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Colonias de Saccharomyces cerevisiae, levaduras de panificación, sobre un medio nutritivo de agar. © Inra, CAIN Anne-Hélène

La notable evolución genómica de las levaduras de queso y vino

Pan, vino, queso, ron, corteza de roble... ¿Cómo ha conformado una única levadura, Saccharomyces cerevisiae, su genoma para adaptarse a estos diferentes entornos? Un equipo internacional dirigido por investigadores del INRA, en colaboración con el CEA, ha comparado los genomas de 82 cepas de esta levadura, descubriendo especificidades particularmente llamativas con respecto a cepas aisladas de vino y queso. Publicado en la revista Molecular Biology and Evolution el 8 de mayo de 2018, este trabajo muestra que el genoma de la levadura ha sido moldeado por las limitaciones ambientales de los ambientes creados por el hombre.

Actualización: 01/06/2018
Publicación: 07/05/2018

La Saccharomyces cerevisiae es la principal levadura implicada en el crecimiento del pan y la fermentación del vino o el ron. También se encuentra en quesos y en la corteza de roble. Sin embargo, aunque se conoce bien la filogenia de esta especie, queda por descubrir cómo puede esta levadura adaptarse a ambientes tan diferentes.
  
Investigadores del INRA, en colaboración con el CEA y con equipos de investigación de Portugal y España, han comparado los genomas de 82 cepas de la levadura S. cerevisiae. Han identificado grupos de cepas de vino, de vino de velo de flor[1], de ron, de pan, de queso (y leche fermentada) y roble. Han demostrado que cada uno de estos grupos tiene características genómicas específicas, como la presencia o ausencia de ciertos genes, la variación en el número de copias de genes o mutaciones que modifican las propiedades de las proteínas. Estos datos proporcionan índices de especialización ecológica. La mayoría de las cepas, en comparación con el genoma de la cepa de referencia, tienen genes nuevos procedentes de especies cercanas (introgresión) o distantes (transferencias horizontales), muchas de las cuales son comunes a cepas del mismo nicho ecológico.

La distinta evolución de las levaduras de vino y queso

Aunque probablemente tengan un origen genético común, las cepas de vino y queso tienen especializaciones bien diferentes. En el queso, las levaduras son muy efectivas para metabolizar la galactosa (un azúcar derivado de la hidrólisis de la lactosa de la leche por varios otros microorganismos durante la fabricación del queso), pero son muy ineficientes para la fermentación de azúcares presentes en el mosto de uva (como la glucosa y la fructosa). Por el contrario, las cepas de vino son más eficaces para fermentar el mosto y crecen más lentamente en la galactosa que las cepas de queso.
  
Esta mayor capacidad de las cepas de queso para usar la galactosa podría explicarse por la presencia de un grupo de genes (GAL7-GAL10-GAL1) implicados en el metabolismo de la galactosa. Si bien este grupo está presente en otras cepas de la especie S. cerevisiae, en las levaduras de queso corresponde a una versión ancestral más efectiva que proviene de una especie que no pertenece al grupo de las Saccharomyces que se conoce actualmente. Además, las levaduras de queso tienen un transportador de galactosa extremadamente diferenciado. Estas dos características genómicas combinadas facilitan el desarrollo de estas cepas en el queso. En cambio, el genoma de las cepas de queso ha perdido diferentes genes que codifican transportadores de glucosa, lo cual explica su bajo rendimiento en la fermentación enológica.
 
Además, los científicos han demostrado que las levaduras de vino muestran signos específicos de adaptación. Estas cepas tienen variaciones en los genes responsables del uso de aminoácidos y fitoesteroles (nutrientes esenciales de la uva para el crecimiento de estas levaduras).
 
Este estudio confirma los resultados obtenidos previamente por el mismo equipo[2]: las levaduras del vino han adquirido, por transferencia horizontal, genes que les permiten utilizar mejor las fuentes de nitrógeno de la uva. Al domesticar las levaduras, especialmente para la fermentación del vino, los humanos han seleccionado empíricamente variaciones genómicas e intercambios de genes entre especies genéticamente distantes. Del mismo modo, S. cerevisiae ha conformado su genoma para adaptarse al entorno del queso y las leches fermentadas.

Este árbol filogenético representa la relación entre las diferentes cepas e individuos de S. cerevisiae. Los colores indican grupos de cepas que se parecen. Estos grupos también corresponden a diferentes hábitats: las levaduras están adaptadas a un determinado hábitat o proceso.. © Inra, INRA
Este árbol filogenético representa la relación entre las diferentes cepas e individuos de S. cerevisiae. Los colores indican grupos de cepas que se parecen. Estos grupos también corresponden a diferentes hábitats: las levaduras están adaptadas a un determinado hábitat o proceso. © Inra, INRA

[1] Los vinos de velo de flor son vinos blancos elaborados de una manera particular que aprovecha las virtudes enológicas de un velo natural de levaduras (S. cerevisiae) que se desarrolla progresivamente en la superficie de los vinos maduros en barril en que este no se rellena regularmente para evitar la oxidación del vino durante su crianza) y lo protege de las bacterias y la oxidación durante todo el proceso. Entre los vinos de vela se encuentran el jerez o el vino amarillo del 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

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Contacto científico:

  • Jean-Luc Legras (33 4 99 61 31 70) Unidad de Ciencias de la Enología (Universidad de Montpellier 1, INRA, Montpellier SupAgro)
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Microbiology and the Food Chain
Centro asociado:
Occitanie-Montpellier

Referencia

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