Towards smarter viticulture: new practices and tools for informed disease management decisions under uncertainty

The increasing demand for high-quality agricultural products, stricter regulations on pesticide use, and growing environmental concerns are placing significant pressure on modern viticulture. In this context, Integrated Pest Management (IPM) represents a fundamental framework to ensure and reach sustainable crop protection. However, IPM implementation remains challenging due to the complexity of decision-making processes, which require the integration of biological, environmental, and technical information. This thesis aims to explore and develop innovative and sustainable strategies for grapevine diseases management. This research adopts a holistic and multi-season approach, integrating epidemiological studies, alternative plant protection products, and decision support tools to enhance the efficiency and sustainability of grapevine disease control. Therefore, this thesis has explored different aspects, including the role of primary inoculum in disease epidemics. In particular, field studies demonstrated that cover crops can significantly reduce the dispersal of airborne and splash-borne pathogen spores, delay disease onset, and decrease disease severity without negatively affecting yield. Furthermore, the quantification of overwintering inoculum using quantitative PCR (qPCR) assays was found to be a reliable method to assess disease risk, finding a strong relationship between inoculum levels and disease severity during growing season. These results highlighting the importance of adopting a multi-season (“epi-season”) approach to disease management and how these aspects should be taken into account for improving early warning systems and forecasting models, incorporating inoculum-related variables. Then, non-chemical products were also evaluated for disease control. Particularly, Plant Resistance Inducers (PRIs) were tested for their efficacy against grapevine downy mildew at different phenological stages. Results showed that PRI effectiveness is strongly related to the application time relative to infection risk and plant phenological stage, with a higher efficacy at later stages, probably due to the lower plants susceptibility related to ontogenic resistance. These findings emphasize that, unlike chemical fungicides, PRIs require tailored application strategies to achieve consistent performance. Moreover, the potential of aerial spray applications was investigated as an innovative solution for challenging conditions, such as steep slope vineyards, where treatments are usually applied manually. While aerial applications showed promising results, especially with systemic fungicides, their effectiveness was limited by uneven canopy deposition, underlining the need for further technical and technological optimization. Finally, the role of Decision Support Systems (DSS) in IPM implementation was assessed. A network meta-analysis was conducted on grapevine, potato, and wheat bibliographic data, demonstrating that DSS-based strategies can significantly reduce fungicide applications, by approximately 30–40%, while maintaining comparable levels of disease control as standard farmer practices. However, despite their demonstrated effectiveness, DSS adoption remains limited. To address this issue, a machine learning analysis was conducted on survey data collected from European farmers and advisors to identify key drivers and barriers to DSS uptake. The results highlighted that output reliability and ease of use are critical factors influencing adoption, while limited DSS availability for cropping systems, lack of awareness, and cost represent major barriers. Overall, sustainable disease management in viticulture should be based on the integration of multiple strategies, combining primary inoculum management, molecular diagnostic tools, alternative plant protection products, and decision support systems. The results also underline the importance of aligning technological innovation with end-user needs to ensure practical applicability and adoption. The proposed solutions and strategies can support a transition towards more sustainable and resilient production systems, in which decisions are based on reliable data, advanced tools, and a deeper understanding of the agro-system.

La crescente domanda di prodotti agricoli di alta qualità, le normative sull’uso dei pesticidi sempre più stringenti e la maggiore attenzione verso le tematiche ambientali stanno esercitando una importante pressione sulla viticoltura moderna. In questo contesto, l’Integrated Pest Management (IPM) rappresenta uno strumento fondamentale per garantire e raggiungere una protezione sostenibile delle colture. Tuttavia, la sua implementazione rimane difficile a causa della complessità del processo decisionale, richiedendo l’integrazione di informazioni biologiche, ambientali e tecniche. Questa tesi ha l’obiettivo di esplorare e sviluppare strategie innovative per la gestione sostenibile delle malattie della vite. In questa ricerca si è adottato un approccio olistico e multi-stagionale, integrando studi epidemiologici, prodotti alternativi e strumenti di supporto alle decisioni (DSS), con l’obiettivo di migliorare l’efficienza e la sostenibilità della difesa della vite. La tesi ha esplorato quindi diversi temi, fra cui il ruolo dell’inoculo primario nelle epidemie. In particolare, gli studi condotti in campo hanno dimostrato come le cover crops possono ridurre significativamente la dispersione delle spore patogene trasportate dall’aria e dagli schizzi di pioggia, ritardare l’insorgenza delle malattie e ridurne la gravità senza influenzare negativamente la produzione. Inoltre, la quantificazione dell’inoculo svernante tramite saggi di quantitative PCR (qPCR) è risultato un metodo affidabile per la valutazione del rischio di malattia, evidenziando una forte relazione tra la quantità di inoculo in campo e la severità delle malattie durante la stagione. Questi risultati evidenziano l’importanza di adottare un approccio multi-stagionale (“epi-stagional”) nella gestione delle malattie, e come questi aspetti dovrebbero essere considerati per migliorare i sistemi di allerta precoce e i modelli previsionali, integrando variabili legate all’inoculo presente. Successivamente prodotti alternativi non chimici sono stati valutati per il controllo delle malattie. In particolare, gli induttori di resistenza (Plant Resistance Inducers, PRIs) sono stati testati per la loro efficacia contro la peronospora della vite in diverse fasi fenologiche. I risultati hanno mostrato che l’efficacia dei PRIs è fortemente legata al momento di applicazione rispetto al rischio d’infezione e allo stadio di sviluppo della pianta, con una maggiore efficacia nelle fasi più avanzate della stagione, probabilmente dovuto alla minore suscettibilità delle piante conferita dalla resistenza ontogenetica. Questi risultati evidenziano che, a differenza dei fungicidi chimici, i PRIs richiedono strategie di applicazione mirate per ottenere prestazioni costanti. Inoltre, il potenziale delle applicazioni aeree è stato considerato come soluzione innovativa per contesti difficili, come i vigneti in forte pendenza, dove le applicazioni sono solitamente manuali. Sebbene le applicazioni aeree abbiano mostrato risultati promettenti, soprattutto con fungicidi sistemici, la loro efficacia è limitata da una distribuzione non uniforme sulla vegetazione, evidenziando la necessità di ulteriori miglioramenti tecnici e tecnologici. Infine, l’uso dei Sistemi di Supporto alle Decisioni (Decision Support Systems, DSS) è stato considerato per raggiungere una maggiore sostenibilità della strategia di difesa. Quindi, è stata condotta una meta-analisi sui dati bibliografici di vite, patata e frumento, dimostrando che le strategie di difesa basate su DSS possono ridurre significativamente la quantità di trattamenti applicati, di circa il 30–40%, mantenendo livelli di controllo analoghi alla strategia convenzionale adottata dagli agricoltori. Tuttavia, nonostante l’utilità dei DSS, la loro adozione rimane limitata. Per questo motivo, è stata condotta un’analisi, con un approccio di machine learning, su dati raccolti da un questionario svolto dagli agricoltori e consulenti europei, al fine di identificare i principali fattori che favoriscono o ostacolano l’adozione dei DSS. I risultati hanno evidenziato che l’affidabilità dei risultati e la facilità d’uso dei DSS sono elementi chiave per l’adozione, mentre la limitata disponibilità dei DSS per specifiche colture, la scarsa conoscenza e i costi rappresentano i principali ostacoli. Nel complesso, una gestione sostenibile delle malattie in viticoltura deve basarsi sull’integrazione di diverse strategie, che includono la gestione dell’inoculo primario, l’uso di strumenti diagnostici molecolari, prodotti fitosanitari alternativi e sistemi di supporto alle decisioni. I risultati ottenuti sottolineano l’importanza di come l’innovazione tecnologica deve considerare le esigenze degli utilizzatori per garantirne l’adozione e l’utilità pratica. Le soluzioni e strategie proposte possono permettere una transizione verso sistemi produttivi più sostenibili e resilienti, in cui le decisioni degli agricoltori siano basate su dati affidabili, strumenti avanzati e una maggiore comprensione dell’agroecosistema.