משורשים עתיקים ועד מבשלות עתידיות: חשיפת הגנום הפרהיסטורי של קפה

האוניברסיטה בבפאלו חוקרים פיענחו את הגנום של קפה ערביקה, עקבו אחר מקורותיו במשך למעלה מ-600,000 שנים והציגו את האתגרים הגנטיים וההתאמות האקלימיות שלו. מחקר זה מספק תובנות לגבי גידול זני ערביקה עמידים יותר.

המפתח לגידול צמחי קפה שיוכלו לעמוד טוב יותר בשינויי האקלים בעשורים הבאים עשוי להיות בעבר העתיק.

חוקרים בראשות אוניברסיטת באפלו יצרו את מה שהם אומרים הוא הגנום הייחוס האיכותי ביותר עד כה של הקפה הפופולרי ביותר בעולם מִיןערביקה, חושף סודות על השושלת שלה המשתרעת על פני אלפי שנים ויבשות.

הממצאים שלהם, שפורסמו ב-15 באפריל ב גנטיקה של הטבעמציע את זה קפה ערביקה התפתח לפני יותר מ-600,000 שנה ביערות אתיופיה באמצעות הזדווגות טבעית בין שני מיני קפה אחרים. אוכלוסיית ערביקה עלתה ודעכה לאורך תקופות החימום וההתקררות של כדור הארץ במשך אלפי שנים, כך מצא המחקר, לפני שבסופו של דבר טופחה באתיופיה ובתימן, ולאחר מכן התפשטה על פני הגלובוס.

"השתמשנו במידע גנומי בצמחים החיים היום כדי לחזור אחורה בזמן ולצייר את התמונה המדויקת ביותר האפשרית של ההיסטוריה הארוכה של ערביקה, כמו גם לקבוע כיצד זנים תרבותיים מודרניים קשורים זה לזה", אומר המחבר השותף למחקר. , ויקטור אלברט, PhD, פרופסור לחדשנות באימפריה במחלקה למדעי הביולוגיה של UB, בתוך המכללה לאמנויות ומדעים.

הדומיננטיות העולמית והאתגרים הגנטיים של ערביקה

ענקיות קפה כמו סטארבקס וטים הורטון משתמשות אך ורק בפולים מצמחי ערביקה כדי לחלוט את מיליוני כוסות הקפה שהם מגישים מדי יום, אך, בין השאר בשל מגוון גנטי נמוך הנובע מהיסטוריה של הכלאה וגודל אוכלוסיה קטן, ערביקה רגישה ל מזיקים ומחלות רבים וניתן לגדל אותם רק במקומות בודדים בעולם שבהם איומי הפתוגנים נמוכים יותר ותנאי האקלים נוחים יותר.

"הבנה מפורטת של המקורות וההיסטוריה של הרבייה של זנים עכשוויים חיונית לפיתוח זני ערביקה חדשים המותאמים טוב יותר לשינויי האקלים", אומר אלברט.

מהגנום הייחוס החדש שלהם, שנעשה באמצעות קצה חדשני DNA טכנולוגיית רצף ומדעי נתונים מתקדמים, הצוות הצליח לרצף 39 זני ערביקה ואפילו דגימה מהמאה ה-18 ששימשה את חוקר הטבע השבדי קרל לינאוס לשם שם המין.

גנום הייחוס זמין כעת במסד נתונים דיגיטלי זמין לציבור.

"בעוד שקיימים התייחסויות ציבוריות אחרות לקפה ערביקה, איכות העבודה של הצוות שלנו היא גבוהה ביותר", אומר אחד ממובילי המחקר, פטריק דסקומבס, מומחה בכיר לגנומיקה בחקר נסטלה. "השתמשנו בגישות גנומיות מתקדמות – כולל רצף DNA בתפוקה גבוהה לקריאה ארוכה וקצרה – כדי ליצור את גנום ההתייחסות המתקדם, השלם והרציף ביותר של ערביקה עד כה."

הקפה האהוב על האנושות התפתח ללא עזרה של אנשים

ערביקה היא המקור לכ-60% מכלל מוצרי הקפה בעולם, כשהזרעים שלה עוזרים למיליונים להתחיל את היום שלהם או להישאר ער עד מאוחר. עם זאת, ההכלאה הראשונית שיצרה אותו נעשתה ללא כל התערבות של בני אדם.

ערביקה נוצרה כהכלאה טבעית בין קפה קנפורה ו Coffea eugenioides, ואז הוא קיבל שני קבוצות של כרומוזומים מכל הורה. מדענים התקשו לאתר בדיוק מתי – והיכן – אירוע האלופוליפלואידיזציה הזה התרחש, עם הערכות שנעו בכל מקום לפני 10,000 עד מיליון שנים.

כדי למצוא ראיות לאירוע המקורי, חוקרי UB ושותפיהם הפעילו את הגנום השונים שלהם ב-Arabica באמצעות תוכנית מודלים חישוביים כדי לחפש חתימות של היסוד של המין.

המודלים מראים שלושה צווארי בקבוק באוכלוסייה במהלך ההיסטוריה של ערביקה, כאשר העתיק ביותר התרחש לפני כ-29,000 דורות – או 610,000 שנים – לפני. זה מצביע על כך ש-Arabica נוצרה מתישהו לפני כן, בין 610,000 ל-1 מיליון שנים, אומרים חוקרים.

"במילים אחרות, ההכלאה שיצרה את הערביקה לא הייתה משהו שבני אדם עשו", אומר אלברט. "די ברור שהאירוע הפוליפלואידי הזה קדם לבני האדם המודרניים ולגידול הקפה".

זה זמן רב חשבו שצמחי קפה התפתחו באתיופיה, אך זנים שהצוות אסף סביב עמק הבקע הגדול, המשתרע מדרום מזרח אפריקה ועד אסיה, הציגו פיצול גיאוגרפי ברור. זני הבר שנחקרו מקורם כולם מהצד המערבי, בעוד שהזנים המתורבתים מקורם כולם מהצד המזרחי הקרוב ביותר למיצר באב אל-מנדב המפריד בין אפריקה לתימן.

זה יתאים לראיות שייתכן שגידול קפה התחיל בעיקר בתימן, בסביבות המאה ה-15. על פי ההערכות, הנזיר ההודי באבא בודן הבריח את "שבעת הזרעים" האגדתיים מתימן בסביבות שנת 1600, ביסס זני ערביקה הודית והכין את הבמה לטווח הגלובלי של הקפה כיום.

"נראה שמגוון הקפה התימני עשוי להיות המייסד של כל הזנים העיקריים הנוכחיים", אומר דסקומב. "קפה הוא לא גידול שהוכלא מאוד, כמו תירס או חיטה, כדי ליצור זנים חדשים. אנשים בעיקר בחרו זן שהם אהבו ואז גידלו אותו. אז הזנים שיש לנו היום כנראה קיימים כבר הרבה זמן".

כיצד השפיע האקלים על אוכלוסיית ערביקה

ההיסטוריה הגיאו-קלימטית של מזרח אפריקה מתועדת היטב בשל מחקרים על מקורות אנושיים, כך שהחוקרים יכלו להבדיל בין אירועי אקלים לאופן בו תנודות אוכלוסיות הערביקה הפראיות והמעובדות לאורך זמן.

מודלים מציגים תקופה ארוכה של גודל אוכלוסיה נמוך לפני 20-100,000 שנים, אשר חופפת בערך לבצורת ממושכת ואקלים קריר יותר, שלדעתם פגע באזור לפני בין 40-70,000 שנים. האוכלוסייה גדלה אז במהלך התקופה הלחות באפריקה, לפני כ-6-15,000 שנים, כאשר תנאי הצמיחה היו ככל הנראה מועילים יותר.

באותה תקופה, לפני כ-30,000 שנה, התפצלו זני הבר והזנים שבסופו של דבר יטופחו על ידי בני אדם.

"הם עדיין התרבו מדי פעם זה עם זה, אבל כנראה הפסיקו בסיום תקופת הלחות האפריקאית והתרחבות המיצר עקב עליית פני הים לפני כ-8,000 עד 9,000 שנים", אומר ג'רקו סאלויארווי, עוזר פרופסור באוניברסיטה הטכנולוגית נאניאנג ב- סינגפור ועוד מחבר שותף מתכתב של עבודה.

גיוון גנטי נמוך מאיים על ערביקה

על פי ההערכות, ערביקה תרבותית היא בעלת גודל אוכלוסיה יעיל של 10,000 עד 50,000 פרטים בלבד. המגוון הגנטי הנמוך שלו פירושו שניתן להשמיד אותו לחלוטין, כמו בננה מונו-תרבותית Cavendish, על ידי פתוגנים, כמו חלודה עלי קפה, שגורמת להפסדים של 1-2 מיליארד דולר בשנה.

גנום הייחוס הצליח לשפוך אור נוסף על האופן שבו שורה אחת של זני ערביקה השיגה עמידות חזקה למחלה.

הזן טימור נוצר בדרום מזרח אסיה כהכלאה ספונטנית בין ערביקה לאחד מהוריו, קפה קנפורה. ידוע גם בשם רובוסטה ומשמש בעיקר לקפה נמס, מין זה עמיד יותר למחלות מאשר ערביקה.

"לכן, כאשר רובוסטה הכליאה את עצמה בחזרה לארביה בטימור, היא הביאה איתה חלק מהגנים ההגנה הפתוגנים שלה", אומר אלברט, שהיה שותף להובלת רצף של גנום רובוסטה בשנת 2014. העבודה הנוכחית של אלברט ושותפיו מציגה גם גרסה משופרת מאוד של גנום רובוסטה, כמו גם רצף חדש של מיני אבות אחרים של ערביקה, Coffea eugenioides.

בעוד מגדלים ניסו לשכפל הכלאה זו כדי להגביר את ההגנה על פתוגנים, הגנום החדש של ה-Arabica איפשר לחוקרים הנוכחיים לאתר אזור חדש המכיל חברים RPP8 משפחת גנים של עמידות כמו גם מווסת כללי של גנים של עמידות, החייאה 1.

"תוצאות אלו מצביעות על נקודת יעד חדשנית לשיפור פוטנציאל עמידות לפתוגנים בערביקה", אומר Salojärvi.

הגנום סיפק גם ממצאים חדשים נוספים, כמו אילו זני בר הכי קרובים לקפה ערביקה מודרני ומתורבת. הם גם מצאו שזן Typica, זן הולנדי מוקדם שמקורו בהודו או סרי לנקה, הוא ככל הנראה האב של זן הבורבון, המטופח בעיקר על ידי הצרפתים.

"העבודה שלנו לא הייתה שונה משחזור אילן היוחסין של משפחה חשובה מאוד", אומר אלברט.

מחקר נסטלה מימן את רוב המחקר. את הצוות הבינלאומי הגדול הוביל אלברט, שעבודתו נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדע, ותרומות מארגונים רבים אחרים. תורמים אחרים של UB כוללים את Trevor Krabbenhoft, PhD, ואת Zhen Wang, PhD, שניהם עוזרי פרופסורים למדעי הביולוגיה; סטודנט לדוקטורט סטיבן פלק; בוגר דוקטורט מינאקשי מוחרג'י; ומדען החוקר לשעבר טיאניינג לאן – כולם מהמחלקה למדעי הביולוגיה.