Marker assisted selection of malic-consuming saccharomyces cerevisiae strains for winemaking. Efficiency and limits of a qtl’s driven breeding program

Natural Saccharomyces cerevisiae yeast strains exhibit very large genotypic and phenotypic diversity. Breeding programs that take advantage of this characteristic are widely used for selecting starters for wine industry, especially in the recent years when winemakers need to adapt their production to climate change. The aim of this work was to evaluate a marker assisted selection (MAS) program to improve malic acid consumption capacity of Saccharomyces cerevisiae in grape juice. Optimal individuals of two unrelated F1-hybrids were crossed to get a new genetic background carrying many « malic consumer » loci. Then, eleven quantitative trait loci (QTLs) already identified were used for implementing the MAS breeding program. By this method, extreme individuals able to consume more than 70% of malic acid in grape juice were selected. These individuals were tested in different enological matrixes and compared to their original parental strains. They greatly reduced the malic acid content at the end of alcoholic fermentation, they appeared to be robust to the environment, and they accelerated the ongoing of malolactic fermentations by Oenococcus oeni. This study illustrates how MAS can be efficiently used for selecting industrial Saccharomyces cerevisiae strains with outlier properties for winemaking.Centre français de phénomique végétalePlateforme d'Innovation " Forêt-Bois-Fibre-Biomasse du Futur

Study of the modulation of wine acidity by Saccharomyces cerevisiae using genetic and metabolomic approaches. Role of consumption and production of malic acid during alcoholic fermentation.

La hausse des températures a de nombreux impacts sur la vigne et les baies de raisin. Parmi eux, une augmentation de la teneur en sucre des baies à maturité et une diminution de leur teneur en acidité. L’adaptation des pratiques viti-vinicoles aux matrices œnologiques de demain passe, entre autres, par l’utilisation de levures de vinification mieux adaptées aux caractéristiques physico-chimiques des moûts. Il existe au sein de l’espèce Saccharomyces cerevisiae une grande variabilité génotypique et phénotypique impactant de nombreux traits technologiques. La capacité des levures de vinification à moduler l’acidité lors de la fermentation alcoolique est au centre de ce travail de thèse. Cette propriété technologique a été optimisée grâce à des programmes de croisement assistés à l’aide de marqueurs génétiques liés à des QTLs (Quantitative Trait Loci) préalablement identifiés. Des souches fortement consommatrices ou productrices d’acide malique ont été obtenues. Ces souches ont été caractérisées d’un point de vue fermentaire, métabolique et sensoriel dans plusieurs matrices œnologiques afin de les intégrer à différents itinéraires de vinification. Un état des lieux de la modulation de l’acidité d’une cinquantaine de souches du genre Saccharomyces a également été entrepris. Ce paysage phénotypique a été réalisé par une approche de métabolomique ciblée par RMN du proton dans différentes matrices œnologiques. Des différences phénotypiques portant sur la teneur finale en acides organiques ont été mises en évidence. Pour un sous-ensemble de souches de S. cerevisiae appartenant aux groupes génétiques de vin et de voile, une étude comparative de la concentration en métabolites intracellulaires a été réalisée. Ce travail a nécessité le développement d’une méthode d’extraction et de quantification par spectrométrie RMN du proton. Des trade-off métaboliques avec des traits d’histoire de vie ont été mis en évidence entre les deux groupes. Une dernière partie plus fonctionnelle vise à comprendre les modes de production et de consommation de l’acide malique au cours de la vinification. L’ajout dans le milieu fermenté d’acide malique marqué au 13C et l’utilisation de plusieurs approches métabolomiques: LC-MS/MS, GC-MS, RMN-2D, a permis de comprendre les spécificités métaboliques de souches extrêmes. Enfin l’étude métabolomique non ciblée de plusieurs vins obtenus à partir de souches extrêmes a permis de définir des molécules clés capables de moduler l’acidité des vins.The increase in temperature has many impacts on grapevines and grape berries. Among them, an increase in the sugar content of ripe grapes and a decrease in their acidity content. The adaptation of winemaking practices to tomorrow's oenological matrices requires, among other things, the use of winemaking yeasts that are better adapted to the physicochemical characteristics of musts. There is a large genotypic and phenotypic variability within the Saccharomyces cerevisiae species, which has an impact on many technological traits. The ability of winemaking yeasts to modulate acidity during alcoholic fermentation is the focus of this thesis. This technological property was optimized through breeding programs assisted by genetic markers linked to previously identified QTLs (Quantitative Trait Loci). Strains with high malic acid consumption or production were obtained. These strains were characterized from a fermentative, metabolic, and sensory point of view, in several oenological matrices, in order to integrate them into different winemaking itineraries. An overview of the acidity modulation of about 50 strains of the Saccharomyces genus was also undertaken. A phenotypic landscape was carried out by a targeted metabolomic approach using 1H NMR in different oenological matrices. Phenotypic differences in the final organic acid content were identified. A comparative study of intracellular metabolite concentration was performed for a subset of S. cerevisiae strains belonging to the wine and flor genetic groups. This work required the development of an extraction and quantification method by 1H NMR spectrometry. Metabolic trade-offs with life history traits have been highlighted between the two groups. A last and more functional part aimed at understanding the production and consumption modes of malic acid during the wine making process. The addition of 13C-labelled malic acid to the fermented medium and the use of several metabolomic approaches: LC-MS/MS, GC-MS, 2D-NMR allowed us to understand the metabolic specificities of extreme strains. Finally, the non-targeted metabolomic study of several wines obtained from extreme strains allowed to define key molecules able to modulate the acidity of wines

Study of the modulation of wine acidity by Saccharomyces cerevisiae using genetic and metabolomic approaches. Role of consumption and production of malic acid during alcoholic fermentation.

La hausse des températures a de nombreux impacts sur la vigne et les baies de raisin. Parmi eux, une augmentation de la teneur en sucre des baies à maturité et une diminution de leur teneur en acidité. L’adaptation des pratiques viti-vinicoles aux matrices œnologiques de demain passe, entre autres, par l’utilisation de levures de vinification mieux adaptées aux caractéristiques physico-chimiques des moûts. Il existe au sein de l’espèce Saccharomyces cerevisiae une grande variabilité génotypique et phénotypique impactant de nombreux traits technologiques. La capacité des levures de vinification à moduler l’acidité lors de la fermentation alcoolique est au centre de ce travail de thèse. Cette propriété technologique a été optimisée grâce à des programmes de croisement assistés à l’aide de marqueurs génétiques liés à des QTLs (Quantitative Trait Loci) préalablement identifiés. Des souches fortement consommatrices ou productrices d’acide malique ont été obtenues. Ces souches ont été caractérisées d’un point de vue fermentaire, métabolique et sensoriel dans plusieurs matrices œnologiques afin de les intégrer à différents itinéraires de vinification. Un état des lieux de la modulation de l’acidité d’une cinquantaine de souches du genre Saccharomyces a également été entrepris. Ce paysage phénotypique a été réalisé par une approche de métabolomique ciblée par RMN du proton dans différentes matrices œnologiques. Des différences phénotypiques portant sur la teneur finale en acides organiques ont été mises en évidence. Pour un sous-ensemble de souches de S. cerevisiae appartenant aux groupes génétiques de vin et de voile, une étude comparative de la concentration en métabolites intracellulaires a été réalisée. Ce travail a nécessité le développement d’une méthode d’extraction et de quantification par spectrométrie RMN du proton. Des trade-off métaboliques avec des traits d’histoire de vie ont été mis en évidence entre les deux groupes. Une dernière partie plus fonctionnelle vise à comprendre les modes de production et de consommation de l’acide malique au cours de la vinification. L’ajout dans le milieu fermenté d’acide malique marqué au 13C et l’utilisation de plusieurs approches métabolomiques: LC-MS/MS, GC-MS, RMN-2D, a permis de comprendre les spécificités métaboliques de souches extrêmes. Enfin l’étude métabolomique non ciblée de plusieurs vins obtenus à partir de souches extrêmes a permis de définir des molécules clés capables de moduler l’acidité des vins.The increase in temperature has many impacts on grapevines and grape berries. Among them, an increase in the sugar content of ripe grapes and a decrease in their acidity content. The adaptation of winemaking practices to tomorrow's oenological matrices requires, among other things, the use of winemaking yeasts that are better adapted to the physicochemical characteristics of musts. There is a large genotypic and phenotypic variability within the Saccharomyces cerevisiae species, which has an impact on many technological traits. The ability of winemaking yeasts to modulate acidity during alcoholic fermentation is the focus of this thesis. This technological property was optimized through breeding programs assisted by genetic markers linked to previously identified QTLs (Quantitative Trait Loci). Strains with high malic acid consumption or production were obtained. These strains were characterized from a fermentative, metabolic, and sensory point of view, in several oenological matrices, in order to integrate them into different winemaking itineraries. An overview of the acidity modulation of about 50 strains of the Saccharomyces genus was also undertaken. A phenotypic landscape was carried out by a targeted metabolomic approach using 1H NMR in different oenological matrices. Phenotypic differences in the final organic acid content were identified. A comparative study of intracellular metabolite concentration was performed for a subset of S. cerevisiae strains belonging to the wine and flor genetic groups. This work required the development of an extraction and quantification method by 1H NMR spectrometry. Metabolic trade-offs with life history traits have been highlighted between the two groups. A last and more functional part aimed at understanding the production and consumption modes of malic acid during the wine making process. The addition of 13C-labelled malic acid to the fermented medium and the use of several metabolomic approaches: LC-MS/MS, GC-MS, 2D-NMR allowed us to understand the metabolic specificities of extreme strains. Finally, the non-targeted metabolomic study of several wines obtained from extreme strains allowed to define key molecules able to modulate the acidity of wines

Etude de la modulation de l'acidité des vins par Saccharomyces cerevisiae par des approches génétiques et métabolomiques. Rôle de la consommation et de la production de l'acide malique au cours de la fermentation alcoolique.

The increase in temperature has many impacts on grapevines and grape berries. Among them, an increase in the sugar content of ripe grapes and a decrease in their acidity content. The adaptation of winemaking practices to tomorrow's oenological matrices requires, among other things, the use of winemaking yeasts that are better adapted to the physicochemical characteristics of musts. There is a large genotypic and phenotypic variability within the Saccharomyces cerevisiae species, which has an impact on many technological traits. The ability of winemaking yeasts to modulate acidity during alcoholic fermentation is the focus of this thesis. This technological property was optimized through breeding programs assisted by genetic markers linked to previously identified QTLs (Quantitative Trait Loci). Strains with high malic acid consumption or production were obtained. These strains were characterized from a fermentative, metabolic, and sensory point of view, in several oenological matrices, in order to integrate them into different winemaking itineraries. An overview of the acidity modulation of about 50 strains of the Saccharomyces genus was also undertaken. A phenotypic landscape was carried out by a targeted metabolomic approach using 1H NMR in different oenological matrices. Phenotypic differences in the final organic acid content were identified. A comparative study of intracellular metabolite concentration was performed for a subset of S. cerevisiae strains belonging to the wine and flor genetic groups. This work required the development of an extraction and quantification method by 1H NMR spectrometry. Metabolic trade-offs with life history traits have been highlighted between the two groups. A last and more functional part aimed at understanding the production and consumption modes of malic acid during the wine making process. The addition of 13C-labelled malic acid to the fermented medium and the use of several metabolomic approaches: LC-MS/MS, GC-MS, 2D-NMR allowed us to understand the metabolic specificities of extreme strains. Finally, the non-targeted metabolomic study of several wines obtained from extreme strains allowed to define key molecules able to modulate the acidity of wines.La hausse des températures a de nombreux impacts sur la vigne et les baies de raisin. Parmi eux, une augmentation de la teneur en sucre des baies à maturité et une diminution de leur teneur en acidité. L’adaptation des pratiques viti-vinicoles aux matrices œnologiques de demain passe, entre autres, par l’utilisation de levures de vinification mieux adaptées aux caractéristiques physico-chimiques des moûts. Il existe au sein de l’espèce Saccharomyces cerevisiae une grande variabilité génotypique et phénotypique impactant de nombreux traits technologiques. La capacité des levures de vinification à moduler l’acidité lors de la fermentation alcoolique est au centre de ce travail de thèse. Cette propriété technologique a été optimisée grâce à des programmes de croisement assistés à l’aide de marqueurs génétiques liés à des QTLs (Quantitative Trait Loci) préalablement identifiés. Des souches fortement consommatrices ou productrices d’acide malique ont été obtenues. Ces souches ont été caractérisées d’un point de vue fermentaire, métabolique et sensoriel dans plusieurs matrices œnologiques afin de les intégrer à différents itinéraires de vinification. Un état des lieux de la modulation de l’acidité d’une cinquantaine de souches du genre Saccharomyces a également été entrepris. Ce paysage phénotypique a été réalisé par une approche de métabolomique ciblée par RMN du proton dans différentes matrices œnologiques. Des différences phénotypiques portant sur la teneur finale en acides organiques ont été mises en évidence. Pour un sous-ensemble de souches de S. cerevisiae appartenant aux groupes génétiques de vin et de voile, une étude comparative de la concentration en métabolites intracellulaires a été réalisée. Ce travail a nécessité le développement d’une méthode d’extraction et de quantification par spectrométrie RMN du proton. Des trade-off métaboliques avec des traits d’histoire de vie ont été mis en évidence entre les deux groupes. Une dernière partie plus fonctionnelle vise à comprendre les modes de production et de consommation de l’acide malique au cours de la vinification. L’ajout dans le milieu fermenté d’acide malique marqué au 13C et l’utilisation de plusieurs approches métabolomiques: LC-MS/MS, GC-MS, RMN-2D, a permis de comprendre les spécificités métaboliques de souches extrêmes. Enfin l’étude métabolomique non ciblée de plusieurs vins obtenus à partir de souches extrêmes a permis de définir des molécules clés capables de moduler l’acidité des vins

Marker Assisted Selection of Malic-Consuming Saccharomyces cerevisiae Strains for Winemaking. Efficiency and Limits of a QTL’s Driven Breeding Program

Natural Saccharomyces cerevisiae yeast strains exhibit very large genotypic and phenotypic diversity. Breeding programs that take advantage of this characteristic are widely used for selecting starters for wine industry, especially in the recent years when winemakers need to adapt their production to climate change. The aim of this work was to evaluate a marker assisted selection (MAS) program to improve malic acid consumption capacity of Saccharomyces cerevisiae in grape juice. Optimal individuals of two unrelated F1-hybrids were crossed to get a new genetic background carrying many “malic consumer” loci. Then, eleven quantitative trait loci (QTLs) already identified were used for implementing the MAS breeding program. By this method, extreme individuals able to consume more than 70% of malic acid in grape juice were selected. These individuals were tested in different enological matrixes and compared to their original parental strains. They greatly reduced the malic acid content at the end of alcoholic fermentation, they appeared to be robust to the environment, and they accelerated the ongoing of malolactic fermentations by Oenococcus oeni. This study illustrates how MAS can be efficiently used for selecting industrial Saccharomyces cerevisiae strains with outlier properties for winemaking