科學家揭示世界上最受歡迎的咖啡品種穿越千年的秘密
培育更能適應未來氣候變遷的咖啡植物的秘訣可能就在它們古老的過去。研究人員追溯了全球最受歡迎的咖啡品種阿拉比卡咖啡在過去一千年中穿越地球暖化和變冷週期的譜系。
研究人員為阿拉比卡咖啡物種開發了最高品質的參考基因組，揭示了其60萬年來的進化過程及其在沒有人類幹預的情況下的自然發展。這個新基因組揭示了阿拉比卡咖啡因遺傳多樣性低而對氣候變遷和蟲害的易感性，並為培育更能抵禦環境壓力的新品種提供了潛力。資料來源：布法羅大學
由布法羅大學（University at Buffalo）部分領導的研究人員開發了他們稱為最高品質的阿拉比卡咖啡（Arabica coffee）–世界上最受歡迎的咖啡品種的參考基因組。這一新基因組揭示了咖啡在各大洲傳承的千年秘密。
今天發表在《自然-遺傳學》（Nature Genetics）上的研究結果表明，阿拉比卡咖啡是60 多萬年前在埃塞俄比亞的森林中透過其他兩個咖啡物種之間的自然交配發展起來的。研究發現，阿拉比卡咖啡的族群數量在數千年的地球冷熱交替過程中此消彼長，最終在衣索比亞和葉門種植，然後傳播到全球各地。
該研究的共同通訊作者維克多-阿爾伯特（Victor Albert）博士是哥倫比亞大學文理學院生物科學系的帝國創新教授，他說：”我們利用現今存活植物的基因組信息回溯歷史，盡可能準確地描繪出阿拉比卡的悠久歷史，並確定現代栽培品種之間的關係。
星巴克和蒂姆-霍頓斯（Tim Hortons）等咖啡巨頭專門使用阿拉比卡咖啡豆來沖泡他們每天供應的數百萬杯咖啡，然而，部分原因是由於近親繁殖的歷史和種群規模較小導致遺傳多樣性較低，阿拉比卡咖啡豆容易受到許多病蟲害的影響，只能在世界上病原體威脅較低、氣候條件較為有利的少數幾個地方種植。
艾伯特說：”詳細了解當代品種的起源和育種歷史，對於開發更能適應氣候變遷的阿拉比卡新品種至關重要。”
研究團隊利用尖端的DNA定序技術和先進的資料科學完成了新的參考基因組定序，並從中定序出39 個阿拉比卡品種，甚至定序出瑞典博物學家卡爾-林奈（Carl Linnaeus）用來命名該物種的18 世紀標本。參考基因組現在可在一個公開的數位資料庫中查閱。
這項研究的共同負責人之一、雀巢研究公司基因組學資深專家帕特里克-德斯孔布斯（Patrick Descombes）說：”雖然確實存在其他關於阿拉比卡咖啡的公開參考文獻，但我們團隊的工作品質極高。 “
阿拉比卡咖啡約佔世界咖啡產品總量的60%，它的種子幫助數百萬人開始一天的工作或熬夜。然而，最初創造阿拉比卡咖啡的雜交是在沒有人類幹預的情況下完成的。
阿拉比卡咖啡是由Coffea canephora和Coffea eugenioides自然雜交形成的，它從每個親本中獲得了兩套染色體。科學家很難確定這種異源多倍體化事件發生的確切時間和地點，估計時間從1 萬年前到100 萬年前不等。
為了找到最初事件的證據，哥倫比亞大學的研究人員和他們的合作夥伴透過計算建模程式運行了各種阿拉比卡基因組，以尋找物種基礎的特徵。
模型顯示，在阿拉比卡的歷史中出現過三次族群瓶頸，最早的一次發生在大約2.9 萬代（或61 萬年前）。研究人員說，這表明阿拉比卡是在此之前的某個時間形成的，即61 萬年到100 萬年前。
艾伯特說：”換句話說，產生阿拉比卡咖啡的雜交並非人類所為。很明顯，這種多倍體事件發生在現代人類和咖啡種植之前。”
長期以來，人們一直認為咖啡植物是在埃塞俄比亞發展起來的，但研究小組在從非洲東南部延伸到亞洲的大裂谷周圍收集的咖啡品種卻顯示出明顯的地理分野。所研究的野生品種全部來自西部，而栽培品種則全部來自最靠近分隔非洲和也門的曼德海峽的東部。
這與咖啡種植主要始於15 世紀左右的也門的證據相吻合。印度僧侶巴巴-布丹（Baba Budan）據說在1600 年左右從也門偷運出了傳說中的”七粒種子”，從而培育出了印度阿拉比卡（Arabica）栽培品種，為今天咖啡的全球推廣奠定了基礎。
Descombes說：「看起來也門咖啡的多樣性可能是目前所有主要品種的創始人。咖啡並不是像玉米或小麥那樣經過大量雜交培育出新品種的作物。人們主要是選擇自己喜歡的品種，然後種植。
氣候如何影響阿拉比卡族群
由於人類起源的研究，東非的地理氣候歷史有據可查，因此研究人員可以將氣候事件與野生和栽培阿拉比卡種群如何隨時間波動進行對比。
模型顯示，在距今2-10 萬年前，該地區的人口數量曾長期處於較低水平，這與據信該地區在距今4-7 萬年前遭受的長期乾旱和較冷氣候大致吻合。然後，在大約6-15,000 年前的非洲濕潤時期，人口數量增加，當時的生長條件可能更有利。在同一時期，大約3 萬年前，野生品種和人類最終栽培的品種相互分離。
新加坡南洋理工大學助理教授Jarkko Salojärvi 是這項研究的另一位共同通訊作者，他說：”它們偶爾還會相互繁殖，但很可能在非洲濕潤期結束以及大約8000 到9000 年前海平面上升導致海峽變寬時停止了繁殖。
遺傳多樣性低對阿拉比卡咖啡構成威脅
據估計，栽培阿拉比卡咖啡的有效族群數量僅為10000 至50000 個個體。遺傳多樣性低意味著它可能會像單一種植的卡文迪許香蕉一樣，被病原體（如咖啡葉銹病）徹底消滅，而咖啡葉銹病每年會造成10 億至20 億美元的損失。參考基因組能夠進一步揭示一個阿拉比卡品種品係是如何獲得對該疾病的強大抵抗力的。
帝汶咖啡是阿拉比卡咖啡及其親代之一的卡內普霍亞咖啡在東南亞自發性雜交形成的品種。該品種比阿拉比卡更抗病，也被稱為羅布斯塔，主要用於速溶咖啡。
因此，當羅布斯塔在帝汶島與阿拉比卡雜交時，它也帶來了一些病原體防禦基因。阿爾伯特也在2014 年共同領導了羅布斯塔基因組的定序工作。 .阿爾伯特及其合作者目前的工作也展示了羅布斯塔基因組的高度改進版本，以及阿拉比卡的另一個祖先物種Coffea eugenioides 的新序列。
育種者曾試圖透過雜交來提高病原體的防禦能力，而新的阿拉比卡參考基因組使本研究人員能夠確定一個新的區域，其中蘊藏著RPP8 抗性基因家族的成員以及抗性基因的一般調控因子CPR1。
Salojärvi說：「這些結果為提高阿拉比卡的抗病原體能力提供了一個新的目標基因座。”
基因組也提供了其他新發現，例如哪些野生品種最接近現代種植的阿拉比卡咖啡。他們還發現，源自印度或斯里蘭卡的荷蘭早期栽培品種”Typica”很可能是法國人主要栽培的波旁品種的母本。
阿爾伯特說：”我們的工作與重建一個非常重要家族的家譜並無二致。”
編譯來源：ScitechDaily