Phenotypic diversity of Brettanomyces bruxellensis and adaptation to fermentation processes

Brettanomyces bruxellensis est une levure associée à de nombreux procédés fermentaires, parfois considérée comme un agent d’altération (par exemple pour la production de vin, de bioéthanol, de bière), parfois comme un microorganisme nécessaire et bénéfique (bières de spécialités, kombucha). Des travaux antérieurs montraient un regroupement génétique des isolats de B. bruxellensis en fonction de leur procédé d’origine (vin, bière, etc.), suggérant une adaptation aux environnements anthropisés. Toutefois, la diversité phénotypique de l‘espèce restait mal décrite, notamment au regard des sous-populations génétiques connues. Les principaux objectifs de cette thèse étaient donc d’étudier la diversité phénotypique de B. bruxellensis et d’identifier les caractères possiblement impliqués dans son adaptation aux environnements fermentaires. Pour cela, environ 150 souches représentatives de la diversité génétique connue de B. bruxellensis ont été caractérisées dans 5 environnements (moût de raisin, vin, moût de brasserie, bière et kombucha). Une trentaine de caractères ont été mesurés, incluant notamment des paramètres de cinétiques fermentaire et de croissance, des traits d’histoire de vie (taille des cellules, viabilité, etc.), des métabolites d’intérêt technologique (sucres consommés, acides produits, etc.). Nos résultats montrent que la variabilité des phénotypes relevés dépend fortement du milieu considéré, mais aussi des souches et des interactions génotype-environnement. Certains paramètres sont de plus impactés par le facteur « sous-population » : par exemple, la population allotriploïde associée au vin présente une capacité de croissance bien supérieure dans le vin en comparaison des autres populations et des autres milieux. La capacité d’assimilation des nitrates (qui pourrait sous-tendre à l'adaptation à certains environnements) a également été étudiée. La majorité des souches de B. bruxellensis sont capables d’assimiler les nitrates comme seule source d’azote, à l’exception de deux sous-populations qui semblent avoir perdu ce caractère et qui présentent des variations dans le nombre de copies des gènes clés impliqués dans le métabolisme des nitrates.L’objectif finalisé de cette thèse était de mieux caractériser les conséquences de la variabilité phénotypique de B. bruxellensis vis-à-vis de des procédés de stabilisation microbiologique. L’efficacité de deux procédés innovants en cours de développement pour l’œnologie (traitement aux ultraviolets de type C et lumière pulsée) a été évaluée sur une collection de levures œnologiques incluant de nombreuses souches de B. bruxellensis. Ces traitements se sont révélés particulièrement efficaces contre les espèces de levure responsables des contaminations œnologiques (B. bruxellensis incluse). Ce travail constitue la première étude à large échelle de la diversité phénotypique de la levure B. bruxellensis dans les niches écologiques qu’elle colonise et de ses conséquences sur le plan fondamental (adaptation aux milieux anthropisés) et appliqué (efficacité des procédés de stabilisation microbiologique).Brettanomyces bruxellensis is a yeast widely associated to fermentation processes. It is considered either as a spoiler (winemaking, brewing and bioethanol process), or as or as a beneficial microorganism (production of specific beers or kombucha). Previous experiments showed a strong relationship between process isolation and genetic populations, suggesting niche adaptation. However, the phenotypic variability of the species was scarcely described, particularly in the light of subpopulations and process adaptation. The first goals of this work were to study the phenotypic diversity of B. bruxellensis and to identify the possible phenotypic signature of adaptation to anthropic environments. A large-scale phenotyping approach was conducted on 150 strains, representative of genetic diversity, in five relevant environments. More than 30 traits related to growth and fermentation kinetics, life-history or metabolism were measured. Our results show that the phenotypic variability is mainly impacted by the environment, followed by the genotype and the genotype environment interaction. Interestingly, some traits also vary depending on the subpopulation and could be involved in process adaptation (i.e. the allotriploid wine subpopulation being fitter in wine than other subpopulations and compared to other environments). The ability to assimilate nitrate was also assessed, as this trait could support adaptation to low-nitrogen environments. Most B. bruxellensis strains are able to metabolize nitrate as sole nitrogen source, with the exception of two subpopulations. A relationship was found between this ability and the copy number variation of the genes involved in nitrate metabolization, advancing our knowledge of the possible mechanisms involved in B. bruxellensis evolution and adaptation.The applied aim of this work was to evaluate the consequences of B. bruxellensis phenotypic variability on microbial stabilization treatments. The efficiency of two innovative control methods (ultraviolet C and pulsed light, currently assessed for winemaking) was evaluated on a collection of oenological yeasts, with a focus on B. bruxellensis. Both treatments were deemed as particularly efficient on wine yeast spoilers.These results contribute to a deeper understanding of the phenotypic diversity of B. bruxellensis yeast species in anthropic environments and its consequences from a fundamental viewpoint (adaptation to anthropized environments) and applied one (efficiency of stabilization processes)

Phenotypic diversity of Brettanomyces bruxellensis and adaptation to fermentation processes

Brettanomyces bruxellensis est une levure associée à de nombreux procédés fermentaires, parfois considérée comme un agent d’altération (par exemple pour la production de vin, de bioéthanol, de bière), parfois comme un microorganisme nécessaire et bénéfique (bières de spécialités, kombucha). Des travaux antérieurs montraient un regroupement génétique des isolats de B. bruxellensis en fonction de leur procédé d’origine (vin, bière, etc.), suggérant une adaptation aux environnements anthropisés. Toutefois, la diversité phénotypique de l‘espèce restait mal décrite, notamment au regard des sous-populations génétiques connues. Les principaux objectifs de cette thèse étaient donc d’étudier la diversité phénotypique de B. bruxellensis et d’identifier les caractères possiblement impliqués dans son adaptation aux environnements fermentaires. Pour cela, environ 150 souches représentatives de la diversité génétique connue de B. bruxellensis ont été caractérisées dans 5 environnements (moût de raisin, vin, moût de brasserie, bière et kombucha). Une trentaine de caractères ont été mesurés, incluant notamment des paramètres de cinétiques fermentaire et de croissance, des traits d’histoire de vie (taille des cellules, viabilité, etc.), des métabolites d’intérêt technologique (sucres consommés, acides produits, etc.). Nos résultats montrent que la variabilité des phénotypes relevés dépend fortement du milieu considéré, mais aussi des souches et des interactions génotype-environnement. Certains paramètres sont de plus impactés par le facteur « sous-population » : par exemple, la population allotriploïde associée au vin présente une capacité de croissance bien supérieure dans le vin en comparaison des autres populations et des autres milieux. La capacité d’assimilation des nitrates (qui pourrait sous-tendre à l'adaptation à certains environnements) a également été étudiée. La majorité des souches de B. bruxellensis sont capables d’assimiler les nitrates comme seule source d’azote, à l’exception de deux sous-populations qui semblent avoir perdu ce caractère et qui présentent des variations dans le nombre de copies des gènes clés impliqués dans le métabolisme des nitrates.L’objectif finalisé de cette thèse était de mieux caractériser les conséquences de la variabilité phénotypique de B. bruxellensis vis-à-vis de des procédés de stabilisation microbiologique. L’efficacité de deux procédés innovants en cours de développement pour l’œnologie (traitement aux ultraviolets de type C et lumière pulsée) a été évaluée sur une collection de levures œnologiques incluant de nombreuses souches de B. bruxellensis. Ces traitements se sont révélés particulièrement efficaces contre les espèces de levure responsables des contaminations œnologiques (B. bruxellensis incluse). Ce travail constitue la première étude à large échelle de la diversité phénotypique de la levure B. bruxellensis dans les niches écologiques qu’elle colonise et de ses conséquences sur le plan fondamental (adaptation aux milieux anthropisés) et appliqué (efficacité des procédés de stabilisation microbiologique).Brettanomyces bruxellensis is a yeast widely associated to fermentation processes. It is considered either as a spoiler (winemaking, brewing and bioethanol process), or as or as a beneficial microorganism (production of specific beers or kombucha). Previous experiments showed a strong relationship between process isolation and genetic populations, suggesting niche adaptation. However, the phenotypic variability of the species was scarcely described, particularly in the light of subpopulations and process adaptation. The first goals of this work were to study the phenotypic diversity of B. bruxellensis and to identify the possible phenotypic signature of adaptation to anthropic environments. A large-scale phenotyping approach was conducted on 150 strains, representative of genetic diversity, in five relevant environments. More than 30 traits related to growth and fermentation kinetics, life-history or metabolism were measured. Our results show that the phenotypic variability is mainly impacted by the environment, followed by the genotype and the genotype environment interaction. Interestingly, some traits also vary depending on the subpopulation and could be involved in process adaptation (i.e. the allotriploid wine subpopulation being fitter in wine than other subpopulations and compared to other environments). The ability to assimilate nitrate was also assessed, as this trait could support adaptation to low-nitrogen environments. Most B. bruxellensis strains are able to metabolize nitrate as sole nitrogen source, with the exception of two subpopulations. A relationship was found between this ability and the copy number variation of the genes involved in nitrate metabolization, advancing our knowledge of the possible mechanisms involved in B. bruxellensis evolution and adaptation.The applied aim of this work was to evaluate the consequences of B. bruxellensis phenotypic variability on microbial stabilization treatments. The efficiency of two innovative control methods (ultraviolet C and pulsed light, currently assessed for winemaking) was evaluated on a collection of oenological yeasts, with a focus on B. bruxellensis. Both treatments were deemed as particularly efficient on wine yeast spoilers.These results contribute to a deeper understanding of the phenotypic diversity of B. bruxellensis yeast species in anthropic environments and its consequences from a fundamental viewpoint (adaptation to anthropized environments) and applied one (efficiency of stabilization processes)

Diversité phénotypique de Brettanomyces bruxellensis et adaptation aux procédés fermentaires

Brettanomyces bruxellensis is a yeast widely associated to fermentation processes. It is considered either as a spoiler (winemaking, brewing and bioethanol process), or as or as a beneficial microorganism (production of specific beers or kombucha). Previous experiments showed a strong relationship between process isolation and genetic populations, suggesting niche adaptation. However, the phenotypic variability of the species was scarcely described, particularly in the light of subpopulations and process adaptation. The first goals of this work were to study the phenotypic diversity of B. bruxellensis and to identify the possible phenotypic signature of adaptation to anthropic environments. A large-scale phenotyping approach was conducted on 150 strains, representative of genetic diversity, in five relevant environments. More than 30 traits related to growth and fermentation kinetics, life-history or metabolism were measured. Our results show that the phenotypic variability is mainly impacted by the environment, followed by the genotype and the genotype environment interaction. Interestingly, some traits also vary depending on the subpopulation and could be involved in process adaptation (i.e. the allotriploid wine subpopulation being fitter in wine than other subpopulations and compared to other environments). The ability to assimilate nitrate was also assessed, as this trait could support adaptation to low-nitrogen environments. Most B. bruxellensis strains are able to metabolize nitrate as sole nitrogen source, with the exception of two subpopulations. A relationship was found between this ability and the copy number variation of the genes involved in nitrate metabolization, advancing our knowledge of the possible mechanisms involved in B. bruxellensis evolution and adaptation.The applied aim of this work was to evaluate the consequences of B. bruxellensis phenotypic variability on microbial stabilization treatments. The efficiency of two innovative control methods (ultraviolet C and pulsed light, currently assessed for winemaking) was evaluated on a collection of oenological yeasts, with a focus on B. bruxellensis. Both treatments were deemed as particularly efficient on wine yeast spoilers.These results contribute to a deeper understanding of the phenotypic diversity of B. bruxellensis yeast species in anthropic environments and its consequences from a fundamental viewpoint (adaptation to anthropized environments) and applied one (efficiency of stabilization processes).Brettanomyces bruxellensis est une levure associée à de nombreux procédés fermentaires, parfois considérée comme un agent d’altération (par exemple pour la production de vin, de bioéthanol, de bière), parfois comme un microorganisme nécessaire et bénéfique (bières de spécialités, kombucha). Des travaux antérieurs montraient un regroupement génétique des isolats de B. bruxellensis en fonction de leur procédé d’origine (vin, bière, etc.), suggérant une adaptation aux environnements anthropisés. Toutefois, la diversité phénotypique de l‘espèce restait mal décrite, notamment au regard des sous-populations génétiques connues. Les principaux objectifs de cette thèse étaient donc d’étudier la diversité phénotypique de B. bruxellensis et d’identifier les caractères possiblement impliqués dans son adaptation aux environnements fermentaires. Pour cela, environ 150 souches représentatives de la diversité génétique connue de B. bruxellensis ont été caractérisées dans 5 environnements (moût de raisin, vin, moût de brasserie, bière et kombucha). Une trentaine de caractères ont été mesurés, incluant notamment des paramètres de cinétiques fermentaire et de croissance, des traits d’histoire de vie (taille des cellules, viabilité, etc.), des métabolites d’intérêt technologique (sucres consommés, acides produits, etc.). Nos résultats montrent que la variabilité des phénotypes relevés dépend fortement du milieu considéré, mais aussi des souches et des interactions génotype-environnement. Certains paramètres sont de plus impactés par le facteur « sous-population » : par exemple, la population allotriploïde associée au vin présente une capacité de croissance bien supérieure dans le vin en comparaison des autres populations et des autres milieux. La capacité d’assimilation des nitrates (qui pourrait sous-tendre à l'adaptation à certains environnements) a également été étudiée. La majorité des souches de B. bruxellensis sont capables d’assimiler les nitrates comme seule source d’azote, à l’exception de deux sous-populations qui semblent avoir perdu ce caractère et qui présentent des variations dans le nombre de copies des gènes clés impliqués dans le métabolisme des nitrates.L’objectif finalisé de cette thèse était de mieux caractériser les conséquences de la variabilité phénotypique de B. bruxellensis vis-à-vis de des procédés de stabilisation microbiologique. L’efficacité de deux procédés innovants en cours de développement pour l’œnologie (traitement aux ultraviolets de type C et lumière pulsée) a été évaluée sur une collection de levures œnologiques incluant de nombreuses souches de B. bruxellensis. Ces traitements se sont révélés particulièrement efficaces contre les espèces de levure responsables des contaminations œnologiques (B. bruxellensis incluse). Ce travail constitue la première étude à large échelle de la diversité phénotypique de la levure B. bruxellensis dans les niches écologiques qu’elle colonise et de ses conséquences sur le plan fondamental (adaptation aux milieux anthropisés) et appliqué (efficacité des procédés de stabilisation microbiologique)

Wine yeast species show strong inter- and intra-specific variability in their sensitivity to ultraviolet radiation

While the trend in winemaking is toward reducing the inputs and especially sulphites utilization, emerging technologies for the preservation of wine is a relevant topic for the industry. Amongst yeast spoilage in wine, Brettanomyces bruxellensis is undoubtedly the most feared. In this study, UV-C treatment is investigated. This non-thermal technique is widely used for food preservation. A first approach was conducted using a drop-platted system to compare the sensitivity of various strains to UV-C surface treatment. 147 strains distributed amongst fourteen yeast species related to wine environment were assessed for six UV-C doses. An important variability in UV-C response was observed at the interspecific level. Interestingly, cellar resident species, which are mainly associated with wine spoilage, shows higher sensitivity to UV-C than vineyard-resident species. A focus on B. bruxellensis species with 104 screened strains highlighted an important effect of the UV-C, with intra-specific variation. This intra-specific variation was confirmed on 6 strains in liquid red wine by using a home-made pilot. 6624 J.L?1 was enough for a reduction of 5 log10 of magnitude for 5 upon 6 strains. These results highlight the potential of UV-C utilization against wine yeast spoiler at cellar scale.Approche multi-échelle de l'adaptation de la levure Brettanomyces bruxellensis aux procédés fermentaire

Mol Ecol

Human-associated microorganisms are ideal models to study the impact of environmental changes on species evolution and adaptation because of their small genome, short generation time, and their colonization of contrasting and ever-changing ecological niches. The yeast Brettanomyces bruxellensis is a good example of organism facing anthropogenic-driven selective pressures. It is associated with fermentation processes in which it can be considered either as a spoiler (e.g., winemaking, bioethanol production) or as a beneficial microorganism (e.g., production of specific beers, kombucha). In addition to its industrial interests, noteworthy parallels and dichotomies with Saccharomyces cerevisiae propelled B. bruxellensis as a valuable complementary yeast model. In this review, we emphasize that the broad genetic and phenotypic diversity of this species is only beginning to be uncovered. Population genomic studies have revealed the coexistence of auto- and allotriploidization events with different evolutionary outcomes. The different diploid, autotriploid and allotriploid subpopulations are associated with specific fermented processes, suggesting independent adaptation events to anthropized environments. Phenotypically, B. bruxellensis is renowned for its ability to metabolize a wide variety of carbon and nitrogen sources, which may explain its ability to colonize already fermented environments showing low-nutrient contents. Several traits of interest could be related to adaptation to human activities (e.g., nitrate metabolization in bioethanol production, resistance to sulphite treatments in winemaking). However, phenotypic traits are insufficiently studied in view of the great genomic diversity of the species. Future work will have to take into account strains of varied substrates, geographical origins as well as displaying different ploidy levels to improve our understanding of an anthropized yeast's phenotypic landscape.Approche multi-échelle de l'adaptation de la levure Brettanomyces bruxellensis aux procédés fermentaire