Геном кофе проливает свет на эволюцию кофеина

Ферменты, участвующие в производстве кофеина, эволюционировали независимо у кофе, чая и какао. К такому выводу пришли учёные, впервые расшифровавшие геном кофейного растения.

Новая расшифровка генома кофейного растения раскрывает секреты эволюции кофеина. Анализ последовательностей и расположения генов показал, что гены, связанные с производством кофеина в кофе, эволюционировали независимо от аналогичных генов в чае и какао. Это означает, что кофе не унаследовал эти гены от общего предка, а развил их самостоятельно.

Результаты исследования будут опубликованы 5 сентября в журнале Science.

Значение исследования

Кофе — ключевой сельскохозяйственный продукт для многих тропических стран. По данным Международной организации кофе, в 2013 году было произведено более 8,7 млн тонн кофе, а экспортная выручка в 2009–2010 годах составила $15,4 млрд.

«Геномная последовательность может стать значительным шагом на пути к улучшению кофе», — сказал Филипп Лашерме из Французского института исследований в целях развития (IRD).

В исследовании участвовали учёные из Франции, США, Италии, Канады, Германии, Китая и других стран. Команда создала качественный черновик генома Coffea canephora, на который приходится около 30% мирового производства кофе.

Ключевые отличия кофейного генома

По сравнению с другими видами растений, такими как виноград и томат, у кофе обнаружены более крупные семейства генов, отвечающих за производство алкалоидных и флавоноидных соединений. Эти вещества влияют на аромат кофе и горечь зёрен.

Кроме того, у кофе расширена коллекция N-метилтрансфераз — ферментов, участвующих в синтезе кофеина. Детальный анализ показал, что кофейные ферменты синтеза кофеина более тесно связаны с другими генами самого кофе, чем с аналогичными ферментами чая и какао. Это подтверждает гипотезу о независимом происхождении кофеина у этих растений.

Эволюция генома

Исследование также выявило особенности структуры генома кофе. В отличие от своих родственников — томата и перца чили — геном кофе не подвергался трипликации (утроению). Его структура осталась ближе к геному винограда.

«Эволюционное разнообразие генома кофе, вероятно, в большей степени было driven дупликациями в конкретных семействах генов, а не массовой дупликацией всего генома», — пояснил Патрик Винкер.

Это контрастирует с наблюдениями для других крупных семейств растений, где высокая видовое разнообразие часто коррелирует с событиями удвоения или утроения всего генома. Кофе относится к семейству Мареновые (Rubiaceae), которое насчитывает около 13 000 видов и является четвёртым по величине в мире. Отсутствие дупликации всего генома у его основания ставит под сомнение универсальную связь между такой дупликацией и высоким биоразнообразием.

Что касается роли кофеина в природе, учёные предполагают, что он может помогать растениям отпугивать насекомых или подавлять рост растений-конкурентов. Новое исследование не предлагает новых идей об эволюционной роли кофеина, но подтверждает, что это соединение является ценным активом для растения.