Eine Suche nach dem Innenleben: Eine Untersuchung der genetischen Zusammensetzung des panamaischen Geisha – 25 Magazine, Issue 9

Eine Suche nach dem Innenleben: Eine Untersuchung der genetischen Zusammensetzung des panamaischen Geisha – 25 Magazine, Issue 9

DDie globale Nachfrage nach Kaffee nimmt ständig zu. Gleichzeitig entstehen aus dem Klimawandel und anderen Bedrohungen erhebliche Herausforderungen für die Zukunft der Kaffeeproduktion.

STEPHANIE ALCALA untersucht den aktuellen Status der genetischen Vielfalt und wie wir klimabeständige Nutzpflanzen züchten können. Hier finden Sie einige Auszüge aus ihrem Forschungsprojekt, bei dem sie die genetische Zusammensetzung der beliebten Kaffeesorte Geisha aus Panama untersucht.[1]

Die Spezialitätenkaffee-Industrie ist dem Klimawandel gegenüber besonders anfällig, da sie vollkommen auf die Produktion von Coffea arabica baut. Und diese Kaffeesorte braucht stabile Wachstumsbedingungen in Höhenlagen. Schätzungen zufolge wird bis 2050 in etwa die Hälfte des zum Kaffeeanbau geeigneten Landes aufgrund von Klimawandel verloren gehen. Kaffeeerzeuger erleben jedoch bereits die Auswirkungen des Klimawandels. Das Wettergeschehen wird immer unvorhersehbarer und es kommt zu langen Dürreperioden, Temperaturschwankungen und verheerenden Regenfällen. Diese unvorhersehbaren Witterungsbedingungen können sich auf die Erträge und die Kaffeequalität auswirken. Und dies kann die wirtschaftliche Instabilität für die Erzeuger nach sich ziehen, die bereits enorme Hürden bewältigen müssen, da die Kaffeepreise häufig unter den Produktionskosten liegen. Vereint man diese beiden Probleme mit denen vielen anderen Bedrohungen, mit denen Erzeuger regelmäßig zu kämpfen haben wie Ungeziefer und Krankheiten oder die Arbeitskosten, dann müssen wir feststellen, dass die Kaffeeproduktion in einem endlosen turbulenten Zyklus gefangen ist.

Zum Glück widmen sich zahllose Einzelpersonen und Organisationen der Lösung dieser Probleme in ihrem Bestreben, eine nachhaltige Kaffeebranche aufzubauen. Und ich glaube, jeder einzelne von uns kann zur Lösung dieser Probleme beitragen und die Widerstandskraft des Kaffees verbessern. Die Lösung liegt in der Vertiefung unseres Verständnisses dieser andauernden Bedrohungen und im Dialog mit den Organisationen, die sich der Lösung dieser Probleme widmen.

Ein Einmaleins in der Kaffeegenetik

Die Zukunft unserer Industrie hängt davon ab, dass Erzeuger Zugang zu Pflanzenmaterial haben, das für die künftigen Klimabedingungen geeignet ist und in der Tasse hohe Qualität zeigt.  Aber Arabica-Kaffee weist nur sehr geringe genetische Vielfalt auf. Dadurch ist die Pflanze nur begrenzt in der Lage, sich genetisch an den Klimawandel anzupassen. Was können wir also tun? Als erstes müssen wir verstehen, warum Arabica eine enge genetische Grundlage hat. Coffea arabica entstand aus einer einzigen Hybridisierung zwischen zwei Kaffeesorten: Coffea canephora (den wir als Robusta bezeichnen) und Coffea eugenioides. Und zwischen den Genen dieser beiden Sorgen besteht nur ein durchschnittlicher Unterschied von 1,3 Prozent. Wenn wir die Kulturpopulationen des Kaffees betrachten, ist die genetische Vielfalt von Arabica sogar noch geringer. Die historische Domestizierung von Arabica hat zu einem schwerwiegenden genetischen Engpass geführt. Die Mehrheit der heute für den globalen Verbrauch kultivierten Arabica-Sorten entstammen in ihrer genetischen Zusammensetzung Bourbon und/oder Typica. Darüber hinaus geht man davon aus, dass diese ursprünglichen Pflanzen, die aus Äthiopien in den Jemen kamen, im gleichen Waldgebiet gesammelt wurden, d. h. aus demselben Genpool stammen. Aber noch ist nicht alle Hoffnung verloren.

Die Arabica-Pflanze entstand als allotetraplioder Organismus. Dies bedeutet, dass die Sorte C. arabica Chromosomen beider Elternpflanzen dupliziert und damit ihr Genom verdoppelt hat. Während also beide Elternpflanzen diploide Organismen sind, ist Arabica ein Polypoid-Organismus mit einem Genom, das ein Genom wie C. eugenioides und ein Genom wie C. canephora aufweist. Bei blühenden Pflanzen treten allotetrapliode Organismen sehr häufig auf, Arabica ist jedoch die einzige Kaffeesorte aus den 125 bekannten Kaffeearten mit dieser evolutionären Eigenschaft. Daraus ergibt sich eine interessante Frage: Sind die sehr neuen Eigenschaften von Arabica-Kaffee wie die Komplexität in der Tasse, mit darauf zurückzuführen, dass es sich um einen polypoiden Organismus handelt? Darüber hinaus weisen Forschungsergebnisse darauf hin, dass polypoide Organismen langfristige evolutionäre Anpassungsfähigkeiten haben. Dies kann also möglicherweise dazu führen, dass Arabica genetisch gesehen dem Klimawandel gegenüber anpassungsfähiger ist als andere Kaffeesorten.

Indem wir uns auf die genetischen Möglichkeiten konzentrieren, die uns das einzigartige Genom von Arabica bietet, können wir uns der zielgerichteten Züchtung zuwenden. Bei der zielgerichteten Züchtung ermöglichen Menschen die sexuelle Fortpflanzung zweier Organismen, um Nachkommen mit erwünschten Eigenschaften zu erhalten. Im Fall von Kaffee wurde anhand von zielgerichteter Zucht Nachwuchs erzeugt, der trockentolerant und krankheitsresistent ist. Daher ist die zielgerichtete Zucht ausschlaggebend, um die Widerstandkraft und die Zuversicht für unsere Erzeuger erhöhen und dabei die Langlebigkeit unserer Industrie sicherstellen. Es gibt zwei Quellen mit unglaublicher genetischer Vielfalt, die der Schlüssel zum Erfolg von Arabica sein könnten. Die 124 anderen Kaffeearten, die in wilden Populationen existieren und die einheimischen Arabica-Kaffeesorten, die noch in Äthiopien und den umliegenden Regionen heimisch sind, haben ihre eigenen Mutationen und genetischen Anpassungen entwickelt, getrennt von den vorhandenen Kultivaren.

Die heutigen Kultursorten unterscheiden sich stark in ihrer Fähigkeit, in bestimmten Umgebungen zu florieren, in ihrem Grad der Krankheitsresistenz, ihrem Cupping-Potenzial und so weiter. Aber wie wir wissen, sind sich die meisten dieser Kultursorten aufgrund ihrer gemeinsamen genetischen Grundlage sehr ähnlich. Eine der Ausnahmen ist die Sorte Gesha, die aus einer wilden Population in Äthiopien in der Nähe des Dorfes Gorei stammt und sich im tropischen Süd- und Mittelamerika als Geisha etablieren konnte.  Sein langer Weg begannt mit einer britischen Kolonialexpedition, die sich 1931 aufmachte, um in Äthiopien Pflanzenmaterial zu sammeln. Dieses Material wurde zuerst in den afrikanischen Ländern verteilt, gelangte dann nach Costa Rica und schließlich nach Panama. Der Gesha-Kaffee hatte kurz zuvor in Äthiopien eine Divergenz durchlaufen. Er unterschied sich genetisch von allem, was man zuvor in Lateinamerika kultiviert hatte. Er änderte alles.

Die Wiederentdeckung des Geisha hat seither zu seiner weiteren Verbreitung in Süd-, Mittel- und sogar Nordamerika geführt. Er wird in Gegenden wie Bolivien, Guatemala und sogar Kalifornien angebaut, und alles Pflanzenmaterial entstammt der Hacienda La Esmeralda. Diese Verbreitung von Geisha führte mich zu der Frage: Wie genetische Vielfalt steckt im Geisha in Panama? Wenn Erzeuger ihre Betriebe hauptsächlich auf die Kultur von Geisha umstellen würden, wie würde sich das auf die Klimaresistenz ihrer Farmen auswirken? Sind alle Geishas genetisch ähnlich oder gibt es genetische Abweichungen? Und ist diese genetische Variation mit einer bestimmten Eigenschaft oder einem Merkmal verbunden? Als Graduierte, die die Gentechnik studierte, bot sich mir die Gelegenheit, folgende Frage zu untersuchen: Wie genetisch vielfältig ist der in Panama angebaute Geisha?

Auf dem Feld

Im Sommer 2016 befand ich mich in der Chiriqui-Provinz on Panama und durchquerte die Farmen der Hacienda La Esmeralda mit Fernando Callo, einem der besten Feldtechniker im Lande. Die Anbauflächen der Farm sind fragmentiert und in der Provinz Chiriqui verteilt, hoch über der der Landwirtschaft gewidmeten Stadt Boquete. Aus diesem Grund hat die Hacienda La Esmeralda ein Netzwerk an Anbauflächen, jede mit ihren einzigen Umweltbedingungen. Fernando, ein Bolivianer, der vor kurzem am tropischen Agrarforschungs- und Ausbildungszentrum (CATIE) graduierte, hat mich herumgeführt. Er erklärte mir, wie auf jeder Farm Geisha S-Pflanzen in unterschiedlichen, aber rezidivierenden morphologischen Variationen gediehen. Außerdem erläuterte er, dass manche dieser morphologischen Varianten Unterschiede in ihrer Tassenqualität erzeugen.

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

Fernando Callo, Feldtechniker der Hacienda La Esmeralda vor dem Schild, das Besucher auf der Farm begrüßt (Foto: Stephanie Alcala).

Zu diesen morphologischen Unterschieden gehören Blätter mit grünen und bronzefarbenen Spitzen. Die jungen Blätter sind entweder bronzefarbenen oder grün, werden beim Heranwachsen jedoch alle grün. Es gibt noch andere Unterschiede wie Pflanzen mit erheblichen Internodien-Abständen, Größe und Form der Blätter und unterschiedlicher Aststruktur. Außerdem gibt es Pflanzen, die insgesamt weniger hoch wachsen, aber höhere Erträge erzielen. Fernando erklärte, dass die weniger hoch wachsenden Pflanzen und die Pflanzen mit unterschiedlichen Blattfarben alle Kaffee mit unterschiedlicher Tassenqualität erzeugten. Es wurden noch keine Studien veröffentlicht, in der die genetische Diversität dieser morphologischen Variationen in der Sorte Geisha untersucht wird. Daher wollte ich feststellen, ob diese Unterschiede mit genetischen Variationen assoziiert waren oder nur auf ökologischer Potenz basierten. Sollten die morphologischen Unterschiede auf ökologische Potenz zurückzuführen sein, würden die Stichproben die gleiche genetische Komposition aufweisen, und die morphologischen Unterschiede aus der Anpassung der Pflanze an sich ändernde Umweltbedingungen entstehen.

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

Blätter mit bronzefarbenen Spitzen an einer Geisha-Pflanze auf der Hacienda La Esmeralda (Foto: Stephanie Alcala).

Für die Studie wurden Pflanzen aus für Anbaugebieten ausgesucht, die die verschiedenen morphologischen Unterschiede von Geisha repräsentierten. Catuai ist die einzige andere Sorte, die in großen Mengen angebaut wird. Auch von dieser Sorte wurden Stichproben gesammelt, die später in der genetischen Analyse zu Vergleichszwecken dienen sollten.

Um zu untersuchen, ob die Pflanzen in den Stichproben Unterschiede aufweisen, wurde ein ddRAD-Bibliotheksvorbereitungsansatz verwendet, um Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs) zu erkennen. Das Vorhandensein eines SNP würde darauf hinweisen, dass sich ein einzelner Nucleotid in einem Genom einer unserer Stichproben von einer anderen Stichprobe unterschied. Technologische Fortschritte wie DNA-Sequenzierung haben erstaunliche Möglichkeiten eröffnet, um die genetischen Grundlagen von Organismen wie Kaffee zu untersuchen, die noch vor einigen Jahren undenkbar gewesen wären. Um festzustellen, ob morphologische Unterschiede mit genetischer Variation assoziiert sind, würden wir erwarten, dass die Pflanzen vom gleichen morphologischen Typ die gleichen SNPs gemeinsam haben.

Auf der Suche nach genetischer Vielfalt

Wie sahen also die Ergebnisse aus? Die genetische Analyse ergab, dass es keinen eindeutigen genetischen Zusammenhang zwischen bronzefarbenen und grünen Blattspitzen gab. Anscheinend war der Grund ein einziges dominantes Gen, das für junge Blätter mit bronzefarbenen Blattspitzen verantwortlich war. Pflanzen mit doppelt rezessiven Allelen haben Blätter mit grünen Spitzen. Dies erklärt, warum unsere Analyse zur Bewertung der SNPs durch verkleinerte Darstellungsbibliotheken in jedem Stichproben-Genom keine spezifische Korrelation aufgrund eines Einzelgens feststellen konnte.

Außerdem ergab sich aus unserer Analyse kein direkter genetischer Zusammenhang unter den unterschiedlichen morphologischen Typen von Geisha. Obwohl es jedoch keinen direkten Zusammenhang gab, haben die Ergebnisse doch eine ziemlich hohe genetische Variation unter den Geisha-Proben aufgezeigt.  Als wir schließlich die genetische Variation über alle unsere Stichproben hinweg untersucht haben, ergab sich ein eindeutiger Unterschied zwischen den Catuai- und Geisha-Proben. Dies war nicht unerwartet, da Catuai von Caturra und Mundo Nuevo, und damit auch von Typica und Bourbon abstammt.  Es gab jedoch eine Ausnahme:  Eine der weniger hoch wachsenden Geisha-Pflanzen zeigte eine engere genetische Beziehung zu den Catuai-Stichproben als zur Geisha-Gruppe. Allerdings umfasste die Analyse zwei unterschiedliche Stichproben des weniger hoch wachsenden Geisha. Die zweite Stichprobe war genetisch den Geisha-Proben ähnlicher. Dies lässt darauf schließen, dass möglicherweise ein bestimmtes Gen für diese morphologische Eigenart verantwortlich ist. Das Studium der Kaffeegenetik hat mir ein tieferes Verständnis für diese faszinierende Pflanze gegeben, und dafür, wie eine gesamte Industrie von der Kultivierung und der Wertkette einer einzigen Sorte abhängt.

Die wichtigsten Erkenntnisse aus dieser Forschung sind meiner Meinung nach: Diese äthiopische Sorte ließ sich auch erfolgreich in Lateinamerika anbauen – was ihr nicht nur eine einzigartige genetische Beschaffenheit, sondern auch ein faszinierendes (hervorragendes!) Tassenprofil verlieh. Wir sollten also nicht nur Ressourcen in neue Sorten fließen lassen, sondern auch genetisch vielfältige Sorten aus Äthiopien und den Anrainerregionen mit den anderen Ländern auf dieser Erde austauschen. Wir leben in einer Zeit, in der wir uns komplexen Problemen stellen müssen, aber auch Zugang zu bemerkenswerter Technologie haben, die uns bei der Lösung dieser Bedrohung helfen kann. Ich glaube, dass unsere Industrie sich weiterhin verbessern wird. Aber dazu müssen wir ständig den Status Quo herausfordern und uns Innovationen gegenüber öffnen. Ich würde gerne sehen, dass wir unseren Fokus und unsere Ressourcen wieder auf das richten, wovon unsere gesamte Industrie abhängt: Pflanzenmaterial, das hochwertigen Kaffee erzeugen kann.

STEPHANIE ALCALA ist eine SCA LEAD-Stipendiatin. Sie hat einen Bachelor in Umweltwissenschaften vom Whittier College und einen Master in Ökologie und evolutionärer Biologie von der Michigan. Beide bilden die Grundlage für Ihre Arbeit als Nachhaltigkeits-Supervisor bei Coffee Manufactory.

[1] Wie man diese Variante genau schreibt, ist umstritten. In diesem Artikel verwende ich Geisha für den Cultivar aus Panama (ich habe meine Stichproben in Panama gesammelt, wo die Bezeichnung Geisha verwendet wird und direkt mit Panama verknüpft ist). Mit Gesha bezeichne ich jedoch die äthiopische Sorte, aber auch diese Unterscheidung nicht möglicherweise noch nicht ganz richtig. Den historischen Unterlagen nach stammt das Pflanzenmaterial, das in Äthiopien gesammelt wurde und dann seinen Weg nach Panama fand, in der Nähe des Dorfes Gorei (das auch Bardo oder Borde genannt wird) nordöstlich des Bergs Geisha. Demnach sollten wir diese Sorte vielleicht Gorei nennen!

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