Genetic basis of oenological traits in Saccharomyces interspecific hybrids
Base génétique des caractères oenologiques chez des hybrides interspécifiques de Saccharomyces
Résumé
Wine fermentation has long been conducted using Saccharomyces cerevisiae. This species is the workhorse of wine, beer, cider, sake and bread production all around the globe, as a pure species or, to a lesser extent, as a part of interspecific hybrids with other Saccharomyces species. However, other Saccharomyces species have shown a high potential to diversify the organoleptic properties of wine and tackle the environmental challenges that the wine industry has been facing in recent years. In this work, we sought to shed light on the phenotypic diversity in the genus Saccharomyces for winemaking. We phenotyped 92 yeast strains of all the current Saccharomyces species in synthetic grape must fermentation. Contrary to expectations, all Saccharomyces species fermented efficiently under the conditions used. Remarkably, strains of S. kudriavzevii and S. arboricola and interspecific Sc x Sk hybrids fermented more efficiently than wine S. cerevisiae strains. Regarding metabolite production, we observed a high strain variability for some species. Even more interestingly, we observed specificities at the species level: some non-cerevisiae Saccharomyces produced high amounts of industrially relevant compounds such as glycerol, succinate and fermentative aromas, or extremely low amounts of acetic acid, compared to S. cerevisiae. Overall, the potential of alternative Saccharomyces was higher than expected. They constitute a promising alternative to diversify the current set of commercially available yeast strains, either as pure species or following interspecific hybridisation. Given the interest of these phenotypes, we next aimed to determine their genetic basis through QTL mapping in Saccharomyces interspecific hybrids. Hybrids between different Saccharomyces species can be easily obtained in the lab thanks to the weak pre-zygotic barriers in this genus. Although viable, those hybrids are sterile, as the high genetic divergence between homologous chromosomes prevents their correct segregation during meiosis. However, allotetraploid hybrids are fertile, as recombination in these organisms occurs between chromosomes of the same species, minimising sequence divergence and facilitating correct segregation during sporulation. We used this phenomenon to construct fertile S. uvarum x S. mikatae hybrids. After genotyping and phenotyping its F12 progeny in oenological conditions, we performed the first QTL mapping study ever in non-cerevisiae Saccharomyces species. We found several genomic regions in the S. uvarum subgenome affecting the production of central carbon metabolites and, to a lesser degree, fermentative aromas and kinetic parameters. Verifying some candidate genes will shortly provide new tools for improving S. uvarum and its hybrids in a winemaking context. Overall, this study uncovered the potential of non-cerevisiae Saccharomyces species to tackle the current challenges of the wine industry, establishing innovative lines of action for future research.
La fermentation œnologique a été effectuée en utilisant Saccharomyces cerevisiae pendant des siècles. Cette espèce est la principale responsable de la production de vin, bière, cidre, saké et pain dans le monde entier, en tant qu'espèce pure ou en tant qu'hybride interspécifiques avec d'autres espèces Saccharomyces. Cependant, d'autres espèces de Saccharomyces ont montré un potentiel prometteur pour diversifier les propriétés organoleptiques du vin et relever les défis environnementaux auxquels l'industrie œnologique a été confrontée ces dernières années. Dans ce travail, nous avons cherché à donner une image globale de la diversité phénotypique du genre Saccharomyces pour la fermentation alcoolique en œnologie. Nous avons phénotypé 92 souches de levure appartenant à toutes les espèces Saccharomyces actuelles dans la fermentation du moût de raisin synthétique. Contrairement aux attentes, toutes les espèces de Saccharomyces ont fermenté efficacement dans les conditions utilisées. Remarquablement, certaines souches de S. kudriavzevii, S. arboricola et des hybrides interspécifiques Sc x Sk ont fermenté plus efficacement que les souches commerciales de S. cerevisiae utilisées. En ce qui concerne la production de métabolites, nous avons observé une forte variabilité intraspécifique pour certaines espèces. Plus intéressant encore, nous avons observé des spécificités au niveau de l'espèce : certains Saccharomyces non-cerevisiae ont produit des quantités élevées de composés industriellement pertinents tels que le glycérol, le succinate et les arômes fermentaires, ou des quantités extrêmement faibles d'acide acétique, par rapport à S. cerevisiae. Globalement, le potentiel des espèces de Saccharomyces alternatives à S. cerevisiae était plus élevé que prévu. Elles constituent une alternative prometteuse pour diversifier l'ensemble actuel de souches de levure disponibles sur le marché, soit en tant qu'espèces pures, soit après hybridation interspécifique. En raison de l'intérêt de ces phénotypes, nous avons ensuite cherché à déterminer leur base génétique via cartographie QTL chez des hybrides interspécifiques de Saccharomyces. Les hybrides entre différentes espèces de Saccharomyces peuvent être facilement obtenus en laboratoire grâce aux faibles barrières pré-zygotiques dans ce genre. Bien que viables, ces hybrides sont stériles, car la forte divergence génétique entre les chromosomes homologues empêche leur ségrégation correcte pendant la méiose. Cependant, les hybrides allotétraploïdes sont fertiles, car la recombinaison dans ces organismes a lieu entre les chromosomes de la même espèce, ce qui réduit la divergence de séquence et facilite la ségrégation correcte pendant la sporulation. Nous avons utilisé ce phénomène pour construire des hybrides S. uvarum x S. mikatae fertiles. Après le génotypage et le phénotypage de sa descendance F12 dans des conditions oenologiques, nous avons réalisé la toute première étude cartographique QTL sur des espèces de Saccharomyces non-cerevisiae. Nous avons trouvé plusieurs loci dans le sous-génome de S. uvarum affectant la production de métabolites du carbone central et, dans une moindre mesure, des arômes fermentaires et des paramètres cinétiques. La vérification de certains de ces gènes candidats fournira bientôt de nouveaux outils pour améliorer S. uvarum et ses hybrides dans un contexte œnologique. Globalement, cette étude a permis de découvrir le potentiel des espèces Saccharomyces autres que S. cerevisiae pour relever les défis actuels de l'industrie vinicole, en établissant des lignes d'action innovantes pour des recherches futures.
Origine : Version validée par le jury (STAR)