Evolution expérimentale en mileu extrême de la bactérie lactique Oenococcus oeni et applications à la sélection de levains malo-lactiques plus performants

Experimental evolution of the wine-associated bacterium Oenococcus oeni in extreme environments : application to the selection of improved malolactic starters

• Auteur / Autrice : Florencia Oviedo-Hernandez
• Direction : Claire Le Hénaff
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Oenologie
• Date : Soutenance le 16/12/2024
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Talence, Gironde ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de recherche œnologie
• Jury : Président / Présidente : Rémi Fronzes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xavier Bellanger
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphanie Desroche-Weidmann, Mireille Ansaldi
• DOI : 10.70675/d473c943z420fz449cza66ezcd8c0b5257d0

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fermentation malolactique

Oenococcus oeni

Génomique

Bactériophages

Mots clés libres

Vin

Fermentation malolactique

Oenococcus oeni

Évolution

Génomique

Bactériophages

Wine

Malolactic fermentation

Oenococcus oeni

Evolution

Genomics

Bacteriophages

Résumé

Dans la production du vin, la fermentation alcoolique (FA) est effectuée par la levure Saccharomyces cerevisiae, qui transforme les sucres du jus de raisin en éthanol et en dioxyde de carbone. Elle est suivie par la fermentation malolactique (FML) dans la plupart des vins rouges de qualité et certains vins blancs, sous l'action des bactéries lactiques (LAB). Oenococcus oeni est l'espèce de LAB prédominante dans la vinification car elle est la mieux adaptée à l'environnement difficile du vin, caractérisé par une pénurie de nutriments, des concentrations élevées en éthanol, un pH acide et la présence de polyphénols et de dioxyde de soufre.L'hypermutation héréditaire a été décrite chez O oeni et est principalement due à des altérations du système de réparation des mésappariements dirigée par la méthylation. Cette augmentation des taux de mutation améliore la capacité des bactéries à résister au stress. Les mutations fréquentes, ainsi que le transfert horizontal de gènes, sont probablement des moteurs clés de l'adaptation rapide de O. oeni aux environnements fluctuants rencontrés lors de la vinification. Cependant, l'étude des traits et des dynamiques évolutives qui contribuent à la diversité adaptative des populations d'O. oeni est difficile dans les fermentations spontanées. Cela est dû à la complexité des facteurs de stress biotiques et abiotiques tout au long de la fermentation. De plus, les conditions climatiques changeantes ont exacerbé ces facteurs inhibiteurs, entraînant une teneur plus élevée en éthanol, des niveaux de sucre accrus et des profils polyphénoliques modifiés. L'interaction de ces facteurs, ainsi que l'utilisation de nouveaux cépages et des pratiques de vinification non uniformes, sont susceptibles de façonner le processus unique de sélection bactérienne pendant la FML.L'objectif de ce travail est de mieux comprendre les pressions sélectives qui s’exercent sur Oenococcus oeni et de relier les variations génétiques des génotypes favorisés aux variables du vin et aux pratiques en cave. Dans le premier chapitre, le typage moléculaire des souches dominantes responsables de la FML a été réalisé dans des vins soumis à différentes combinaisons de trois principaux facteurs de stress : l'éthanol, le pH et les composés polyphénoliques. Le séquençage du génome a fourni des informations sur la parenté génomique des souches co-résidentes dans les vins, permettant de déduire la signification écologique de fonctions spécifiques au sein des lignées de souches et des compositions distinctes de vins, ce qui est crucial pour comprendre la dynamique et l'efficacité de la FML. Dans le deuxième chapitre, des souches sélectionnées provenant de diverses origines ont été assemblées en consortium et leur développement a été évalué dans des vins blancs et rouges après la FA, offrant des perspectives sur les interactions au niveau infra-espèce et la diversité pendant la FML. Enfin, la pression biotique exercée par les phages strictement lytiques d'O. oeni a été explorée à travers des expériences de coévolution en conditions de laboratoire, apportant des éclaircissements le mécanisme d'attachement phage-hôte chez O. oeni, tout en explorant davantage les stratégies possibles que la bactérie développe dans cette relation antagoniste.Dans l'ensemble, nous avons employé diverses approches pour approfondir notre compréhension des pressions auxquelles l’espèce O. oeni est confrontée. Alors que les vignerons comptent de plus en plus sur des souches bactériennes commerciales robustes pour garantir le succès de la FML, nos résultats pourraient contribuer à développer de nouvelles stratégies pour sélectionner des levains FML mieux adaptés aux vins de compositions complexes et difficiles à fermenter.

In the production of wine, alcoholic fermentation (AF) is carried out by the yeast Saccharomyces cerevisiae, transforming the sugars in grape juice into ethanol and carbon dioxide. Additionally, malolactic fermentation (MLF) occurs in most high-quality red wines and some white wines, driven by lactic acid bacteria (LAB). Oenococcus oeni is the predominant LAB species in winemaking because it is best adapted to the challenging wine environment, which includes nutrient scarcity, high ethanol concentrations, low pH, and the presence of polyphenols and sulfur dioxide (SO₂).Heritable hypermutation is described in O. oeni and is mainly due to alterations in methyl-directed mismatch repair. This increase in mutation rates enhances the bacteria's ability to become resistant to stress. Frequent mutations, along with horizontal gene transfer, are likely key drivers of O. oeni's rapid adaptation to the fluctuating environments encountered during winemaking. However, studying the traits and evolutionary dynamics that contribute to the adaptive diversity of O. oeni populations is challenging in spontaneous fermentations. This is due to the complex landscape of biotic and abiotic stressors throughout fermentation. Additionally, changing climate conditions have exacerbated these inhibitory factors, resulting in higher ethanol content, elevated sugar levels, and altered polyphenolic profiles. The interplay of these factors, along with the use of new grape varieties and non-uniform winemaking practices, is likely to shape the unique bacterial selection process during MLF.The objective of this work is to better understand the selective pressures on O. oeni and link genetic variations of the favored genotypes to wine variables and cellar practices. In the first chapter, molecular typing of the dominant strains responsible for MLF was conducted in wines subjected to different combinations of three main stressors: ethanol, pH, and polyphenolic compounds. Genome sequencing provided insights into the genomic relatedness of co-resident strains in the wines and allowed for inferences about the ecological significance of specific functions within strain lineages and distinct wine compositions, which are critical to understand MLF dynamics and efficiency. In the second chapter, selected strains from diverse origins were assembled into a consortium, and their development was assessed in difficult white and red wines upon AF, offering insights into interactions at the infra-species level and diversity during MLF. Lastly, the biotic pressure exerted by strictly lytic O. oeni phages was explored through co-evolutionary experiments under laboratory conditions, shedding light on the phage-host attachment in O. oeni, further exploring the possible strategies that the bacterium develop under this antagonistic relationship.Overall, we employed various approaches to deepen our understanding of the pressures faced by O. oeni. As winemakers increasingly rely on robust commercial bacterial strains to ensure successful MLF, our findings may contribute to the development of new strategies for selecting MLF starters better suited for fermenting wines with complex and challenging compositions.