Formazione del microbioma negli alimenti fermentati 4/4 Deriva

Dopo la dispersione, selezione e diversificazione, eccoci a parlare dell’ultimo aspetto, la deriva (drift) del microbioma negli alimenti fermentati.

Nei precedenti articoli abbiamo visto le altre tre forze che modellano la formazione del microbioma negli alimenti fermentati. Esiste un ultimo meccanismi, che è anche il meno compreso e studiato, ma anch’esso può differenziare il microbioma a lungo termine.

Cosa modella la formazione del microbioma dei fermentati?

Formazione del microbioma dei fermentati

Come già accennato, questo articolo è il quarto di quattro articoli dedicati al tema. Basta cliccare sul tag, o qui, per leggere i 4 articoli.

Se non l’hai già fatto, per comprendere appieno questo nuovo articolo, è fondamentale aver letto i primi tre, link QUI.

Nel primo scritto, abbiamo indicato un quadro (framework) che determina la formazione del microbioma degli alimenti fermentati e che consiste di 4 principali processi:

1. Dispersione
2. Selezione
3. Diversificazione
4. Deriva (drift)

Deriva come ultima spiaggia

La deriva (drift) è forse il processo più difficile da studiare nella formazione del microbioma degli alimenti fermentati. In assenza di selezione (ovvero, se tutte le specie fossero funzionalmente identiche), la deriva sarebbe l’unica fonte di diversificazione nei cambiamenti nella quantità relativa delle specie.
Tuttavia, quando le specie diventano funzionalmente distinte, l’effetto della deriva diminuisce.
L’interazione tra la deriva e altri processi ecologici rende difficile districare quando le dinamiche ecologiche all’interno delle comunità sono guidate da processi come la deriva o la selezione abiotica.

Per definizione, la deriva rappresenta i cambiamenti nella quantità (frequenza) della popolazione delle varie specie (o ceppi), dovuti alla casualità delle nascite e delle morti.
In una popolazione dove inizialmente le specie sono tutte rappresentate in modo proporzionale nel numero di individui, la deriva porta alcune specie ad essere maggiormente rappresentate e altre meno, fino a sparire.

La deriva influisce sull’equilibrio fra le specie in termini di quantità

A livello visivo, nell’immagine sotto creata con questo simulatore, si può vedere come la deriva possa influenzare casualmente la frequenza delle singole specie presenti. La deriva può portare alla perdita di alcune specie fra quelle presenti, se si escludono altre forze, come la diversificazione (creazione di nuove specie da quelle presenti) o la dispersione (arrivo nell’ecosistema di nuove specie), che siano in grado di compensare tale perdita. Nel modello teorico sotto, si parte con 15 specie e dopo 1000 generazioni rimangono solo 6 specie. La perdita a causa della deriva è quasi di 2/3 della biodiversità.

 

 

Backslopping e deriva

Come detto sopra, la deriva avviene su un termine lungo di successione di generazioni. Molte comunità microbiche degli alimenti fermentati vengono usate nei lotti successivi sottoforma di inoculo (backslopping), consentendo una continuità di ceppi microbici. Ad esempio, il lievito madre per il pane, viene mantenuto per mesi o anni, rinfrescando ripetutamente i nutrienti dell’impasto con farina fresca.

Come affrontato nel precedente articolo sulla diversificazione, anche in questo caso la deriva può influenzare l’ecosistema di alimenti fermentati. Nello specifico influenza, come detto, la quantità di microrganismi per singola specie/ceppo.

La rigenerazione ricorrente dell’intera comunità microbica è una pratica comune in vari altri fermenti, come il kombucha, il kefir, l’aceto e molti altri. Fra i più diffusi, c’è il kombucha, dove viene ricreato un nuovo lotto rigenerando costantemente la stessa comunità microbica. Se non sai come preparare il tuo kombucha, clicca QUI.

Fattori ambientali possono minare la stabilità della comunità

Deriva nei rinfreschi

Mantenere uno starter stabile come quello del lievito madre è molto complesso. Un fattore che influenza molto questo aspetto è che la comunità microbica del lievito madre è oggettivamente piccola e quando viene rinfrescata, il numero di microrganismi rispetto alla massa totale crolla drasticamente.

La deriva ha il maggiore impatto quando le popolazioni sono piccole, ovvero quando le singole nascite e morti casuali rappresentano cambiamenti più ampi nella quantità relativa. Ciò significa che la deriva dovrebbe avere un impatto maggiore sulla struttura della comunità durante l’istituzione di una nuova comunità di fermentazione (quando tutte le popolazioni sono piccole) e può causare l’estinzione di specie o ceppi apparentemente validi immediatamente dopo la dispersione o la diversificazione (quando quella singola popolazione è piccola).

In un articolo di Lhomme et al. (2014) ¹è stata documentata l’evoluzione del microbiota del lievito madre nell’ambiente di una panetteria per diversi mesi, dopo un passaggio dalla farina di grano a farine senza glutine. L’evoluzione del microbiota del lievito madre è stata caratterizzata da una stabilità di diverse settimane o mesi, interrotta da improvvisi cambiamenti nella proporzione delle specie relative che non erano correlati a cambiamenti nella qualità della farina utilizzata per la fermentazione. Un chiaro esempio di deriva.
Questo modello di formazione della comunità è coerente con l’ipotesi che relativamente pochi eventi di contaminazione “casuali” con ceppi competitivi abbiano alterato il microbiota di fermentazione, seguiti da periodi di stabilità temporale fino al successivo evento di contaminazione.
Il confronto dell’evoluzione del microbiota del lievito madre in condizioni asettiche in laboratorio ha indicato che l’uso di cereali biologici o convenzionali ha influenzato lo sviluppo del microbiota del lievito madre (Rizzello et al., 2015)²; questa scoperta è in linea con l’ipotesi che l’influenza del sistema agricolo sul microbiota delle piante sia un fattore “casuale” che influenza l’ecologia microbica del lievito madre. Ulteriori prove del ruolo della deriva sono state fornite dall’analisi della fitness ecologica degli ceppi di L. reuteri. Ceppi rappresentanti linee evolutive adattate all’uomo o ai roditori sono stati isolati rispettivamente da lieviti madre di grano e segale. Gli esperimenti di competizione con questi isolati hanno dimostrato che la fitness ecologica dei ceppi di entrambe le linee in lieviti madre di grano e segale era equivalente (Lin and Gänzle, 2014)³. La loro prevalenza nei rispettivi lieviti madre è quindi probabilmente attribuibile a eventi casuali di contaminazione piuttosto che a differenze specifiche di fitness ecologica delle linee.

 

Per iniziare il tuo lievito madre, puoi leggere l’articolo dedicato, a cura di Aurora Zancanaro (titolare di LePolveri), cliccando QUI.

Verdure fermentate e deriva

Nelle verdure fermentate, come crauti, kimchi e altri ortaggi fermentati, le abbondanze rare e variabili di batteri lattici sui vegetali crudi possono renderli particolarmente soggetti alla deriva nelle fasi iniziali della fermentazione, come visto in Miller et al. (2019)⁴. Questo significa che le fasi iniziali della formazione del microbioma delle verdure fermentate è estremamente delicata e critica.

Per testare la deriva nella formazione del microbioma, quindi i cambiamenti nell’abbondanza delle singole specie, lo studio di Miller et al. (2019) ha messo alla prova la stabilità di 4 specie molto frequenti nelle verdure fermentate: Leuconostoc mesenteroides BN10, Lactoplantibacillus plantarum MKR2, Lactococcus lactis D119 e Pediococcus pentosaceus B6N. Questi batteri rappresentano alcuni dei generi e delle specie più comuni di batteri lattici (LAB) regolarmente presenti nei prodotti vegetali fermentati ⁵⁶⁷.
Senza dilungarmi troppo sulle condizioni sperimentali, gli autori hanno inoculato in diversi modi i 4 ceppi su cavolo di Pechino, in condizioni di laboratorio che hanno permesso di escludere la maggior parte di altri fattori che influenzano la crescita microbica: la verdura è stata fatta crescere in condizioni sterili e l’inoculo è avvenuto in condizioni controllate.
Tutti e quattro i ceppi di batteri lattici (LAB) testati hanno registrato una diminuzione di abbondanza dopo essere stati inoculati sulle foglie di cavolo, come culture pure, suggerendo che i LAB non possono crescere da soli sulle foglie di cavolo e, invece, muoiono nel tempo. Questo è un esempio di deriva, dove non è ancora chiaro a cosa sia dovuto il cambiamento di frequenza dei vari ceppi, fino alla loro scomparsa. Nello specifico, non è una condizione di selezione, poiché non è stata applicata nessuna forza selettiva nell’esperimento, ma si è osservato semplicemente l’andamento dell’abbondanza dei singoli ceppi in funzione del tempo, a condizioni stabili.

 

La foto sopra è una figura (4) tratta da Miller et al. 2019. I cavoli gnotobiotici dimostrano che i batteri lattici (LAB) sono limitati nell’insediamento nella filosfera del cavolo di Pechino. (A) Fotografia dei cavoli gnotobiotici utilizzati negli esperimenti. (B) Panoramica del disegno sperimentale che mostra quattro trattamenti (LAB inoculati da soli, LAB inoculati 1:1 con comunità filosferica sintetica [SPC], LAB inoculati 1:10 con SPC e LAB inoculati 1:100 con SPC). I trattamenti sono stati applicati utilizzando flaconi spray di vetro ambrato sterile. Sono stati utilizzati quattro ceppi di batteri lattici: Pediococcus pentosaceus B6N, Leuconostoc mesenteroides BN10, Lactiplantibacillus plantarum MKR2 e Lactococcus lactis D119. (C) L’abbondanza del SPC (agar TS in blu) e dei LAB (agar MRS in rosso) nell’inoculo di input (I) e nell’output (O) dopo 10 giorni di crescita nel NCP. Input e output erano significativamente diversi l’uno dall’altro in tutte le specie di LAB testate (test t, P 0,5, corretto per il campionamento ripetuto utilizzando una correzione di Hochberg; n 8; ND, non rilevato).

Conclusioni

Per capire meglio il potenziale contributo della deriva nella strutturazione delle comunità di fermentazione, sono necessari dati temporali ad alta risoluzione da alimenti fermentati semplici. Non si è a conoscenza di studi che abbiano seguito lo stesso fermentato per molte generazioni e tracciato la composizione delle specie nel tempo.

Per studiare e dimostrare i meccanismi della deriva, sarebbero necessari dati da un alimento fermentato ha passato molti cicli, come ad esempio un lievito madre. Se questi dati fossero disponibili, potrebbero essere utilizzati in combinazione con modelli di deriva sviluppati per comunità microbiche.

Con questo articolo si conclude la panoramica sulla formazione del microbioma nelle verdure fermentate o più in generale sugli alimenti fermentati.

Buona fermentazione!

1. Lhomme, E., Mezaire, S., Ducasse, M. B., Chiron, H., Champomier-Vergès, M. C., Chaillou, S., … & Onno, B. (2014). A polyphasic approach to study the dynamics of microbial population of an organic wheat sourdough during its conversion to gluten-free sourdough. International Microbiology, 17(1), 1-9.
2. Rizzello, C. G., Cavoski, I., Turk, J., Ercolini, D., Nionelli, L., Pontonio, E., … & Di Cagno, R. (2015). Organic cultivation of Triticum turgidum subsp. durum is reflected in the flour-sourdough fermentation-bread axis. Applied and Environmental Microbiology, 81(9), 3192-3204.
3. Lin, X. B., & Gänzle, M. G. (2014). Quantitative high-resolution melting PCR analysis for monitoring of fermentation microbiota in sourdough. International journal of food microbiology, 186, 42-48.
4. Miller, E. R., Kearns, P. J., Niccum, B. A., O’Mara Schwartz, J., Ornstein, A., & Wolfe, B. E. (2019). Establishment limitation constrains the abundance of lactic acid bacteria in the Napa cabbage phyllosphere. Applied and environmental microbiology, 85(13), e00269-19.
5. Rhee, S. J., Lee, J. E., & Lee, C. H. (2011, December). Importance of lactic acid bacteria in Asian fermented foods. In Microbial Cell Factories (Vol. 10, No. 1, pp. 1-13). BioMed Central.
6. Xiong, T., Guan, Q., Song, S., Hao, M., & Xie, M. (2012). Dynamic changes of lactic acid bacteria flora during Chinese sauerkraut fermentation. Food control, 26(1), 178-181.
7. Tamminen, M., Joutsjoki, T., Sjöblom, M., Joutsen, M., Palva, A., Ryhänen, E. L., & Joutsjoki, V. (2004). Screening of lactic acid bacteria from fermented vegetables by carbohydrate profiling and PCR–ELISA. Letters in Applied Microbiology, 39(5), 439-444.