I ricercatori individuano un flusso genico intercontinentale in una specie di lievito del vino

I ricercatori hanno mappato la genomica di popolazione di Hanseniaspora uvarum, un lievito comunemente presente sull’uva e nelle fasi iniziali della fermentazione spontanea del vino, e hanno trovato evidenze di flusso genico intercontinentale, introgressione e selezione positiva specifica per regione che potrebbero aiutare a spiegare come la specie si adatti a diversi ambienti legati alla fermentazione.

Lo studio, pubblicato il 27 luglio su Stress Biology, ha analizzato 151 ceppi di H. uvarum e ha costruito un pangenoma a partire da 159 ceppi. Il dataset includeva 45 ceppi provenienti dal Ningxia, nel nord-ovest della Cina, 21 da altre aree della Cina, 67 dall’Australia e 18 da altre regioni o di origine non specificata. Gli autori hanno affermato che il lavoro offre una delle immagini genomiche più chiare finora di un lievito non-Saccharomyces che sta attirando un interesse crescente nella vinificazione e nell’ingegneria alimentare.

H. uvarum non è il lievito principale che completa la fermentazione alcolica nel vino. La sua abbondanza di solito diminuisce quando l’etanolo aumenta nelle fasi successive del processo. Ma è comune all’inizio delle fermentazioni spontanee ed è stato studiato perché può influenzare aroma e struttura. Il paper osserva che l’inoculo con H. uvarum è stato associato in ricerche precedenti a un contenuto più elevato di esteri e fenoli volatili, a una minore acidità volatile e a migliori caratteristiche sensoriali nel vino. La specie si trova anche in fermentazioni di frutta, cacao e caffè, ed è stata studiata come agente di biocontrollo in agricoltura.

Per condurre la nuova analisi, i ricercatori hanno sequenziato 65 ceppi legati al vino raccolti nelle principali aree vitivinicole del nord-ovest della Cina e hanno combinato questi dati con 86 dataset di sequenziamento disponibili pubblicamente. Dopo aver filtrato le regioni ripetitive e a bassa complessità dal genoma di riferimento, hanno identificato 575.222 varianti di alta qualità nei 151 ceppi, tra cui 512.977 SNP. Le analisi di popolazione successive si sono concentrate su 483.564 SNP biallelici.

Diversi metodi hanno indicato una netta separazione geografica tra i ceppi cinesi e quelli campionati in altri continenti. L’analisi filogenetica, l’analisi dei coefficienti di ascendenza e l’analisi delle componenti principali hanno tutte separato in generale gli isolati cinesi da quelli non cinesi. Allo stesso tempo, la separazione era tutt’altro che completa.

I ricercatori hanno riportato un sostanziale flusso genico post-divergenza e introgressione tra cladi campionati in continenti diversi. In un modello TreeMix che utilizzava otto edge di migrazione, hanno inferito flusso genico da un clade cinese a un clade australiano, da un altro clade cinese a un clade europeo e da un clade europeo a un clade cinese. Ulteriori modelli suggerivano altri scambi che coinvolgevano cladi australiani, cinesi, europei e statunitensi.

Un secondo test basato sull’eccesso di condivisione allelica ha confermato questo quadro. Il valore intercontinentale f-branch più alto è stato del 49,84% tra un clade cinese e un clade australiano, che gli autori hanno interpretato come un segnale di introgressione. Altri valori relativamente elevati collegavano cladi cinesi con cladi europei e un clade cinese con un clade australiano. Nel complesso, il paper descrive H. uvarum come una specie che mostra un diffuso flusso genico intercontinentale e introgressione, suggerendo una dispersione complessa nel tempo piuttosto che un’evoluzione regionale isolata.

Nonostante questi scambi, la differenziazione genetica complessiva tra le principali popolazioni cinesi e australiane legate al vino era bassa. Dopo aver rimosso i ceppi clonali, la diversità nucleotidica media era 0,00780 per i ceppi cinesi legati al vino e 0,00784 per quelli australiani. La divergenza nucleotidica media tra le due popolazioni regionali era 0,00832, mentre l’FST di Hudson era 0,03376.

Lo studio ha anche cercato segnali di selezione positiva in sottogruppi di ceppi del Ningxia e dell’Australia. Utilizzando loci nel top 0,5% dei punteggi RAiSD, i ricercatori hanno identificato 117 geni candidati sotto selezione positiva nel sottogruppo del Ningxia e 141 in quello australiano, con 23 geni condivisi da entrambi i gruppi. Le regioni contenenti questi geni candidati mostravano valori di FST significativamente più alti e una diversità nucleotidica significativamente più bassa rispetto alle regioni codificanti di fondo in tutto il genoma.

Ciò che è emerso con maggiore evidenza è che i segnali di selezione non erano identici tra le regioni. Nei ceppi del Ningxia, i termini Gene Ontology arricchiti erano collegati a risposte allo stress, metabolismo, processamento dell’RNA, traduzione, rimodellamento della cromatina e acetilazione degli istoni. Tra questi figuravano termini relativi alla regolazione positiva della crescita filamentosa in risposta a stimoli esterni come fame, stress da pH e stimoli biotici. Gli autori li hanno evidenziati come significativamente arricchiti nei ceppi del Ningxia.

Sia nei ceppi del Ningxia sia in quelli australiani, il termine legato allo stress “cytoplasmic stress granule” risultava significativamente arricchito, ma coinvolgeva insiemi diversi di geni in ciascuna regione, tranne due geni condivisi. Nei ceppi australiani, i termini arricchiti indicavano anche maturazione dell’rRNA, assemblaggio dei ribosomi, sorveglianza e degradazione dell’RNA, svolgimento del DNA, allungamento trascrizionale, allungamento traslazionale, ubiquitinazione di istoni e proteine, metabolismo redox, biosintesi degli acidi grassi e trasporto cellulare.

Il paper indica anche una possibile adattazione legata alle funzioni di mantenimento del genoma. Tra i candidati sottoposti a selezione positiva, sette geni nel sottogruppo del Ningxia e quattro in quello australiano erano annotati con “DNA repair”, anche se solo un gene era condiviso tra i due gruppi. Questo è rilevante perché lavori precedenti su Hanseniaspora hanno mostrato perdite di alcuni geni legati al ciclo cellulare e alla riparazione del DNA rispetto ad altri lieviti.

Un altro risultato importante è emerso dall’analisi del pangenoma. Sebbene la maggior parte dei campioni provenisse da ambienti associati all’uomo, come vigneti e fermentazioni, H. uvarum mostrava quello che gli autori hanno descritto come un pangenoma aperto. In termini pratici, ciò significa che nuovi geni continuano ad apparire man mano che si aggiungono altri ceppi all’analisi, invece di stabilizzarsi rapidamente in un insieme genico fisso. Il risultato suggerisce una vasta capacità adattativa in presenza di stress e condizioni diverse.

Per i produttori di bevande, questo tipo di diversità genomica potrebbe diventare utile oltre la biologia evolutiva di base. Una migliore comprensione di come i lieviti non-Saccharomyces differiscano per lignaggio e regione può sostenere in futuro la selezione dei ceppi per fermentazioni più controllate o per specifici obiettivi di aroma e struttura nel vino e in altre bevande fermentate. Lo studio non testa direttamente le prestazioni commerciali, ma fornisce un quadro genetico che potrebbe orientare successivi lavori applicativi su starter culture o fermentazioni miste.

Gli autori presentano il lavoro come una base per future ricerche ecologiche e industriali su H. uvarum in un momento in cui cresce l’interesse per i lieviti al di fuori di Saccharomyces cerevisiae. Soprattutto nel vino, produttori e ricercatori stanno prestando maggiore attenzione ai microrganismi che influenzano la fermentazione prima che prenda il sopravvento S. cerevisiae o che possono essere usati insieme ad essa per modificare lo stile.

Combinando isolati cinesi appena sequenziati con genomi pubblici provenienti da diversi continenti, lo studio aggiunge dettagli a questo quadro: H. uvarum appare strutturata geograficamente a un livello ampio, ma anche modellata da scambi ripetuti tra regioni; porta firme locali di adattamento; e il suo repertorio genico rimane abbastanza flessibile da suggerire ulteriore potenziale evolutivo sotto pressioni agricole e legate alla fermentazione.