Учёные нашли общие гены, защищающие кофейные растения от опасной болезни

Арабика — самый экономически важный сорт кофе в мире, на него приходится 60% всей кофейной продукции. Однако растения, из которых его получают, уязвимы для болезни, которая в 1800-х годах уничтожила кофейную империю Шри-Ланки.

Международная команда исследователей под совместным руководством Наньянского технологического университета (Сингапур) совершила прорыв, который поможет защитить растения арабики (Coffea arabica) от грибкового заболевания — кофейной ржавчины листьев. Со-руководителями исследования, опубликованного в Nature Genetics, также выступили специалисты из Nestlé, Университета Монпелье (Франция) и Университета в Буффало (США).

Учёные детально секвенировали весь генетический материал — или геномы — арабики и двух родственных кофейных растений. Это позволило команде идентифицировать новую комбинацию генов, общих для растений, устойчивых к кофейной ржавчине. Данные о геномах также помогут выявить другие полезные признаки у кофейных растений.

Открытие генов устойчивости открывает путь к лучшей защите ежедневного напитка любителей кофе и сохранению его высококачественного вкуса, поддерживая индустрию, в которой заняты миллионы работников. По данным Международной кофейной организации, средства к существованию 125 миллионов человек в мире зависят от кофейного бизнеса.

Низкое генетическое разнообразие

Растения арабики имеют низкое генетическое разнообразие, что делает их восприимчивыми к вредителям и болезням. У культивируемых растений, как правило, отсутствует генетический признак, обеспечивающий устойчивость к кофейной ржавчине листьев, вызываемой грибком Hemileia vastatrix.

Чтобы предотвратить потенциально катастрофическое уничтожение растений арабики по всему миру, учёные изучили геномное происхождение и историю селекции растения. Они секвенировали геномы арабики и двух родственных растений: робусты (C. canephora) и C. eugenioides, которые являются современными предками арабики. Для этого использовались передовые технологии: PacBio high fidelity для высокоточного секвенирования ДНК и high throughput chromosome conformation capture для создания детальных 3D-карт взаимодействия сегментов ДНК. Данные геномов находятся в открытом доступе.

Анализ показал, что устойчивость к ржавчине у арабики могла быть утрачена при широком культивировании, поскольку все культурные растения происходят из одного источника с крайне низкой генетической изменчивостью.

Однако в 1927 году на острове Тимор был обнаружен гибрид арабики и робусты, устойчивый к болезни. К сожалению, устойчивость сопровождается компромиссом — кофе с этого гибрида не обладает таким же хорошим вкусом, как с других растений арабики. Потомки тиморского гибрида до сих пор составляют основу всех устойчивых к ржавчине разновидностей.

Новое сочетание генов и ускоренная селекция

Используя геномную информацию, исследователи проанализировали наиболее распространённые культивируемые сорта кофе (около 95% мирового производства) и сравнили их с потомками тиморского гибрида.

Это позволило им обнаружить область последовательностей ДНК, общую для разных устойчивых к ржавчине кофейных растений, с новой комбинацией генов на основе робусты, которая может обеспечивать устойчивость у растений арабики в целом. Знание о существовании этих общих генов значительно увеличивает вероятность того, что эти генетические последовательности действительно защищают от ржавчины, и позволит селекционерам отбирать их при выведении новых сортов кофе.

Сопоставление высококачественных геномных последовательностей арабики, робусты и C. eugenioides показало, что эти три вида всё ещё очень похожи генетически. Это означает, что для будущих программ селекции на устойчивость к болезням можно рассматривать использование других родственных видов кофе, таких как робуста и C. eugenioides. Селекция только на основе арабики проблематична, поскольку даже её дикие разновидности обладают очень низким генетическим разнообразием.

Происхождение арабики и будущие перспективы

Анализ также позволил предположить, что арабика возникла в результате случайного события 350 000–610 000 лет назад, когда растения робусты и C. eugenioides естественным образом перекрёстно опылились, создав первые дикие растения арабики.

Детальные геномные последовательности, полученные для всех трёх растений, также означают, что в будущем можно будет идентифицировать и другие полезные признаки, такие как устойчивость к засухе, лучшая урожайность и более ароматные зёрна. Эти признаки можно будет определять с помощью генетических маркеров, предсказывая будущие характеристики саженцев, не дожидаясь годы их созревания.

Поскольку устойчивый гибрид с Тимора не даёт кофе такого же качества, как обычная арабика, собранные геномные данные теперь предоставляют исследователям быстрый путь для выведения новых устойчивых к болезням растений, которые при этом сохранят изысканный, мягкий и сладкий вкус арабики, ценимый во всём мире.