DS0501 - Biologie des animaux, des végétaux, des micro-organismes et adaptation aux changements environnementaux

Évolution de la levure du vin Saccharomyces cerevisiae vers son pic adaptatif – PEAKYEAST

PEAKYEAST - Évolution de la levure du vin Saccharomyces cerevisiae vers son pic adaptatif

Satisfaire les besoins alimentaires d’une population en expansion, tout en préservant la nature dans un contexte de changement climatique est un défi. Dans ce contexte, maintenir le volume et la qualité des vins requiert des innovations, qui pourraient venir de la communauté microbienne du mout de raisin en influençant les caractéristiques des vins. Nous proposons d’étudier l’évolution de la principale levure de vin, S. cerevisiae, dans sa communauté microbienne .

Enjeux principaux

De nombreux eucaryotes ont été exposés à des environnements produits par l'homme, mais leur niveau d’adaptation n’est pas toujours connu. En utilisant S. cerevisiae comme espèce modèle, nous appliquerons une approche d'évolution expérimentale pour étudier la contribution de la variation génétique et des HGT à l'adaptation au moût de raisins. Objectif 1: Vers une évolution expérimentale microbienne dans des conditions écologiques réalistes La plupart des processus évolutifs sont liés aux conditions écologiques aussi, des expérimentations d'évolution expérimentale devraient être menées dans des conditions réalistes du point de vue écologique. Nous réaliserons des expériences d’évolution expérimentale dans un milieu naturel : des levures dans le moût de raisin. Objectif 2: Libérer les limites de l'adaptation au moût de raisin en accroissant la diversité génétique des populations de levures de vin Les souches S. cerevisiae de vin présentent plusieurs caractéristiques d’espèces domestiquées, aussi il est pertinent d'estimer comment leur histoire évolutive a pu freiner leur adaptation. Nous utiliserons des populations recombinantes de S. cerevisiae incluant différent niveaux de diversité génétique dans une expérience de sélection dans le moût de raisin. Objectif 3: Analyser les effets évolutifs d'une communauté microbienne naturelle sur S. cerevisiae S. cerevisiae domine la fermentation du vin, mais certains microorganismes restent abondants tout au long de la fermentation, ce qui affecte la physiologie de S. cerevisiae. Nous étudierons l'effet de ces espèces sur l'évolution génétique et phénotypique de S. cerevisiae. Objectif 4: Analyse des transferts de gènes horizontaux (HGT) et leur rôle dans l'adaptation au moût de raisin La contribution des HGT à l'adaptation des eucaryotes dans leur biotope sera étudié en analysant le génome de différentes espèces du moûts de raisin et en créant des HGT artificiels entre des espèces non Saccharomyces et S. cerevisiae.

Durant la première phase de collecte et recensement de la diversité microbienne de mouts du vignoble languedocien, nous avons mené en parallèle des approches de microbiologique classique et de métagénomique. Cette collection de microorganismes, nous a permis d’entamer l’analyse de la diversité de deux espèces majeures de la communauté microbienne du mout, au travers de l’analyse de génomes, afin de mettre en évidence la présence d’événement de transferts horizontaux. En parallèle une approche d’évolution expérimentale sera mise en place afin d‘étudier la contribution de la variabilité génétique des populations de levures à l’adaptation au mout. Enfin des transferts horizontaux expérimentaux seront produits pour évaluer les possibilités adaptatives offertes par ce type d’évolution.

La première phase d’analyse des communautés microbiennes de moûts de Viognier et Sauvignon du vignoble languedocien, nous a permis de rassembler une collection de microorganismes (levures et bactéries) disponible respectivement auprès des collections : CIRM Levures et CIRM BIA. La comparaison des communautés microbiennes des moûts de raiin suggère des différences inter sites, mais le millésime semble avoir eut un effet prépondérant sur la composition des microflores. La collecte de ces microorganismes nous a permis d’enclencher l’analyse de la diversité de deux espèces de levures majeures à partir de l’analyse de génomes. En parallèle, afin d‘étudier la contribution de la diversité des levures à l’adaptation au mout, les populations recombinantes présentant différents niveaux de variabilité génétique ont été construites. Ces populations seront utilisées dans les évolutions expérimentales à venir.. Enfin, des librairies de T. microellipsoides ont été construites afin de simuler l’adaptation permise par les transferts horizontaux.

Les analyses génomiques menées sur plusieurs espèces du raisin devraient nous permettre de mettre en évidence des évènements de transfert inter espèces. Ces gènes nous permettrons d'identifier éventuellement des fonctions critiques pour permettre la croissance dans le moût de raisin. Par ailleurs, les expérimentation d’évolution vont permettre de répondre aux questions initialement posées : celle de l’évolution de S. cerevisiae vers son pic adaptatif dans le mout de raisin. Elle nous permettra ainsi d'identifier de nouvelles possibilités d'amélioration des levures de vin à partir de la diversité génétique connue.

en cours

Face aux changements climatiques, un des enjeux cruciaux de demain est de préserver la nature tout en assurant une alimentation de qualité à une population croissante. Le vin est l'une des principales richesses de l'économie française représentant 1,3% des exportations totales en 2012 (€ 5,6 milliards). Dans le contexte d’un marché international hautement concurrentiel, le maintien d’une haute qualité des vins minimisant les intrants chimiques requiert des innovations biologiques. Nous pensons que ces innovations peuvent émerger de l’utilisation de la communauté microbienne du moût de raisin, un acteur négligé de la vinification qui a des répercussions nombreuses sur les caractéristiques du vin.

Bien qu'on connaisse des mécanismes spécifiques chez Saccharomyces cerevisiae à l’origine d’une meilleure croissance dans le moût de raisin, son niveau d’adaptation général au moût de raisin est inconnu. Par une approche d’évolution expérimentale, nous proposons d'étudier le potentiel adaptatif de S. cerevisiae dans des moûts de raisin incluant leur communauté microbienne. Nous souhaitons analyser l'impact i) du niveau de diversité génétique et ii) des transferts de gènes horizontaux (HGT) sur l’adaptation de S. cerevisiae à différents environnements biotiques et abiotiques.

Pour cela, nous proposons de réaliser une expérience de sélection suivant un plan factoriel incluant cinq modalités de moût de raisin (contenant l’espèce Torulaspora delbrueckii, ou Hanseniaspora uvarum seules, les deux espèces ensemble, la totalité de la communauté microbienne, ou du moût de raisin stérile) et trois modalités de niveaux de diversité génétique dans les populations recombinantes de S. cerevisiae (souches de vin seules, souches de vin et apparentées, ou souches représentatives de l’ensemble de l’arbre phylogénomique de l’espèce). Les bases génétiques de l’adaptation seront étudiées par des études de génomique et phénotypage haut débit (fitness, capacité à fermenter, traits d’histoire de vie) des populations ancestrales et évoluées. Par ailleurs, l’existence d’HGT comme un mécanisme d'adaptation aux moûts de raisins sera étudiée par deux approches. D’une part, nous analyserons les génomes des levures non-Saccharomyces isolées à partir de moûts de raisins. D’autre part, nous réaliserons des évolutions expérimentales de S. cerevisiae possédant des HGT introduits expérimentalement (e-HGT).

A la différence des études d’évolution expérimentale menées sur des milieux de laboratoire standard, les résultats de nos expériences effectuées dans un moût de raisin incluant sa microflore seront transférables à la recherche œnologique.
Notre travail pourra avoir un impact sur la sélection de levain de vinification en fournissant de nouvelles combinaisons d’allèles favorables vis à vis de la vitesse et stabilité des fermentations. Par ailleurs, une meilleure connaissance de la niche écologique de la levure de vin, notamment de l'effet des interactions biotiques sur sa croissance et l’adaptation de différentes souches, aidera à mieux maitriser les fermentations alcooliques. En outre, nos résultats vont accroitre considérablement les connaissances sur l’occurrence et le rôle des HGT, et sur leur contribution à l’adaptation. Le projet bénéficiera de notre consortium d'experts parce qu'il requiert l'intégration de nouvelles approches (eHGT, évolution expérimentale dans des environnements complexes) et outils (phénomique sur plateforme robotique, génomique).

Coordinateur du projet

Monsieur Jean-Luc Legras (INRA UMR1083 Sciences pour l'Oenologie)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

INRA UMR SPO INRA UMR1083 Sciences pour l'Oenologie
INRA - Centre de Jouy en Josas Institut MICALIS Equipe BIMLip
INRA - Centre de Rennes UMR Science et Technologie du Lait et de l'OEuf

Aide de l'ANR 377 000 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2016 - 36 Mois

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