Vom Weinstock bis zum Tisch: Den Phänotyp von Wein mit Hilfe molekulargenetischer Technologien entwickeln

1. März 2019 Science

Vom Weinstock bis zum Tisch: Den Phänotyp von Wein mit Hilfe molekulargenetischer Technologien entwickeln

Die Weinproduktion gilt zwar als Kunstform, nicht zuletzt jedoch als Ergebnis von neuesten molekulargenetischen Technologien. Diese erleichtern nicht nur die Konstanz von Charge zu Charge, sie ermöglichen auch die Erzeugung neuartiger Traubenmikroflorasorten. Die Auswahl der Trauben ist wichtig, ebenso das Zusammenspiel von extrinsischen und intrinsischen Faktoren sowie die technologischen Entscheidungen, die bei jedem Schritt des Prozesses getroffen werden. Zusammen bestimmen diese, ob das fertige Produkt als „Edelwein“, „Trinkwein“ oder „Essig“ eingestuft wird. [1, 2].

Verschiedene Saccharomyces- und Nicht-Saccharomyces-Hefearten sowie Milchsäurebakterien sind beim Anbau von Trauben, bei der Weinproduktion sowie beim Verderb des Weins von Bedeutung. Saccharomyces (S.) cerevisiae, der als „natürlicher Begleiter“ von frisch gepresstem Traubensaft (oder Traubenmost) gilt, wandelt Traubenzucker in Alkohol und CO₂ um, erzeugt sekundäre Metaboliten und wandelt Vorläufer von Traubenaromen in Rebsortenaromen um [3 ]. Nicht-Saccharomyces-Stämme, die auch im anfänglichen Fermentationsprozess vorhanden sind, befinden sich auf Weintrauben, Kellerausrüstung und in der Kellerumgebung und sind auch in der Luft und in Insekten vorhanden. Diese fallen in eine von drei großen Kategorien: (i) aerobe Hefen (z. B. Pichia spp., Debaryomyces spp., Rhodotorula spp., Candida spp., Cryptococcus albidus); (ii) apikulierte Hefen mit geringer fermentativer Aktivität (z. B. Hanseniaspora uvarum, Hanseniaspora guilliermondii und Hanseniaspora occidentalis); und (iii) Hefen mit fermentativem Metabolismus (z. B. Kluyveromyces marxianus, Torulaspora delbrueckii, Metschnikowia pulcherrima und Zygosaccharomyces bailii).

Traditionell wurde angenommen, dass Nicht-Saccharomyces-Hefen sequentiell an der Traubenmost-Gärung teilhaben und dann mit fortschreitender Gärung allmählich verschwinden. Ihr Verschwinden wurde ihrem langsamen Wachstum, der Hemmung durch SO₂, einem niedrigen pH-Wert, einer hohen Ethanolkonzentration, einem O₂-Mangel und dem Auftreten von Saccharomyces spp. für Nährstoffe zugeschrieben. Vor kurzem wurde jedoch berichtet, dass das Verschwinden erwünschter Nicht-Saccharomyces-Stämme aus der Traubenmost-Gärung durch Verbesserungen der Kellerhygiene und die Verringerung des SO₂-Verbrauchs aufgehoben werden könnte. Verbesserungen bei molekularen Technologien haben auch deren Nachweis erleichtert [3]. Der Wert bestimmter Nicht-Saccharomyces-Stämme kann nicht hoch genug eingeschätzt werden, da viele von ihnen aromatische Verbindungen zum Endprodukt beitragen [3]. Nicht-Saccharomyces-Stämme, die zum Verderb von Trauben führen (z. B. Brettanomyces bruxellensis), sind der Erzfeind des Weinproduzenten, aber auch diese können durch eine ähnliche, sorgfältige Behandlung der Kellerhygiene, des pH-Werts, der SO₂, der Temperatur und der Nährstoffe unter Kontrolle gehalten werden. [1, 3].

Milchsäurebakterien finden sich bei der malolaktischen Gärung, die vorwiegend bei der Rotweinproduktion auftritt [1]. Im Traubenmost wurden drei Gattungen von Milchsäurebakterien identifiziert, nämlich (i) Lactobacillus, (ii) Oenococcus und (iii) Pediococcus, die alle in der Lage sind, Fehler in den Wein einzubringen (z. B. Versäuerung, Bitterkeit oder Öligkeit) oder Verderb verursachen [4].

Molekulare Typisierung genetischer Varianten von S. cerevisiae

Innerhalb von S. cerevisiae-Isolaten sind subtile genetische Unterschiede aufgetaucht, von denen angenommen wird, dass sie eine anpassungsfähige Reaktion auf regionalspezifische Klimabedingungen, Bodenzusammensetzung, Höhe und Kultivierungstechniken darstellen [5]. Diese genetischen Varianten können unter Verwendung einer Reihe molekularbiologischer Techniken identifiziert werden, einschließlich (i) vergleichender genomischer Hybridisierungsarrays (CGH), (ii) Genomsequenzierung und funktionaler Annotation, (iii) gepulster Feldgelelektrophorese (PFGE), (iv) Mitochondrial DNA-Restriktionsfragmentlängenpolymorphismus (RFLP), (v) PCR mit Random Amplified Polymorphic DNA (RAPD), (vi) Mikrosatellitenanalysen; (vii) Transposon-assoziierte Delta-Sequenzanalyse und (viii) Multilocus-Sequenztypisierung (MLST) [5].

Molekulare Typisierung des Traubenmikrobioms: Gut, schlechte oder eklig

Die Sortierung des "Wünschenswerten" aus der unerwünschten Verderbnis - Traubenmikroflora wurde durch den hochsensiblen, internen transkribierten Spacer-Restriktionsfragmentlängenpolymorphismus-Test (ITS-RFLP) erheblich vereinfacht [2, 6].

Dieser Assay nutzt die hypervariablen Internal Transcriptions Spacer (ITS) -Regionen, die artspezifisch sind und eine wesentliche Rolle bei der Entwicklung von funktioneller ribosomaler RNA (rRNA) spielen. In Hefen nimmt die ITS1-Domäne die Region zwischen den 18S-rRNA- und den 5.8S-rRNA-Genen ein, während die ITS2-Region die 5.8S-rRNA- und die 28S-rRNA-Gene trennt [7]. In den meisten Bakteriengenomen enthält die Region, die die 16S- und 23S-rRNA-Gene trennt, eine hypervariable ITS-Region. Diese Domäne ist stark polymorph und artenspezifisch [8]. Daher ist die PCR-Amplifikation von ITS-Regionen in Kombination mit der RFLP-Analyse der verdauten Amplicons ein wirksames Werkzeug zur Identifizierung verschiedener Arten von Traubenmikroflora.

Abschließende Bemerkungen
Die Verwendung molekulargenetischer Techniken bei der Identifizierung, Manipulation und Analyse der Mikroflora von Weintrauben hat dem Prozess wissenschaftliche Präzision verliehen. Darüberhinaus ist es möglich, neuartige mikrobielle Sorten und konsistent reproduzierbare Weinsorten zu schaffen, die bisher nicht existierten.

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REFERENZEN
1.   PRETORIUS, IS. “Conducting wine symphonics with the aid of yeast genomics”. Beverages 2016; 2: 36-63. doi: 10.3390/beverages2040036.
2.   APONTE, M, BLAIOTTA, G. “Potential role of yeast strains isolated from grapes in the production of Taurasi DOCG”. Front Microbiol 2016; 7: 809.
3.   JOLLY, NP, VARELA, C, PRETORIUS, IS. “Not your ordinary yeast: non-Saccharomyces yeasts in wine production uncovered”. FEMS Yeast Res 2014; 14(2): 215-237.
4.   “Avoiding spoilage from lactic acid bacteria”. The Australian Wine Research Institute. Fact Sheet: Winemaking [Updated 2016]. https://www.awri.com.au/wp-content/uploads/2011/06/Avoiding-spoilage-from-LAB.pdf
5.   TOFALO, R, PERPETUINI, G, SCHIRONE, M, et al. “Biogeographical characterization of Saccharomyces cerevisiae wine yeast by molecular methods”. Front Microbiol 2013; 4: 166
6.   BARATA, A, GONZÁLEZ, S, MALFEITO-FERREIRA, M, et al. “Sour rot-damaged grapes are sources of wine spoilage yeasts”. FEMS Yeast Res 2008; 8(7): 1008-1017.
7.   ESTEVE-ZARZOSO, B, BELLOCH, C, URUBURU, F, et al. “Identification of yeasts by RFLP analysis of the 5.8S rRNA gene and the two ribosomal internal transcribed spacers”. Int J Syst Bacteriol 1999; 49 Pt 1: 329-337.
8.   YAVUZ, E, GUNES, H, BULUT, C, et al. “RFLP of 16S-ITS rDNA region to differentiate Lactobacilli at species level”. World J Microbiol Biotechnol 2004; 20: 535-537.