Ključ za uzgoj biljaka kafe koji se mogu bolje odupreti klimatskim promenama u decenijama koje dolaze možda leži u davnoj prošlosti.
Istraživači predvođeni Univerzitetom u Bafalu stvorili su, kako kažu, najkvalitetniji referentni genom do sada najpopularnije vrste kafe na svetu, arabike, otkrivajući tajne o njenoj liniji koja obuhvata milenijume i kontinente.
Njihovi nalazi, objavljeni u Nature Genetics, sugerišu da se Coffea arabica razvila pre više od 600.000 godina u šumama Etiopije prirodnim parenje između dve druge vrste kafe. Populacija Arabike je rasla i slabila tokom perioda grejanja i hlađenja Zemlje tokom hiljada godina, pokazalo je istraživanje, pre nego što je na kraju kultivisana u Etiopiji i Jemenu, a zatim se proširila širom sveta.
„Koristili smo genomske informacije u biljkama koje žive danas da bismo se vratili u prošlost i dali najtačniju moguću sliku duge istorije Arabice, kao i da bismo utvrdili kako su moderne kultivisane sorte povezane jedna sa drugom“, kaže ko-korespondent studije. , dr Viktor Albert, profesor Empire Innovation na Odeljenju za biološke nauke UB, u okviru Fakulteta umetnosti i nauka.
Divovi kafe kao što su Starbucks i Tim Hortons isključivo koriste zrna iz biljaka Arabike za pravljenje miliona šoljica kafe koju svakodnevno poslužuju, ali delom zbog niske genetske raznolikosti koja proizilazi iz istorije inbridinga i male populacije, Arabica je podložna mnogo štetočina i bolesti i može se gajiti samo na nekoliko mesta u svetu gde su opasnosti od patogena manje, a klimatski uslovi povoljniji.
„Detaljno razumevanje porekla i istorije oplemenjivanja savremenih sorti je ključno za razvoj novih sorti Arabike bolje prilagođenih klimatskim promenama“, kaže Albert.
Iz njihovog novog referentnog genoma, ostvarenog korišćenjem najsavremenije tehnologije sekvenciranja DNK i napredne nauke o podacima, tim je uspeo da sekvencira 39 sorti arabike, pa čak i primerak iz 18. veka koji je koristio švedski prirodnjak Karl Line da imenuje vrstu.
Referentni genom je sada dostupan u javno dostupnoj digitalnoj bazi podataka.
„Iako postoje i druge javne reference za arapsku kafu, kvalitet rada našeg tima je izuzetno visok“, kaže jedan od ko-vođa studije, Patrick Descombes, viši stručnjak za genomiku u Nestle Research-u. „Koristili smo najsavremenije pristupe genomičnosti — uključujući sekvencioniranje DNK visoke propusnosti dugog i kratkog čitanja — da bismo stvorili najnapredniji, kompletniji i kontinuirani referentni genom Arabike do sada.
Arabika je izvor približno 60% ukupnih svetskih proizvoda od kafe, a njeno seme pomaže milionima da započnu dan ili ostanu budni do kasno. Međutim, početno ukrštanje koje ga je stvorilo obavljeno je bez ikakve intervencije ljudi.
Arabika je nastala kao prirodna hibridizacija između Coffea canephora i Coffea eugenioides, nakon čega je dobila dva seta hromozoma od svakog roditelja. Naučnici su imali teškoća da odrede tačno kada – i gde – se desio ovaj događaj alopoliploidizacije, sa procenama koje se kreću svuda od pre 10.000 do 1 milion godina.
Da bi pronašli dokaze za originalni događaj, istraživači UB i njihovi partneri proveli su svoje različite genome Arabice kroz program računarskog modeliranja kako bi potražili potpise osnova vrste.
Modeli pokazuju tri uska grla u populaciji tokom istorije Arabike, pri čemu se najstariji dogodio pre nekih 29.000 generacija—ili 610.000 godina—. Ovo sugeriše da je Arabica nastala negde pre toga, negde od pre 610.000 do milion godina, kažu istraživači.
„Drugim rečima, ukrštanje koje je stvorilo Arabicu nije bilo nešto što su ljudi radili“, kaže Albert. „Prilično je jasno da je ovaj događaj poliploidije prethodio modernim ljudima i uzgoju kafe.“
Dugo se smatralo da su biljke kafe razvijene u Etiopiji, ali sorte koje je tim sakupio oko Velike Rift doline, koja se proteže od jugoistočne Afrike do Azije, pokazale su jasnu geografsku podelu. Sve proučavane divlje sorte potiču sa zapadne strane, dok sve kultivisane sorte potiču sa istočne strane najbliže moreuzu Bab al-Mandab koji razdvaja Afriku i Jemen.
To bi bilo u skladu sa dokazima da je uzgoj kafe možda počeo uglavnom u Jemenu, oko 15. veka. Veruje se da je indijski monah Baba Budan prokrijumčario legendarnih „sedam semenki“ iz Jemena oko 1600. godine, osnivajući sorte indijske arabike i postavljajući teren za globalni domet kafe danas.
„Izgleda da je raznolikost jemenske kafe možda osnivač svih trenutnih glavnih sorti“, kaže Deskombs. „Kafa nije kultura koja je u velikoj meri ukrštana, kao što su kukuruz ili pšenica, da bi se stvorile nove sorte. Ljudi su uglavnom birali sortu koja im se dopala i potom je uzgajala. Tako da sorte koje imamo danas verovatno postoje već dugo. “
Geoklimatska istorija istočne Afrike je dobro dokumentovana zbog istraživanja o ljudskom poreklu, tako da bi istraživači mogli da uporede klimatske događaje sa načinom na koji su divlje i kultivisane populacije arabike fluktuirale tokom vremena.
Modeliranje pokazuje dug period niske veličine populacije pre 20-100.000 godina, što se otprilike poklapa sa produženom sušom i hladnijom klimom za koju se veruje da je pogodila region pre 40-70.000 godina. Populacija se tada povećala tokom afričkog vlažnog perioda, pre oko 6–15.000 godina, kada su uslovi rasta verovatno bili korisniji.
U isto vreme, pre oko 30.000 godina, divlje sorte i sorte koje će ljudi na kraju uzgajati odvojile su se jedna od druge.
„Oni su se i dalje povremeno razmnožavali jedni sa drugima, ali su se verovatno zaustavili na kraju afričkog vlažnog perioda i širenja moreuza zbog porasta nivoa mora pre oko 8.000 do 9.000 godina“, kaže Jarkko Salojarvi, docent na Tehnološkom univerzitetu Naniang u Singapur i još jedan ko-korespondent autor dela.
Procenjuje se da kultivisana arabika ima efektivnu veličinu populacije od samo 10.000 do 50.000 jedinki. Njena niska genetska raznovrsnost znači da bi mogla biti potpuno desetkovana, poput monokulture banane Cavendish, od strane patogena, kao što je rđa kafe, koja uzrokuje gubitak od 1-2 milijarde dolara godišnje.
Referentni genom je bio u stanju da baci više svetla na to kako je jedna linija sorti Arabice dobila jaku otpornost na bolest.
Sorta Timor nastala je u jugoistočnoj Aziji kao spontani hibrid između Arabice i jednog od njenih roditelja, Coffea canephora. Takođe poznata kao Robusta i koristi se prvenstveno za instant kafu, ova vrsta je otpornija na bolesti od Arabice.
„Dakle, kada se Robusta hibridizovala nazad u Arabicu na Timoru, donela je neke od svojih gena za odbranu od patogena zajedno sa sobom“, kaže Albert, koji je takođe vodio sekvenciranje genoma Robuste 2014. Sadašnji rad Alberta i saradnika takođe predstavlja veoma poboljšanu verziju genoma Robuste, kao i novu sekvencu drugih prastarih vrsta Arabice, Coffea eugenioides.
Dok su uzgajivači pokušali da repliciraju ovo ukrštanje kako bi pojačali odbranu od patogena, novi referentni genom Arabice omogućio je sadašnjim istraživačima da odrede novi region koji sadrži članove porodice gena otpornosti RPP8, kao i opšti regulator gena otpornosti, CPR1.
„Ovi rezultati ukazuju na novi ciljni lokus za potencijalno poboljšanje otpornosti na patogene u Arabici“, kaže Salojarvi.
Genom je pružio i druga nova otkrića, poput onih koje su divlje sorte najbliže modernoj, kultivisanoj kafi Arabica. Takođe su otkrili da je sorta Tipica, rana holandska sorta koja potiče iz Indije ili Šri Lanke, verovatno roditelj sorte Bourbon, koju uglavnom uzgajaju Francuzi.
„Naš posao nije bio drugačiji od rekonstrukcije porodičnog stabla veoma važne porodice“, kaže Albert.
