Exploitation and annotation of Torulaspora delbrueckii genomes: comparison with biotechnological data

Abstract

Nowadays, the most widely used yeast in wine, beer, and bread fermentations is Saccharomyces cerevisiae. However, in the past years, Torulaspora delbrueckii attracted interest due to its properties, from flavor and aroma-enhanced wine to the ability to be preserved longer in frozen dough. The main objective of this thesis was to explore T. delbrueckii genomes publicly available and the ones belonging to our project’s collection, exploring their genomic information and establishing its relationship with their origins and biotechnological applications. In the first phase, publicly available genomes of T. delbrueckii were explored, and their annotation was improved. EggNOG-mapper was used to perform functional annotation of the deduced T. delbrueckii coding genes, offering insights into its biological significance, and revealing 24 clusters of orthologous groups (COG), gathered in three main functional categories: information storage and processing (28% of the proteins), cellular processing and signaling (27%) and metabolism (23%). Small intra-species variability was found when considering functional annotation of the four T. delbrueckii available genomes. A comparative study was also conducted between T. delbrueckii genome and those from 386 fungal species, revealing high homology with species of Zygotorulaspora and Zygosaccharomyces genera, but also with Lachancea and S. cerevisiae. Lastly, the phylogenetic placement of T. delbrueckii was assessed using the core homologues found across 204 common protein sequences of 386 fungal species and strains. In a second phase, the genome of fifty-four T. delbrueckii strains were sequenced and data was explored. The alignment, SNP statistics, annotation, among other steps, were attempted, for the first time, for those strains. PCA analysis was performed with those strains and the ones publicly available, to better understand the connection between the strains’ technological groups. The present work represents a successful effort to increase and improve the annotation of T. delbrueckii’s genome. Overall, this work provides a starting point to unravel the diversity of potential biotechnological applications of T. delbrueckii.

Hoje em dia, a levedura mais utilizada na fermentação de vinho, cerveja e pão é a Saccharomyces cerevisiae. No entanto, nos últimos anos a Torulaspora delbrueckii tem despertado interesse, devido às suas propriedades, desde o sabor e aroma do vinho até a capacidade de ser preservado por mais tempo em massa congelada. O principal objectivo desta tese foi explorar os genomas de T. delbrueckii publicamente disponíveis, assim como os que constituem a coleção do nosso projeto, analisando as suas informações genómicas e estabelecendo relação com suas origens e uso biotecnológico. Na primeira fase, genomas publicamente disponíveis de T. delbrueckii foram explorados e sua anotação foi aprimorada. EggNOG-mapper foi usado para realizar a anotação funcional dos genes codificantes de T. delbrueckii, oferecendo uma perspetiva sobre seu significado biológico, o que revelou 24 grupos de grupos ortólogos (COG), reunidos em três categorias funcionais principais: armazenamento e processamento de informações (28% das proteínas), processamento e sinalização celular (27%) e metabolismo (23%). Pouca variabilidade intra-espécies foi encontrada quando se considerou a anotação funcional dos quatro genomas disponíveis de T. delbrueckii. Foi ainda realizado um estudo comparativo entre o genoma de T. delbrueckii e o de 386 espécies de fungos, o que revelou uma elevada homologia com espécies dos géneros Zygotorulaspora e Zygosaccharomyces, mas também com Lachancea e S. cerevisiae. Por último, foi avaliado o posicionamento filogenético da T. delbrueckii usando os homólogos encontrados em 204 sequências de proteínas comuns de 386 espécies e estirpes de fungos. Na segunda fase, cinquenta e quatro estirpes de T. delbrueckii foram sequenciadas na Novogene e os dados recebidos foram explorados. Procedeu-se ao alinhamento, análise de SNP, anotação, entre outras análises, pela primeira vez, para essas estirpes. Com o objetivo de compreender a relação entre as estirpes estudadas, foi realizado um PCA. O presente trabalho representa um esforço, bem-sucedido, para melhorar a anotação do genoma de T. delbrueckii. No geral, este estudo fornece um ponto de partida para desvendar as potenciais aplicações biotecnológicas da T. delbrueckii.