La remarquable évolution génomique des levures de fromage et de vin
Publié par Isabelle le 16/05/2018 à 12:00
Source: INRA
Pain, vin, fromage, rhum, écorce de chênes... comment une seule et même levure, Saccharomyces cerevisiae, a-t-elle façonné son génome pour s'adapter à ces différents environnements ? Une équipe internationale menée par des chercheurs de l'Inra, en collaboration avec le CEA, a comparé les génomes de 82 souches de cette levure (Une levure est un champignon unicellulaire apte à provoquer la fermentation des matières organiques animales ou végétales. Les levures sont employées pour la fabrication du vin, de la bière, des spiritueux, des alcools...). Ils révèlent des spécificités particulièrement frappantes concernant les souches isolées du vin et du fromage. Publiés dans la revue Molecular Biology and Evolution le 8 mai 2018, ces travaux montrent que le génome (Le génome est l'ensemble du matériel génétique d'un individu ou d'une espèce codé dans son ADN (à l'exception de certains virus dont le génome est...) de la levure a été façonné par les contraintes environnementales des milieux créés par l'homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo sapiens) ou plus simplement « Homme ». Par distinction, l'homme prépubère est appelé un garçon,...).


Colonies de Saccharomyces cerevisiae, levure de panification, sur milieu nutritif gélosé. © Inra, Anne-Hélène Cain

Saccharomyces cerevisiae est la principale levure impliquée dans la levée du pain, la fermentation (La fermentation est une réaction biochimique de conversion de l'énergie chimique contenue dans une source de carbone (souvent du glucose) en une autre forme...) du vin ou du rhum. On la trouve également dans les fromages et les écorces des chênes. Or, si la phylogénie de cette espèce (Dans les sciences du vivant, l’espèce (du latin species, « type » ou « apparence ») est le taxon de base...) est bien connue, il reste encore à comprendre comment cette levure est capable de s'adapter à ces différents environnements.

Les chercheurs de l'Inra, en collaboration avec le CEA, des équipes portugaise et espagnoles, ont comparé les génomes de 82 de souches de levure S. cerevisiae. Ils ont identifié des groupes de souches de vin, de vin de voile[1], de rhum, de pain, de fromage (et lait fermenté), de chêne (Le chêne est le nom vernaculaire de nombreuses espèces d'arbres et d'arbustes appartenant au genre Quercus, et à certains genres apparentés, notamment Cyclobalanopsis et Lithocarpus de la famille des Fagacées. Le...). Ils ont montré que chacun de ces groupes présente des caractéristiques génomiques spécifiques, par exemple: la présence ou l'absence de certains gènes, la variation du nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de copies des gènes, des mutations modifiant les propriétés des protéines. Ces données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) fournissent ainsi des indices de spécialisation écologique. La plupart des souches, comparées au génome de la souche de référence, possèdent de nouveaux gènes provenant d'espèces proches (introgressions) ou éloignées (transferts horizontaux), dont plusieurs sont communs aux souches provenant d'une même niche écologique.

L'évolution contrastée des levures de vin et de fromage

Alors qu'elles ont probablement une origine génétique (La génétique (du grec genno γεννώ = donner naissance) est la science qui étudie l'hérédité et les gènes.) commune, les souches de vin et de fromage présentent des spécialisations bien particulières. Dans le fromage, les levures sont très efficaces pour métaboliser le galactose (un sucre (Ce que l'on nomme habituellement le sucre est, dès 1406, une "substance de saveur douce extraite de la canne à sucre" (Chrétien de Troyes, Le Chevalier au lion). Il est majoritairement...) provenant de l'hydrolyse du lactose (Le lactose est un glucide présent dans le lait (de 20 à 80g•L−1), dont il tire son nom (étymologiquement sucre de lait).) du lait par différents autres microorganismes durant l'élaboration du fromage) mais elles sont très peu performantes pour la fermentation des sucres présents dans le moût de raisin (comme le glucose (Le glucose est un aldohexose, principal représentant des oses (sucres). Par convention, il est symbolisé par Glc. Il est directement assimilable par l'organisme.) et le fructose). A l'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que...), les souches de vin ont la meilleure capacité à effectuer la fermentation du jus de raisin (Le jus de raisin qui est à la base du vin avant fermentation, est une boisson préparée à partir de grains de raisins.) et croissent plus lentement sur le galactose que les souches de fromage.

Cette meilleure capacité des souches de fromage à utiliser le galactose pourrait s'expliquer par la présence d'un groupe de gènes (GAL7-GAL10-GAL1) impliqué dans le métabolisme (Le métabolisme est l'ensemble des transformations moléculaires et énergétiques qui se déroulent de manière ininterrompue dans la cellule ou l'organisme vivant. C'est un processus...) du galactose. Si ce groupe est présent chez les autres souches de l'espèce S. cerevisiae, dans les levures du fromage, il correspond à une version ancestrale plus efficace qui provient d'une espèce n'appartenant pas au groupe des Saccharomyces actuellement connu. De plus, les levures de fromage présentent un transporteur (Un transporteur dirige une entreprise commerciale spécialisée dans le transport de personnes, de marchandises, de fonds ou d'énergie. Il exerce, dans la plupart des pays une profession réglementée.) de galactose extrêmement différentié. Ces deux particularités génomiques combinées faciliteraient le développement de ces souches dans le fromage. En revanche, le génome des souches de fromage a perdu différents gènes codant pour des transporteurs du glucose, expliquant ainsi leurs faibles performances en fermentation œnologique.

Par ailleurs, les scientifiques ont montré que les levures de vin présentent des signes d'adaptation spécifiques. Ces souches possèdent des variations dans des gènes impliqués dans l'utilisation des acides aminés et des phytostérols (des nutriments du raisin essentiel pour la croissance de ces levures).

Cette étude conforte des résultats obtenus précédemment par la même équipe[2]: les levures de vin ont acquis, par transfert horizontal (Horizontal est une orientation parallèle à l'horizon, et perpendiculaire à la verticale. Une ligne horizontale va « de la gauche vers la droite » ou vice versa.), des gènes leur permettant de mieux utiliser les sources d'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote désigne le gaz diatomique diazote...) du raisin. En domestiquant les levures, notamment pour la fermentation du vin, l'homme a empiriquement sélectionné des variations génomiques et des échanges de gènes entre espèces éloignées génétiquement. De même, S. cerevisiae a façonné son génome pour s'adapter à l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme...) fromage/laits fermentés.


Cet arbre phylogénétique représente les liens de parenté entre les différentes souches/individus de S. cerevisiae. Les couleurs indiquent les groupes de souches qui se ressemblent. Ces groupes correspondent aussi à des habitats différents: les levures sont adaptées à un habitat/procédé. © Inra

[1] Les vins de voile sont des vins blancs vinifiés par un moyen particulier, exploitant les vertus œnologiques d'un voile naturel de levures (S. cerevisiae) qui se développe progressivement à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...) des vins vieillis en tonneau non "ouillés" (c'est-à-dire sans remplissage régulier du fût qui permet d'éviter l'oxydation du vin lors de son élevage) et qui le protège des bactéries (Les bactéries (Bacteria) sont des organismes vivants unicellulaires procaryotes, caractérisées par une absence de noyau et d'organites. La plupart des bactéries possèdent une paroi...) et de l'oxydation durant tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) le processus. Parmi les vins de voile: xérès, vin jaune (Il existe (au minimum) cinq définitions du jaune qui désignent à peu près la même couleur :) du Jura,

[2] Novo M, Bigey F, Beyne E, Galeote V, Gavory F, Mallet S, Cambon B, Legras JL, Wincker P, Casaregola S, Dequin S.Eukaryote-to-eukaryote gene transfer events revealed by the genome sequence of the wine yeast Saccharomyces cerevisiae EC1118.PNAS U S A. 2009 Sep 22;106 (38):16333-8.doi: 10.1073/pnas.0904673106.

Marsit, S., Mena, A., Bigey, F., Sauvage, F. X., Couloux, A., Guy, J., Legras, J. L., Barrio, E., Dequin, S., Galeote, V. (2015).Evolutionary advantage conferred by an eukaryote-to-eukaryote gene transfer event in wine yeasts.Molecular Biology and Evolution, 32 (7), 1695-1707

Coi AL, Bigey F, Mallet S, Marsit S, Zara G, Gladieux P, Galeote V, Budroni M, Dequin S, Legras J-L. 2017. Genomic signatures of adaptation to wine biological ageing conditions in biofilm-forming flor yeasts. Mol. Ecol.38:42–49

http://doi.wiley.com/10.1111/ijlh.12426

Contact scientifique:
Jean-Luc Legras Unité sciences pour l'œnologie (Université de Montpellier 1, Inra, Montpellier SupAgro)

Département associé:
Microbiologie (La microbiologie est la science qui étudie les micro-organismes (ou microorganismes).) et chaîne alimentaire (Une chaîne alimentaire est une suite d'êtres vivants dans laquelle chacun mange celui qui le précède. Le premier maillon d'une chaîne est très souvent un...)

Centre associé:
Occitanie-Montpellier
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