DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2025.1720597
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41551649
تاريخ النشر: 2026-01-02
المؤلف: Justin Joseph Asmus وآخرون
الموضوع الرئيسي: التخمير والتحليل الحسي
نظرة عامة
يتناول هذا القسم من ورقة البحث التحقيق في التفاعلات بين سلالات خميرة النبيذ *Saccharomyces cerevisiae* وأنواع أخرى شائعة، مع التركيز بشكل خاص على الخصائص الظاهرية والجزيئية التي لوحظت خلال الزراعة المشتركة. قام المؤلفون بإجراء تحليل مجمع لبيانات النسخ الجيني من دراسات سابقة، والتي كشفت عن مجموعة أساسية من الجينات المعبر عنها بشكل مختلف (DEGs) التي تستجيب لوجود أنواع خميرة أخرى. استخدم التحليل بيانات من 39 عينة تم تسلسلها على منصات Illumina أو Ion Torrent، مع استخدام iDEP للتطبيع وتحليل التعبير التفاضلي مع معايير |log2 FC| > 0 ومعدل الاكتشاف الكاذب (FDR) ≤ 0.05.
تشمل النتائج الرئيسية تحديد المسارات الغنية المتعلقة باستيراد أيونات النحاس، ونقل المعادن الانتقالية، وتكوين مانوبروتين جدار الخلية، وتخليق الميثيونين والكبريت. ومن الجدير بالذكر أن حذف الجين FIT2 في السلالة البرية VIN13Δfit2 أظهر أنماط ظاهرة محددة للتفاعل تختلف عن تلك التي لوحظت في سلالات المختبر من مكتبة حذف Euroscarf. وهذا يبرز تعقيدات توضيح الجينات ضمن سياق بيئي ويؤكد أهمية FIT2 في تعديل التفاعلات بين الأنواع. تؤكد الدراسة على الحاجة إلى مزيد من الاستكشاف للجينات المعبر عنها بشكل مختلف المحددة في أبحاث الزراعة المشتركة المستقبلية لفهم أفضل لديناميات النظم البيئية الميكروبية في تخمير النبيذ.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث الزيادة المتزايدة في انتشار الثقافات المختلطة الأنواع في إنتاج النبيذ، وخاصة التلقيح المشترك لعصير العنب مع *Saccharomyces cerevisiae* وأنواع خميرة غير *Saccharomyces* المختلفة. يُعتقد أن هذه الممارسة تعزز الخصائص المرغوبة للنبيذ، مثل تحسين الرائحة، وزيادة محتوى حمض اللبنيك، وزيادة تركيزات البوليسكاريد والجلسرين. يُعزى هيمنة *S. cerevisiae* خلال مراحل التخمير إلى تكيفاتها مع البيئات عالية السكر، بما في ذلك تحمل الإيثانول العالي والقدرة على النمو في ظروف منخفضة الأكسجين. ومع ذلك، تؤثر التفاعلات بين أنواع الخميرة المختلفة خلال التخمير بشكل كبير على أدائها الأيضي، ومع ذلك لا تزال الآليات الجزيئية الأساسية غير موصوفة بشكل كافٍ.
تسلط الورقة الضوء على التحديات التي تواجه دراسة تفاعلات الخميرة في الثقافات المختلطة، وخاصة في الزراعة المشتركة بين نوعين، حيث تعقد التغيرات البيئية وتفاعلات الأنواع تحديد أنماط التعبير الجيني المحددة. أظهرت الدراسات السابقة أن التغيرات الطفيفة في استراتيجيات التلقيح يمكن أن تؤثر بشكل كبير على النتائج الظاهرة والجزيئية لهذه الزراعة المشتركة. قام المؤلفون بإجراء تحليل ميتا-نسخي باستخدام بيانات من دراسات سابقة لتحديد الجينات المعبر عنها بشكل مختلف الشائعة (DEGs) في *S. cerevisiae* عبر ظروف النمو المختلفة. ومن الجدير بالذكر أن الجين *FIT2*، الذي يشفر مانوبروتين جدار الخلية، وُجد أنه يلعب دورًا حاسمًا في تفاعلات الخميرة، حيث أدى حذفه إلى تغيير أنماط التفاعل. تؤكد النتائج على تعقيد تفاعلات نظام الخميرة وأهمية الاستجابات المحددة للسلالات في التخمرات المختلطة.
طرق
يستعرض قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يوضح المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية، وأدوات، وعينات بيولوجية، لضمان إمكانية تكرار التجارب. تشمل المنهجية البروتوكولات المتبعة لجمع البيانات، بما في ذلك أي تحليلات إحصائية تم تطبيقها لتفسير النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، قد يصف القسم الظروف التجريبية، مثل درجة الحرارة، والمدة، وأي ضوابط تم تنفيذها للتحقق من النتائج. بشكل عام، يخدم هذا القسم لتقديم نظرة شاملة على التقنيات والمواد المستخدمة، مما يمكّن الباحثين الآخرين من تكرار الدراسة والتحقق من استنتاجاتها.
نتائج
في هذا القسم، يقدم المؤلفون نتائج تحليلاتهم الحاسوبية لبيانات النسخ الجيني من الزراعة المشتركة لمجموعة متنوعة من عزلات النبيذ من *Saccharomyces cerevisiae* و*Lactobacillus thermotolerans*. ركز التحليل على تحديد الجينات المعبر عنها بشكل مختلف (DEGs) المرتبطة بالاتصال المباشر بين نوعي الخميرة. تم تحديد ما مجموعه 203 DEG متداخلة لـ *S. cerevisiae*، تتألف من 74 جينًا معبرًا عنه بشكل مرتفع و129 جينًا معبرًا عنه بشكل منخفض. أظهر تحليل الإثراء أن الجينات المعبر عنها بشكل مرتفع كانت مرتبطة باستيراد أيونات النحاس ونقل المعادن، بينما كانت الجينات المعبر عنها بشكل منخفض مرتبطة بتخليق الميثيونين والكبريت.
بالنسبة لـ *L. thermotolerans*، تم تحديد 511 DEG متداخلة، مع 264 جينًا معبرًا عنه بشكل مرتفع و247 جينًا معبرًا عنه بشكل منخفض. كانت DEGs المعبر عنها بشكل مرتفع غنية في المسارات المتعلقة بتخليق الإرجوستيرول والكحول، بينما كانت DEGs المعبر عنها بشكل منخفض مرتبطة بتخليق أحادي فوسفات الإينوزين (IMP). تسلط النتائج الضوء على مسارات أيضية مميزة تتأثر بالاتصال الخلوي في الزراعة المشتركة، والتي قد تكون لها آثار على فهم الديناميات الظاهرة لهذه التفاعلات الخميرية. شملت التحقيقات الإضافية فحوصات مع *L. thermotolerans* جنبًا إلى جنب مع الطفرات الحذوفة للجينات المحددة من *S. cerevisiae* لاستكشاف آثارها الظاهرة المحتملة.
مناقشة
في هذه الدراسة، حقق المؤلفون في التفاعلات بين *Saccharomyces cerevisiae* و*Lachancea thermotolerans* من خلال تحليلات النسخ الجيني والفحص الظاهري للطفرات الحذوفة. تم إحياء سلالات الخميرة من مخزونات الجلسرين وزراعتها في وسائط متنوعة، بما في ذلك عصير العنب الاصطناعي المعدل (SGM) وISA-SGM، مع تعديلات محددة على الرقم الهيدروجيني وتركيزات المغذيات. تم إعادة تحليل مجموعات بيانات النسخ الجيني من ثلاث دراسات لتحديد الجينات المعبر عنها بشكل مختلف (DEGs) تحت ظروف الزراعة المشتركة، باستخدام خط أنابيب معلومات حيوية شامل يتضمن مراقبة الجودة، والمحاذاة، وتحليل التعبير التفاضلي باستخدام أدوات مثل DESeq2 وNOISeq.
شمل الفحص الظاهري زراعة الطفرات الحذوفة من *S. cerevisiae* مع *L. thermotolerans* لتقييم تأثير الحذوفات الجينية المحددة على تفاعلات الخميرة. استخدمت الدراسة تقنية قياس التدفق لمراقبة تجمعات الخلايا القابلة للحياة، مع تحسين الظروف مثل نسب التلقيح وتركيبة الوسائط. ومن الجدير بالذكر أن حذف الجين FIT2 تم تسليط الضوء عليه لتأثيره الكبير على ديناميات الزراعة المشتركة، مما أدى إلى مزيد من التحقق من خلال تقنية CRISPR/Cas9 لإسكات الجينات. أشارت النتائج إلى أن بعض الجينات، وخاصة تلك المتعلقة بسلامة جدار الخلية، تلعب أدوارًا حاسمة في التفاعل بين هذه الأنواع من الخميرة، مما يوفر رؤى حول دينامياتها البيئية والتخميرية.
DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2025.1720597
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41551649
Publication Date: 2026-01-02
Author(s): Justin Joseph Asmus et al.
Primary Topic: Fermentation and Sensory Analysis
Overview
This section of the research paper discusses the investigation of interactions between the wine yeast species Saccharomyces cerevisiae and other prevalent species, specifically focusing on the phenotypic and molecular characteristics observed during coculture. The authors conducted a pooled analysis of transcriptomic data from previous studies, which revealed a core set of differentially expressed genes (DEGs) that respond to the presence of other yeast species. The analysis utilized data from 39 samples sequenced on Illumina or Ion Torrent platforms, employing iDEP for normalization and differential expression analysis with criteria of |log2 FC| > 0 and false discovery rate (FDR) ≤ 0.05.
Key findings include the identification of enriched pathways related to copper ion import, transition metal transport, cell wall mannoprotein biogenesis, and methionine and sulfur biosynthesis. Notably, the deletion of the gene FIT2 in the wildtype strain VIN13Δfit2 exhibited interaction-specific phenotypes that differed from those observed in laboratory strains from the Euroscarf deletion library. This highlights the complexities of gene annotation within an ecological context and underscores the importance of FIT2 in modulating interspecies interactions. The study emphasizes the need for further exploration of specific DEGs in future coculture research to better understand the dynamics of microbial ecosystems in wine fermentation.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the increasing prevalence of mixed species cultures in wine production, particularly the co-inoculation of grape must with *Saccharomyces cerevisiae* and various non-Saccharomyces yeasts. This practice is believed to enhance desirable wine characteristics, such as improved aroma, higher lactic acid content, and increased polysaccharide and glycerol concentrations. The dominance of *S. cerevisiae* during fermentation stages is attributed to its adaptations to high-sugar environments, including high ethanol tolerance and the ability to grow under low oxygen conditions. However, the interactions among different yeast species during fermentation significantly influence their metabolic performance, yet the underlying molecular mechanisms remain inadequately characterized.
The paper highlights the challenges of studying yeast interactions in mixed cultures, particularly in two-species cocultures, where environmental changes and species interactions complicate the identification of specific gene expression patterns. Previous studies have shown that minor variations in inoculation strategies can significantly affect the phenotypic and molecular outcomes of these cocultures. The authors conducted a metatranscriptomic analysis using data from prior studies to identify common differentially expressed genes (DEGs) in *S. cerevisiae* across various growth conditions. Notably, the gene *FIT2*, which encodes a cell wall mannoprotein, was found to play a crucial role in yeast interactions, with its deletion leading to altered interaction patterns. The findings underscore the complexity of yeast ecosystem interactions and the importance of strain-specific responses in mixed fermentations.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including any reagents, instruments, and biological samples, ensuring reproducibility of the experiments. The methodology encompasses the protocols followed for data collection, including any statistical analyses applied to interpret the results.
Additionally, the section may describe the experimental conditions, such as temperature, duration, and any controls implemented to validate the findings. Overall, this section serves to provide a comprehensive overview of the techniques and materials utilized, enabling other researchers to replicate the study and verify its conclusions.
Results
In this section, the authors present the results of their in silico analyses of transcriptomic data from cocultures of various wine isolates of *Saccharomyces cerevisiae* and *Lactobacillus thermotolerans*. The analysis focused on identifying differentially expressed genes (DEGs) associated with direct cell-cell contact between the two yeast species. A total of 203 overlapping DEGs were identified for *S. cerevisiae*, comprising 74 upregulated and 129 downregulated genes. Enrichment analysis revealed that upregulated genes were linked to copper ion import and metal transport, while downregulated genes were associated with methionine and sulfur biosynthesis.
For *L. thermotolerans*, 511 overlapping DEGs were identified, with 264 upregulated and 247 downregulated genes. The upregulated DEGs were enriched in pathways related to ergosterol and alcohol biosynthesis, while downregulated DEGs were associated with inosine monophosphate (IMP) biosynthesis. The findings highlight distinct metabolic pathways influenced by cell contact in cocultures, which may have implications for understanding the phenotypic dynamics of these yeast interactions. Further investigations included screenings with *L. thermotolerans* alongside deletion mutants of the identified *S. cerevisiae* genes to explore their potential phenotypic impacts.
Discussion
In this study, the authors investigated the interactions between *Saccharomyces cerevisiae* and *Lachancea thermotolerans* through transcriptomic analyses and phenotypic screening of deletion mutants. Yeast strains were revived from glycerol stocks and cultured in various media, including modified Synthetic Grape Must (SGM) and ISA-SGM, with specific adjustments to pH and nutrient concentrations. The transcriptomic datasets from three studies were re-analyzed to identify differentially expressed genes (DEGs) under coculturing conditions, employing a comprehensive bioinformatics pipeline that included quality control, alignment, and differential expression analysis using tools like DESeq2 and NOISeq.
The phenotypic screening involved coculturing deletion mutants of *S. cerevisiae* with *L. thermotolerans* to assess the impact of specific gene deletions on yeast interactions. The study utilized flow cytometry to monitor viable cell populations, optimizing conditions such as inoculation ratios and media composition. Notably, the deletion of the FIT2 gene was highlighted for its significant effect on coculture dynamics, leading to further validation through CRISPR/Cas9-mediated gene knockout. The results indicated that certain genes, particularly those related to cell wall integrity, play crucial roles in the interaction between these yeast species, providing insights into their ecological and fermentation dynamics.