Arabica kaffe är det ekonomiskt viktigaste kaffet globalt och står för 60 % av kaffeprodukterna världen över. Men växterna den kommer från är sårbara för en sjukdom som på 1800-talet ödelade Sri Lankas kaffeimperium.
Nu har ett internationellt team av forskare som leds av Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) gjort ett genombrott som hjälper till att skydda Arabica-växter (Coffea arabica) mot svampsjukdomen, som kallas kaffebladsrost.
De andra medledarna för studien, publicerade i Nature Genetics , är baserade på världens största mat- och dryckesföretag Nestlé, Université de Montpellier i Frankrike och universitetet i Buffalo i USA.
Forskarna kartlade, i detalj, allt genetiskt material – eller genom – från Arabica och två relaterade kaffeväxter. Detta gjorde det möjligt för teamet att identifiera en ny kombination av gener som delas av växterna som är resistenta mot kaffebladsrost. Med data om genomen kan andra användbara egenskaper hos kaffeväxter också identifieras.
Att upptäcka resistensgenerna öppnar vägen för att bättre skydda kaffeälskares dagliga fix och bibehålla dryckens högkvalitativa smak, och därigenom stödja en industri som sysselsätter miljontals arbetare. Enligt International Coffee Organization beror utkomsten för 125 miljoner människor runt om i världen på kaffebranschen.
Kaffebladsrostsjukdomen har orsakat förödelse i kaffeproducerande länder och fortsätter att utplåna kaffeodlingar idag. United States Agency for International Development uppskattade att mellan 2012 och 2014 orsakade ett utbrott av kaffebladsrost cirka 1 miljard USD (1,36 miljarder USD) i ekonomiska skador i Latinamerika.
Biträdande professor Jarkko Salojarvi från NTU:s skola för biologiska vetenskaper, som var med och ledde forskargruppen, sa:"De högkvalitativa genomsekvenserna för de tre växtarterna, tillsammans med de genetiska kandidatsekvenserna för kaffebladsrostresistens, utgör hörnstenen för föda upp nya sorter av Arabica-växter som är mer anpassningsbara till förändringar och mer motståndskraftiga mot sjukdomar orsakade av patogener som svampar."
Projektet involverade ett stort konsortium av forskare och kaffeuppfödare från Australien, Belgien, Brasilien, Kanada, Kina, Colombia, Finland, Frankrike, Tyskland, Indonesien, Italien, Nederländerna, Sydafrika, Spanien, Schweiz, Uganda och USA.
Dr. Patrick Descombes, senior expert i genomik vid Nestlé Research, och en av studiens medledare, sa:"Medan andra offentliga referenser för Arabica finns, är kvaliteten på vårt teams arbete extremt hög. Vi använde state-of- de senaste genomikmetoderna – inklusive långa och korta läsningar med hög genomströmning sekvensering – för att skapa den mest avancerade, kompletta och kontinuerliga Arabica-referensen hittills."
Arabicaväxter har låg genetisk mångfald, vilket gör dem mottagliga för skadedjur och sjukdomar. De odlade växterna har vanligtvis inte den genetiska egenskap som ger resistens mot kaffebladsrost, som orsakas av Hemileia vastatrix-svamparna.
Svamparna bildar orangegula fläckar på kaffeplantornas blad, som så småningom vissnar och faller. Förlusten av löv sänker kvaliteten och kvantiteten på växternas bär som skördas för att brygga kaffe.
För att förhindra en potentiellt katastrofal utplåning av Arabica-växter världen över genom kaffebladsrost, studerade forskarna växtens genomiska ursprung och förökningshistoria.
De gjorde det genom att kartlägga de mycket detaljerade genomiska sekvenserna av Arabica och två relaterade kaffeproducerande växter, Robusta (C. canephora) och C. eugenioides, som är nutida förfäder till Arabica.
Detta gjordes med hjälp av avancerad teknik, nämligen PacBio high fidelity-teknologi för att sekvensera DNA med hög noggrannhet, och hög genomströmning av kromosomkonformationsfångst för att skapa detaljerade 3D-kartor över hur olika DNA-segment interagerar. Data för genomen är allmänt tillgänglig.
Forskarnas analys antydde att motståndet mot kaffebladsrost i Arabica kan ha gått förlorat när Arabica-växter blev allmänt odlade, eftersom alla odlade Arabica-kaffeväxter kommer från samma stam med mycket liten genetisk variation.
Men en hybrid av Arabica och Robusta som är resistenta mot sjukdomen hittades på ön Timor 1927. Tyvärr kommer resistensen med en avvägning eftersom hybriden inte producerar kaffe som smakar lika gott som det från andra Arabica-växter.
Utan några alternativ utgör ättlingarna till hybridväxten Timor fortfarande basen för alla rostbeständiga varianter av kaffeblad.
Tidigare forskning upptäckte några gener som potentiellt ger resistens mot bladrost i olika kaffeväxter. Men utan en karta över de olika kaffeväxternas arvsmassa var det svårt att exakt identifiera dessa gener och svårt att räkna ut om de även fanns i andra kaffeväxter, vilket skulle öka chansen att de kodade för resistens. Genidentifieringsprocessen var också långsam.
Men med den nya forskningen som kartlägger arvsmassan från olika kaffeväxter i detalj, kommer identifiering av resistensgener att bli snabbare och mer exakt.
Med hjälp av växternas genominformation analyserade forskarna de vanligaste odlade kaffesorterna, som representerar cirka 95 % av världens kaffeproduktion, och jämförde dem med ättlingar till hybriden Timor.
Detta gjorde det möjligt för dem att hitta en region av DNA-sekvenser som är vanliga bland olika bladrostresistenta kaffeväxter, med en ny kombination av Robusta-baserade gener som kan förmedla resistens i Arabica-växter i allmänhet. Att känna till förekomsten av dessa delade gener ökar avsevärt sannolikheten för att dessa genetiska sekvenser verkligen kan försvara sig mot bladrost, och kan göra det möjligt för uppfödare att välja efter dem när de odlar nya kaffesorter.
Genom sin analys postulerade forskarna också att Arabica härrörde från en tillfällig händelse för 350 000 till 610 000 år sedan när Robusta- och C. eugenioides-växterna korspollinerades naturligt för att skapa de första Arabica-växterna i det vilda.
Denna datering kommer mellan tidigare uppskattningar, med en tidigare som satte den slumpmässiga händelsen till så sent som för 20 000 år sedan, medan andra driver det så långt tillbaka som för en miljon år sedan. Forskarna sa att avvikelsen mellan tidigare siffror kan bero på historiska förändringar i populationsstorlekar i vilda och odlade växter, såväl som de olika källorna och den begränsade mängden data som används.
Genom att jämföra de högkvalitativa genomiska sekvenserna av Arabica med de hos Robusta och C. eugenioides fann forskargruppen att de tre arterna fortfarande är mycket lika genetiskt. Detta tyder på att för framtida förädlingsprogram för att säkerställa att Arabica-växter har sjukdomsresistens, kan uppfödare överväga att använda andra relaterade kaffearter, såsom Robusta och C. eugenioides.
Att enbart använda Arabica-växter för att odla för resistensegenskapen är problematiskt eftersom studien fann att även de vilda sorterna av Arabica, inte bara de odlade, har mycket låg genetisk mångfald, vilket gör det svårare att odla för sjukdomsresistens.
"Den låga genetiska mångfalden hos både odlade och vilda moderna Arabica-växter är ett hinder för dess förädling med hjälp av växternas vilda varianter. Men nära likheter mellan Arabica-, Robusta- och C. eugenioides-växter kommer sannolikt att underlätta introduktionen av intressanta egenskaper från de två sistnämnda till Arabica", sa professor Salojarvi.
De mycket detaljerade genomiska sekvenserna som kartlagts för alla tre kaffeplantorna innebär också att andra användbara egenskaper kan identifieras i framtiden, såsom motståndskraft mot torka, bättre skörd och mer aromatiska kaffebönor.
Dessa egenskaper kan identifieras med genetiska markörer, som kan användas för att förutsäga framtida prestanda för kaffeplantor, istället för att vänta flera år på att plantorna ska mogna och bära bär för att ta reda på det.
Eftersom den lövrostbeständiga hybriden från Timor inte producerar kaffe som är lika bra som det från de vanliga Arabica-växterna, ger genomdata som sammanställts nu ett snabbt spår för forskare att föda upp nya sjukdomsresistenta växter som fortfarande behåller det sublima, släta och söt smak av Arabica som njuts av kaffeälskare över hela världen.
Mer information: Jarkko Salojärvi et al, Genomet och populationsgenomiken för allopolyploid Coffea arabica avslöjar diversifieringshistorien för moderna kaffesorter, Nature Genetics (2024). DOI:10.1038/s41588-024-01695-w
De högkvalitativa genomen av Arabica, Robusta och C. eugenioides finns på denna länk:bioinformatics.psb.ugent.be/gdb/coffea_arabica/
Journalinformation: Naturgenetik
Tillhandahålls av Nanyang Technological University
