Исследование генетического состава панамского сорта гейша – 25 Magazine, Issue 9

Исследование генетического состава панамского сорта гейша – 25 Magazine, Issue 9

Хотя мировой спрос на кофе неуклонно растет, изменение климата и другие угрозы ставят сложные задачи, влияющие на будущее производства кофе.

СТЕФАНИ АЛЬКАЛА (STEPHANIE ALCALA) изучает текущую ситуацию с генетическим разнообразием и способы создания климатически устойчивых культур. Она рассказывает о ключевых аспектах своего исследовательского проекта, посвященного генетическому составу любимого многими панамского сорта гейша.[1]

Отрасль спешиэлти кофе крайне восприимчива к изменениям климата, поскольку опирается исключительно на производство вида Coffea arabica, который в высшей степени зависит от стабильных условий выращивания в горах. Согласно оценкам, половина земель, подходящих для культивации кофе, к 2050 г. будет утрачена из-за изменений климата. При этом производители кофе уже чувствуют их воздействие: погодные условия все чаще отклоняются от нормы, что проявляется, в том числе, в длительных периодах засухи, колебаниях температур и крайне интенсивных дождях. Такие непредсказуемые климатические условия могут влиять на урожаи и качество кофе. Это может привести к экономической нестабильности для производителей, которые уже сталкиваются с огромными трудностями, поскольку цены на кофе часто падают ниже уровня стоимости производства. Сочетание этих двух проблем с прочими многочисленными затруднениями, с которыми регулярно встречаются производители, такими как вредители и заболевания или стоимость рабочей силы, обуславливает постоянную кризисную ситуацию в производстве кофе.

К счастью, множество организаций и отдельных людей посвящают свое время решению этих проблем, стремясь создать устойчивую кофейную отрасль. Я считаю, что у каждого из нас есть возможность внести свой вклад в решение этих проблем, повышая жизнеспособность кофе. Решение кроется в углублении нашего понимания этих постоянных угроз и сотрудничестве с организациями, стремящимися решить указанные проблемы.

Основы генетики кофе

Будущее нашей отрасли зависит от доступа производителей к растительному материалу, который сможет выдерживать предстоящие климатические условия и обеспечивать хорошее качество чашки. Однако арабика отличается очень небольшим генетическим разнообразием, поэтому обладает ограниченной возможностью адаптироваться к изменениям климата генетически. Как мы можем справиться с этим? Прежде всего нам нужно понять, почему арабика характеризуется узкой генетической базой. Вид Coffea arabica стал результатом единичного случая гибридизации двух видов кофе, Coffea canephora (который мы знаем как робусту) и Coffea eugenioides. Гены этих двух видов различаются в среднем всего на 1,3%. Если мы посмотрим на культивируемую популяцию кофе, то увидим, что генетическое разнообразие арабики еще ниже. Окультуривание арабики в прошлом привело к ярко выраженному эффекту бутылочного горлышка. Большинство разновидностей арабики, выращиваемых сегодня для мирового потребления, получили свои гены от сортов бурбон и (или) типика. Более того, было высказано предположение, что эти первичные растения, изначально вывезенные из Эфиопии в Йемен, были собраны на одном участке леса, то есть являлись представителями одного генофонда. Однако надежда еще не полностью утрачена.

В начале своего существования арабика была сформирована как аллотетраплоид. Это значит, что в виде C. arabica дублируются все родительские хромосомы, удваивая размер генома. Итак, в то время как оба родительских вида являются диплоидными организмами, арабика является полиплоидным и обладает геномом, содержащим копии геномов C. Eugenioides и C. canephora. Аллотетраплоиды очень распространены среди цветковых растений, но арабика — единственный вид кофе из 125, отличающийся этой эволюционной особенностью. Это поднимает интересный вопрос: повлияла ли полиплоидность арабики на ее беспрецедентные характеристики, такие как способность формировать сложный вкус? Кроме того, исследования показывают, что полиплоиды могут обладать способностью к долговременной эволюционной адаптации, что может означать более высокую генетическую предрасположенность арабики приспосабливаться к изменениям климата по сравнению с другими видами кофе.

Сосредоточившись на генетических возможностях, которые дает нам уникальный геном арабики, мы можем переключить свое внимание на селекционное разведение. При селекционном разведении люди обеспечивают половое размножение двух организмов с целью получить потомство с желаемыми характеристиками. В случае кофе селекционное разведение направлено на получение потомства с такими качествами, как устойчивость к засухе или сопротивляемость заболеваниям. Следовательно, селекционное разведение принципиально важно для повышения жизнеспособности кофе и уверенности производителей. Оно обеспечивает долгую жизнь нашей отрасли. Существуют два источника невероятного генетического разнообразия, которые могут быть ключом к успеху арабики. В 124 других видах кофе, произрастающих в дикой природе, и коренных разновидностях арабики, сохранившихся в Эфиопии и близлежащих регионах, появлялись собственные мутации и генетические способности к адаптации, отличающиеся от тех, что существуют у культурных сортов.

Современные культурные сорта в огромной степени различаются между собой способностями к благополучному развитию при определенных условиях, уровнем сопротивляемости заболеваниям, возможностями каппинга и т. д. Но как мы знаем, большинство этих сортов генетически сходны из-за общей генетической базы. Одним из исключений является разновидность геша, происходящая от популяции дикорастущего кофе неподалеку от эфиопской деревни Горей и укоренившаяся в тропической зоне Америки как сорт гейша. После долгого путешествия, начавшегося с экспедиции британских колониальных служащих для сбора растительного материала в Эфиопии в 1931 г., эта разновидность была сначала распространена в африканских странах, затем попала в Коста-Рику, и в конце концов — в Панаму. Сорт геша, в котором незадолго до этого произошла дивергенция, генетически отличался от всех растений, культивируемых в Латинской Америке на тот момент. Он кардинально изменил ситуацию.

Повторное открытие сорта гейша привело к его дальнейшему распространению на территории Америки. Теперь его можно найти в таких регионах, как Боливия, Гватемала и даже Калифорния, и во всех из них растительный материал для посевов был получен с фермы Hacienda La Esmeralda. Распространение сорта гейша навело меня на следующие вопросы. Насколько генетически разнообразен панамский сорт гейша? Если производители перепрофилируют свои фермы и станут выращивать в первую очередь сорт гейша, как это повлияет на климатическую устойчивость этих ферм? Все разновидности сорта гейша генетически идентичны или существует генетическая вариативность? Эта генетическая вариативность связана с определенной характеристикой или качеством? Когда я изучала генетику на старших курсах, у меня была возможность исследовать вопрос о том, насколько генетически разнообразен панамский сорт гейша.

В полевых условиях

Летом 2016 г. я оказалась в панамской провинции Чирики на фермах компании Hacienda La Esmeralda с Фернандо Калло (Fernando Callo), одним из лучших агрономов отрасли. Участки фермы разобщены и рассеяны по провинции Чирики. Все они расположены в горах над красивым агрогородом Бокете. В результате Hacienda La Esmeralda стала обладательницей сети участков, каждый из которых отличается уникальными условиями окружающей среды. Фернандо, приехавший из Боливии недавний выпускник Центра исследований и высшего образования в области тропического сельского хозяйства (Tropical Agricultural Research and Higher Education Center, CATIE), показал мне фермы и объяснил, что на каждой из них выращиваются растения сорта гейша с четко выраженными, но регулярно возникающими морфологическими вариациями. Он также пояснил, что некоторые из этих морфологических вариантов приводят к расхождениям в качестве чашки.

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

Фернандо Калло, агроном Hacienda La Esmeralda, стоит перед табличкой, приветствующей посетителей фермы (фотография Стефани Алькалы).

В число этих морфологических различий входит окраска молодых листьев, кончики которых могут быть зелеными или красновато-коричневыми. При достижении зрелости все листья становятся зелеными. Другие вариации включают значительные различия в расстоянии от одного междоузлия до другого, размере и форме листьев, строении ветвей, а также низкорослость и повышенную урожайность. Фернандо объяснил, что низкорослые растения, а также растения с другим цветом листьев, дают кофе, отличающийся по качеству чашки. Поскольку не существовало опубликованных исследований генетического разнообразия, связанного с этими морфологическими вариациями сорта гейша, я решила определить, чем обусловлены данные различия: генетической вариативностью или гибкостью фенотипа. Если отличия в морфологии объясняются гибкостью фенотипа, это значит, что генетический состав образцов одинаков, а эти различия являются результатом реакции растения на изменения окружающей среды (адаптации к ним).

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

Листья с красновато-коричневыми кончиками на растении сорта гейша на ферме Hacienda La Esmeralda (фотография Стефани Алькалы).

Растения, отобранные для исследования, были взяты с пяти участков с целью охватить диапазон морфологических различий, наблюдаемых у сорта гейша. Поскольку единственным другим сортом, произраставшим в изобилии, был сорт катуаи, я собрала также его образцы и позднее использовала их для сравнения при генетическом анализе.

С целью выявить различия между отобранными растениями был использован метод приготовления библиотек ddRAD для выявления случаев точечного нуклеотидного полиморфизма (SNP). Обнаружение точечного нуклеотидного полиморфизма означало бы, что на определенном участке генома одного из наших образцов один нуклеотид отличается от нуклеотида в другом образце. Развитие технологий, таких как секвенирование ДНК, создало великолепные возможности для исследования генетических основ организмов, таких как кофе, которые нельзя было представить еще несколько лет назад. Чтобы определить, связаны ли морфологические различия с генетической вариативностью, мы должны были увидеть, есть ли у растений одинакового морфологического типа один и тот же точечный нуклеотидный полиморфизм.

Поиск генетического разнообразия

Итак, какие я получила результаты? С помощью генетического анализа было определено, что не существует четкой генетической корреляции среди листьев с зелеными и красновато-коричневыми кончиками. Однако это, по всей видимости, происходит из-за одного доминантного гена, отвечающего за красновато-коричневую окраску кончиков. При этом особи с двумя рецессивными аллелями имеют молодые листья зеленой окраски. Это объясняет, почему наш анализ, основанный на случаях точечного нуклеотидного полиморфизма в библиотеках со сниженным представительством генома каждого образца, не помог определить четкой корреляции на основании одного гена.

Более того, наш анализ не показал четкой генетической корреляции среди разных морфологических типов сорта гейша. Однако, хотя прямой корреляции не было, результаты указывали на значительную генетическую вариативность среди образцов сорта гейша. Наконец, когда мы проверили генетическую вариативность среди всех образцов, то обнаружили четкое генетическое различие между образцами катуаи и гейши, что было ожидаемо, поскольку катуаи является потомком сортов катурра и мундо ново, а значит, также типики и бурбона. Тем не менее, было и одно исключение: один из наиболее низкорослых образцов гейши показал более близкое генетическое сходство с образцами катуаи, чем гейши. При этом в анализе участвовали два разных низкорослых образца гейши, и второй из них показал большее генетическое сходство с образцами гейши. Это позволяет предположить, что за эту морфологическую черту отвечает определенный ген. Возможность изучить генетику кофе позволила мне лучше понять, какое это удивительное растение и насколько вся отрасль зависит от культивации и цепочки формирования стоимости одного вида.

Для меня главный вывод исследования заключается в следующем. Эта эфиопская разновидность успешно культивируется в Латинской Америке, что дает ей не только уникальный набор генов, но и восхитительный (и пикантный!) вкусовой профиль. Поэтому мы должны не только выделять ресурсы на создание новых разновидностей, но и распространять генетически разнообразные разновидности из Эфиопии и близлежащих регионов в других странах. Мы живем в неповторимое время. Перед нами стоят сложные проблемы, но при этом у нас есть невероятные технологии, которые могут помочь справиться с этими угрозами. Я верю, что наша отрасль продолжит совершенствоваться, но это требует, чтобы мы ставили под сомнение существующее положение дел и оставались открытыми для инноваций. Я бы хотела видеть, как мы снова обратим наше внимание и направим ресурсы на то, от чего зависит существование всей отрасли — растительный материал, который может обеспечить нам высококачественный кофе.

СТЕФАНИ АЛЬКАЛА является участницей стипендиальной программы SCA «Лидерство, равенство и многообразие» (LEAD). Она получила диплом бакалавра наук об окружающей среде колледжа Уиттьер и диплом магистра экологии и эволюционной биологии Мичиганского университета. Приобретенные в обоих учреждениях знания помогают ей в работе инспектора по устойчивому развитию в Coffee Manufactory.

[1] На вопрос о написании названия этого сорта до сих пор нет однозначного ответа. В этой работе я использую название гейша для обозначения панамского сорта (я собирала свои образцы в Панаме, где распространено название гейша, которое непосредственно связано с Панамой), а геша — для указания на эфиопскую разновидность, хотя и это, возможно, не совсем правильно. Согласно историческим документам, растительный материал, полученный в Эфиопии и в итоге попавший в Панаму, был собран неподалеку от деревни Горей (также называемой Бардо или Борде) на северо-восточном хребте горы Гейша. Может быть, нам стоит называть этот сорт горей?

Вы являетесь членом SCA? Получите бесплатную подписку на печатную версию журнала 25 Magazine на английском языке на странице sca.coffee/signmeup.

Не состоите в SCA? Вступайте уже сейчас и поддержите миссию нашей некоммерческой отраслевой ассоциации на sca.coffee/join.