Evolution of Penicillium fungi : Adaptation and Degeneration in Fermented Food Environments

par Ying-Chu Lo

Thèse de doctorat en Biologie

Sous la direction de Tatiana Giraud et de Antoine Branca.

Soutenue le 25-06-2019

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences du Végétal : du gène à l'écosystème (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Écologie, systématique et évolution (Orsay, Essonne ; 2002-....) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) .

Le président du jury était Christine Dillmann.

Le jury était composé de Tatiana Giraud, Antoine Branca, Christine Dillmann, Delphine Sicard, Monika Ava Coton, Joëlle Dupont.

Les rapporteurs étaient Delphine Sicard, Monika Ava Coton.

  • Titre traduit

    L'évolution des Penicillium : adaptation et dégénérescence dans lesenvironnements alimentaires fermentés


  • Résumé

    La domestication est un modèle idéal pour étudier les processus évolutifs car elle implique des événements d'adaptation récents avec une sélection forte. Les champignons sont de bons organismes modèles pour étudier la domestication et plus généralement l’adaptation, grâce à leurs petits génomes et leur facilité de manipulation. Ils sont utilisés depuis longtemps pour la transformation alimentaire, par exemple P. camemberti et P. roqueforti pour la fabrication du fromage, et la levure Saccharomyces pour la fermentation du vin et de la bière. Chez ces champignons, des caractéristiques bénéfiques ont été acquises pour la transformation alimentaire, et les transferts horizontaux de gènes se sont révélés être un moyen essentiel d’adaptation rapide dans l’environnement alimentaire. Ici, j’ai étudié principalement l’adaptation de deux espèces de Penicillium relativement distantes phylogénétiquement - P. nalgiovense et P. salamii, toutes deux utilisées pour la maturation de la viande séchée. J’ai étudié si ces champignons ont été domestiqués, c’est-à-dire si les populations alimentaires se sont adaptées à l’environnement de la viande séchée, et s’il y a eu une différenciation génétique par rapport à d’autres populations; j’ai aussi recherché si des traces génomiques d’adaptation pouvaient être détectées. En analysant des génomes complets, j’ai trouvé peu de diversité génétique et de structure de population chez P. salamii et encore moins chez P. nalgiovense. Des expériences ont montré que les populations de P. salamii et P. nalgiovense provenant de viande séchée présentaient des taux de protéolyse et de lipolyse plus faibles et des couleurs différentes de celles des populations de viande non séchée. De plus, nous avons trouvé des transferts de gènes horizontaux partagés par P. salamii et P. nalgiovense et absents chez d’autres espèces de Penicillium. En résumé, ces résultats indiquent une évolution convergente et une adaptation des populations de P. salamii et P. nalgiovense à la viande séchée. J'ai également étudié les conséquences de la domestication chez le champignon utilisé pour la production de fromages bleus, P. roqueforti, montrant une faible fertilité des souches fromagères par rapport aux souches non fromagères. Les résultats de la thèse soulignent donc l'importance des transferts de gènes horizontaux pour une adaptation rapide chez les champignons et renforcent l'idée que les champignons domestiqués pour la production de nourriture sont de bons modèles pour étudier l'adaptation et l'évolution.


  • Résumé

    Domestication is an ideal model to study evolutionary processes due to the recent adaptation events and strong selection it implies. Fungi in particular are good model organisms to study domestication and more generally adaptation, with their small genomes and experimental tractability. Fungi have been used for food production, e.g., P. camemberti and P. roqueforti for cheesemaking, and Saccharomyces yeast for wine and beer fermentation. In these fungi, beneficial traits have been acquired for food production, and horizontal gene transfers (HGTs) have been shown to be a major way to rapid adaptation in food environment. Here, I mainly studied the adaptation of food Penicillium fungi using two distantly related Penicillium species - P. nalgiovense and P. salamii, both used for dry-cured meat maturation, to assess whether these fungi have been domesticated, i.e., whether food populations adapted to the dry-cured meat environment, whether were genetically differentiated from other populations, and whether we could find genomic footprints of adaptive events. Using genome sequencing, we found little diversity and population structure in P. salamii and even less in P. nalgiovense. Experiments showed that both P. salamii and P. nalgiovense dry-cured meat populations had lower proteolysis and lipolysis rates and different colors from non-dry-cured meat populations. Furthermore, we found HGTs shared by P. salamii and P. nalgiovense while lacking in other Penicillium species. Altogether, these results indicate convergence evolution and adaptation in P. salamii and P. nalgiovense dry-cured meat populations, as was previously found in cheese Penicillium fungi. I also studied the consequences of domestication in the blue cheese fungus P. roqueforti, showing lower fertility of cheese strains compared to non-cheese strains. The results of the thesis thus point out the importance of HGTs for rapid adaptation in fungi and reinforce the view that fungi are ideal models to study adaptation and evolution.



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