Reconstrucción metagenómica de las comunidades de microorganismos involucrados en la fermentación de cacao en dos regiones agroecológicas de Colombia

Abstract

El microbioma de la fermentación del cacao es un ecosistema complejo, compuesto por una amplia variedad de bacterias, levaduras y hongos. Cada uno de estos microorganismos desempeña un papel crucial en la degradación de la pulpa del fruto, la transformación de los compuestos orgánicos y la producción de metabolitos secundarios que influyen directamente en el perfil aromático del chocolate. Desde las ciencias ómicas se ha avanzado en la caracterización de las comunidades involucradas en la fermentación, lo que ha permitido dilucidar algunas funciones y dinámicas dentro del proceso. Sin embargo, analizar estos microorganismos únicamente desde una perspectiva general de comunidad no es suficiente, ya que no permite diferenciar con precisión si éstos pertenecen a la misma especie o grupo poblacional. Este estudio aborda la fermentación de cacao en dos regiones agroecológicas de Colombia: la montaña santandereana (MS) y el bosque húmedo tropical (BHT), utilizando un enfoque metagenómico para reconstruir genomas microbianos y analizar su diversidad funcional y poblacional. Se recolectaron muestras durante una fermentación completa en ambas regiones, combinando el perfil de la comunidad de marcadores del gen 16S rRNA con metagenómica shotgun y un análisis de tipificación polimórfica de genes ortólogos de copia única. Se recuperaron 23 Genomas Ensamblados del Metagenoma (MAG’s): 15 en la región MS y 8 en el BHT, junto con la reconstrucción de capacidades metabólicas. En MS, la fermentación fue más rápida, con una mayor abundancia de bacterias ácido acéticas como Acetobacter orientalis y Gluconobacter oxydans, e incluyendo el primer reporte de Acetobacter papayae en la fermentación de cacao. En contraste, el BHT presentó una mayor diversidad de bacterias lácticas y levaduras. En ambas regiones, se reconstruyeron genomas de Tatumella, una enterobacteria clave en la degradación de pectina al inicio de la fermentación, y de Lactiplantibacillus plantarum, un lactobacilo comúnmente reportado en la fermentación de cacao. Finalmente, el análisis de diversidad poblacional mostró que L. plantarum aparentemente mantiene una estabilidad genética, mientras que Tatumella y Acetobacter orientalis cuentan con poblaciones diferentes, sugiriendo la aparición de variantes dentro de sus poblaciones. Este estudio proporciona una aproximación de la diversidad a nivel de especie y cepa lo cual permite comprender los mecanismos que subyacen a la fermentación del cacao y guiar el desarrollo de inoculantes específicos para optimizar las características del chocolate. (Texto tomado de la fuente).

The microbiome of cocoa fermentation is a complex ecosystem, consisting of a wide variety of bacteria, yeasts, and fungi. Each of these microorganisms plays a crucial role in the breakdown of the fruit pulp, the transformation of organic compounds, and the production of secondary metabolites that directly influence the aromatic profile of chocolate. Advances in omics sciences have enabled the characterization of the communities involved in fermentation, shedding light on some functions and dynamics within the process. However, analyzing these microorganisms solely from a general community perspective is not sufficient, as it does not allow for precise differentiation between whether they belong to the same species or population group. This study addresses cocoa fermentation in two agroecological regions of Colombia: the Santander mountain range (MS) and the tropical rainforest (BHT), using a metagenomic approach to reconstruct microbial genomes and analyze their functional and population diversity. Samples were collected during a complete fermentation process in both regions, combining 16S rRNA gene marker community profiling with shotgun metagenomics and a polymorphic typing analysis of single-copy orthologous genes. Twenty-three Metagenome-Assembled Genomes (MAGs) were recovered: 15 in the MS region and 8 in the BHT, along with the reconstruction of metabolic capacities. In MS, fermentation was faster, with a higher abundance of acetic acid bacteria such as Acetobacter orientalis and Gluconobacter oxydans, including the first report of Acetobacter papayae in cocoa fermentation. In contrast, BHT showed a greater diversity of lactic acid bacteria and yeasts. In both regions, genomes of Tatumella, an enterobacterium key to pectin degradation at the onset of fermentation, and Lactiplantibacillus plantarum, a commonly reported lactobacillus in cocoa fermentation, were reconstructed. Finally, population diversity analysis revealed that L. plantarum maintains genetic stability, while Tatumella and Acetobacter orientalis show different populations, suggesting the emergence of variants within their populations. This study provides an approximation of diversity at the species and strain levels, enabling a better understanding of the mechanisms underlying cocoa fermentation and guiding the development of specific inoculants to optimize chocolate characteristics.