A Combined Metagenomics and Metatranscriptomics Approach to Unravel Costa Rican Cocoa Box Fermentation Processes Reveals Yet Unreported Microbial Species and Functionalities

Abstract

Cocoa fermentation is the first step in the post-harvest processing chain of cocoa and is important for the removal of the cocoa pulp surrounding the beans and the development of flavor and color precursors. In the present study, metagenomic and metatranscriptomic sequencing were applied to Costa Rican cocoa fermentation processes to unravel the microbial diversity and assess the function and transcription of their genes, thereby increasing the knowledge of this spontaneous fermentation process. Among 97 genera found in these fermentation processes, the major ones were Acetobacter, Komagataeibacter, Limosilactobacillus, Liquorilactobacillus, Lactiplantibacillus, Leuconostoc, Paucilactobacillus, Hanseniaspora, and Saccharomyces. The most prominent species were Limosilactobacillus fermentum, Liquorilactobacillus cacaonum, and Lactiplantibacillus plantarum among the LAB, Acetobacter pasteurianus and Acetobacter ghanensis among the AAB, and Hanseniaspora opuntiae and Saccharomyces cerevisiae among the yeasts. Consumption of glucose, fructose, and citric acid, and the production of ethanol, lactic acid, acetic acid, and mannitol were linked to the major species through metagenomic binning and the application of metatranscriptomic sequencing. By using this approach, it was also found that Lacp. plantarum consumed mannitol and oxidized lactic acid, that A. pasteurianus degraded oxalate, and that species such as Cellvibrio sp., Pectobacterium spp., and Paucilactobacillus vaccinostercus could contribute to pectin degradation. The data generated and results presented in this study could enhance the ability to select and develop appropriate starter cultures to steer the cocoa fermentation process toward a desired course.

La fermentación del cacao es el primer paso en la cadena de procesamiento poscosecha del cacao y es importante para la eliminación de la pulpa de cacao que rodea los granos y el desarrollo de precursores de sabor y color. En el presente estudio se aplicó secuenciación metagenómica y metatranscriptómica a los procesos de fermentación del cacao costarricense para desentrañar la diversidad microbiana y evaluar la función y transcripción de sus genes, aumentando así el conocimiento de este proceso de fermentación espontánea. Entre los 97 géneros encontrados en estos procesos de fermentación, los principales fueron Acetobacter, Komagataeibacter, Limosilactobacillus, Liquorilactobacillus, Lactiplantibacillus, Leuconostoc, Paucilactobacillus, Hanseniaspora y Saccharomyces. Las especies más destacadas fueron Limosilactobacillus fermentum, Liquorilactobacillus cacaonum y Lactiplantibacillus plantarum entre las BAL, Acetobacter pasteurianus y Acetobacter ghanensis entre las AAB, y Hanseniaspora opuntiae y Saccharomyces cerevisiae entre las levaduras. El consumo de glucosa, fructosa y ácido cítrico, y la producción de etanol, ácido láctico, ácido acético y manitol se vincularon a las principales especies a través del binning metagenómico y la aplicación de secuenciación metatranscriptómica. Al utilizar este enfoque, también se encontró que Lacp. plantarum consumió manitol y ácido láctico oxidado, que A. pasteurianus degradó el oxalato y que especies como Cellvibrio sp., Pectobacterium spp. y Paucilactobacillus vacinostercus podrían contribuir a la degradación de las pectinas. Los datos generados y los resultados presentados en este estudio podrían mejorar la capacidad de seleccionar y desarrollar cultivos iniciadores apropiados para dirigir el proceso de fermentación del cacao hacia el curso deseado.