Wissenschaftler entdecken gemeinsame Gene, die Kaffeepflanzen vor verheerenden Krankheiten schützen

Arabica-Kaffee ist der wirtschaftlich bedeutendste Kaffee der Welt und macht 60 % der weltweiten Kaffeeprodukte aus. Doch die Pflanzen, von denen es stammt, sind anfällig für eine Krankheit, die im 18. Jahrhundert das Kaffeeimperium Sri Lankas verwüstete.

Heute ist einem internationalen Forscherteam unter der gemeinsamen Leitung der Nanyang Technological University Singapore (NTU Singapore) ein Durchbruch gelungen, der dazu beiträgt, Arabica-Pflanzen (Coffea arabica) vor der Pilzkrankheit namens Kaffeeblattrost zu schützen.

Die anderen Co-Leiter der Studie, veröffentlicht in Natürliche Genetikhaben ihren Sitz bei Nestlé, dem weltweit größten Lebensmittel- und Getränkeunternehmen, der Universität Montpellier in Frankreich und der University at Buffalo in den Vereinigten Staaten.

Wissenschaftler haben das gesamte genetische Material – oder Genom – von Arabica und zwei verwandten Kaffeepflanzen detailliert kartiert. Dies ermöglichte es dem Team, eine neue Kombination von Genen zu identifizieren, die rostresistente Kaffeeblattpflanzen gemeinsam haben. Mithilfe von Genomdaten können auch andere nützliche Merkmale von Kaffeepflanzen identifiziert werden.

Die Entdeckung von Resistenzgenen ebnet den Weg für einen besseren Schutz der täglichen Dosis von Kaffeeliebhabern und die Aufrechterhaltung des hochwertigen Geschmacks ihres Getränks und unterstützt so eine Industrie, die Millionen von Arbeitnehmern beschäftigt. Nach Angaben der Internationalen Kaffeeorganisation hängt der Lebensunterhalt von 125 Millionen Menschen weltweit vom Kaffeehandel ab.

Kaffeeblattrost hat in Kaffeeanbauländern verheerende Schäden angerichtet und zerstört auch heute noch Kaffeeplantagen. Die US-amerikanische Agentur für internationale Entwicklung schätzte, dass zwischen 2012 und 2014 ein Ausbruch von Kaffeeblattrost in Lateinamerika einen wirtschaftlichen Schaden von etwa 1 Milliarde US-Dollar verursachte.

Assistenzprofessor Jarkko Salojarvi von der School of Biological Sciences der NTU, der das Forschungsteam gemeinsam leitete, sagte: „Die hochwertigen Genomsequenzen der drei Pflanzenarten sowie die genetischen Kandidatensequenzen für die Resistenz gegen Kaffeeblattrost sind die.“ Eckpfeiler der Züchtung neuer Sorten von Arabica-Pflanzen, die anpassungsfähiger an Veränderungen und resistenter gegen Krankheiten sind, die durch Krankheitserreger wie Pilze verursacht werden.

An dem Projekt war ein großes Konsortium von Forschern und Kaffeezüchtern aus Australien, Belgien, Brasilien, Kanada, China, Kolumbien, Finnland, Frankreich, Deutschland, Indonesien, Italien, den Niederlanden, Südafrika, Spanien, der Schweiz, Uganda und den Vereinigten Staaten beteiligt.

Dr. Patrick Descombes, leitender Genomexperte bei Nestlé Research und einer der Co-Leiter der Studie, sagte: „Obwohl es andere öffentliche Benchmarks für Arabica gibt, ist die Qualität unseres Arbeitsteams äußerst hoch.“ Modernste genomische Ansätze, einschließlich Hochdurchsatz-Long- und Short-Read-Sequenzierung, um die bislang fortschrittlichste, umfassendste und kontinuierlichste Arabica-Referenz zu erstellen.

Geringe genetische Variabilität

Arabica-Pflanzen weisen eine geringe genetische Vielfalt auf, was sie anfällig für Schädlinge und Krankheiten macht. Kulturpflanzen besitzen im Allgemeinen nicht die genetische Eigenschaft, die ihnen eine Resistenz gegen Kaffeeblattrost verleiht, der durch den Pilz Hemileia Vastatrix verursacht wird.

Die Pilze bilden orange-gelbe Flecken auf den Blättern der Kaffeepflanzen, die schließlich verdorren und abfallen. Der Verlust von Blättern verringert die Qualität und Quantität der Beeren von Pflanzen, die für die Kaffeezubereitung geerntet werden.

Um ein möglicherweise katastrophales Aussterben der Arabica-Pflanzen weltweit durch Kaffeeblattrost zu verhindern, untersuchten Wissenschaftler die genomischen Ursprünge und die Züchtungsgeschichte der Pflanze.

Zu diesem Zweck kartierten sie die hochdetaillierten Genomsequenzen von Arabica und zwei verwandten Kaffee produzierenden Pflanzen, Robusta (C. canephora) und C. eugenioides, den modernen Vorfahren von Arabica.

Dies wurde mithilfe fortschrittlicher Techniken erreicht, nämlich der hochpräzisen PacBio-Technologie zur DNA-Sequenzierung mit hoher Präzision und der Erfassung der Chromosomenkonformation mit hohem Durchsatz, um detaillierte 3D-Karten der Interaktion verschiedener DNA-Segmente zu erstellen. Genomdaten sind öffentlich verfügbar.

Die Analyse von Wissenschaftlern legt nahe, dass die Resistenz von Arabica gegen Kaffeeblattrost möglicherweise verschwunden ist, als Arabica-Pflanzen weit verbreitet angebaut wurden, da alle angebauten Arabica-Kaffeepflanzen von derselben Sorte mit sehr geringer genetischer Variabilität stammen.

Allerdings wurde 1927 auf der Insel Timor eine gegen die Krankheit resistente Hybride aus Arabica und Robusta gefunden. Leider ist die Resistenz mit einem Nachteil verbunden, da die Hybride keinen so guten Kaffee produziert wie andere Arabica-Pflanzen.

Ohne Alternative bilden die Nachkommen der hybriden Timor-Pflanze noch immer die Grundlage aller blattrostresistenten Varianten der Kaffeepflanze.

Frühere Forschungen haben bestimmte Gene entdeckt, die bei verschiedenen Kaffeepflanzen möglicherweise Resistenz gegen Blattrost verleihen. Ohne eine Karte des Genoms einzelner Kaffeepflanzen war es jedoch schwierig, diese Gene genau zu identifizieren und festzustellen, ob sie auch in anderen Kaffeepflanzen vorhanden waren, was die Wahrscheinlichkeit erhöhen würde, dass sie für Resistenzen kodieren. Auch der Prozess der Genidentifizierung verlief langsam.

Dank neuer Forschungsergebnisse, die die Genome verschiedener Kaffeepflanzen sehr detailliert kartieren, wird die Identifizierung von Resistenzgenen jedoch schneller und präziser möglich sein.

Anhand der genomischen Informationen der Pflanzen analysierten die Forscher die am häufigsten angebauten Kaffeesorten, die etwa 95 % der weltweiten Kaffeeproduktion ausmachen, und verglichen sie mit Nachkommen des Timor-Hybriden.

Dies ermöglichte es ihnen, einen gemeinsamen Bereich von DNA-Sequenzen bei verschiedenen blattrostresistenten Kaffeepflanzen zu finden, mit einer neuen Kombination von Robusta-basierten Genen, die Resistenz auf Arabica-Pflanzen im Allgemeinen übertragen können. Das Wissen um die Existenz dieser gemeinsamen Gene erhöht die Wahrscheinlichkeit erheblich, dass diese genetischen Sequenzen tatsächlich gegen Blattrost schützen können, und könnte es Züchtern ermöglichen, beim Anbau neuer Kaffeesorten auf sie zu selektieren.

Durch ihre Analyse postulierten die Forscher auch, dass Arabica aus einem Zufallsereignis vor 350.000 bis 610.000 Jahren entstand, als Robusta- und C. eugenioides-Pflanzen auf natürliche Weise kreuzbestäubt wurden, um die ersten Arabica-Pflanzen in freier Wildbahn zu schaffen.

Diese Datierung liegt zwischen früheren Schätzungen, wobei eine ältere Schätzung das zufällige Ereignis auf die Zeit vor nur 20.000 Jahren beziffert, während andere es auf die Zeit vor einer Million Jahren zurückführen. Die Forscher sagten, die Diskrepanz mit früheren Zahlen könnte auf historische Veränderungen in der Populationsgröße von Wild- und Kulturpflanzen sowie auf unterschiedliche Quellen und die begrenzte Menge der verwendeten Daten zurückzuführen sein.

Durch den Vergleich der hochwertigen Genomsequenzen von Arabica mit denen von Robusta und C. eugenioides stellte das Forscherteam fest, dass die drei Arten genetisch immer noch sehr ähnlich sind. Dies deutet darauf hin, dass Züchter für zukünftige Züchtungsprogramme, die sicherstellen sollen, dass Arabica-Pflanzen krankheitsresistent sind, die Verwendung anderer verwandter Kaffeearten wie Robusta und C. eugenioides in Betracht ziehen könnten.

Es ist problematisch, nur Arabica-Pflanzen zur Selektion auf das Resistenzmerkmal zu verwenden, da die Studie ergab, dass selbst wilde Arabica-Sorten, nicht nur kultivierte, eine sehr geringe genetische Vielfalt aufweisen, was die Züchtung auf Resistenz gegen Krankheiten erschwert.

„Die geringe genetische Vielfalt moderner kultivierter und wilder Arabica-Pflanzen stellt ein Hindernis für ihre Züchtung unter Verwendung wilder Pflanzensorten dar. Aber die großen Ähnlichkeiten zwischen Arabica-, Robusta- und C. eugenioides-Pflanzen erleichtern wahrscheinlich die Einführung interessanter Merkmale der letzten beiden in.“ Arabica“, sagte Assistenzprofessor Salojarvi.

Die sehr detaillierten Genomsequenzen, die für die drei Kaffeepflanzen kartiert wurden, bedeuten auch, dass in Zukunft weitere nützliche Merkmale identifiziert werden könnten, wie z. B. Dürreresistenz, höherer Ernteertrag und aromatischere Kaffeebohnen.

Diese Merkmale können mithilfe genetischer Marker identifiziert werden, mit denen die zukünftige Leistung von Kaffeepflanzen vorhergesagt werden kann, anstatt jahrelang darauf warten zu müssen, dass die Pflanzen reifen und Beeren tragen, um dies herauszufinden.

Da die blattrostresistente Timor-Hybride keinen so guten Kaffee produziert wie normale Arabica-Pflanzen, bieten die zusammengestellten Genomdaten den Forschern nun einen schnellen Weg zur Züchtung neuer krankheitsresistenter Pflanzen, die dennoch ihr erhabenes, glattes Aussehen und die Süße behalten Geschmack von Arabica, der von Kaffeeliebhabern auf der ganzen Welt geschätzt wird.