Summary

Profilazione della comunità batterica dell'uva traminette in fermentazione durante la produzione del vino utilizzando il sequenziamento metagenomico degli ampliconi

Published: December 01, 2023
doi:

Summary

Qui, presentiamo un protocollo per descrivere la metagenomica degli ampliconi per determinare la comunità batterica dell’uva Traminette, dell’uva in fermentazione e del vino finale.

Abstract

I progressi nella tecnologia di sequenziamento e l’accesso relativamente facile all’uso di strumenti bioinformatici per profilare le strutture delle comunità microbiche hanno facilitato una migliore comprensione dei microbi coltivabili e non coltivabili nell’uva e nel vino. Durante la fermentazione industriale, i microbi, noti e sconosciuti, sono spesso responsabili dello sviluppo del prodotto e del sapore sgradevole. Pertanto, la profilazione dei batteri dall’uva al vino può consentire una facile comprensione delle dinamiche microbiche in situ . In questo studio, i batteri del mosto d’uva Traminette in fase di fermentazione e il vino finale sono stati sottoposti a estrazione di DNA che ha prodotto da 15 ng/μL a 87 ng/μL. È stato sequenziato l’amplicone 16S della regione ipervariabile della regione V4, batteri relativamente abbondanti costituiti da phyla Proteobacteria, Actinobacteriota, Firmicutes, Bacteroidota, Fusobacteriota e seguiti da Verrucomicrobiota, Halobacterota, Desulfobacterota, Myxococcota e Acidobacteriota. Un’analisi del diagramma di Venn delle unità tassonomiche operative uniche condivise (OTU) ha rivelato che 15 phyla batterici erano comuni sia al mosto d’uva, alla fase di fermentazione che al vino finale. I phyla che non erano stati segnalati in precedenza sono stati rilevati utilizzando il sequenziamento dell’amplicone 16S, così come generi come Enterobacteriaceae e Lactobacillaceae. È stata testata la variazione nell’uso di nutrienti organici nel vino e il suo impatto sui batteri; Serbatoio di Traminette R contenente Fermaid O e Traminette L stimolati con Stimula Sauvignon blanc + Fermaid O. La diversità alfa utilizzando il test di Kruskal-Wallis ha determinato il grado di uniformità. La diversità beta indicava un cambiamento nei batteri nella fase di fermentazione per i due trattamenti, e i batteri finali del vino sembravano simili. Lo studio ha confermato che il sequenziamento dell’amplicone 16S può essere utilizzato per monitorare i cambiamenti batterici durante la produzione del vino per supportare la qualità e un migliore utilizzo dei batteri dell’uva durante la produzione del vino.

Introduction

L’uva Traminette è caratterizzata da una produzione di vino di qualità superiore, oltre che da una resa apprezzabile e da una parziale resistenza a diverse infezioni fungine 1,2,3. La fermentazione naturale dell’uva si basa sui microrganismi associati, sull’ambiente di produzione del vino e sui recipienti di fermentazione 4,5. Spesso, molte aziende vinicole si affidano a lieviti e batteri selvatici per la fermentazione, la produzione di alcol, esteri, aroma e sviluppo del sapore6.

L’obiettivo di questo studio è quello di esaminare la composizione batterica dell’uva e monitorarne la dinamica durante la fermentazione. Tuttavia, l’uso moderno di colture starter come il Saccharomyces cerevisiae per la fermentazione primaria, dove viene prodotto l’alcol, è comune a diversi stili di vino7. Inoltre, la fermentazione secondaria, in cui l’acido malico viene decarbossilato da Oenococcus oeni ad acido lattico, migliora il profilo organolettico e gustativo del vino e riduce l’acidità del vino 8,9. Con i recenti progressi nell’uso di metodi indipendenti dalla coltura, è ora possibile determinare diversi microbi associati all’uva da vino e alle specie che vengono trasferite al mosto e partecipano alla fermentazione in tempi diversi fino al prodotto finale10.

I ruoli e le dinamiche dei batteri selvatici provenienti da diverse uve trasferite al mosto durante la fermentazione del vino sono poco conosciuti. La tassonomia di molti di questi batteri non è nemmeno nota, o le loro proprietà fenotipiche non sono caratterizzate. Questo rende la loro applicazione nella fermentazione in cocoltura ancora poco sottoutilizzata. Tuttavia, l’analisi microbiologica basata sulla coltura è stata utilizzata per determinare la popolazione batterica associata all’uva e al vino10. È ampiamente noto che la placcatura selettiva della coltura è noiosa, soggetta a contaminazione, ha una bassa riproducibilità e la produzione può essere dubbia; Mancano anche le specie batteriche le cui esigenze di crescita sono sconosciute. Studi precedenti indicano che le metodologie basate sul gene rRNA 16S, indipendenti dalla coltura, offrono un approccio più affidabile ed economico alla caratterizzazione di comunità microbiche complesse11. Ad esempio, il sequenziamento delle regioni ipervariabili del gene rRNA 16S è stato impiegato con successo per studiare i batteri nelle foglie d’uva, nelle bacche e nel vino 12,13,14. Gli studi hanno dimostrato che l’uso del metabarcoding dell’rRNA 16S o del sequenziamento metagenomico dell’intero è adatto per gli studi sul microbioma15. Stanno emergendo informazioni sul possibile legame tra la diversità batterica e le loro caratteristiche metaboliche durante la produzione del vino, che potrebbero aiutare nella determinazione delle proprietà enologiche e del terroir16.

È stata sottolineata la necessità di massimizzare i vantaggi degli strumenti metagenomici che utilizzano il sequenziamento di nuova generazione (NGS) per studiare l’ecologia microbica dell’uva e del vino16,17. Inoltre, l’uso di metodi indipendenti dalla coltura basati sul sequenziamento ad alto rendimento per profilare la diversità microbica dell’ecosistema alimentare e di fermentazione è diventato molto rilevante e prezioso per molti laboratori ed è raccomandato per l’uso industriale18,19. Fornisce un vantaggio per il rilevamento e la profilazione tassonomica delle attuali popolazioni microbiche e del contributo dei microbi ambientali, della loro abbondanza relativa e della diversità alfa e beta20. Il sequenziamento della regione variabile della regione 16S è diventato un importante gene di scelta ed è stato utilizzato durante diversi studi di ecologia microbica.

Mentre molti studi si concentrano sui funghi, in particolare sui lieviti, durante la fermentazione del vino21, questo studio ha riportato il sequenziamento dell’amplicone 16S e gli strumenti bioinformatici utilizzati per studiare i batteri durante la fermentazione dell’uva Traminette per la produzione di vino.

Protocol

1. Produzione sperimentale di vino Ottenere l’uva Traminnette dal vino Dynamis Estate a Jonesville, nel vigneto della Carolina del Nord, diraspare e pigiare per rilasciare il mosto in due fermentatori separati a cielo aperto da 600 L e lasciare sulle bucce per circa 4 giorni con i coperchi. Punzonare i tappi una volta al giorno per mantenere la pelle bagnata e limitare la produzione di acidi volatili (VA).NOTA: L’idea è che molti dei precursori aromatici (monoterpeni) si trovino …

Representative Results

Per prima cosa sono state determinate la quantità e la qualità del DNA estratto dal mosto d’uva, dal vino in fermentazione e dal vino finale; il valore della quantità varia da 15 a 87 ng/μL (Tabella 1). Sequenziamento e bioinformaticaIl sequencer ad alta produttività Illumina ha generato un file FASTQ che è stato importato in Nephele e visualizzato sulla piattaforma QIIME2 26. In primo luogo, è stato utilizza…

Discussion

Il protocollo di metagenomica parte dal campionamento del mosto d’uva, e quando al mosto è stato aggiunto il lievito, il vino in fermentazione e i campioni finali di vino. Questo è stato seguito dall’estrazione del DNA duplicato che è stato estratto con successo da questi campioni. Le quantità ottenute variavano in concentrazione da 15 ng/μL a 87 ng/μL. Ciò dimostra che il protocollo di estrazione del DNA è efficace per gli studi metagenomici del vino. Sebbene la qualità del DNA in A260/A280 vari, ciò può esse…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Si ringraziano i finanziamenti dell’Appalachian State University Research Council (URC) e della borsa di studio CAPES Print Travel che hanno sostenuto la visita della FAO all’Universidade de São Paulo, Ribeirão Preto – São Paulo, Brasile. Questo studio è stato finanziato in parte dal Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior – Brasil (CAPES) – Codice Finanziario 001. ECPDM è grata per la sovvenzione CAPES Print Travel che ha sostenuto la sua visita all’Appalachian State University. ECPDM è assegnista di ricerca 2 presso il Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico, Brasile (CNPq).

Materials

Agarose gel  Promega, Madison, WI USA V3121 Electrophoresis 
FastPrep DNA spinKit for soil  MP Biomedicals, Solon, OH USA 116560-200 DNA extraction 
FastQC software Babraham Institute, United Kingdom Bioinformatics 
Fermaid O Scott Laboratory, Petaluma, CA USA  Fermentation 
High-Fidelity PCR Master Mix  New England Biolabs, USA F630S Polymerase chain reaction for sequencing 
NEBNext Ultra New England Biolabs, USA NEB #E7103 DNA Library Prep
NEBNext Ultra II DNA Library Prep Kit  Illumina, San Diego, CA  USA DNA sequencing 
NovaSeq Control Software (NVCS) Illumina, San Diego, CA  USA DNA sequencing 
Novaseq6000 platform  Illumina, San Diego, CA  USA DNA sequencing 
QuiBit Thermoscientific, Waltham, MA, USA DNA quantification 
Quickdrop spectrophotometer  Molecular device, San Jose, CA, USA DNA quantification 
Sodium Phosphate  Sigma Aldrich 342483 DNA extraction buffer
Stimula Sauvignon Blanc Scott Laboratory, Petaluma, CA USA  Fermentation 

Riferimenti

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Citazione di questo articolo
Goppold, A., Conradie, L., Almeida, O. G. G. d., De Martinis, E. C. P., Oguntoyinbo, F. A. Profiling the Bacterial Community of Fermenting Traminette Grapes during Wine Production using Metagenomic Amplicon Sequencing. J. Vis. Exp. (202), e65598, doi:10.3791/65598 (2023).

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