咖啡是世界上交易量最大的商品之一，而阿拉比卡咖啡是現有130 多個品種中消費量最大的一種。它是由另外兩個品種融合而成的：Coffea canephora（在巴西被稱為Conilon）和Coffea eugenioides。在過去十年中，世界上幾乎所有主要商品都進行了參考基因組定序，但咖啡直到最近才加入這一行列。

參考基因組對於開發更能適應氣候變遷和抗病的品種至關重要。透過對阿拉比卡咖啡的參考基因組進行前所未有的定序，一個科學家聯盟得以篩選出可能對咖啡抵抗銹病和其他疾病負有責任的基因（候選基因）。同時，他們也確定了與阿拉比卡咖啡香味有關的一些基因的表達。

這項研究可為開發更適應氣候變遷的品種提供指導。圖片來源：Gian Barros

「有了基因組知識，我們就有可能獲得以下兩個方向的資訊：透過指導雜交來培育品種，換句話說，為我們今後培育新品種的雜交提供參考；”Douglas Domingues 是巴西聖保羅大學路易斯-德凱羅斯農學院植物基因組學和轉錄組學小組的研究員，也是這篇論文（他當時還在聖保羅州立大學裡奧克拉羅分校工作）的作者之一。

據他說，對基因組進行定序是一場競賽。 “定序的價格下降了很多，而咖啡是少數幾種還沒有進行參考基因組測序的商品之一。其他小組也在嘗試，在我們之前就有一篇論文發表了。但他們大多採用的是標準策略：選擇一種有趣的植物進行栽培，然後對其基因組進行定序。

Domingues 所在的小組對一種植物進行了測序，這種植物從農藝學的角度來看並不有趣，但從遺傳學的角度來看卻大有可為。 「我們參考基因組的優勢在於它來自’二倍體’個體。這項工作的協調人、雀巢食品安全與分析科學研究所基因組學高級專家Patrick Descombes 解釋說。他解釋說，阿拉比卡咖啡是一種四倍體：它有兩個基因組，因為它是由另外兩個物種融合而成的。

與常見的四倍體品種相比，透過對阿拉比卡咖啡的二倍體進行定序，科學家可以獲得更清晰、更簡化的基因組視圖。這樣就能更精確地辨識相似基因間的變異，促進分子資訊在改良研究中的應用。

在這項研究中，研究小組能夠更準確地確定這種融合發生的時間：不超過60萬年前，C. canephora和C. eugenioides融合形成這種四倍體雜交種，並繼續其進化之路。 「我們利用阿拉比卡、羅布斯塔和尤金尼歐亞種的DNA資訊得出了這個結論：我們能夠做出更準確的推斷，因為以前這一區間的年代在5萬年到100萬年之間。

這篇文章最近發表在《自然-遺傳學》（Nature Genetics）雜誌上，是包括巴西在內的十多個國家的科學家聯合攻關的成果，這些科學家與一個以上的機構合作。就多明哥斯而言，他的參與得到了巴西國家科學基金會（FAPESP）的部分資助，該基金會透過青年研究員計畫和博士後獎學金授予了蘇珊娜-蒂米-伊凡本-鈴木（Suzana Tiemi Ivamoto-Suzuki），蘇珊娜-蒂米-伊凡本-鈴木也是文章的作者之一。

野生與栽培咖啡的基因多樣性

“我們利用參考序列來了解非洲原產地野生阿拉比卡咖啡的多樣性，並將其與當今種植的阿拉比卡咖啡進行比較，”ESALQ-USP 的科學家解釋說，研究小組對種植在世界各地的阿拉比卡咖啡品種以及在埃塞俄比亞森林中採集的野生標本進行了重新測序，並設法了解了野生咖啡與種植咖啡之間的差異。

為了從基因組學的角度了解阿拉比卡的演化史，研究小組對46 個樣本進行了定序，其中包括3 個羅布斯塔樣本、2 個尤金尼奧樣本和41 個阿拉比卡樣本。後者包括一個18 世紀的模式標本（分類群作者在描述該分類群時指定的實物標本，作為該分類群的基礎材料）、12 個具有不同育種歷史的栽培品種、帝汶雜交種（阿拉比卡與抗蟲害的C. canephora品種自發性雜交）及其與阿拉比卡的5 次回交，以及從埃塞俄比亞大裂谷東西兩側採集的17 個野生樣本和3 個野生/栽培樣本。

「我們使用了最新的基因組技術，即來自高保真PacBio 系統（用於基因測序）的長讀數和來自Illumina 的短讀數（用於分析遺傳變異和生物功能的集成系統）的近距離連接，來生成染色體組裝。

尋求抗病能力

根據ESALQ-USP 教授介紹，在栽培品種中，對育種非常重要的是引入抗咖啡葉銹病的基因。 20 世紀30 年代，巴西在這方面發揮了重要作用。 IAC（坎皮納斯農藝研究所，也位於聖保羅州）是研究和育種的先驅中心。坎皮納斯農藝研究所的研究人員向我們提供了該機構早在20 世紀30 年代就開始實施育種計劃的植物。以病害為導向的育種工作出現在20 世紀60 至70 年代，主要工作是將一種抗銹病的阿拉比卡植物（即所謂的帝汶雜交種）與生長在不同國家的植物進行雜交，從而培育出抗銹病的新品種。但當時還不知道是哪些基因產生了抗性。

帝汶雜交種於20 世紀20 年代在帝汶島的田間被發現，具有天然抗銹病和其他病害的能力。除銹病外，咖啡漿果病、咖啡漿果螟和咖啡二化螟是影響世界許多地區生產的另外三種主要害蟲。氣候變遷也是控制病蟲害的關鍵問題，因為氣候變遷會使病蟲害蔓延到新的地區。雀巢農業科學研究所植物遺傳學和化學組經理莫德-勒佩利（Maud Lepelley）透露：”不同地區之間的生咖啡豆貿易也是導致某些病蟲害向新地區傳播的另一個因素。”

在現已發表的論文中，研究小組設法找到了文獻中已經與抗病性相關的基因集，這些基因只存在於改良後的品種中。 「帝汶雜交種以某種方式獲得了這些抗病基因，現在我們知道是哪些基因了。它們有幾十種，但我們已經縮小了搜尋範圍。阿拉比卡咖啡有69,000 個基因，而我們已經縮小到了不到30 個。

但這項工作遠未結束，因為這些基因仍有待測試。還需要進行更多的研究，以確定並培育出能夠抵抗這些病蟲害和其他咖啡病蟲害的品種。

利用分子遺傳學，研究小組還能夠進行三重分離，表明埃塞俄比亞野生植物的遺傳多樣性不同於今天種植的咖啡，這可能是由於瓶頸效應和馴化造成的，因為在馴化過程中很少有植物被選中。科學家指出：”我們在此表明，由於馴化前的多重瓶頸效應，野生標本的遺傳多樣性已經很低，而被人類選擇用於種植的基因型，包括古老的埃塞俄比亞本地品種和較新的品種，已經在一定程度上混合了不同的品系。

基因表現與咖啡香氣

同時，多明哥斯小組也觀察到了一些與咖啡品質，尤其是香味有關的基因表現事件。他們研究了萜烯合成酶（在植物中與抵抗昆蟲有關），以及一個與咖啡中脂質化合物有關的基因，該基因編碼脂肪酸去飽和酶。

「我們在一個亞洲阿拉比卡品種中觀察到，與香氣和風味相關的基因在果實中由C. eugenioides亞基因組表達的多於另一個親本。換句話說，其中一個基因組對飲料感官特性的貢獻大於另一個基因組。

探索阿拉比卡咖啡中的基因交互作用

這項研究揭示了C. canephora和C. eugenoides基因之間的相互作用如何與阿拉比卡咖啡的香味等特徵相關聯。闡明基因之間的相互作用有助於增進我們對阿拉比卡咖啡重要特徵的遺傳機制的了解，而這是開發新品種的基本前提，可以保證未來咖啡產品所需的咖啡豆的生產。

這項工作的衍生項目已經在進行中。 “我剛剛與法國研究人員合作啟動了另一個項目，這也是第一個工作的衍生項目。我們現在要分析非栽培咖啡物種。我們希望了解非咖啡物種的基因組，這些物種所包含的特徵與氣候變化情境相關。引入或修改這些基因，使栽培物種更具抵抗力。

編譯來源：ScitechDaily