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Decodifica del genoma del caffè Arabica: nuove prospettive per la resilienza al cambiamento climatico
Un team di ricercatori dell’Università di Buffalo ha recentemente decodificato il genoma del caffè Arabica, la specie di caffè più diffusa al mondo, risalendo alle sue origini che si estendono oltre 600.000 anni fa e delineando le sue sfide genetiche e le adattabilità meteo. Questa ricerca offre spunti significativi per lo sviluppo di varietà di Arabica più resilienti.
La chiave per coltivare piante di caffè in grado di resistere meglio ai cambiamenti meteo nei prossimi decenni potrebbe risiedere nel passato antico.
I ricercatori, guidati dall’Università di Buffalo, hanno creato quello che affermano essere il genoma di riferimento di più alta qualità ad oggi della specie di caffè Arabica, scoprendo segreti sulla sua discendenza che attraversano millenni e continenti.
I risultati, pubblicati il 15 aprile su Nature Genetics, suggeriscono che Coffea arabica si è sviluppata più di 600.000 anni fa nelle foreste dell’Etiopia attraverso l’accoppiamento naturale tra due altre specie di caffè. La popolazione di Arabica ha subito alti e bassi durante i periodi di riscaldamento e raffreddamento della Terra nel corso di migliaia di anni, prima di essere coltivata in Etiopia e Yemen e poi diffusa in tutto il mondo.
“Abbiamo utilizzato informazioni genomiche di piante viventi oggi per tornare indietro nel tempo e dipingere il quadro più accurato possibile della lunga storia dell’Arabica, oltre a determinare come le varietà coltivate moderne siano correlate tra loro”, afferma l’autore corrispondente dello studio, Victor Albert, PhD, professore di innovazione Empire nel Dipartimento di Scienze Biologiche dell’UB, all’interno del College of Arts and Sciences.
La dominanza globale dell’Arabica e le sue sfide genetiche
Colossi del caffè come Starbucks e Tim Hortons utilizzano esclusivamente chicchi provenienti da piante di Arabica per preparare lei milioni di tazze di caffè che servono ogni giorno, eppure, a causa di una bassa diversità genetica derivante da una storia di consanguineità e piccole dimensioni della popolazione, l’Arabica è suscettibile a molti parassiti e malattie e può essere coltivata solo in pochi luoghi del mondo dove le minacce dei patogeni sono inferiori e le condizioni meteo sono più favorevoli.
“Una comprensione dettagliata delle origini e della storia di allevamento delle varietà contemporanee è fondamentale per sviluppare nuove cultivar di Arabica meglio adattate al cambiamento meteo”, afferma Albert.
Dal loro nuovo genoma di riferimento, realizzato utilizzando tecnologie di sequenziamento del DNA all’avanguardia e scienze dei dati avanzate, il team è stato in grado di sequenziare 39 varietà di Arabica e persino un esemplare del XVIII secolo utilizzato dal naturalista svedese Carl Linnaeus per nominare la specie.
Il genoma di riferimento è ora disponibile in un database digitale pubblicamente accessibile.
“Sebbene esistano altri riferimenti pubblici per il caffè Arabica, la qualità del lavoro del nostro team è estremamente elevata”, afferma uno dei co-leader dello studio, Patrick Descombes, esperto senior in genomica presso Nestlé Research. “Abbiamo utilizzato approcci genomici all’avanguardia – inclusi sequenziamenti di DNA ad alta velocità a lettura lunga e corta – per creare il genoma di riferimento Arabica più avanzato, completo e continuo ad oggi.”
L’evoluzione del caffè preferito dall’umanità senza l’aiuto dell’uomo
L’Arabica è la fonte di circa il 60% dei prodotti totali di caffè nel mondo, con i suoi semi che aiutano milioni di persone a iniziare la giornata o a restare svegli fino a tardi. Tuttavia, l’incrocio iniziale che l’ha creato è avvenuto senza alcun intervento umano.
L’Arabica si è formata come un ibrido naturale tra Coffea canephora e Coffea eugenioides, ricevendo due set di cromosomi da ciascun genitore. Gli scienziati hanno avuto difficoltà a individuare esattamente quando - e dove – si è verificato questo evento di allopoliploidizzazione, con stime che vanno da 10.000 a 1 milione di anni fa.
Per trovare prove dell’evento originale, i ricercatori dell’UB e i loro partner hanno eseguito i loro vari genomi Arabica attraverso un programma di modellazione computazionale per cercare firme della fondazione della specie.
I modelli mostrano tre colli di bottiglia della popolazione durante la storia dell’Arabica, con il più antico che si verifica circa 29.000 generazioni - o 610.000 anni – fa. Ciò suggerisce che l’Arabica si è formata in qualche momento prima di allora, da 610.000 a 1 milione di anni fa, secondo i ricercatori.
“In altre parole, l’incrocio che ha creato l’Arabica non è stato qualcosa che gli umani hanno fatto”, afferma Albert. “È abbastanza chiaro che questo evento di poliploidia ha preceduto gli umani moderni e la coltivazione del caffè.”
Si è a lungo pensato che le piante di caffè si siano sviluppate in Etiopia, ma le varietà che il team ha raccolto intorno alla Grande Valle del Rift, che si estende dal Sud-Est dell’Africa all’Asia, hanno mostrato una chiara divisione geografica. Le varietà selvatiche studiate sono tutte originarie del lato occidentale, mentre le varietà coltivate sono tutte originarie del lato orientale più vicino allo stretto di Bab al-Mandab che separa l’Africa dallo Yemen.
Questo si allinea con le prove che la coltivazione del caffè potrebbe essere iniziata principalmente in Yemen, intorno al XV secolo. Si ritiene che il monaco indiano Baba Budan abbia contrabbandato i famosi “sette semi” fuori dallo Yemen intorno al 1600, stabilendo le cultivar di Arabica indiane e preparando il terreno per la portata globale del caffè oggi.
“Sembra che la diversità del caffè yemenita possa essere il fondatore di tutte le principali varietà attuali”, afferma Descombes. “Il caffè non è una coltura che è stata pesantemente incrociata, come il mais o il grano, per creare nuove varietà. Le persone hanno principalmente scelto una varietà che gli piaceva e poi l’hanno coltivata. Quindi le varietà che abbiamo oggi sono probabilmente esistite per molto tempo.”
L’impatto del meteo sulla popolazione dell’Arabica
La storia geoclimatica dell’Africa orientale è ben documentata grazie alla ricerca sulle origini umane, quindi i ricercatori hanno potuto confrontare gli eventi meteo con il modo in cui le popolazioni di Arabica selvatica e coltivata sono fluttuate nel tempo.
La modellazione mostra un lungo periodo di ridotte dimensioni della popolazione tra 20-100.000 anni fa, che coincide approssimativamente con una prolungata siccità e un clima più fresco ritenuti aver colpito la regione tra 40-70.000 anni fa. La popolazione è poi aumentata durante il periodo umido africano, circa 6-15.000 anni fa, quando le condizioni di crescita erano probabilmente più favorevoli.
Nello stesso periodo, circa 30.000 anni fa, le varietà selvatiche e le varietà che sarebbero poi diventate coltivate dall’uomo si sono separate l’una dall’altra.
“Hanno ancora occasionalmente incrociato tra loro, ma probabilmente hanno smesso intorno alla fine del periodo umido africano e all’allargamento dello stretto a causa dell’innalzamento del livello del mare circa 8.000-9.000 anni fa”, afferma Jarkko Salojärvi, professore assistente alla Nanyang Technological University di Singapore e un altro autore corrispondente del lavoro.
La bassa diversità genetica minaccia l’Arabica
Si stima che l’Arabica coltivata abbia una dimensione effettiva della popolazione di soli 10.000-50.000 individui. La sua bassa diversità genetica significa che potrebbe essere completamente decimata, come la banana monocultura Cavendish, da patogeni, come la ruggine delle foglie del caffè, che causa perdite annuali per 1-2 miliardi di dollari.
Il genoma di riferimento è stato in grado di gettare più luce su come una linea di varietà di Arabica abbia ottenuto una forte resistenza alla malattia.
La varietà Timor si è formata nel Sud-Est asiatico come un ibrido spontaneo tra Arabica e uno dei suoi genitori, Coffea canephora. Conosciuta anche come Robusta e utilizzata principalmente per il caffè solubile, questa specie è più resistente alle malattie rispetto all’Arabica.
“Quindi, quando la Robusta si è ibridata di nuovo nell’Arabica a Timor, ha portato con sé alcuni dei suoi geni di difesa dai patogeni”, afferma Albert, che ha anche co-diretto la sequenziazione del genoma della Robusta nel 2014. Il lavoro attuale di Albert e collaboratori presenta anche una versione molto migliorata del genoma della Robusta, così come una nuova sequenza dell’altra specie progenitrice dell’Arabica, Coffea eugenioides.
Sebbene gli allevatori abbiano tentato di replicare questo incrocio per aumentare la difesa dai patogeni, il nuovo genoma di riferimento Arabica ha permesso ai ricercatori attuali di individuare una nuova regione che ospita membri della famiglia di geni di resistenza RPP8 e un regolatore generale dei geni di resistenza, CPR1.
“Questi risultati suggeriscono un nuovo locus bersaglio per migliorare potenzialmente la resistenza ai patogeni nell’Arabica”, afferma Salojärvi.
Il genoma ha fornito anche altre nuove scoperte, come quali varietà selvatiche sono più vicine all’Arabica coltivata moderna. Hanno anche scoperto che la varietà Typica, un antico cultivar olandese originario dell’India o dello Sri Lanka, è probabilmente il genitore della varietà Bourbon, coltivata principalmente dai francesi.
“Il nostro lavoro non è stato diverso dal ricostruire l’albero genealogico di una famiglia molto importante”, afferma Albert.
