La levure Saccharomyces cerevisiae joue un rôle essentiel dans la production de composés aromatiques, tels que les esters, les alcools supérieurs et les acides organiques, ainsi que dans la transformation de précurseurs d'arômes du raisin pendant la fermentation du vin. Afin d'identifier les bases génomiques et métaboliques de ces propriétés, un croisement a été réalisé entre deux souches de levures de vin, sélectionnées pour leurs besoins en azote différents lors de la fermentation. 130 ségrégants de génération F2 ont été génotypés par séquençage complet du génome et individuellement phénotypés pendant la fermentation en mesurant les métabolites extracellulaires par HPLC et GC-MS. Les flux métaboliques intracellulaires ont été estimés à l’aide d’un modèle à base de contraintes. Une analyse QTL (quantitative trait locus) a été utilisée pour identifier les allèles influençant les variations d'arômes et de flux métaboliques. Plus de 80 QTL expliquant la variation de 59 caractères quantitatifs ont été détectés. Ces caractères comprennent des paramètres fermentaires, de consommation de substrat, la production de principaux métabolites et d’arômes fermentaires, ainsi que le métabolisme de composés aromatiques du raisin. L’intérêt de la cartographie QTL pour identifier les déterminants génétiques de variations de flux intracellulaires (f-QTLs) a par ailleurs été démontrée. Les QTL détectés ont été disséqués et des gènes dont les allèles contribuent spécifiquement aux variations phénotypiques ont été identifiés. Ces résultats soulignent la complexité génomique et métabolique de la synthèse et de la transformation d'arômes par la levure. L'identification de ces déterminants génétiques permet de mieux comprendre les liens entre variation génétique des levures et traits technologiques et fournit une base précieuse pour le développement de souches optimisées par des stratégies génétiques de croisement assisté par marqueurs. / The yeast Saccharomyces cerevisiae plays a vital role in the production of aroma compounds, such as esters, higher alcohols and organic acids, and the conversion of grape-derived aroma precursors during wine fermentation. To identify the genomic and metabolic bases for these processes, a cross was performed between two wine yeast strains selected because of their different nitrogen requirement during fermentation. 130 F2-segregants were genotyped by whole genome sequencing and individually phenotyped during wine fermentation by measuring extracellular metabolites using HPLC and GC-MS. Intracellular metabolic fluxes were estimated by constraint-based modeling. Quantitative trait locus (QTL) mapping was used to identify allelic variants influencing variations in the aroma profile and metabolic fluxes. More than 80 QTLs explaining variation in 59 quantitative traits were detected. These traits consisted of general fermentation parameters, substrate consumption, the production of main metabolites and fermentative aromas and the metabolism of grape aroma compounds. The applicability of QTL mapping to detect regions influencing intracellular fluxes (f-QTLs) was furthermore demonstrated. Found QTLs were dissected and genes with allele specific contributions to the phenotype were identified. These results emphasize the genomic and metabolic complexity of yeast aroma formation. In addition, the identification of genetic determinants increases knowledge about the links between genetic variation and industrial traits and provides a valuable foundation for the development of optimized strains by marker-assisted selection breeding strategies.

Les souches œnologiques présentent une importante diversité dans leur besoin en azote, qui se traduit par des différences de capacité fermentaire. A l'heure actuelle, les mécanismes impliqués dans la variabilité des profils fermentaires, suite à un épuisement en azote dans le milieu, ne sont pas connus. L'identification de ces mécanismes serait un atout dans la compréhension des phénomènes conduisant aux fermentations problématiques et dans les reprises de fermentation. Afin d'identifier ces mécanismes, nous avons couplé une approche de physiologie et génomique classique, à une approche de génétique impliquant la recherche de QTL basée sur l'efficacité fermentaire en condition de carence en azote. Nous avons ainsi caractérisé cette différence de besoin en azote entre souches comme étant une variabilité dans la capacité à percevoir la carence en azote et à développer un programme de quiescence réduisant le flux d'énergie et augmentant un état de stress. Ces remaniements d'énergie se traduisant alors par des différences de capacités fermentaires. L'approche QTL a quant à elle permis de détecter 23 régions du génome potentiellement impliquées dans le maintien de la capacité fermentaire. Après analyse nous avons identifié 4 gènes dont les variations alléliques sont responsables des variations phénotypiques entre souches. L'utilisation de ces gènes pourrait permettre la conception de marqueurs génétiques, exploités pour la sélection de souches ayant de bonnes capacités fermentaires. Les données issues de cette approche QTL suggèrent une étroite corrélation entre les différences de réponse au stress par les souches et l'implication des mécanismes de perception et de signalisation de l'azote. Enfin, l'ensemble de nos travaux offre une nouvelle hypothèse, en désignant la voie TOR comme le mécanisme responsable de la variation des capacités fermentaires entre souches. / Oenological strains present an important diversity in nitrogen requirement, which result by difference in the fermentative performances. Nowadays, mechanisms involved in variability of fermentation profiles, result in nitrogen depletion in the medium, are not known. The identification of these mechanisms would be an advantage in the comprehension of phenomena leading to problematic fermentation and the fermentation restart. To identify these mechanisms, we have coupled a physiological and classical genomic approach with a genetic approach involving the QTL mapping based on the fermentation capacity in conditions of deficiency. We have characterized this difference in nitrogen requirement between strains as variability in the ability to sense nitrogen starvation and develop a quiescent program that reduces the flow of energy and increases its adaptation to stress. These energy rearrangements result in differences of fermentative performances. QTL approach allowed to detect 23 genome regions potentially involved in maintaining of the fermentative capacity. After analysis we have identified 4 genes for which allelic variations are responsible for the phenotypic variation between strains. The use of these genes may allow the design of genetic markers, exploited for the selection of strains with good fermentation capacity. The data from this QTL approach suggest a correlation between differences in stress response and the involving of mechanisms sensing and nitrogen signaling. Finally, all our work supplies a new hypothesis, pointing to the TOR pathway as the mechanism responsible of variation in fermentation capacity between strains.

Les bases moléculaires responsables des propriétés technologiques des levures œnologiques sont pas ou peu connues. Or, ces connaissances sont nécessaires pour mettre en œuvre des stratégies d'amélioration génétique des capacités fermentaires ou de l'impact organoleptique des levures par croisements et une meilleure exploitation de la biodiversité. Ces travaux de thèse ont visé à l'identification des bases génétiques de plusieurs propriétés d'intérêt, telles que la production de sulfites, la capacité fermentaire en milieu carencé en azote ou la formation d'esters. Une approche de recherche de QTL a été mise en œuvre en s'appuyant sur la création d'une population de ségrégants méiotiques issus du croisement de deux souches œnologiques aux caractéristiques contrastées. Une caractérisation des phénotypes des ségrégants associé à leur génotypage a permis d'identifier des QTL pour les différents traits étudiés. L'implication d'une région du génome dans le contrôle de la voie d'assimilation des sulfates a été démontrée. Ce locus est responsable de la variation phénotypique de plusieurs métabolites de cette voie et de métabolites indirectement connectés. D'autres QTL ont également pu être mis en évidence pour les capacités fermentaires sur un milieu carencé en azote et la production de différents composés volatils. Leur analyse a permis d'identifier plusieurs gènes candidats dont les fonctions sont liées directement ou indirectement aux phénotypes étudiés. / The molecular basis of technological properties of wine yeasts are not or poorly known. However, this knowledge is required for the improvement of the fermentation capacity and of the organoleptic impact of wine yeasts by breeding strategies and a better exploitation of the yeast biodiversity. This thesis aimed at identifying the genetic bases of several traits of interest such as: sulfite production, fermentation ability in low nitrogen medium or esters formation. A QTL mapping approach has been implemented from a population of meiotic segregants derived from the cross of two strains with contrasting oenological characteristics. Phenotyping of the a population of meiotic segregants was combined with a genotyping to identify QTL for these traits. The involvement of a region of the genome in the control of sulphate assimilation pathway has been demonstrated. This locus is responsible for the phenotypic variation of several metabolites of this pathway and indirectly connected metabolites. Other QTLs have also been demonstrated for the fermentation capacities on a nitrogen limiting medium and production of various volatile compounds. Their analysis revealed several candidate genes whose functions are related directly or indirectly to the studied phenotypes.

Les fermentations alcooliques peuvent s’accompagner de phénomènes de mortalité des levures entraînant des fermentations languissantes ou stoppées. Les mécanismes sous-jacents de la mortalité des levures en conditions de limitation nutritionnelle au cours des fermentations alcoolique sont encore mal connus. Dans ce travail, nous avons abordé la mortalité des levures en référence au schéma conceptuel développé dans les études de vieillissement cellulaire qui ont montré que la résistance à la carence peut être influencée par la nature du nutriment limitant la croissance cellulaire. Nous avons étudié l’apparition de la mort cellulaire en analysant la capacité des levures à mettre en place une réponse appropriée à différentes carences nutritionnelles. Nous avons montré que plusieurs carences nutritionnelles (acide oléique, ergostérol, acide pantothénique et acide nicotinique) entraînent une perte de viabilité de façon dépendante de l’azote. Nous avons démontré que la voie de signalisation azotée TOR/Sch9 est impliquée dans la mise en place de cette mort cellulaire. Dans de telles conditions, les levures n’acquièrent pas de résistance au stress du fait d’une modification à un niveau post-transcriptionnel. Nous avons examiné la capacité de différentes sources d’azote à entraîner la mort cellulaire, et nous avons montré qu’elles agissent différemment sur la mort cellulaire et que le NH4+ a une forte capacité à induire la mortalité. Enfin, les approches QTL nous ont permis d’identifier plusieurs régions contrôlant la mort cellulaire en limitation en acide oléique et acide pantothénique, cohérent avec un contrôle multigénique. 3 régions QTL communes à ces deux limitations ont été identifiées, ce qui suggère des mécanismes communs de contrôle de la survie des levures dans ces deux conditions de carences nutritionnelles. / Yeast cell death can occur during wine alcoholic fermentation and lead to sluggish or stuck fermentations. The mechanisms underlying cell death during yeast starvation in alcoholic fermentations remain unclear. In this work we addressed yeast cell death using conceptual framework from ageing studies showing that yeast resistance to starvation can be influenced by the nature of the nutrient limiting cell growth. We examined cell death occurrence considering yeast cells ability to elicit an appropriate response to a set of nutrient limitations. We showed that several micronutrients limitations (oleic acid, ergosterol, pantothenic acid and nicotinic acid) trigger cell death in a nitrogen-dependent manner. We provide evidence that the nitrogen Tor/Sch9 signaling pathway is involved in triggering cell death. In such conditions, yeast cells fail to acquire stress resistance given a restriction at a post-transcriptional level. We have examined the ability of different nitrogen sources to trigger cell death showing that they impact differentially on cell death and that NH4+ had a strong death inducing capacity. Finally, the QTL approaches allowed the mapping of a set of loci controlling cell death under oleic acid and pantothenic acid starvation that are consistent with a multigenic control. 3 QTL regions appeared to be common to these two limitations which suggests some common control of the yeast survival in these two nutrient-limited situations.