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Genome evolution and adaptation in yeast : l f h i t l t f i i texample of horizontal transfer in wine yeasts
Sylvie Dequin
UMR1083 SPO Montpellier p
Colloque France-Brésil 2012Des recherches pour l'agronomie, la biodiversité et la santé
17 octobre 2012, Agropolis International, Montpellier
Saccharomyces cerevisiae
FermentationsBread
Wine
Bread
Man
BeerCider
Man
Oak
Lab
Various ecological niches in relation to human activities (fermentations,
Lab
g (bread, wine, beer, cheese, laboratory, clinical…)
High phenotypic diversity within the species
Colloque France‐Brésil 2012 : Des recherches pour l'agronomie, la biodiversité et la santé Montpellier, le 17 octobre 2012
Wine yeasts: a unique originExpansion of populations through human activities
Microsatellite analysis Low coverage genome sequence
Legras et al, Mol Ecol, 2007Liti et al, Nature, 2009
Colloque France‐Brésil 2012 : Des recherches pour l'agronomie, la biodiversité et la santé Montpellier, le 17 octobre 2012
Saccharomyces cerevisiaewine yeasts
Adaptation to wine making
Association to winemaking 7 000
acidic stress
nutrientsstarvationosmotic
tAssociation to winemaking 7,000 years BC (Mc Govern et al, 2004) ethanol toxicitystress
Selected for optimal traitsfermentation performance
th l t lethanol tolerancelow acetic acid productionlow H2S formation, etc
High [glucose/fructose]low pH Limitation N lipids vitamins
C tl th 200
Limitation N, lipids, vitaminsanaerobiosisSO2
Currently more than 200 commercial strains Multiple and sequential
stressesstresses Colloque France‐Brésil 2012 : Des recherches
pour l'agronomie, la biodiversité et la santé Montpellier, le 17 octobre 2012
Whole genome sequence of EC1118
EC1118® Champagne yeastEC1118® Champagne yeastp g yused worldwide as starter
Diploid heterozygous
p g yused worldwide as starter
Diploid heterozygousDiploid, heterozygousMixed WGS (5X) + 454 (17X)Diploid, heterozygousMixed WGS (5X) + 454 (17X)
59A, haploid derivativeIllumina 43X59A, haploid derivativeIllumina 43XIllumina, 43XIllumina, 43X
Novo et al, PNAS, 2009
Colloque France‐Brésil 2012 : Des recherches pour l'agronomie, la biodiversité et la santé Montpellier, le 17 octobre 2012
Comparative analysis of EC1118/S288C genomes
Wine LabDivergence with other S. cerevisiae0 2 to 0 5 %
20,000 heterozygous positions
0.2 to 0.5 %
Chromosomal rearrangements
Gene repertoireSNPs: ~ 50,000rearrangements Missing genes (111, Ty)
Several novel genes
GTCATAGTCATGCCAGTATCAGTACG
Ex: increased expression of SSU1
Several novel genes clusters acquired by
HGTIndels: ~ 5,000
Resistance to sulfites
Perez‐Ortin et al (2002)
Colloque France‐Brésil 2012 : Des recherches pour l'agronomie, la biodiversité et la santé Montpellier, le 17 octobre 2012
Several HGT events of eucaryote origin3 gene clusters carrying 34 genes, 120 kb in totalIndependent events
Zygosaccharomyces bailii
Non Saccharomyces
Zygosaccharomyces bailii
Saccharomyces
Novo et al, PNAS, 2009
Colloque France‐Brésil 2012 : Des recherches pour l'agronomie, la biodiversité et la santé Montpellier, le 17 octobre 2012
Z. bailii, a major contaminant yeast of wine
Highly resistant to stress (acidity, ethanol)
Major cause of alteration of wine in bottle
Horizontal gene transfer could be favoured by common ecological niche
Colloque France‐Brésil 2012 : Des recherches pour l'agronomie, la biodiversité et la santé Montpellier, le 17 octobre 2012
Z. bailii: donor of cluster B
SaccharomycesEC1118
A B C D E
99,7 % nucleotide identity
Zygosaccharomyces A B C D E
Z bailii
Recent transfer from Z bailii to
Z. bailii
Recent transfer from Z. bailii to S. cerevisiae
Colloque France‐Brésil 2012 : Des recherches pour l'agronomie, la biodiversité et la santé Montpellier, le 17 octobre 2012
Several variants of Z. bailii cluster in S cerevisiae strainsS. cerevisiae strains
Z. bailiiChromosomal
XIV
Chromosomal positions
EC1118 XII
X
RM11
M22
XIII
XIVM22
JAY291
XIV
XI
Galeote et al, PLoS One, 2011Colloque France‐Brésil 2012 : Des recherches
pour l'agronomie, la biodiversité et la santé Montpellier, le 17 octobre 2012
Extrachromosomal circular (ECC) DNA
Galeote et al, PLoS One, 2011
Amplification by formation of circular DNA and integration
Colloque France‐Brésil 2012 : Des recherches pour l'agronomie, la biodiversité et la santé Montpellier, le 17 octobre 2012
WU
IL01
Distribution of A, B, C clusters in S. cerevisiae
3 7D
W30
3
03
YS4
NCY
C110
S2 DB6044
WU PW5Mosaic genomes
African palm wineA
2 N DBVPG1853
WU FL1
00
WU Y
JM65
3 si
g127
8b
CPK1
13
S
288C
Max
P W
3
S2
W30
Fors
ters
O
ster
sB
YS
9
YS
2
YS 3
7860
4XDB
VPG
6040
NCY
C361
YJM
789
WU
YJM
320
WU
YJM
421
WU YJM32
6
WU Y
JM42
8
EC9-8
WU YJM45
1
S2 SK1
S2 Y55
WU Y10
YJM269
BC
WU I14 JAY291
W CBS7960
WU T73
W CLIB324
WU YJM280
322134S
W
CLIB382
YIIc17 E
5 273
614N DB
Fors S2
WU YJM
S2U872421
UW05 2173
UW05 2272
S2U034614
WU Y12
S2 Y12 WU Y9
1014-F5
S2 DB6765
DBVPG1788
L1374
S2 L1528
22A4JM
981
975 V
L3 Vin1
3
59A
QA23
EC1118 FS2D F25 7-7
TS12-A7
GUF54-A1
TA12-2
P3-D5
F12-3B
I14
Y9
K11
WU UC5 Kyokai7S2U837873 WU
Japan Sake
2
YJM
b Y
JM97
8
S2 YJM
97
S2
DB11
06
L1
414
WU
WE3
72
AW
RI79
6S2
DB1
373
W
U M
22
G
E7-
4AB
215
AW
RI1
631
632
0-A
7
2
0B2
BC18
7
RM
11-1
A
D47-6-
4A
K1-2
8-1A
59A WU T7W YPS1009
WU NC02 YPS606S2 YPS128
WU YPS163
0.00
05
Wine
US oak
W C
LIB
Found in most wine yeasts and mosaic genomes
96 S i i f96 S. cerevisiae genomes from SGRP, SGD, SPO Colloque France‐Brésil 2012 : Des recherches
pour l'agronomie, la biodiversité et la santé Montpellier, le 17 octobre 2012
Functional distribution of the transferred genes
Metabolic functions: carbon, nitrogen, vitamins
Colloque France‐Brésil 2012 : Des recherches pour l'agronomie, la biodiversité et la santé Montpellier, le 17 octobre 2012
Fsy1, a fructose transporter
Ext
I t
H+ Fructose
Complementation of
IntFructoseH+
0.2% Fructose 0.2% Glucose
Complementation of a hxt null mutant FSY1 encodes a high affinity
fructose/H+ symporter (Km 0.24 mM)
Highly expressed on ethanol
May confer an advantage at the end of fermentation
Residual sugar = fructose
WTHxt1 7Δ
FSY1 WTHxt1-7Δ
FSY1
Residual sugar = fructose
Galeote et al, 2010 MicrobiologyHxt1-7Δ Hxt1-7Δ
Colloque France‐Brésil 2012 : Des recherches pour l'agronomie, la biodiversité et la santé Montpellier, le 17 octobre 2012
The oligopeptide transporters Fot1 & Fot2 FOT1 & FOT2
FOT1/FOT2
Nb dipetides utilized
FOT family, recently identified in the
FOT1 & FOT2 encode dipeptide100
120118
FOT family, recently identified in the genome of fungi
FOT1 & FOT2 encode dipeptide transporters
M f d t60
80
100
46 May confer an advantage when classical nitrogen
sources are depleted during 20
40
60 46
28
p gwinemaking process
Damon et al, ISME J, 2011Wine Wine
fot1-2∆Lab
fot1 2∆Colloque France‐Brésil 2012 : Des recherches
pour l'agronomie, la biodiversité et la santé Montpellier, le 17 octobre 2012
Summary
Role of HGT in the evolution of wine yeast genomes
Several transfer events from distant yeasts, some sharing the same ecological nicheSpreading amplification function of novel genes: suggestSpreading, amplification, function of novel genes: suggest selective advantages during fermentation
SNPs, a main source of variation - a frame for identification of genetic bases of strains properties (QTL approaches)
ABZ1 allele controls the fermentation rate (Ambroset et al, G3 2011)
On going projectsOn going projectsAnalysis of 56 genomes: wine/flor, rum, baking, cheese, oakExperimental evolution (short time-scale)
Colloque France‐Brésil 2012 : Des recherches pour l'agronomie, la biodiversité et la santé Montpellier, le 17 octobre 2012
Acknowledgments
CollaborationsINRA Montpellier
Genoscope, Evry, FranceFrédéric Gavory
k k
Frédéric BigeyVirginie Galeote
Virginie Galeote Patrick Wincker
INRA Grignon, CIRM‐Levures, France Sandrine Mallet
Jean‐Luc LegrasBruno Blondin Brigitte Cambon
Sandrine MalletSerge Casaregola
Pascale Brial
Maité Novo (Post doc) Universidade de Lisboa Portugal
Université Lyon France
a é o o ( os doc)Emmanuelle Beyne (Post doc)Souhir Marsit (PhD student)Annalisa Coi (PhD student)
Universidade de Lisboa, PortugalPaola Gonçalves
Université Lyon, FranceRoland Marmeisse
Annalisa Coi (PhD student)
Colloque France‐Brésil 2012 : Des recherches pour l'agronomie, la biodiversité et la santé Montpellier, le 17 octobre 2012