Расшифрован геном арабики: древнее происхождение и будущее в условиях изменения климата

Ключ к созданию кофейных растений, устойчивых к изменению климата, может скрываться в древнем прошлом.

Исследователи под руководством Университета в Буффало создали самый качественный на сегодняшний день референсный геном самого популярного в мире вида кофе — Coffea arabica (арабики), раскрыв секреты его происхождения, насчитывающие сотни тысяч лет.

Согласно исследованию, опубликованному в Nature Genetics, арабика возникла более 600 000 лет назад в лесах Эфиопии в результате естественного скрещивания двух других видов кофе: Coffea canephora (робуста) и Coffea eugenioides. Популяция арабики росла и сокращалась в периоды потеплений и похолоданий на Земле, прежде чем её начали культивировать в Эфиопии и Йемене, а затем распространили по всему миру.

Эволюция без участия человека

Арабика, на долю которой приходится около 60% мирового производства кофе, сформировалась естественным путём. Моделирование показало, что это событие полиплоидизации произошло от 610 000 до 1 миллиона лет назад, задолго до появления современного человека.

Исследование также выявило чёткое географическое разделение: дикие разновидности происходят с западной стороны Великой рифтовой долины, а культивируемые — с восточной, ближе к Баб-эль-Мандебскому проливу, отделяющему Африку от Йемена. Это согласуется с историческими данными о начале культивации кофе в Йемене в XV веке.

Влияние климата на популяцию

Сопоставление геномных данных с палеоклиматической историей Восточной Африки показало:

• Длительный период низкой численности популяции 20–100 000 лет назад, совпавший с масштабной засухой.
• Рост популяции в Африканский влажный период (6–15 000 лет назад).
• Около 30 000 лет назад дикие и будущие культивируемые разновидности разделились, окончательно перестав скрещиваться 8–9 000 лет назад.

Угрозы низкого генетического разнообразия

Культивируемая арабика имеет низкое генетическое разнообразие и эффективный размер популяции всего 10 000–50 000 особей, что делает её уязвимой для патогенов, таких как кофейная листовая ржавчина, ежегодно наносящая ущерб в $1–2 млрд.

Референсный геном помог понять основу устойчивости к болезни у разновидности Тимор. Она возникла в Юго-Восточной Азии как спонтанный гибрид арабики и робусты, который привнёс гены устойчивости к патогенам.

Учёные идентифицировали новый геномный локус, содержащий гены семейства RPP8 и регулятор CPR1, что открывает новую мишень для улучшения устойчивости арабики.

Методология и значение

Команда использовала передовые методы геномики, включая высокопроизводительное секвенирование ДНК длинными и короткими чтениями, чтобы создать самый полный и непрерывный референсный геном арабики на сегодня. Были секвенированы 39 сортов арабики, включая образец XVIII века, использованный Карлом Линнеем.

Полученные данные, включая улучшенные геномы робусты и C. eugenioides, находятся в открытом доступе. Эта работа, по словам авторов, подобна реконструкции генеалогического древа очень важного семейства и необходима для выведения новых сортов арабики, адаптированных к изменению климата.