万千风味，出自一身：阿拉比卡咖啡的遗传学
万千风味，出自一身：阿拉比卡咖啡的遗传学
灌木丛里生长的小粒种咖啡（Coffea arabica）。来源：Pramote Polyamate/Getty
即使是单一产地的哥伦比亚咖啡豆和埃塞俄比亚咖啡豆，经过同样的烘焙研磨过程，咖啡鉴赏家也能分辨出差别。但一项研究发现，世界各地咖啡品种在风味等特征上的差别并不是因为个别基因不同，而似乎主要来自于整体上的染色体交换、删除和重排所致。
迄今对小粒种咖啡（Coffea arabica）基因组完整的测序表明，不同品种DNA链之间的“字母”只有细微差别。“如果观察单核苷酸变异，它的水平要比其他物种低上10倍至100倍。”文章作者之一 Michele Morgante说，他是意大利乌迪内大学的植物遗传学家。
Morgante和同事使用新一代测序技术，能够不间断地读取数百万个碱基对长的DNA链，而且比过去的技术更精确。他们1月在《自然-通讯》上发表了研究结果[1]。
“有了这类技术，组装基因组变得容易多了，你还可以组装以前无法获得的区域。”Morgante说。
醇香的组成
咖啡的遗传组成关系重大：2022-23年间，人们种植和销售了1000万吨咖啡。我们品尝的咖啡来自两个物种：中粒种咖啡（Coffea canephora），人称罗布斯塔咖啡，和小粒种咖啡（Coffea arabica），人称阿拉比卡咖啡。很多时候这两个物种是混合在一起制作咖啡的。但也有单个物种的烘焙和销售。总体上阿拉比卡咖啡豆占总销售量的56%左右。
大多数生物体的遗传变异来自与其他物种的杂交。但在阿拉比卡咖啡中这是一个相对罕见的情形，它的每条染色体都有两个以上的拷贝——这个现象称为多倍体。罗布斯塔咖啡每个染色体有两个拷贝，但阿拉比卡有多个。这让它很难与其他物种杂交。
因此，阿拉比卡咖啡单核苷酸的变化主要来源就是突变，随着时间推移，这以稳定的速率发生。但这个物种也相对年轻，它是罗布斯塔和一个称为Coffea eugenioides的物种（该物种没有广泛栽培）在过去50000年中杂交形成的。
“从那个基本上没有变异的单一植物，创造出了一整个物种，然后现有所有变异品种都是从那一次之后发生的新突变。” Morgante说。
加州大学戴维斯分校咖啡中心的遗传学家Juan Medrano说，尽管如此，阿拉比卡咖啡植物在物理特征上的差异很大，包括咖啡豆不同风味特征和抗病性差异。“我们在DNA层面上总是说差异水平低，但是在结构、染色体水平、缺失水平……还有插入水平上等等，还是很多变的。”
研究发现了染色体重大重排的证据，特别是在一个叫波旁咖啡的品种中。其中存在缺失现象，即染色体片段（有时会有大段染色体）消失，甚至会有整条染色体消失的情况。“有些变种中只有3个[染色体]拷贝——比方说两个canephora，一个eugenioides；有些则有5个拷贝，两个eugenioides，三个canephora。” Morgante说。
宝贵资源
除了揭示阿拉比卡咖啡的表型变异，测序基因组对咖啡繁育者也是宝贵的资源，特别是疾病和气候变化对咖啡的长期可持续性构成了挑战，亚的斯亚贝巴大学生物科技研究所的植物遗传学家Kassahun Tesfaye说。
Tesfaye说，“对基因组有良好的深度了解，在根本上有助于我们理解这种作物如何演化，也有助理解咖啡基因组和亲本的关系。”
这项工作还有助于为咖啡的繁育项目（甚至转基因）提供信息，选择出更有利的特性，例如抗咖啡锈病真菌，或低咖啡因水平，Tesfaye说。现在的挑战是将对基因组的理解转化成咖啡繁育者的实践操作结果。
“我们需要为繁育者提供工具包，他们大多数身在发展中国家，让他们培养低因品种、培育特定疾病[抗性]、培养高产品种。” Tesfaye说。
参考文献：
1.Scalabrin, S.et al. Nature Commun.https://doi.org/10.1038/s41467-023-44449-8 (2024).
原文以All arabica coffee is genetically similar: how can beans taste so different?标题发表在2024年1月23日《自然》的新闻版块上
© nature
doi：10.1038/d41586-024-00165-x