Diversity and genomic characteristics of Oenococcus oeni

par Marc Lorentzen

Thèse de doctorat en Œnologie

Sous la direction de Patrick Lucas.

Soutenue le 21-12-2018

à Bordeaux , dans le cadre de École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Bordeaux) , en partenariat avec Unité de recherche oenologie (laboratoire) .

Le président du jury était Marguerite Dols-Laffargue.

Les rapporteurs étaient Stéphane Chaillou, Cristina Reguant-Miranda.

  • Titre traduit

    Diversité et caractéristiques génomiques d'Oenococcus oeni


  • Résumé

    Oenococcus oeni est une espèce de bactérie lactique adaptée à l'environnement hostile de la fermentation du vin. Elle montre un degré de spécialisation remarquable face au stress provoqué par le faible pH et la forte teneur en éthanol, ce qui lui permet de proliférer là où la plupart des bactéries ne survivent pas. Cette bactérie est très importante dans la production de vin, car elle réalise la fermentation malolactique, qui se produit après la fermentation alcoolique, et au cours de laquelle l'acide malique est métabolisé en acide lactique et où le vin est désacidifié. L'espèce accumule des mutations plus vite que les autres espèces de bactéries lactiques, ce qui a probablement accéléré le processus de domestication. Son degré de spécialisation a été démontré par la présence de populations spécifiques adaptées aux vins rouges ou aux vins blancs dans la même région. Dans cette étude, nous avons utilisé des approches de séquençage haut débit et de génomique pour élucider la diversité des souches d’O. oeni, identifier leurs caractéristiques génomiques et mesurer leur dispersion dans différents environnements ainsi que leur dynamique au cours des fermentations. En raison de son importance pour la vinification, plusieurs centaines de souches ont été isolées et séquencées. Dans ce travail, nous avons augmenté la collection de génomes en séquençant des souches de cidre et de kombucha et en effectuant des analyses phylogénétiques afin de clarifier la structure de la population de l'espèce. En calculant un pangénome à l'échelle de l'espèce, nous avons effectué une analyse génomique comparative afin d'explorer des gènes spécifiques à une ou plusieurs sous-populations. Avec le séquençage de nouvelle génération, nous avons produit des génomes entièrement circularisés à partir des principales sous-populations et analysé leurs arrangements génomiques. Ces nouveaux génomes ont été annotés avec de nouveaux pipelines automatiques et une curation manuelle pour la première fois depuis la publication du génome de référence PSU-1. L’évolution des communautés bactériennes au cours de la fermentation, du moût de raisin au vin fini, a été examinée par le séquençage de fragments 16S dans quatre exploitations du bordelais. À l’aide d’amorces universelles et spécifiques, nous avons comparé la biodiversité des espèces dans des vins issus d’agriculture biologique ou conventionnelle. De plus, en se basant sur les groupes phylogénétiques de souches d’O. oeni nouvellement définis, nous avons développé une méthode de qPCR pour analyser la dispersion des groupes de souches d’O. oeni et leur dynamique au cours des fermentations. Cette nouvelle méthode a également été utilisée pour analyser la diversité des souches d’O. oeni dans les vins de base de Cognac et au cours de la production de cidre, deux produits qui se distinguent des productions de vins traditionnels par la non-utilisation de sulfites. Les deux autres espèces du genre Oenococcus, O. kitaharae et O. alcoholitolerans, se retrouvent également dans les environnements de boissons fermentées. O. kitaharae ne possède pas de gène malolactique fonctionnel, mais O. alcoholitolerans, découvert plus récemment, serait capable de réaliser la réaction malolactique. Nous l’avons caractérisée, ainsi que sa tolérance aux facteurs de stress de l'environnement vin. Constatant qu'elle était incapable de survivre dans le vin, nous avons produit un génome entièrement circularisé d'O. alcoholitolerans et effectué une analyse de génomique comparative afin d'identifier les gènes d'O. oeni lui permettant de tolérer le pH et l'éthanol, ce qui manque à O. alcoholitolerans et à O. kitaharae. En conclusion, nous avons utilisé les nouvelles technologies de séquençage de nouvelle génération pour produire des génomes de haute qualité et effectuer des analyses comparatives approfondies à l’échelle de l’espèce qui nous ont permis d’identifier des gènes susceptibles d’expliquer l’adaptation d’O. oeni à l’environnement.


  • Résumé

    Oenococcus oeni is a lactic acid bacteria species adapted to the inhospitable environment of fermenting wine, where it shows a remarkable degree of specialization to the stress of low pH and high ethanol that allows it to proliferate where most bacteria fail to survive. The bacteria is supremely important in wine production, because it carries out malolactic fermentation, a process that occurs after alcoholic fermentation, where malic acid is metabolised into lactic acid and the pH of the wine is raised. The species has only a small genome and accumulates mutations several orders of magnitude faster than other lactic acid bacteria due to a loss of DNA mismatch repair genes. This has likely sped up the process of domestication to wine. The degree of specialization has been demonstrated by finding specific populations adapted to red or white wines in the same region. In this study, we used high throughput sequencing and genomics approaches to elucidate the diversity of O. oeni strains, to identify their genomic characteristics and measure their dispersion in different environments as well as their dynamics during fermentation. Because of its importance to wine-making, several hundred strains have been isolated and sequenced. In this work, we have expanded upon the collection of genomes by sequencing strains from cider and kombucha and performing phylogenetic analyses to clarify the population structure of the species. By calculating a species-wide pangenome, we performed comparative genomics to explore gene clusters that were specific to one or more sub-populations. With next generation sequencing, we produced fully circularized genomes from the major sub-populations and analysed their genomic arrangements. These new genomes were annotated with new, automatic pipelines and manual curation for the first time since the publication of the reference genome PSU-1. The evolution of bacterial communities over the course of fermentation, from grape must to finished wine, was examined with 16S amplicon sequencing in four Bordeaux wineries. Using a universal and a specific primer-set, we compared the biodiversity in wines resulting from organic or conventional farming practices. In addition, with the newly defined phylogenetic groups, we developed a qPCR experiment to detail the composition of O. oeni in the fermentations and cemented the dispersal of even rarely isolated strain sub-populations in grape must. This new method was also used to analyse the diversity of O. oeni strains in the base wines of Cognac and during the production of cider, two products that are distinguished from traditional wine production by not using sulfite. The two other species in the Oenococcus genus, kitaharae and alcoholitolerans, are also found in the environments of fermenting beverages. O. kitaharae does not have a functional malolactic gene, but the more recently discovered O. alcoholitolerans was thought capable of performing the malolactic reaction. We characterized this, as well as the species tolerance for the stressors of the wine environment. Finding it unable to survive in wine, we produced a fully circularized genome of O. alcoholitolerans and performed a comparative genomics analysis to identify the O. oeni genes that enable it to tolerate the pH and ethanol, which O. alcoholitolerans and O. kitaharae lacks. In conclusion, we have used the new technologies of next generation sequencing to produce high-quality genomes and performed extensive, species-wide comparative analyses that allowed us to identify patterns in gene presence that provide likely explanations for environmental adaptation.


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