Геномы винных дрожжей демонстрируют низкое разнообразие

Секвенирование геномов сотен штаммов винных дрожжей S. cerevisiae выявило низкое генетическое разнообразие и высокий уровень инбридинга. Во многих случаях штаммы, продаваемые разными компаниями, оказались почти генетически идентичными. Результаты, опубликованные в апрельском выпуске журнала G3: Genes|Genomes|Genetics, предполагают, что виноделам, стремящимся создать улучшенные винные дрожжи, придется обращаться к созданию гибридов с более экзотическими штаммами.

«Для ферментации вина нужны выносливые дрожжи, — говорит ведущий автор Энтони Борнеман из Австралийского института виноделия. — Винные дрожжи должны быть гораздо более устойчивы к стрессу, чем штаммы, используемые в пивоварении или хлебопечении, чтобы справляться с очень высоким уровнем сахара и кислотности виноградного сусла. Наши результаты показывают, что в виноделии в настоящее время используется лишь ограниченная ветвь эволюционного дерева дрожжей».

Дрожжи вносят вклад во вкус вина и могут даже быть частью его «терруара» — локальных условий, придающих вину уникальный вкус. Традиционно вино сбраживалось естественными дрожжами, но это может приводить к нестабильным результатам от урожая к урожаю. Для получения более предсказуемых результатов большинство виноделов теперь используют чистые активные сухие дрожжевые стартерные штаммы, произведенные коммерческими поставщиками.

Ученые Австралийского института виноделия разрабатывают новые штаммы дрожжей, которые придают различные вкусовые профили во время ферментации вина, включая усиленные цветочные ароматы. Чтобы лучше понять доступное генетическое разнообразие для выведения новых типов дрожжей, авторы исследования секвенировали 212 штаммов дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Это включало коммерческие стартеры для виноделия и пивоварения, а также штаммы, выделенные из естественных брожений вина и других алкогольных напитков.

Результаты показали, что практически все винные дрожжи тесно связаны между собой и несут лишь крошечную долю от общего пула генетического разнообразия S. cerevisiae. Например, большинство штаммов из коллекции шампанских дрожжей Prise de Mousse имеют почти идентичные варианты генов. Эти дрожжи, вероятно, произошли от одного предка или от инбредной популяции предков. Фактически, десятки штаммов, продаваемых разными компаниями, генетически почти полностью неразличимы.

Тем не менее, между штаммами часто обнаруживались тонкие генетические различия, которые могут быть ответственны за их уникальные свойства ферментации и вкуса. Было также несколько случаев серьезных различий. Например, четыре штамма несут уникальный набор генов, участвующих в производстве класса ароматических химических веществ. В другом примере несколько коммерческих штаммов, по-видимому, получены путем гибридизации с невинными дрожжами и содержат кластер генов, обычно ассоциируемый с элевыми дрожжами.

Однако общая картина разнообразия означает, что возможности для создания новых штаммов исключительно из винных дрожжей ограничены. Вместо этого варианты генов нужно будет вводить путем гибридизации с другими разнообразными штаммами S. cerevisiae, говорит Борнеман, например, с теми, что обнаружены в естественных брожениях африканского пальмового вина и других изолятах из окружающей среды. Например, дрожжи, используемые для приготовления японского напитка саке, несут гены, не встречающиеся у винных и элевых дрожжей. Эти гены позволяют дрожжам синтезировать собственный запас микроэлемента биотина, а не полагаться на биотин, поступающий с пищей.

Помимо того, что они служат ресурсом для виноделов, выбирающих дрожжевые сорта для ферментации и разработки штаммов, последовательности геномов предоставляют платформу для многих типов генетических экспериментов, включая полногеномные исследования, которые могут связать конкретные варианты генов с определенными вкусовыми или ферментационными характеристиками.

«Мы надеемся, что лучшее понимание дрожжей позволит нам адаптировать эти организмы для конкретных целей, подобно тому, как мы выводили лучшие сорта одомашненных растений и животных на протяжении тысячелетий», — говорит Борнеман.