从内部搜索: 研究巴拿马Geisha咖啡的遗传组成 – 25 Magazine, Issue 9

从内部搜索: 研究巴拿马Geisha咖啡的遗传组成 – 25 Magazine, Issue 9

在全球咖啡需求稳步增长的同时,气候变化及其他威胁对咖啡生产的未来提出了重大挑战。

STEPHANIE ALCALA探讨了遗传多样性的现状,以及我们如何才能创造出适应气候变化的作物,她分享了自己研究项目中的一些亮点,该项目调查了深受喜爱的巴拿马Geisha咖啡的基因组成。[1]

精品咖啡产业最容易受到气候变化的影响,因为它完全依赖于阿拉比卡咖啡的生产,这种咖啡品种高度依赖稳定的山地生长条件。据估计,到2050年,由于气候变化,适宜种植咖啡的土地将减少一半。然而,咖啡生产者已经在遭遇其带来的影响,天气模式愈发不规律,包括长时间的干旱、温度波动和降雨。这些不可预测的气候条件会影响产量和咖啡质量。这可能会导致生产者的经济不稳定,而他们已经面临着巨大的障碍,咖啡价格往往低于生产成本。将这两个问题与生产者经常面临的许多其他威胁相结合,例如虫害和疾病或劳动力成本,我们会发现咖啡生产陷入了无休止的动荡周期。

幸运的是,有无数的个人和组织致力于解决这些问题,努力创造一个可持续的咖啡产业。而我相信我们每一个人也都有能力为解决这些问题做出贡献,提高咖啡的市场弹性。解决办法在于加深我们对这些持续存在的威胁的理解,并与致力于解决这些问题的各个组织进行接触。

咖啡遗传学入门

我们产业的未来取决于生产商能否获得可以承受未来气候条件并产出高试饮质量的种植材料。然而,阿拉比卡咖啡几乎不具备遗传多样性,导致其在遗传上适应气候变化的能力有限。那么我们如何能够解决这个问题?首先,我们需要理解阿拉比卡咖啡遗传基础有限的原因。阿拉比卡咖啡是两种咖啡品种Coffea canephora(我们称之为罗布斯塔)和Coffea eugenioides的单一杂交结果,这两种咖啡的基因平均差异只有1.3%。当我们观察咖啡的栽培种群时,我们发现阿拉比卡咖啡的遗传多样性进一步减少。阿拉比卡咖啡历史上的驯化导致了严重的遗传瓶颈,目前为全球消费而培育的大部分阿拉比卡咖啡品种的遗传组成来自Bourbon 和/或Typica。此外,有人提出最初从埃塞俄比亚引入也门的这些基原植物是从同一森林种群中采集的,这意味着它们来自同一个遗传库。不过,我们并未失去所有希望。

在阿拉比卡咖啡的培育之初,这种植物是作为异源四倍体生物产生的。这意味着C. Arabica品种复制了其亲本的各一条染色体,使其基因组的大小加倍。因此,虽然它的两个亲本都是二倍体生物,但阿拉比卡咖啡是一种多倍体生物,拥有含有C. eugenioides样基因组和C. canephora样基因组。异源四倍体生物在开花植物中非常常见,但阿拉比卡咖啡是125种咖啡种类中唯一拥有这种进化性状的品种。这引出了一个有趣的问题:是否是一种多倍体生物有助于阿拉比卡咖啡具备极其新奇的特性,例如它在杯中产生复杂性的能力?此外,研究表明,多倍体生物能够具有长期进化适应能力,因此这可能转化为阿拉比卡咖啡在遗传上比任何其他咖啡物种更能适应气候变化。

通过关注阿拉比卡咖啡独特的基因组为我们提供的遗传可能性,我们可以开始将注意力转向选择性育种。选择性育种是指人类为了获得具有理想性状的后代而促使两个生物体进行有性繁殖。就咖啡而言,选择性育种已被用以获得具有耐旱或抗病特性的后代。因此,选择性育种对于增强我们的生产者的市场弹性和信心,同时确保我们产业的长久至关重要。有两个惊人的遗传多样性来源可以成为阿拉比卡咖啡成功的关键。现存于野生种群中的其他124种咖啡,以及留在埃塞俄比亚和周边地区的土生阿拉比卡咖啡品种,一直在发展自己的突变和遗传适应,与现有的品种名册相分离。

如今的品种在某些环境中茁壮成长的能力差异巨大,其抗病水平,试饮潜力等各不相同。但正如我们所知,由于它们共有的遗传基础,大多数这些品种在基因上是相似的。其中一个例外是Gesha品种,源自Gorei村附近的一个埃塞俄比亚野生种群,最终在热带美洲成长为Geisha。1931年,英国殖民官员发起探险队,采集埃塞俄比亚的种植材料,经过漫长的旅途,这种植物首先在非洲国家传播,然后到达哥斯达黎加,最终到达巴拿马。Gesha最近在埃塞俄比亚经历了一次分化,与拉丁美洲在此之前培植的任何作物在基因上都不同。它改变了格局。

Geisha的重新发现使得它在美洲进一步传播,现在您可以发现它在玻利维亚、危地马拉甚至加利福尼亚等地区种植,所有这些的种植材料都来自Hacienda La Esmeralda。Geisha的传播让我不禁要问:巴拿马Geisha的遗传多样性有多丰富?如果生产者将他们的农场转变为主要种植Geisha,这将如何影响其农场的气候弹性?所有Geisha是否都具有遗传相似性或存在遗传变异?这种遗传变异是否与一种独特的属性或性状有关? 作为一名遗传学研究生,我有机会调查:所栽培的巴拿马Geisha的遗传多样性如何?

在田间

2016年夏天,我来到了巴拿马的Chiriquí省,和Fernando Callo一起横穿了Hacienda La Esmeralda的农场,后者是那里最优秀的现场技术人员之一。农场的地块分散在Chiriquí省各处,坐落在美丽的农业城镇Boquete之上。这使得Hacienda La Esmeralda拥有一个地块网络,每个地块都有自己独特的环境条件。Fernando是玻利维亚人,最近毕业于Tropical Agricultural Research and Higher Education Center (CATIE),他开始带我四处看看,向我解释每个农场如何凭借独特但重复出现的形态变异保护Geisha作物。他还解释说,其中一些形态变异导致了试饮质量的差异。

Fernando Callo, Hacienda La Esmeralda s field technician, stands in front of a sign welcoming visitors to the farm (photo: Stephanie Alcala).

Fernando Callo,Hacienda La Esmeralda的现场技术人员,站在欢迎游客来到农场的标识前(照片拍摄者:Stephanie Alcala)。

这些形态差异包括尖端呈绿色或青铜色的叶子,幼小的叶子呈青铜色或绿色,但当它们成熟时,叶子都会变成绿色。其他变异包括节间距离、叶片大小和形状、分枝结构有显著差异的植物,以及总体高度较矮、产量较高的植物。Fernando解释说,矮小的植物和不同叶色的植物都能产出试饮质量不同的咖啡。由于没有已发表的研究调查与Geisha品种中发现的这些形态变异相关的遗传多样性,我开始确定这些差异是否与遗传变异相关,还是仅仅是由于表型可塑性。如果形态上的差异是由于表型可塑性,那么这意味着样本具有相同的遗传组成,并且形态差异是植物响应(适应)环境变化的结果。

Bronze-tipped leaves on a Geisha plant growing at Hacienda La Esmeralda (photo: Stephanie Alcala).

在Hacienda La Esmeralda种植的Geisha植物上尖端呈青铜色的叶片(照片拍摄者:Stephanie Alcala)。

本研究选择的植物横跨五个地块,旨在涵盖Geisha所表现出的形态差异范围。由于Catuai是唯一繁茂生长的其他品种,因此也采集了该品种的样品,随后将其用作遗传分析中的比较代表。

为了检验样本植物之间是否存在差异,采用双消化限制性位点相关DNA (ddRAD)库制备方法检测单核苷酸多态性(SNP)。检测SNP表明,在我们其中一个样本基因组的特定位置,单个核苷酸与另一样本不同。DNA测序等技术的进步为探索咖啡等生物体的遗传基础创造了惊人的机遇,而这在几年前尚不可想象。为了确定形态差异是否与遗传变异有关,我们希望看到相同形态类型的植物共享相同的SNP。

遗传多样性的搜寻

那么,研究结果是什么?根据遗传分析,确定尖端呈青铜色的叶子和呈绿色的叶子之间没有明显的遗传相关性。然而,这显然是由于单个显性基因决定了尖端呈青铜色的幼叶,而拥有双隐性等位基因的个体则会产生尖端呈绿色的幼叶,这就解释了为什么我们基于对每个样本基因组的简化表征库中SNP的评估的分析无法基于单个基因确定明显的相关性。

此外,我们的分析表明不同形态种类的Geisha之间没有明显的遗传相关性。然而,尽管没有直接的相关性,结果确实表明Geisha样本中存在相当多的遗传变异。最后,当我们检验所有样本的遗传变异时,发现Catuai样本与Geisha样本之间存在明显的遗传差异,这在预料之中,因为Catuai CaturraMundo Nuevo的后代,使其成为TypicaBourbon的后代。然而存在一个例外情况:其中一个较矮小的Geisha个体表现出与Catuai样本的遗传相关性,其相关性强于Geisha群组。尽管分析中包含了两个较矮小的Geisha的不同样本,但第二个样本表现出其与Geisha样本有着更强的遗传相关性。这表明某种特定基因可能正在促成这种形态性状。能够研究咖啡遗传学让我对这种迷人的植物以及整个行业如何依赖单一物种的种植和价值链有了更深的认识。

对我来说,我的研究的主要收获是:这种埃塞俄比亚品种成功地在拉丁美洲得到种植 – 不仅让它得到了独特的基因构成,而且还拥有迷人的(极好的!)试饮配置。因此,我们不仅应该转移资源以创造新品种,而且应该与世界各国分享埃塞俄比亚及其邻近地区的遗传多样性品种。我们生活在一个独特的时代,我们面临着这些复杂的问题,但同时也有不可思议的技术,可以帮助我们解决这些威胁。我相信我们的行业会继续自我完善,但这需要不断挑战现状,保持对创新的开放心态。我希望看到我们将注意力和资源转移回整个产业赖以生存的东西:能够生产高品质咖啡的种植材料。

STEPHANIE ALCALA是LEAD奖学金的获得者。她拥有Whittier College环境科学学士学位和University of Michigan生态与进化生物学硕士学位,这两个学位都为她在咖啡工厂担任可持续发展主管的工作提供了参考。

[1]在这一品种的拼写上存在诸多争议。在这篇文章中,我使用Geisha来表示巴拿马产的栽培品种(我在巴拿马采集的样本,在巴拿马所使用的是Geisha 这个名称,且直接与该地区相关),而Gesha指的是埃塞俄比亚产的品种,尽管这可能并不是很准确。根据历史文献记载,在埃塞俄比亚采集并最终到达巴拿马的种植材料,实际上可能是在Geisha山东北边缘的Gorei(也称Bardo或Borde)村采集的。也许我们实际上应该称此品种为Gorei

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