培育更能适应未来气候变化的咖啡植物的秘诀可能就在它们古老的过去。研究人员追溯了全球最受欢迎的咖啡品种阿拉比卡咖啡在过去一千年中穿越地球变暖和变冷周期的谱系。
研究人员为阿拉比卡咖啡物种开发出了最高质量的参考基因组，揭示了其60万年来的进化过程及其在没有人类干预的情况下的自然发展。这一新基因组揭示了阿拉比卡咖啡因遗传多样性低而对气候变化和虫害的易感性，并为培育更能抵御环境压力的新品种提供了潜力。资料来源：布法罗大学由布法罗大学（University at Buffalo）部分领导的研究人员开发出了他们称之为最高质量的阿拉比卡咖啡（Arabica coffee）--世界上最受欢迎的咖啡品种的参考基因组。这一新基因组揭示了咖啡在各大洲传承的千年秘密。
今天发表在《自然-遗传学》（Nature Genetics）上的研究结果表明，阿拉比卡咖啡是 60 多万年前在埃塞俄比亚的森林中通过其他两个咖啡物种之间的自然交配发展起来的。研究发现，阿拉比卡咖啡的种群数量在数千年的地球冷热交替过程中此消彼长，最终在埃塞俄比亚和也门种植，然后传播到全球各地。
该研究的共同通讯作者维克多-阿尔伯特（Victor Albert）博士是哥伦比亚大学文理学院生物科学系的帝国创新教授，他说："我们利用现今存活植物的基因组信息回溯历史，尽可能准确地描绘出阿拉比卡的悠久历史，并确定现代栽培品种之间的关系。"
星巴克和蒂姆-霍顿斯（Tim Hortons）等咖啡巨头专门使用阿拉比卡咖啡豆来冲泡他们每天供应的数百万杯咖啡，然而，部分原因是由于近亲繁殖的历史和种群规模较小导致遗传多样性较低，阿拉比卡咖啡豆容易受到许多病虫害的影响，只能在世界上病原体威胁较低、气候条件较为有利的少数几个地方种植。
艾伯特说："详细了解当代品种的起源和育种历史，对于开发更能适应气候变化的阿拉比卡新品种至关重要。"
研究小组利用尖端的DNA测序技术和先进的数据科学完成了新的参考基因组测序，并从中测序出 39 个阿拉比卡品种，甚至还测序出瑞典博物学家卡尔-林奈（Carl Linnaeus）用来命名该物种的 18 世纪标本。参考基因组现在可在一个公开的数字数据库中查阅。
这项研究的共同负责人之一、雀巢研究公司基因组学资深专家帕特里克-德斯孔布斯（Patrick Descombes）说："虽然确实存在其他关于阿拉比卡咖啡的公开参考文献，但我们团队的工作质量极高。"我们采用了最先进的基因组学方法，包括长、短线程高通量DNA测序，创建了迄今为止最先进、最完整、最连续的阿拉比卡参考基因组。"
阿拉比卡咖啡约占世界咖啡产品总量的 60%，它的种子帮助数百万人开始一天的工作或熬夜。然而，最初创造阿拉比卡咖啡的杂交是在没有人类干预的情况下完成的。
阿拉比卡咖啡是由Coffea canephora和Coffea eugenioides自然杂交形成的，它从每个亲本中获得了两套染色体。科学家们很难确定这种异源多倍体化事件发生的确切时间和地点，估计时间从 1 万年前到 100 万年前不等。
为了找到最初事件的证据，哥伦比亚大学的研究人员和他们的合作伙伴通过计算建模程序运行了各种阿拉比卡基因组，以寻找物种基础的特征。
模型显示，在阿拉比卡的历史上出现过三次种群瓶颈，最早的一次发生在大约 2.9 万代人（或 61 万年前）。研究人员说，这表明阿拉比卡是在此之前的某个时间形成的，即 61 万年到 100 万年前。
艾伯特说："换句话说，产生阿拉比卡咖啡的杂交并非人类所为。很明显，这种多倍体事件发生在现代人类和咖啡种植之前。"
长期以来，人们一直认为咖啡植物是在埃塞俄比亚发展起来的，但研究小组在从非洲东南部延伸到亚洲的大裂谷周围收集的咖啡品种却显示出明显的地理分野。所研究的野生品种全部来自西部，而栽培品种则全部来自最靠近分隔非洲和也门的曼德海峡的东部。
这与咖啡种植主要始于 15 世纪左右的也门的证据相吻合。印度僧侣巴巴-布丹（Baba Budan）据说在 1600 年左右从也门偷运出了传说中的"七粒种子"，从而培育出了印度阿拉比卡（Arabica）栽培品种，为今天咖啡的全球推广奠定了基础。
Descombes说："看起来也门咖啡的多样性可能是目前所有主要品种的创始人。咖啡并不是像玉米或小麦那样经过大量杂交培育出新品种的作物。人们主要是选择自己喜欢的品种，然后种植。因此，我们今天拥有的品种可能已经存在了很长时间。"
气候如何影响阿拉比卡种群
由于对人类起源的研究，东非的地理气候历史有据可查，因此研究人员可以将气候事件与野生和栽培阿拉比卡种群如何随时间波动进行对比。
模型显示，在距今 2-10 万年前，该地区的人口数量曾长期处于较低水平，这与据信该地区在距今 4-7 万年前遭受的长期干旱和较冷气候大致吻合。然后，在大约 6-15000 年前的非洲湿润时期，人口数量有所增加，当时的生长条件可能更有利。在同一时期，大约 3 万年前，野生品种和人类最终栽培的品种相互分离。
新加坡南洋理工大学助理教授 Jarkko Salojärvi 是这项研究的另一位共同通讯作者，他说："它们偶尔还会相互繁殖，但很可能在非洲湿润期结束以及大约 8000 到 9000 年前海平面上升导致海峡变宽时停止了繁殖。"
遗传多样性低对阿拉比卡咖啡构成威胁
据估计，栽培阿拉比卡咖啡的有效种群数量仅为 10000 至 50000 个个体。遗传多样性低意味着它可能会像单一种植的卡文迪许香蕉一样，被病原体（如咖啡叶锈病）彻底消灭，而咖啡叶锈病每年会造成 10 亿至 20 亿美元的损失。参考基因组能够进一步揭示一个阿拉比卡品种品系是如何获得对该疾病的强大抵抗力的。
帝汶咖啡是阿拉比卡咖啡和其亲本之一的卡内普霍亚咖啡在东南亚自发杂交形成的品种。该品种比阿拉比卡更抗病，也被称为罗布斯塔，主要用于速溶咖啡。
因此，当罗布斯塔在帝汶岛与阿拉比卡杂交时，它也带来了一些病原体防御基因。阿尔伯特还在 2014 年共同领导了罗布斯塔基因组的测序工作。.阿尔伯特及其合作者目前的工作还展示了罗布斯塔基因组的高度改进版本，以及阿拉比卡的另一个祖先物种Coffea eugenioides 的新序列。
育种者曾试图通过杂交来提高病原体的防御能力，而新的阿拉比卡参考基因组使本研究人员能够确定一个新的区域，其中蕴藏着RPP8 抗性基因家族的成员以及抗性基因的一般调控因子CPR1。
Salojärvi说："这些结果为提高阿拉比卡的抗病原体能力提供了一个新的目标基因座。"
基因组还提供了其他新发现，比如哪些野生品种最接近现代种植的阿拉比卡咖啡。他们还发现，源自印度或斯里兰卡的荷兰早期栽培品种"Typica"很可能是法国人主要栽培的波旁品种的母本。
阿尔伯特说："我们的工作与重建一个非常重要家族的家谱并无二致。"
编译来源：ScitechDaily
DOI: 10.1038/s41588-024-01695-w
