布法罗大学的研究人员创造了他们所说的迄今为止世界上最受欢迎的咖啡品种阿拉比卡咖啡的最高质量参考基因组。来源:布法罗大学

　　布法罗大学的研究人员破译了阿拉比卡咖啡的基因组，将其起源追溯到60多万年前，并概述了其遗传挑战和气候适应。这项研究为培育更有弹性的阿拉比卡品种提供了见解。

　　在未来几十年里，种植能够更好地抵御气候变化的咖啡树的关键可能在于古老的过去。

　　由布法罗大学共同领导的研究人员创造了他们所说的迄今为止世界上最受欢迎的咖啡品种阿拉比卡咖啡的最高质量参考基因组，揭示了其跨越千年和大陆的血统秘密。

　　他们的研究结果发表在4月15日的《自然遗传学》杂志上，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两种其他咖啡物种的自然交配而发展起来的。研究发现，阿拉比卡咖啡的数量在地球变暖和变冷的数千年里起起落落，最终在埃塞俄比亚和也门被种植，然后传播到全球。

　　“我们利用今天活着的植物的基因组信息回到过去，描绘出阿拉比卡咖啡悠久历史的最准确的画面，并确定现代栽培品种是如何相互关联的，”该研究的共同通讯作者Victor Albert博士说，他是UB生物科学系的帝国创新教授，在艺术与科学学院内。

　　阿拉比卡咖啡的全球优势和遗传挑战

　　像星巴克和蒂姆·霍顿斯这样的咖啡巨头每天只使用阿拉比卡咖啡豆来酿造数百万杯咖啡，然而，部分原因是由于近亲繁殖的历史和人口规模小，阿拉比卡咖啡豆易受许多害虫和疾病的影响，只能在世界上病原体威胁较低、气候条件较有利的少数地方种植。

　　Albert说:“详细了解当代品种的起源和育种历史对于开发更好地适应气候变化的新阿拉比卡咖啡品种至关重要。”

　　利用尖端的DNA测序技术和先进的数据科学，研究小组利用他们的新参考基因组，对39个阿拉比卡品种进行了测序，甚至还对瑞典博物学家卡尔·林奈(Carl Linnaeus)使用的18世纪标本进行了测序。

　　参考基因组现在在一个公开的数字数据库中可用。

　　“虽然其他关于阿拉比卡咖啡的公开参考文献确实存在，但我们团队的工作质量非常高，”该研究的联合负责人之一、雀巢雀巢研究公司(nestle Research)基因组学高级专家帕特里克·德斯库姆斯(Patrick Descombes)说。“我们使用了最先进的基因组学方法——包括长读和短读高通量DNA测序——来创建迄今为止最先进、最完整、最连续的阿拉比卡参考基因组。”

　　人类最喜欢的咖啡是在没有人类帮助的情况下进化出来的

　　阿拉比卡咖啡是世界上大约60%的咖啡产品的来源，它的种子帮助数百万人开始新的一天或熬夜。然而，创造它的最初杂交是在没有任何人类干预的情况下完成的。

　　阿拉比卡咖啡是由canephora咖啡和eugenioides咖啡自然杂交而成的，因此它从每个亲本获得了两组染色体。科学家们很难准确地确定这种异源多倍体化事件发生的时间和地点，估计范围从1万到100万年前不等。

　　为了找到原始事件的证据，UB的研究人员和他们的合作伙伴通过一个计算建模程序运行了他们的各种阿拉比卡基因组，以寻找物种基础的特征。

　　这些模型显示了阿拉比卡咖啡历史上的三个人口瓶颈，最古老的发生在大约29,000代人之前，也就是61万年前。研究人员说，这表明阿拉比卡咖啡形成于此之前的某个时间，大约在61万到100万年前。

　　“换句话说，创造阿拉比卡咖啡的杂交不是人类做的事情，”阿尔伯特说。“很明显，这种多倍体事件早于现代人和咖啡的种植。”

　　长期以来，人们一直认为咖啡树是在埃塞俄比亚发展起来的，但研究小组在东非大裂谷(从非洲东南部延伸到亚洲)周围收集的品种显示出明显的地理分裂。研究的野生品种都起源于西侧，而栽培品种都起源于最靠近分隔非洲和也门的曼德海峡的东侧。

　　这与咖啡种植可能主要开始于也门的证据一致，大约在15世纪。据信，1600年左右，印度僧侣巴巴·布丹(Baba Budan)将传说中的“七粒种子”从也门走私出去，建立了印度阿拉比卡咖啡(Arabica)品种，为今天咖啡的全球扩张奠定了基础。

　　“看起来也门咖啡的多样性可能是当前所有主要品种的创始人，”Descombes说。“咖啡不是一种像玉米或小麦那样经过大量杂交来创造新品种的作物。人们主要是选择自己喜欢的品种，然后种植。所以我们今天拥有的品种可能已经存在很长时间了。”

　　气候如何影响阿拉比卡的人口

　　由于对人类起源的研究，东非的地理气候历史得到了很好的记录，因此研究人员可以将气候事件与野生和种植的阿拉比卡咖啡种群随时间的波动进行对比。

　　模型显示，在20-10万年前，该地区人口规模长期处于低水平，这与据信在4 -7万年前袭击该地区的长期干旱和较冷的气候大致吻合。在大约6- 1.5万年前的非洲湿润时期，人口增加了，当时的生长条件可能更有利。

　　在同一时期，大约3万年前，野生品种和最终被人类种植的品种相互分离。

　　新加坡南洋理工大学助理教授Jarkko Saloj?rvi说:“它们偶尔会互相繁殖，但可能在大约8000到9000年前非洲湿润期结束时，由于海平面上升，海峡变宽，它们就停止了繁殖。”Jarkko Saloj?rvi是这项研究的另一位共同通讯作者。

　　低遗传多样性威胁着阿拉比卡咖啡

　　据估计，种植的阿拉比卡咖啡的有效种群规模只有1万到5万只。它的低遗传多样性意味着它可能会像单一栽培的卡文迪什香蕉一样，被病原体彻底摧毁，比如咖啡叶锈病，每年造成10 - 20亿美元的损失。

　　参考基因组能够更清楚地说明一种阿拉比卡品种是如何获得对这种疾病的强大抵抗力的。

　　帝汶品种形成于东南亚，是阿拉比卡咖啡和它的亲本之一canephora的自然杂交品种。罗布斯塔也被称为罗布斯塔，主要用于速溶咖啡，它比阿拉比卡咖啡更能抵抗疾病。

　　“因此，当罗布斯塔在帝汶与阿拉比卡杂交时，它带来了一些病原体防御基因，”阿尔伯特说，他也在2014年共同领导了罗布斯塔的基因组测序。阿尔伯特和合作者目前的工作也提出了罗布斯塔基因组的高度改进版本，以及阿拉比卡咖啡的其他祖先物种的新序列，咖啡eugenioides。

　　虽然育种者试图复制这种杂交来增强病原体防御，但新的阿拉比卡参考基因组使目前的研究人员能够确定一个新的区域，其中包含RPP8抗性基因家族成员以及抗性基因的一般调节因子CPR1。

　　Saloj?rvi说:“这些结果提示了一个新的靶点，可以潜在地提高阿拉比卡咖啡的病原体抗性。”

　　基因组还提供了其他新发现，比如哪种野生品种最接近现代种植的阿拉比卡咖啡。他们还发现，Typica品种，一种起源于印度或斯里兰卡的早期荷兰品种，很可能是波旁品种的祖先，波旁品种主要由法国人种植。

　　“我们的工作和重建一个非常重要的家庭的家谱没什么不同，”艾伯特说。

　　参考:作者:Jarkko Saloj?rvi、Aditi Rambani、于喆、Romain Guyot、Susan Strickler、Maud Lepelley、Cui Wang、Sitaram Rajaraman、Pasi Rastas、郑春芳、Daniella Santos Mu?oz、jo

　　o Meidanis、Alexandre Rossi Paschoal、Yves Bawin、Trevor J. Krabbenhoft、Wang Zhen Qin、Steven J. Fleck、Rudy Aussel、Laurence Bellanger、Aline Charpagne、Coralie Fournier、Mohamed Kassam、Gregory Lefebvre, Sylviane m

　　， Moine, Michel Rigoreau, Jens Stolte, Perla Hamon, Emmanuel Couturon, Christine Tranchant-Dubreuil, Minakshi Mukherjee, Tianying Lan, Jan Engelhardt, Peter Stadler, Samara Mireza Correia De Lemos, Suzana Ivamoto Suzuki, Ucu Sumirat, Ching Man Wai, Nicolas Dauchot, Simon Orozco-Arias, Andrea Garavito, Catherine Kiwuka, Pascal Musoli, Anne Nalukenge, Erwan Guichoux, Havinga Reinout, Martin Smit, Lorenzo Carretero-Paulet, Oliveiro Guerreiro Filho，Masako Toma Braghini, Lilian Padilha, Gustavo Hiroshi Sera, Tom Ruttink, Robert Henry, Pierre Marraccini, Yves Van de Peer, Alan Andrade, Douglas Domingues, Giovanni Giuliano, Lukas Mueller, Luiz Filipe Pereira, Stephane Plaisance, Valerie Poncet, Stephane Rombauts, David Sankoff, Victor A. Albert, Dominique Crouzillat, Alexandre de Kochko和Patrick Descombes, 2024年4月15日，Nature Genetics。DOI: 10.1038 / s41588 - 024 - 01695 - w

　　雀巢研究公司资助了大部分的研究。这个庞大的国际团队由Albert共同领导，他的工作得到了美国国家科学基金会和许多其他组织的支持。UB的其他贡献者包括Trevor Krabbenhoft博士和Wang Zhen博士，他们都是生物科学助理教授;博士生Steven Fleck;博士生Minakshi Mukherjee;以及前研究科学家蓝天英，他们都来自生物科学系。