Des chercheurs mettent en évidence un flux génétique intercontinental chez une levure du vin

Des chercheurs ont cartographié la génomique des populations de Hanseniaspora uvarum, une levure couramment présente sur les raisins et aux premiers stades de la fermentation spontanée du vin, et ont mis en évidence un flux génétique intercontinental, une introgression et une sélection positive spécifique à certaines régions, susceptibles d’aider à expliquer comment l’espèce s’adapte à différents environnements liés à la fermentation.

L’étude, publiée le 27 juillet dans Stress Biology, a analysé 151 souches de H. uvarum et a établi un pangénome à partir de 159 souches. L’ensemble de données comprenait 45 souches du Ningxia, dans le nord-ouest de la Chine, 21 provenant d’autres régions de Chine, 67 d’Australie et 18 d’autres régions ou d’origine non précisée. Les auteurs ont indiqué que ce travail offre l’un des tableaux génomiques les plus nets à ce jour d’une levure non-Saccharomyces qui suscite un intérêt croissant dans la vinification et l’ingénierie alimentaire.

H. uvarum n’est pas la principale levure qui mène à terme la fermentation alcoolique du vin. Son abondance diminue généralement à mesure que l’éthanol augmente plus tard dans le processus. Mais elle est fréquente au début des fermentations spontanées et a été étudiée parce qu’elle peut influencer l’arôme et la texture. L’article note que l’inoculation avec H. uvarum a été associée dans des travaux antérieurs à une teneur plus élevée en esters et en phénols volatils, à une acidité volatile plus faible et à de meilleures caractéristiques sensorielles du vin. L’espèce est également présente dans des fermentations impliquant des fruits, du cacao et du café, et a été étudiée comme agent de biocontrôle en agriculture.

Pour mener cette nouvelle analyse, les chercheurs ont séquencé 65 souches liées au vin collectées dans de grandes régions viticoles du nord-ouest de la Chine et ont combiné ces données avec 86 jeux de données de séquençage disponibles publiquement. Après avoir filtré les régions répétitives et de faible complexité du génome de référence, ils ont identifié 575 222 variants de haute qualité parmi les 151 souches, dont 512 977 SNP. Leurs analyses de population en aval se sont concentrées sur 483 564 SNP bialléliques.

Plusieurs méthodes ont mis en évidence une large séparation géographique entre les souches chinoises et celles échantillonnées sur d’autres continents. L’analyse phylogénétique, l’analyse des coefficients d’ascendance et l’analyse en composantes principales ont toutes, de manière générale, séparé les isolats chinois des non chinois. En même temps, cette séparation était loin d’être complète.

Les chercheurs ont signalé un important flux génétique post-divergence et une introgression entre des clades échantillonnés sur différents continents. Dans un modèle TreeMix utilisant huit arêtes de migration, ils ont inféré un flux génétique d’un clade chinois vers un clade australien, d’un autre clade chinois vers un clade européen et d’un clade européen vers un clade chinois. D’autres modèles ont suggéré des échanges supplémentaires impliquant des clades australiens, chinois, européens et américains.

Un second test fondé sur un excès de partage d’allèles a confirmé ce tableau. La valeur intercontinentale f-branch la plus élevée était de 49,84 % entre un clade chinois et un clade australien, ce que les auteurs ont interprété comme un signe d’introgression. D’autres valeurs relativement élevées reliaient des clades chinois à des clades européens et un clade chinois à un clade australien. Pris ensemble, l’article décrit H. uvarum comme présentant un flux génétique et une introgression intercontinentaux étendus, ce qui suggère une dispersion complexe au fil du temps plutôt qu’une évolution régionale isolée.

Malgré ces échanges, la différenciation génétique globale entre les principales populations chinoises et australiennes liées au vin était faible. Après élimination des souches clonales, la diversité nucléotidique moyenne était de 0,00780 pour les souches chinoises liées au vin et de 0,00784 pour les souches australiennes liées au vin. La divergence nucléotidique moyenne entre les deux populations régionales était de 0,00832, tandis que le FST de Hudson était de 0,03376.

L’étude a également recherché des signes de sélection positive dans des sous-ensembles de souches du Ningxia et d’Australie. En utilisant des loci situés dans les 0,5 % supérieurs des scores RAiSD, les chercheurs ont identifié 117 gènes candidats soumis à une sélection positive dans le sous-ensemble du Ningxia et 141 dans le sous-ensemble australien, avec 23 gènes partagés par les deux groupes. Les régions contenant ces gènes candidats présentaient des valeurs de FST significativement plus élevées et une diversité nucléotidique significativement plus faible que les régions codantes de fond à l’échelle du génome.

Ce qui ressortait, c’est que les signaux de sélection n’étaient pas identiques selon les régions. Dans les souches du Ningxia, les termes enrichis de Gene Ontology étaient liés aux réponses au stress, au métabolisme, au traitement de l’ARN, à la traduction, au remodelage de la chromatine et à l’acétylation des histones. Parmi eux figuraient des termes liés à la régulation positive de la croissance filamenteuse en réponse à des stimuli externes tels que la famine, le stress du pH et un stimulus biotique. Les auteurs ont souligné que ces termes étaient significativement enrichis dans les souches du Ningxia.

Dans les souches du Ningxia comme dans celles d’Australie, le terme lié au stress « cytoplasmic stress granule » était significativement enrichi, mais il impliquait des ensembles de gènes différents dans chaque région, à l’exception de deux gènes partagés. Dans les souches australiennes, les termes enrichis renvoyaient aussi à la maturation de l’ARNr, à l’assemblage des ribosomes, à la surveillance et à la dégradation de l’ARN, au déroulement de l’ADN, à l’élongation transcriptionnelle, à l’élongation translationnelle, à l’ubiquitination des histones et des protéines, au métabolisme rédox, à la biosynthèse des acides gras et au transport cellulaire.

L’article évoque également une possible adaptation autour des fonctions de maintien du génome. Parmi les candidats soumis à une sélection positive, sept gènes dans le sous-ensemble du Ningxia et quatre dans le sous-ensemble australien étaient annotés « DNA repair », bien qu’un seul gène soit partagé entre eux. Cela compte, car des travaux antérieurs sur Hanseniaspora ont montré des pertes de certains gènes liés au cycle cellulaire et à la réparation de l’ADN par rapport à d’autres levures.

Une autre découverte majeure est venue de l’analyse du pangénome. Bien que la plupart des échantillons proviennent d’environnements associés à l’homme, comme les vignobles et les fermentations, H. uvarum présentait ce que les auteurs ont décrit comme un pangénome ouvert. En pratique, cela signifie que de nouveaux gènes continuent d’apparaître à mesure que davantage de souches sont ajoutées à l’analyse, au lieu de se stabiliser rapidement en un ensemble génétique fixe. Le résultat suggère une large capacité d’adaptation à des stress et conditions variés.

Pour les producteurs de boissons, ce type de diversité génomique pourrait devenir utile au-delà de la biologie évolutive de base. Une meilleure compréhension des différences entre levures non-Saccharomyces selon la lignée et la région pourrait soutenir à l’avenir la sélection de souches pour des fermentations plus maîtrisées ou pour des objectifs précis d’arôme et de texture dans le vin et d’autres boissons fermentées. L’étude ne teste pas directement les performances commerciales, mais elle fournit un cadre génétique susceptible d’orienter des travaux appliqués ultérieurs sur les levains ou les fermentations mixtes.

Les auteurs présentent ce travail comme une base pour de futures recherches écologiques et industrielles sur H. uvarum, à un moment où l’intérêt grandit pour les levures autres que Saccharomyces cerevisiae. Dans le vin en particulier, producteurs et chercheurs prêtent une attention accrue aux micro-organismes qui influencent la fermentation avant que S. cerevisiae ne prenne le relais, ou qui peuvent être utilisés avec elle pour modifier le style.

En combinant des isolats chinois séquencés récemment avec des génomes publics provenant de plusieurs continents, l’étude ajoute des détails à ce tableau : H. uvarum semble structurée géographiquement à grande échelle, mais aussi façonnée par des échanges répétés entre régions ; elle porte des signatures locales d’adaptation ; et son répertoire génétique reste suffisamment flexible pour suggérer un potentiel évolutif supplémentaire sous l’effet des pressions agricoles et liées à la fermentation.