Wetenschap
Wetenschappers hebben gemeenschappelijke genen ontdekt die koffieplanten beschermen tegen verwoestende ziekten
Arabica-koffie is wereldwijd de economisch belangrijkste koffie en is goed voor 60% van de koffieproducten wereldwijd. Maar de planten waarvan hij afkomstig is, zijn kwetsbaar voor een ziekte die in de 19e eeuw het koffie-imperium van Sri Lanka verwoestte.
Nu heeft een internationaal team van onderzoekers, mede onder leiding van de Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore), een doorbraak bereikt die Arabica-planten (Coffea arabica) helpt beschermen tegen de schimmelziekte, genaamd koffiebladroest.
De andere medeleiders van het onderzoek, gepubliceerd in Nature Genetics , zijn gevestigd bij 's werelds grootste voedingsmiddelen- en drankenbedrijf Nestlé, de Université de Montpellier in Frankrijk en de Universiteit van Buffalo in de Verenigde Staten.
De wetenschappers brachten tot in detail al het genetische materiaal (of genomen) van Arabica en twee verwante koffieplanten in kaart. Hierdoor kon het team een nieuwe combinatie van genen identificeren die de planten gemeen hebben en die resistent zijn tegen koffiebladroest. Met de gegevens over de genomen kunnen ook andere nuttige eigenschappen van koffieplanten worden geïdentificeerd.
Het ontdekken van de resistentiegenen opent de weg om de dagelijkse behoefte van koffieliefhebbers beter te beschermen en de hoogwaardige smaak van hun drankje te behouden, waardoor een industrie met miljoenen werknemers wordt ondersteund. Volgens de Internationale Koffieorganisatie is het levensonderhoud van 125 miljoen mensen over de hele wereld afhankelijk van de koffiesector.
De ziekte van koffiebladroest heeft grote schade aangericht in koffieproducerende landen en blijft koffieboerderijen vernietigen. Het United States Agency for International Development schat dat een uitbraak van koffiebladroest tussen 2012 en 2014 ongeveer 1 miljard dollar (1,36 miljard dollar) aan economische schade heeft veroorzaakt in Latijns-Amerika.
Assistent-professor Jarkko Salojarvi van NTU's School of Biological Sciences, die mede leiding gaf aan het onderzoeksteam, zei:"De hoogwaardige genoomsequenties van de drie plantensoorten vormen, samen met de kandidaat-genetische sequenties voor de weerstand tegen koffiebladroest, de hoeksteen voor het kweken van nieuwe variëteiten Arabica-planten die zich beter kunnen aanpassen aan veranderingen en beter bestand zijn tegen ziekten veroorzaakt door ziekteverwekkers zoals schimmels."
Bij het project was een groot consortium van onderzoekers en koffieveredelaars betrokken uit Australië, België, Brazilië, Canada, China, Colombia, Finland, Frankrijk, Duitsland, Indonesië, Italië, Nederland, Zuid-Afrika, Spanje, Zwitserland, Oeganda en de Verenigde Staten.
Dr. Patrick Descombes, Senior Expert in Genomics bij Nestlé Research, en een van de co-leiders van het onderzoek, zei:“Hoewel er andere openbare referenties voor Arabica bestaan, is de kwaliteit van het werk van ons team extreem hoog. geavanceerde genomics-benaderingen, waaronder sequencing van lange en korte lezingen met hoge doorvoer, om de meest geavanceerde, complete en continue Arabica-referentie tot nu toe te creëren.
Slechte genetische variabiliteit
Arabica-planten hebben een lage genetische diversiteit, waardoor ze vatbaar zijn voor ziekten en plagen. De gekweekte planten hebben doorgaans niet de genetische eigenschap die resistentie verleent tegen koffiebladroest, veroorzaakt door de Hemileia vastatrix-schimmels.
De schimmels vormen oranjegele vlekken op de bladeren van de koffieplanten, die uiteindelijk verdorren en vallen. Het verlies van bladeren vermindert de kwaliteit en kwantiteit van de bessen van de plant die worden geoogst voor het zetten van koffie.
Om een potentieel rampzalige uitroeiing van Arabica-planten wereldwijd door koffiebladroest te voorkomen, bestudeerden de wetenschappers de genomische oorsprong en kweekgeschiedenis van de plant.
Ze deden dit door de zeer gedetailleerde genomische sequenties van Arabica en twee verwante koffieproducerende planten, Robusta (C. canephora) en C. eugenioides, in kaart te brengen, die de moderne voorouders van Arabica zijn.
Dit werd gedaan met behulp van geavanceerde technieken, namelijk de PacBio high-fidelity-technologie om DNA met hoge nauwkeurigheid te sequencen, en het vastleggen van chromosoomconformatie met hoge doorvoer om gedetailleerde 3D-kaarten te maken van hoe verschillende DNA-segmenten op elkaar inwerken. De gegevens voor de genomen zijn openbaar beschikbaar.
De analyse van de wetenschappers suggereerde dat de resistentie tegen koffiebladroest in Arabica mogelijk verloren is gegaan toen Arabica-planten op grote schaal werden verbouwd, aangezien alle gecultiveerde Arabica-koffieplanten afkomstig zijn van dezelfde stam met zeer weinig genetische variabiliteit.
In 1927 werd op het eiland Timor echter een hybride van Arabica en Robusta gevonden die resistent was tegen de ziekte. Helaas brengt de resistentie een wisselwerking met zich mee, aangezien de hybride geen koffie produceert die zo lekker smaakt als die van andere Arabica-planten. P>
Omdat er geen alternatieven zijn, vormen de afstammelingen van de Timor-hybrideplant nog steeds de basis van alle roestbestendige koffiebladvarianten.
Uit eerder onderzoek zijn enkele genen gebleken die mogelijk resistentie tegen bladroest in verschillende koffieplanten verlenen. Maar zonder een kaart van het genoom van de verschillende koffieplanten was het moeilijk om deze genen nauwkeurig te identificeren en moeilijk om erachter te komen of ze ook in andere koffieplanten voorkomen, wat de kans zou vergroten dat ze codeerden voor resistentie. Het genidentificatieproces verliep ook traag.
Nu het nieuwe onderzoek echter de genomen van verschillende koffieplanten tot in detail in kaart brengt, zal het identificeren van resistentiegenen sneller en nauwkeuriger zijn.
Met behulp van de genoominformatie van de plant analyseerden de onderzoekers de meest voorkomende gecultiveerde koffievariëteiten, die ongeveer 95% van de koffieproductie in de wereld vertegenwoordigen, en vergeleken ze met afstammelingen van de Timor-hybride.
Hierdoor konden ze een regio met DNA-sequenties vinden die veel voorkomen bij verschillende bladroestbestendige koffieplanten, met een nieuwe combinatie van op Robusta gebaseerde genen die resistentie kunnen overbrengen in Arabica-planten in het algemeen. Het kennen van het bestaan van deze gedeelde genen vergroot de kans enorm dat deze genetische sequenties zich inderdaad kunnen verdedigen tegen bladroest, en zou veredelaars in staat kunnen stellen hierop te selecteren bij het telen van nieuwe koffievariëteiten.
Door hun analyse stelden de onderzoekers ook dat Arabica voortkwam uit een toevallige gebeurtenis van 350.000 tot 610.000 jaar geleden, toen de planten Robusta en C. eugenioides op natuurlijke wijze kruisbestoven werden, waardoor de eerste Arabica-planten in het wild ontstonden.
Deze datering ligt tussen eerdere schattingen in, waarbij een eerdere schatting de toevallige gebeurtenis op 20.000 jaar geleden plaatste, terwijl anderen de datering zelfs een miljoen jaar geleden terugbrachten. De onderzoekers zeiden dat de discrepantie tussen eerdere cijfers te wijten zou kunnen zijn aan historische veranderingen in de populatiegroottes van wilde en gecultiveerde planten, evenals aan de verschillende bronnen en de beperkte hoeveelheid gebruikte gegevens.
Door de hoogwaardige genomische sequenties van Arabica te vergelijken met die van Robusta en C. eugenioides, ontdekte het onderzoeksteam dat de drie soorten genetisch gezien nog steeds sterk op elkaar lijken. Dit suggereert dat veredelaars voor toekomstige veredelingsprogramma's om ervoor te zorgen dat Arabica-planten ziekteresistentie hebben, kunnen overwegen om andere verwante koffiesoorten te gebruiken, zoals Robusta en C. eugenioides.
Het gebruik van alleen Arabica-planten om te kweken op de resistentie-eigenschap is problematisch omdat uit het onderzoek is gebleken dat zelfs de wilde Arabica-variëteiten, en niet alleen de gecultiveerde, een zeer lage genetische diversiteit hebben, waardoor het moeilijker wordt om te kweken op ziekteresistentie.
“De lage genetische diversiteit van zowel gecultiveerde als wilde moderne Arabica-planten vormt een obstakel voor de veredeling ervan met behulp van de wilde variëteiten van de planten. Maar nauwe overeenkomsten tussen Arabica-, Robusta- en C. eugenioides-planten zullen waarschijnlijk de introductie van interessante eigenschappen van planten vergemakkelijken. de laatste twee in Arabica", zegt assistent-professor Salojarvi.
De zeer gedetailleerde genomische sequenties die voor alle drie de koffieplanten in kaart zijn gebracht, betekenen ook dat in de toekomst andere nuttige eigenschappen kunnen worden geïdentificeerd, zoals veerkracht tegen droogte, betere gewasopbrengst en meer aromatische koffiebonen.
Deze eigenschappen kunnen worden geïdentificeerd met genetische markers, die kunnen worden gebruikt om de toekomstige prestaties van koffiezaailingen te voorspellen, in plaats van jaren te wachten totdat de planten volwassen zijn en bessen dragen.
Omdat de bladroestbestendige hybride uit Timor geen koffie produceert die zo goed is als die van de gebruikelijke Arabica-planten, bieden de verzamelde genoomgegevens nu een snelle route voor onderzoekers om nieuwe ziekteresistente planten te kweken die nog steeds de sublieme, gladde en zoete smaak van Arabica, waar koffieliefhebbers wereldwijd van genieten.