A genomic and transcriptomic approach to characterize oenological Saccharomyces cerevisiae strains.

Genus Saccharomyces includes a large number of microorganisms that are important for industrial applications such as the production of fermented beverages, biofuel and baking. Natural selection combined with domestication applied selective pressures to the genome of this yeast producing large numbers of different strains with specialized phenotypes. During the last decades thousand of strains have been phenotypically characterized but correlation between phenotype and genotype is not yet completely unveiled. Genome sequence analysis is a crucial step to obtain a general description of gene content and highlight differences between strains. In this study the homozygous derivatives of four ecotypical Saccharomyces cerevisiae strains isolated from Raboso and Prosecco fermented grape bunch have been successfully sequenced using next generation sequencing, and a variety of tools have been used and developed to solve the complex task of genome finishing. A detailed overview of gene expression in different winemaking and laboratory strains has also been performed using SOLiD RNA-seq. Samples growth in synthetic wine media on controlled bioreactors have been collected during fermentation process. Our results revealed a transcriptional fingerprint characterizing oenological strains adaptation to stressful environment. A comparison between differences in promoter sequences between strains and their downstream effect on gene expression have been performed and the results show a higher influence of tandem repeat variability respect to mutations on transcription factor binding sites. Finally using statistical analysis we correlate the genetic traits of strains with their metabolic properties and we obtained a global overview of fermentation performances in the different genetic groups.

Il genere Saccharomyces comprende un gran numero di microrganismi di interesse tecnologico, utilizzati ad esempio per la produzione di bevande fermentate, biocarburanti e per la panificazione. La selezione naturale unita alla domesticazione ha determinato una pressione selettiva che ha modificato il genoma di questi lieviti producendo un ampio numero di ceppi diversi con fenotipi specializzati. Negli ultimi anni centinaia di ceppi sono stati caratterizzati dal punto di vista fenotipico ma una correlazione tra il fenotipo e il genotipo non è stata ancora completamente chiarita. L’analisi del sequenziamento genomico è un passo cruciale per ottenere una descrizione globale del contenuto genico e per evidenziare le differenze tra i ceppi. In questo studio sono stati sequenziati i genomi degli omozigoti derivati da quattro ceppi ecotipici di S. cerevisiae isolati da grappoli fermentati di Prosecco e Raboso Piave utilizzando sequenziatori di Nuova Generazione. Numerosi strumenti informatici sono stati utilizzati e sviluppati per adempire al complesso compito del finishing. Inoltre una dettagliata panoramica dell’espressione genica in 5 ceppi di vinificazione e 1 di laboratorio è stata effettuata utilizzando la tecnica RNA-seq con la metodologia SOLiD. I lieviti sono stati cresciuti in mosto sintetico in bioreattori controllati e dei campioni sono stati prelevati durante il processo fermentativo. I risultati hanno rivelato un profilo trascrizionale caratteristico dell’adattamento dei ceppi enologici allo stress dell’ambiente di vinificazione. Un confronto tra le differenze nelle sequenze promotoriali tra i ceppi e il successivo effetto a catena sull’espressione genica è stato considerato e i risultati evidenziano una maggior influenza della variabilità delle tandem repeat rispetto alle mutazioni sui siti di binding dei fattori di trascrizione. Infine utilizzando dei modelli statistici siamo riusciti a correlare le caratteristiche genetiche dei ceppi con le loro proprietà metaboliche e ad avere una visione globale dell’abilità di fermentazione dei diversi ceppi.