Ecological fitness and interspecies interactions of food-spoilage-associated lactic acid bacteria: insights from the genome analyses and transcriptome profiles

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-2832-4
Title: Ecological fitness and interspecies interactions of food-spoilage-associated lactic acid bacteria: insights from the genome analyses and transcriptome profiles
Author: Andreevskaya, Margarita
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences, Department of Biosciences, Genetics division
University of Helsinki, Institute of Biotechnology
University of Helsinki, Department of Food Hygiene and Environmental Health
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Belongs to series: Dissertationes Scholae Doctoralis Ad Sanitatem Investigandam Universitatis Helsinkiensis - URN:ISSN:2342-317X
Abstract: Lactic acid bacteria (LAB) play a dual role in food manufacturing. While being indispensable for food fermentations and preservation, they are also involved in spoilage of foods and beverages, and some food-borne LAB are pathogens. Particularly, they became the main spoilage organisms in the cold-stored modified atmosphere packaged (MAP) foods. LAB species composition and their relative abundances depend on the nature of food products and preservation technology. However, two LAB species, Leuconostoc gelidum and Lactococcus piscium, have frequently been predominating at the end of shelf life in a variety of packaged and refrigerated foods of animal and plant origin. Besides the predominant species, spoilage LAB communities contain less abundant and slower growing species, such as Lactobacillus oligofermentans, the role of which in food spoilage is unclear. Taking into account the increased popularity of MAP technology combined with cold storage for preservation of minimally processed fresh foods, the need to obtain more information on the metabolism, genomics, ecology and interactions of psychrotrophic food-spoilage-associated LAB is clear. In this thesis a genomic approach was used to study these LAB. In order to characterize spoilage community members, we sequenced and annotated genomes of Lc. piscium MKFS47 and Lb. oligofermentans LMG 22743T, both isolated from broiler meat, and seven strains of Le. gelidum, isolated from vegetable-based foods. The analysis of their gene contents and their comparison with gene repertoire of other close related species allowed us to predict putative factors that might facilitate their survival in their habitats and increase competitiveness in the spoilage microbial communities. No major differences in the gene contents of the vegetable and meat Le. gelidum strains were observed that would suggest niche-specificity, therefore, indicating that the absence of strain dissemination between vegetable- and meat-processing chains is a more likely factor responsible for the reported strain segregation between vegetable and meat-based products. Lc. piscium MKFS47 was identified as an efficient producer of buttery off-odors compounds from glucose under aerobic conditions, which is in agreement with the previous inoculation studies. Time course glucose catabolism-based transcriptome profiles revealed the presence of classical carbon catabolite repression mechanism for the regulation of carbohydrate catabolism, which was relieved along with decreasing concentration of glucose. During the same time, the shift from homolactic to heterolactic fermentation mode was observed. For Lb. oligofermentans, a pentose-preferring obligate heterofermentative LAB, the induction of efficient utilization of hexoses was confirmed indicating that it has flexible carbohydrate catabolism, which can be adjusted depending on the carbohydrate sources available in the environment. Unexpectedly, transcriptome responses of Lb. oligofermentans during growth on glucose and xylose were more alike than during fermentation of ribose in the early exponential growth phase. In addition, cross induction of glucose and xylose catabolic genes by either glucose or xylose was observed. These phenomena could be governed by the CcpA transcriptional regulator, the regulation mechanism of which remains to be determined. Transcriptome-based study of interspecies interactions between three above mentioned LAB species revealed their different survival strategies to cope with competition for the common resources. Le. gelidum was shown to enhance its nutrient- (mainly carbohydrates) scavenging and growth capabilities under glucose limitation conditions when competing with the other LAB species, while the opposite was observed for Lc. piscium and Lb. oligofermentans. Such behavior might explain the competitive success and, hence, the predominance of Le. gelidum in spoilage microbial communities. Peculiarly, interspecies interactions activated expression of prophages and restriction modification systems in Lc. piscium and Lb. oligofermentans, but not in Le. gelidum. The downregulation of stress protection-related genes in all the LAB at the early growth stage was unexpected, and it requires further studies. Finally, overexpression of the numerous putative adhesins in Lb. oligofermentans during growth with other LAB could be one of the factors explaining its survival in actively growing communities in meat.Maitohappobakteerit ovat merkittäviä elintarvikkeiden valmistukselle kahdella eri tavalla. Ne ovat korvaamattoman tärkeitä ruuan hapattamiselle ja säilömiselle, mutta toisaalta ne myös aiheuttavat ruokien ja juomien pilaantumista, ja eräät ruokaperäiset maitohappobakteerit ovat patogeenejä. Maitohappobakteerit ovat tärkeimpiä pilaajaorganismeja kylmäsäilytettävissä suojakaasuun pakatuissa ruuissa. Niiden lajivalikoima ja eri lajien suhteelliset osuudet riippuvat ruokatuotteen luonteesta sekä säilöntäteknologiasta. Tästä huolimatta kaksi maitohappobakteerilajia, Leuconostoc gelidum ja Lactococcus piscium, tyypillisesti vallitsevat yhteisöä säilyvyysajan loppupuolella monissa erilaisissa pakatuissa ja kylmäsäilytettävissä, eläin- ja kasviperäisissä ruokatuotteissa. Näiden lajien lisäksi pilaajamaitohappobakteeriyhteisöt sisältävät harvinaisempia ja hitaammin kasvavia lajeja kuten Lactobacillus oligofermentans, jonka rooli ruuan pilaantumisessa on epäselvä. Suojakaasuun pakkaamisen suosio minimaalisesti prosessoitujen tuoreiden ruokien kylmäsäilytyksessä kasvaa jatkuvasti, joten on selvää, että ruuan pilaantumiseen liittyvien psykrotrofisten maitohappobakteerien metaboliasta, genomiikasta, ekologiasta ja vuorovaikutuksista tarvitaan lisää tietoa. Tässä väitöskirjassa näitä maitohappobakteereja tutkittiin genomiikan työkalujen avulla. Pilaajayhteisön jäsenten määrittämistä varten sekvensoimme ja annotoimme useita bakteerigenomeja: broilerinlihasta eristetyt kannat Lc. piscium MKFS47 ja Lb. oligofermentans LMG 22743T sekä seitsemän kasvipohjaisista ruuista eristettyä Le. gelidum -kantaa. Analysoimalla bakteerikantojen geenivalikoimaa sekä vertaamalla sitä lähisukuisten lajien kanssa pystyimme ennustamaan tekijöitä, jotka saattavat auttaa näitä bakteereja selviämään elinympäristöissään ja lisätä niiden kilpailukykyä pilaajabakteeriyhteisöissä. Kasviksista ja lihasta peräisin olevien Le. gelidum -kantojen geenivalikoimissa ei ollut havaittavissa suuria eroja, jotka kertoisivat elinympäristöön erikoistumisesta, joten vaikuttaa siltä, että erot kasvis- ja lihaperäisissä tuotteissa esiintyvien kantojen välillä johtuvat ennemminkin siitä, etteivät kannat leviä tuotantoketjusta toiseen. Lc. piscium MKFS47 -kannan havaittiin aerobisissa olosuhteissa tuottavan tehokkaasti glukoosista voimaisia virhehajuja aiheuttavia yhdisteitä, mikä vastaa aiempien siirrostuskokeiden tuloksia. Aikasarjana tehdyt glukoosin kataboliaan perustuvat transkriptomiprofiilit paljastivat klassisen hiili-kataboliittirepressiomekanismin, jolla bakteeri säätelee hiilihydraattien hajotusta. Sen vaikutus väheni glukoosikonsentraation laskiessa. Samaan aikaan bakteereiden havaittiin siirtyvän homolaktisesta heterolaktiseen fermentaatioon. Lb. oligofermentans on pentoosia suosiva obligaatti heterofermentatiivinen maitohappobakteeri. Kokeissa vahvistettiin, että se voidaan indusoida käyttämään tehokkaasti heksooseja. Bakteerilla siis on joustava hiilihydraattikatabolia, jota se voi säädellä saatavilla olevien hiilihydraattien mukaan. Yllättävää oli, että Lb. oligofermentansin transkriptomivasteet varhaisessa eksponentiaalisen kasvun vaiheessa olivat enemmän toistensa kaltaisia glukoosilla ja ksyloosilla kasvatettaessa kuin bakteerin fermentoidessa riboosia. Lisäksi glukoosi- ja ksyloosikataboliaan liittyvät geenit olivat indusoitavissa sekä glukoosilla että ksyloosilla. Näitä ilmiöitä saattaa hallinnoida CcpA-säätelytekijä, jonka säätelymekanismi on toistaiseksi selvittämättä. Transkriptomeihin perustuva tutkimus kolmen yllämainitun maitohappobakteerilajin vuorovaikutuksista paljasti niiden erilaiset selviytymisstrategiat yhteisistä resursseista kilpailtaessa. Le. gelidumin osoitettiin tehostavan kykyjään hankkia ravinteita (lähinnä hiilihydraatteja) sekä kasvaa glukoosirajoitetuissa olosuhteissa, kun se kilpaili muiden maitohappobakteerilajien kanssa. Lc. piscium ja Lb. oligofermentans puolestaan toimivat päinvastoin. Tämä käytös saattaa selittää Le. gelidumin kilpailumenestystä, ja siten sen vallitsevuutta pilaajabakteeriyhteisöissä. Yllättävää kyllä lajienväliset vuorovaikutukset aktivoivat profaagien ja restriktiomodifikaatiosysteemien ekspression Lc. pisciumilla ja Lb. oligofermentansilla, mutta ei Le. gelidumilla. Lisätutkimusta vaatisi myös se odottamaton havainto, että kaikilla maitohappobakteereilla esiintyi stressiltä suojautumiseen liittyvien geenien vaimentumista varhaisessa kasvuvaiheessa. Lopuksi, lukuisien ennustettujen adhesiinien yliekspressio Lb. oligofermentansilla muiden maitohappobakteerien kanssa kasvatettaessa saattaa olla yksi selitys sille, miten bakteeri selviää aktiivisesti kasvavissa yhteisöissä lihassa.
URI: URN:ISBN:978-951-51-2832-4
http://hdl.handle.net/10138/170406
Date: 2017-01-28
Subject: bacterial genomics
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Ecologic.pdf 1.316Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record