Una ricerca dall’interno: Indagare sulla composizione genetica del Geisha panamense – 25 Magazine, Issue 9

Una ricerca dall’interno: Indagare sulla composizione genetica del Geisha panamense – 25 Magazine, Issue 9

SSe da un lato la domanda globale di caffè è in costante aumento, i cambiamenti climatici e altre minacce pongono sfide significative per il futuro della produzione di caffè.

STEPHANIE ALCALA esplora lo stato attuale della diversità genetica e il modo che rende possibile creare colture resistenti al clima, condividendo alcuni punti salienti del suo progetto di ricerca sulla composizione genetica dell’amato caffè panamense Geisha.[1]

L’industria del caffè d’eccellenza è la più vulnerabile ai cambiamenti climatici, perché si basa esclusivamente sulla produzione di Coffea arabica, una specie di caffè che dipende in larga misura da condizioni stabili di coltivazione montana. Si stima che la metà dei terreni adatti alla coltivazione del caffè andrà perduta entro il 2050 a causa dei cambiamenti climatici. Tuttavia, i produttori di caffè stanno già sperimentando gli effetti con l’aumento dell’irregolarità dei modelli climatici, che includono lunghi periodi di siccità, temperature variabili e precipitazioni catastrofiche. Queste condizioni climatiche imprevedibili possono influire sulla resa e sulla qualità del caffè. Ciò può quindi portare a un’instabilità economica per i produttori, che già si trovano di fronte a enormi ostacoli, con prezzi del caffè spesso inferiori ai costi di produzione. Se a questi due problemi si uniscono le numerose altre minacce che i produttori affrontano regolarmente, come i parassiti e le malattie o il costo del lavoro, la produzione di caffè è intrappolata in un ciclo infinito di scompiglio.

Fortunatamente, ci sono innumerevoli individui e organizzazioni che si dedicano a risolvere questi problemi, sforzandosi di creare un’industria del caffè sostenibile. E credo che ognuno di noi abbia la capacità di contribuire a risolvere questi problemi, migliorando la resilienza del caffè. La soluzione sta nell’approfondire la nostra comprensione di queste minacce continue e nell’impegnarsi con le organizzazioni che si dedicano alla soluzione di questi problemi.

Introduzione alla genetica del caffè

Il futuro della nostra industria dipende dal fatto che i produttori abbiano accesso a materiale vegetale in grado di resistere alle condizioni climatiche future e di produrre caffè di grande qualità. Tuttavia il caffè Arabica ha pochissima diversità genetica, con conseguente limitata capacità di adattarsi geneticamente ai cambiamenti climatici. In che modo possiamo affrontare questo problema? In primo luogo dobbiamo capire perché l’Arabica ha una base genetica ristretta. La Coffea arabica è il risultato di un unico episodio di ibridazione tra due specie di caffè Coffea canephora (che conosciamo come Robusta) e Coffea eugenioides, e queste due specie hanno solo una differenza media dell’1,3% tra i loro geni. Vediamo un’ulteriore riduzione della diversità genetica dell’Arabica se consideriamo la popolazione coltivata di caffè. L’addomesticazione storica dell’Arabica ha causato una grave strozzatura genetica, con la maggior parte delle varietà di Arabica coltivate oggi per il consumo globale, la cui composizione genetica deriva da Bourbon e/o Typica. Inoltre è stato suggerito che queste piante originali, inizialmente introdotte dall’Etiopia allo Yemen, sono state raccolte dalla stessa popolazione forestale, vale a dire che provenivano dallo stesso pool genetico. Tuttavia, non tutte le speranze sono perdute.

Durante la nascita dell’Arabica la pianta è stata creata come organismo allotetraploide. Ciò significa che la specie C. arabica ha duplicato ciascuno dei cromosomi dei suoi genitori, raddoppiando le dimensioni del suo genoma. Così, mentre entrambi i genitori sono organismi diploidi, l’Arabica è un organismo poliploide, che possiede un genoma che contiene un genoma simile a C. eugenioides e un genoma simile a C. canephora. Gli organismi allotetraploidi sono molto comuni tra le piante da fiore, ma l’Arabica è l’unica specie di caffè su 125 che possiede questo tratto evolutivo. Ciò solleva una domanda interessante: l’essere un organismo poliploide ha contribuito a creare caratteristiche estremamente nuove per i caffè Arabica, come la sua capacità di produrre complessità in tazza? Inoltre, la ricerca indica che gli organismi poliploidi possono possedere capacità di adattamento evolutivo a lungo termine, quindi forse questo può tradursi in un Arabica geneticamente più capace di adattarsi ai cambiamenti climatici di qualsiasi altra specie di caffè.

Concentrandoci sulle possibilità genetiche che il genoma unico di Arabica ci offre, possiamo iniziare a spostare la nostra attenzione verso la selettocoltura. La selettocoltura avviene quando l’uomo facilita la riproduzione sessuale di due organismi al fine di ottenere una prole con caratteristiche desiderabili. Nel caso del caffè la selettocoltura è stata utilizzata per ottenere prodotti con caratteristiche di tolleranza alla siccità o resistenza alle malattie. Pertanto, la selettocoltura è essenziale per aumentare la resilienza e la fiducia dei nostri produttori, garantendo al contempo la longevità del nostro settore. Ci sono due fonti di incredibile diversità genetica che possono essere la chiave del successo dell’Arabica. Le altre 124 specie di caffè esistenti nelle popolazioni selvatiche e le varietà indigene di caffè Arabica rimaste in Etiopia e nelle regioni limitrofe hanno sviluppato mutazioni e adattamenti genetici propri, separati dall’elenco esistente di cultivar.

Le cultivar di oggi differiscono enormemente nella loro capacità di prosperare in certi ambienti, con livelli diversi di resistenza alle malattie, potenziale di degustazione e così via. Ma, come sappiamo, la maggior parte di queste cultivar sono geneticamente simili a causa della loro base genetica comune. Una delle eccezioni è la varietà Gesha che ha avuto origine da una popolazione selvatica etiope vicino al villaggio di Gorei e alla fine si è stabilita nelle Americhe tropicali come Geisha. Dopo un lungo viaggio iniziato con una spedizione di ufficiali coloniali britannici per raccogliere materiale vegetale etiope nel 1931, fu prima diffuso tra i Paesi africani, poi diretto in Costa Rica e infine a Panama. Il Gesha, avendo sperimentato una recente differenza in Etiopia, era geneticamente diverso da quello che l’America Latina aveva coltivato in precedenza. Era una svolta.

La riscoperta del Geisha ha portato alla sua ulteriore diffusione nelle Americhe, dove ora è coltivato in regioni come la Bolivia, il Guatemala e persino la California, che hanno tutti ricavato il loro materiale vegetale dall’Hacienda La Esmeralda. Questa disseminazione del Geisha mi ha portato a domandarmi: Quanta diversità genetica c’è nel Geisha panamense? Se i produttori convertissero le loro aziende agricole per coltivare principalmente il caffè Geisha, in che modo ciò influenzerebbe la resistenza climatica delle loro aziende agricole? Tutti i caffè Geisha sono geneticamente simili o esistono variazioni genetiche? E questa variazione genetica è associata ad un particolare attributo o tratto? Essendo un laureato in genetica, ho avuto l’opportunità di indagare: Quanto è geneticamente diverso il Geisha panamense coltivato?

Sul campo

Nell’estate del 2016 mi sono trovato nella provincia di Chiriquí di Panama, attraversando le fattorie dell’Hacienda La Esmeralda con Fernando Callo, uno dei più grandi esperti del settore. Gli appezzamenti dell’azienda sono frammentati e dispersi nella provincia di Chiriquí, tutti arroccati sopra la bella cittadina agricola di Boquete. Questo ha fatto sì che l’Hacienda La Esmeralda abbia una rete di appezzamenti, ognuno con le proprie condizioni ambientali uniche. Fernando, boliviano e neolaureato del Tropical Agricultural Research and Higher Education Center (CATIE), ha iniziato a mostrarmi i terreni, spiegandomi come ogni azienda agricola ospitava piante di Geisha con variazioni morfologiche distinte ma ricorrenti. Ha anche spiegato che alcune di queste varianti morfologiche producevano differenze nella qualità della tazza.

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

Fernando Callo, esperto sul campo della Hacienda La Esmeralda, si trova di fronte ad un cartello che dà il benvenuto ai visitatori dell’azienda (foto: Stephanie Alcala).

Queste distinzioni morfologiche includevano foglie con punta verde e bronzo, dove le foglie giovani sono di colore bronzo o verde ma, maturando, diventano tutte di colore verde. Altre variazioni includevano piante con differenze significative nelle distanze internodali, nelle dimensioni e nella forma delle foglie e nella struttura dei rami, così come piante che erano complessivamente più corte di altezza e producevano raccolti maggiori. Fernando ha spiegato che le piante più basse, insieme alle piante con foglie di colore diverso, producevano tutte caffè con differenze nella qualità delle tazze. In assenza di studi pubblicati che indagano la diversità genetica associata a queste variazioni morfologiche trovate all’interno della varietà Geisha, ho cercato di capire se queste differenze erano associate a variazioni genetiche o semplicemente dovute alla plasticità fenotipica. Se le differenze morfologiche fossero dovute alla plasticità fenotipica, ciò significherebbe che i campioni condividono la stessa composizione genetica e le differenze morfologiche sono il risultato della risposta (adattamento) delle piante ai cambiamenti dell’ambiente.

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

Foglie con punta color bronzo su una pianta di Geisha coltivata nella Hacienda La Esmeralda (foto: Stephanie Alcala).

Le piante selezionate per lo studio si estendevano su cinque appezzamenti e miravano a comprendere la gamma di differenze morfologiche espresse dalla varietà Geisha. Essendo Catuai l’unica altra varietà coltivata in abbondanza, sono stati raccolti anche campioni di questa varietà, che saranno poi utilizzati come proxy comparativi nell’analisi genetica.

Al fine di esaminare l’esistenza di differenze tra le piante campionate, è stato utilizzato un approccio di preparazione ddRAD (Double -Digest Restriction-site Associated DNA) per rilevare polimorfismi a singolo nucleotide (SNP). L’individuazione di uno SNP indicherebbe che, in un punto specifico all’interno del genoma di uno dei nostri campioni, un singolo nucleotide differisce da un altro campione. I progressi tecnologici, come il sequenziamento del DNA, hanno creato sorprendenti opportunità di esplorare i fondamenti genetici di organismi come il caffè, che fino a pochi anni fa erano inconcepibili. Per stabilire se le differenze morfologiche sono state associate o meno a variazioni genetiche, ci si aspetterebbe di vedere piante degli stessi tipi morfologici che condividono gli stessi SNP.

La ricerca della diversità genetica

Dunque, quali sono stati i risultati? Secondo l’analisi genetica è stato determinato che non c’era una chiara correlazione genetica tra le foglie con punta color bronzo e quelle con punta verde. Tuttavia, questo è evidentemente dovuto al fatto che un singolo gene dominante è responsabile delle foglie giovani con punta color bronzo, mentre le piante che possiedono alleli recessivi doppi producono giovani foglie con punta verde, il che spiega perché la nostra analisi basata sulla valutazione dei polimorfismi a singolo nucleotide nelle genoteche a ridotta rappresentazione di ciascun genoma non è stata in grado di determinare una correlazione distinta basata su un singolo gene.

Inoltre le nostre analisi non hanno indicato una chiara correlazione genetica tra i diversi tipi morfologici di Geisha. Tuttavia, anche se non c’era una correlazione diretta, i risultati indicavano una certa variazione genetica tra i campioni di Geisha. Infine, quando abbiamo esaminato la variazione genetica tra tutti i nostri campioni, c’era una chiara distinzione genetica tra i campioni di Catuai e i campioni di Geisha, che ci si aspettava fosse dovuta al fatto che Catuai discendeva da Caturra e Mundo Nuevo, rendendolo un discendente sia di Typica che di Bourbon. Tuttavia, c’era un’eccezione: Uno degli esemplari di Geisha a statura più corta mostrava una maggiore correlazione genetica con i campioni di Catuai che con il gruppo di Geisha. Anche se ci sono stati due diversi campioni di Geisha a statura più corta inclusi nell’analisi, il secondo campione ha mostrato una maggiore correlazione genetica con i campioni di Geisha. Questo suggerisce che forse un gene specifico sta determinando questo tratto morfologico. Lo studio della genetica del caffè mi ha consentito di approfondire la conoscenza di questa affascinante pianta e di capire come un’intera industria dipenda dalla coltivazione e dalla catena del valore di una singola specie.

Per me, il principale risultato della mia ricerca è questo: questa varietà etiope è stata coltivata con successo in America Latina, dandole non solo un patrimonio genetico unico, ma anche un affascinante (eccellente!) profilo di degustazione. Quindi non solo dovremmo trasferire risorse per creare nuove varietà, ma anche condividere varietà geneticamente diverse dall’Etiopia e dalle regioni limitrofe con altri Paesi del mondo. Viviamo in un momento unico in cui ci troviamo di fronte a questi problemi complessi, ma abbiamo anche accesso a tecnologie incredibili che possono aiutarci a risolvere queste minacce. Credo che la nostra industria continuerà a migliorarsi, ma ciò richiede una continua sfida allo status quo e l’apertura costante all’innovazione. Vorrei che la nostra attenzione e le nostre risorse si concentrassero nuovamente su ciò da cui l’intera industria dipende per la sua esistenza: materiale vegetale in grado di produrre caffè di alta qualità.

STEPHANIE ALCALA è beneficiaria della borsa di studio LEAD di SCA. Ha conseguito una laurea in Scienze ambientali presso il Whittier College e un master in Ecologia e biologia evolutiva presso l’Università del Michigan, che permeano il suo lavoro come Responsabile per la sostenibilità presso Coffee Manufactory.

[1] Ci sono molte controversie sull’ortografia di questa varietà. In questo articolo uso Geisha per indicare la coltivazione panamense (ho raccolto i miei campioni a Panama, dove il nome Geisha è usato e direttamente associato a Panama) e Gesha per riferirmi alla varietà etiope, anche se forse ciò non è ancora del tutto corretto. Secondo documenti storici il materiale vegetale che è stato raccolto in Etiopia e che alla fine è arrivato a Panama è stato effettivamente reperito vicino al villaggio di Gorei (chiamato anche Bardo o Borde) sul versante nord-orientale del Monte Geisha. Forse dovremmo chiamare questa varietà Gorei!

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