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

La remarquable évolution génomique des levures de fromage et de vin

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. 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 de la levure a été façonné par les contraintes environnementales des milieux créés par l’homme.

Mis à jour le 01/06/2018
Publié le 07/05/2018

Saccharomyces cerevisiae est la principale levure impliquée dans la levée du pain, la fermentation du vin ou du rhum. On la trouve également dans les fromages et les écorces des chênes. Or, si la phylogénie de cette espèce 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. 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 de copies des gènes, des mutations modifiant les propriétés des protéines. Ces données 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 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 provenant de l’hydrolyse du lactose 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 et le fructose). A l’inverse, les souches de vin ont la meilleure capacité à effectuer la fermentation du jus de raisin 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 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 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, des gènes leur permettant de mieux utiliser les sources d’azote 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 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
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 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 et de l’oxydation durant tout le processus. Parmi les vins de voile : xérès, vin jaune 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(s)
Contact(s) scientifique(s) :

  • Jean-Luc Legras (04 99 61 31 70) Unité sciences pour l’œnologie (Université de Montpellier 1, Inra, Montpellier SupAgro)
Contact(s) presse :
Inra service de presse (01 42 75 91 86)
Département(s) associé(s) :
Microbiologie et chaîne alimentaire
Centre(s) associé(s) :
Occitanie-Montpellier

Référence

Jean-Luc Legras, Virginie Galeote, Frédéric Bigey, Carole Camarasa, Souhir Marsit, Thibault Nidelet, Isabelle Sanchez, Arnaud Couloux, Julie Guy, Ricardo Franco-Duarte, Marina Marcet-Houben, Toni Gabaldon, Dorit Schuller, José Paulo Sampaio, Sylvie Dequin Adaptation of S. cerevisiae to fermented food environments reveals remarkable genome plasticity and the footprints of domestication. Molecular Biology and Evolution 2018, doi:10.1093/molbev/msy066