מדענים רצפים את הגנום של ערביקה, פותחים דלתות לקפה עמיד באקלים

העבודה מאפשרת לספר את סיפור ההתמזגות של הגנום שהוליד את הנצרך ביותר בעולם מִיןכמו גם זיהוי גנים האחראים לעמידות בפני חלודה ומחלות אחרות.

קפה הוא אחד הסחורות הנסחרות ביותר בעולם, ו קפה ערביקה הוא הנצרך ביותר מבין כ-130 המינים שקיימים. זה תוצאה של היתוך של שני מינים אחרים: קפה קנפורה (הידוע בברזיל כקפה Conilon או Robusta) ו Coffea eugenioides. בעשור האחרון, כמעט לכל מצרך מרכזי בעולם בוצע רצף של גנום ייחוס, אבל קפה הצטרף לרשימה רק לאחרונה.

גנום הייחוס חיוני לפיתוח זנים המותאמים יותר לשינויי אקלים ועמידים בפני מחלות. על ידי רצף גנום הייחוס של קפה ערביקה במאמץ חסר תקדים, קונסורציום של מדענים הצליח לבחור גנים שעשויים להיות אחראים (גנים מועמדים) לעמידות הקפה בפני חלודה ומחלות אחרות. במקביל, הם זיהו ביטוי של כמה גנים הקשורים לארומת הערביקה.

כוחו של ידע גנומי

"עם הכרת הגנום, ניתן לקבל מידע המאפשר לנו ללכת לשני כיוונים: פיתוח זנים על ידי הכוונת הכלאה, במילים אחרות, כהתייחסות להנחות אותנו בהכלאה עתידית המייצרת זנים חדשים; והתערבויות ישירות יותר, כמו שינוי גן באופן ספציפי", מסכם דאגלס דומינגס, כיום חוקר בקבוצת הגנומיקה והטרנסקריפטומיקה של צמחים של בית הספר לחקלאות לואיז דה קווירוז באוניברסיטת סאו פאולו (ESALQ-USP), בברזיל, ואחד ממחברי המאמר (שפותח כשעדיין עבד בקמפוס ריו קלארו של אוניברסיטת סאו פאולו סטייט).

לדבריו, היה קצת מרוץ לרצף הגנום. "מחיר הריצוף ירד מאוד, וקפה היה אחד הסחורות הבודדות שלא עבר רצף של גנום הייחוס שלו. היו קבוצות אחרות שניסו, והיה מאמר שפורסם קצת לפני שלנו. אבל רובם השתמשו באסטרטגיה הסטנדרטית: בחירת צמח מעניין לגידול ורצף הגנום שלו", הוא מדווח.

גישה ייחודית לרצף

הקבוצה שאליה משתייך דומינגס רצתה צמח שאינו מעניין מבחינה אגרונומית אך יש לו הרבה מה להציע מבחינה גנטית. "היתרון של גנום הייחוס שלנו הוא שהוא נגזר מאדם 'דיהפלואידי'. זה מביא לגנום ייחוס הומוגני שיהווה סטנדרט מעולה למחקר עתידי", מסביר פטריק דסקומבס, רכז העבודה ומומחה בכיר לגנומיקה במכון נסטלה לבטיחות מזון ומדעי הניתוח. הוא מסביר שקפה ערביקה הוא טטרפלואיד: יש לו שני גנומים באחד מכיוון שהוא היתוך של שני מינים אחרים.

על ידי ריצוף של דיהפלואיד שמקורו בקפה ערביקה בהשוואה לזן טטרפלואידי נפוץ, מדענים מקבלים תצוגה ברורה ומפושטת יותר של הגנום. זה מאפשר לזהות וריאציות בין גנים דומים בדיוק רב יותר, מה שמקל על השימוש במידע מולקולרי למחקרי שיפור.

תובנות היסטוריות דרך DNA

במחקר זה, הקבוצה הצליחה לקבוע באופן מדויק יותר מתי התרחש היתוך זה: לפני לא יותר מ-600,000 שנים, C. canephora ו C. eugenioides התמזגו ליצירת הכלאה טטרפלואידית זו, שהמשיכה את דרכה האבולוציונית. "הגענו למסקנה הזו באמצעות DNA מידע מ-Arabica, Robusta ו-Eugenioides: הצלחנו להסיק מסקנות מדויקות יותר מכיוון שבעבר מרווח זה תוארך בין 50,000 למיליון שנה. צמצמנו את החלון הזה ל-350,000 עד 600,000 שנים", מדווח דומינגס.

המאמר, שפורסם לאחרונה ב גנטיקה של הטבע, היה תוצאה של קונסורציום של מדענים מיותר מעשר מדינות, כולל ברזיל, שהשתתפו עם יותר ממוסד אחד. במקרה של דומינגס, השתתפותו מומנה חלקית על ידי FAPESP באמצעות פרויקט חוקר צעיר ומלגת פוסט-דוקטורט שהוענקה לסוזנה טיימי איוואמוטו-סוזוקי, גם היא מחברת המאמר.

גיוון גנטי בקפה פראי לעומת קפה תרבותי

"השתמשנו ברצף ההתייחסות כדי להבין את המגוון הקיים בבתי קפה ערביקה בר, מאזור המוצא האפריקאי, ולהשוות זאת עם קפה הערביקה המתורבת כיום", אומר המדען של ESALQ-USP, ומסביר שהקבוצה עשתה רצף מחודש של ערביקה זני קפה שנשתלו באזורים שונים בעולם, וכן דגימות בר שנאספו ביערות אתיופיה, והצליחו להבין את ההבדל בין הפראי למעובד.

התחקות אחר ההיסטוריה האבולוציונית של ערביקה

כדי לקבל פרספקטיבה גנומית על ההיסטוריה האבולוציונית של ערביקה, הקונסורציום רצף 46 הצטרפות, כולל שלוש רובוסטה, שני יוגניואידים ו-41 ערביקה. האחרון כלל דגימה מהמאה ה-18 (הדגימה הפיזית שסומנה על ידי מחבר הטקסון בזמן התיאור כחומר שעליו התבסס), 12 זנים בעלי היסטוריות רבייה שונות, היברידית טימור (הצלבה ספונטנית). של ערביקה עם עמיד בפני מזיקים C. canephora זן רובוסטה) וחמישה מהצלבים אחוריים שלו עם ערביקה ו-17 כניסות פרא ועוד שלוש פראיות/מעובדות שנאספו מהצד המזרחי והמערבי של עמק הבקע הגדול באתיופיה.

"השתמשנו בטכנולוגיות הגנומיות העדכניות ביותר, כלומר קריאות ארוכות ממערכת ה-high-fidelity PacBio (עבור רצף גנים) וקשירת קרבה עם קריאה קצרה מאילומינה (מערכת משולבת לניתוח שונות גנטית ותפקוד ביולוגי), כדי ליצור את מכלול הכרומוזומים. השילוב הזה הביא להרכבה ברמת הכרומוזום באיכות ובשלמות הגבוהות ביותר", אומר Descombes.

החיפוש אחר התנגדות למחלות

לדברי הפרופסור ESALQ-USP, בין המינים התרבותיים, משהו חשוב מאוד לגידול היה החדרת גנים לעמידות בפני חלודה עלי קפה. "בשנות ה-30, ברזיל מילאה תפקיד חשוב בהקשר זה. וה-IAC (המכון האגרונומי של קמפינאס, גם הוא במדינת סאו פאולו) הוא מרכז חלוצי ללימודים וגידול. חוקרי IAC סיפקו לנו צמחים שקודמים לתוכנית הרבייה של המוסד, שראשיתה בשנות השלושים של המאה הקודמת. רבייה מוכוונת מחלות נוצרה בין שנות ה-60 ל-1970, והעבודה העיקרית הייתה חציית צמח ערביקה עמיד לחלודה, מה שנקרא היברידית טימור, עם צמחים שגדלו במדינות שונות כדי שהזנים החדשים יהיו עמידים. אבל לא היה ידוע אילו גנים אחראים להתנגדות".

התגלה בשדות האי טימור בשנות העשרים של המאה ה-20, ההיברידית טימור עמידה באופן טבעי בפני חלודה ומחלות אחרות. "בנוסף לחלודה, מחלת פירות יער קפה, דוב פירות יער קפה ומנשא גזע קפה הם שלושה מזיקים עיקריים נוספים המשפיעים על הייצור באזורים רבים בעולם. שינויי האקלים הם גם דאגה מרכזית בשליטה על מזיקים ומחלות, מכיוון שהוא מאפשר להם להתפשט לאזורים חדשים. הסחר בפולי קפה ירוק בין אזורים שונים הוא גורם נוסף שיכול להקל על התפשטותם של מזיקים ומחלות מסוימות לאזורים חדשים", מגלה מוד לפלי, מנהלת קבוצת גנטיקה וכימיה צמחית במכון נסטלה למדעי החקלאות.

במאמר שפורסם כעת, הצליחה הקבוצה למצוא קבוצות של גנים שכבר מקושרים בספרות לעמידות למחלות, שקיימים רק בזנים שלאחר שיפור. "איכשהו הצליח ההיברידית טימור להשיג את הגנים העמידות האלה, ועכשיו אנחנו יודעים אילו מהם. יש עשרות כאלה, אבל צמצמנו את החיפוש. לקפה ערביקה יש 69,000 גנים; צמצמנו את זה לקצת פחות מ-30 גנים. היכולת לזהות את הגנים המועמדים לעמידות אלה, שלא היו ידועים בעבר, היא הישג חסר תקדים במחקר שלנו", מציין דומינגס.

אבל העבודה רחוקה מלהסתיים, שכן הגנים הללו טרם נבדקו. "יידרש מחקר נוסף כדי לזהות וליצור זנים עמידים בפני מזיקים ומחלות קפה אלו ואחרות", אומר לפלי.

באמצעות גנטיקה מולקולרית, הצליח הקונסורציום גם לבצע הפרדה משולשת, והראה שהמגוון הגנטי של צמחי הבר באתיופיה שונה מזה של הקפה הגדל כיום, כנראה בשל אפקט צוואר בקבוק וביות, שכן מעט צמחים נבחרו לתהליך זה. . "הראינו כאן שהמגוון הגנטי כבר היה נמוך מאוד בקרב דגימות בר עקב צווארי בקבוק מרובים לפני הביות, ושהגנוטיפים שנבחרו לגידול על ידי האדם, הן הזנים המקומיים האתיופיים העתיקים והחדשים יותר, כבר היו במידת מה. מעורב בין שושלות שונות", קובעים המדענים.

ביטוי גנים וארומה של קפה

במקביל, הקבוצה של דומינגס הצליחה לצפות בכמה אירועים הקשורים לביטוי של גנים הקשורים לאיכות הקפה, במיוחד ארומה. הם חקרו את אנזימי הטרפן סינתאז, אשר בצמחים קשורים להגנה מפני חרקים, וכן גן הקשור לתרכובות שומנים בקפה, המקודד לשומן חוּמצָה desaturase 2.

"ראינו בזן ערביקה אסיאתי שהגנים הקשורים בארומה ובטעם מתבטאים יותר בפרי על ידי C. eugenioides תת-גנום מאשר על ידי ההורה השני. במילים אחרות, אחד הגנום תורם יותר למאפיינים התחושתיים של המשקה מאשר השני. מה שאנחנו תוהים עכשיו זה: האם זה חל על כל הזנים שרצפנו, גם לפני ואחרי שיפור?" אומר דומינגס.

חקר אינטראקציות גנטיות בקפה ערביקה

"מחקר זה שופך אור על האופן שבו אינטראקציות ביניהן C. canephora ו C. eugenoides גנים קשורים לתכונות קפה ערביקה כגון ארומה. בירור האינטראקציות בין גנים עוזר לשפר את הידע שלנו על המנגנונים הגנטיים העומדים בבסיס המאפיינים החשובים של ערביקה, תנאי הכרחי לפיתוח זנים חדשים שיבטיחו ייצור של פולי קפה למוצרי קפה עתידיים", אומר לפלי.

ספין אוף של העבודה כבר בעיצומו, לדברי דומינגס. "זה עתה התחלתי פרויקט נוסף, שהוא נצר של המאמץ הראשון הזה, בשיתוף עם החוקרים הצרפתים שהיו חלק מהקונסורציום הזה. עכשיו אנחנו הולכים לנתח מיני קפה לא מעובדים. אנחנו רוצים להכיר את הגנום של מינים שאינם קפה המכילים מאפיינים שרלוונטיים בתרחיש של שינויי אקלים. אנו מתמקדים ברצף מינים עמידים יותר באקלים. אנחנו רוצים לדעת אילו גנים יש להם שאין לקפה ערביקה והופכים אותם לעמידים לאקלים. בסופו של דבר, נוכל להציג או לשנות אותם באמצעות עריכת גנים כדי להפוך מינים תרבותיים לעמידים יותר.'

למידע נוסף על מחקר זה, ראה חשיפת הגנום הפרהיסטורי של קפה.