінку моделі в різних динамічних режимах, та обговоримо біологічні наслідки теоретичних результатів для практичних цілей боротьби з мозаїчною хворобою.