Neu sequenziertes Genom enthüllt die prähistorische Entstehungsgeschichte des Kaffees und seine Zukunft im Klimawandel

Der Schlüssel zum Anbau von Kaffeepflanzen, die dem Klimawandel in den kommenden Jahrzehnten besser widerstehen können, könnte in der alten Vergangenheit liegen.

Forscher unter gemeinsamer Leitung der University at Buffalo haben das ihrer Meinung nach bislang qualitativ hochwertigste Referenzgenom der weltweit beliebtesten Kaffeesorte Arabica erstellt und dabei Geheimnisse über ihre Abstammungslinie gelüftet, die sich über Jahrtausende und Kontinente erstreckt.

Ihre Ergebnisseveröffentlicht in Naturgenetiklegen nahe, dass sich Coffea arabica vor mehr als 600.000 Jahren in den Wäldern Äthiopiens durch natürliche Paarung zweier anderer Kaffeearten entwickelte. Die Studie ergab, dass die Arabica-Population während der Erwärmungs- und Abkühlungsperioden der Erde über Jahrtausende hinweg zu- und abnahm, bevor sie schließlich in Äthiopien und im Jemen angebaut und dann über den ganzen Globus verbreitet wurde.

„Wir haben genomische Informationen von heute lebenden Pflanzen genutzt, um in die Vergangenheit zu reisen und ein möglichst genaues Bild der langen Geschichte von Arabica zu zeichnen sowie festzustellen, wie moderne Kultursorten miteinander verwandt sind“, sagt der Mitautor der Studie , Victor Albert, Ph.D., Empire Innovation Professor am Department of Biological Sciences der UB am College of Arts and Sciences.

Kaffeegiganten wie Starbucks und Tim Hortons verwenden ausschließlich Bohnen von Arabica-Pflanzen, um die Millionen von Tassen Kaffee zuzubereiten, die sie täglich servieren. Allerdings ist Arabica anfällig dafür, teilweise aufgrund einer geringen genetischen Vielfalt, die auf eine Geschichte der Inzucht und eine geringe Populationsgröße zurückzuführen ist viele Schädlinge und Krankheiten und kann nur an wenigen Orten auf der Welt angebaut werden, wo die Bedrohung durch Krankheitserreger geringer und die klimatischen Bedingungen günstiger sind.

„Ein detailliertes Verständnis der Herkunft und Züchtungsgeschichte zeitgenössischer Sorten ist entscheidend für die Entwicklung neuer Arabica-Sorten, die besser an den Klimawandel angepasst sind“, sagt Albert.

Aus ihrem neuen Referenzgenom, das mithilfe modernster DNA-Sequenzierungstechnologie und fortschrittlicher Datenwissenschaft erstellt wurde, konnte das Team 39 Arabica-Sorten und sogar ein Exemplar aus dem 18. Jahrhundert sequenzieren, das der schwedische Naturforscher Carl Linnaeus zur Benennung der Art verwendete.

Das Referenzgenom ist nun in einer öffentlich zugänglichen digitalen Datenbank verfügbar.

„Obwohl es andere öffentliche Referenzen für Arabica-Kaffee gibt, ist die Qualität der Arbeit unseres Teams extrem hoch“, sagt einer der Co-Leiter der Studie, Patrick Descombes, leitender Experte für Genomik bei Nestlé Research. „Wir haben modernste genomische Ansätze – einschließlich Long- und Short-Read-DNA-Sequenzierung mit hohem Durchsatz – verwendet, um das bisher fortschrittlichste, vollständigste und kontinuierlichste Arabica-Referenzgenom zu erstellen.“

Der Lieblingskaffee der Menschheit entstand ohne die Hilfe der Menschen

Arabica ist die Quelle von etwa 60 % aller Kaffeeprodukte weltweit, und seine Samen helfen Millionen von Menschen, ihren Tag zu beginnen oder lange wach zu bleiben. Die anfängliche Kreuzung, aus der es entstand, erfolgte jedoch ohne jegliches Eingreifen des Menschen.

Arabica entstand als natürliche Hybridisierung zwischen Coffea canephora und Coffea eugenioides, woraufhin sie von jedem Elternteil zwei Chromosomensätze erhielt. Wissenschaftlern fiel es schwer, genau zu bestimmen, wann und wo dieses Allopolyploidisierungsereignis stattfand. Die Schätzungen reichen von vor 10.000 bis zu einer Million Jahren.

Um Beweise für das ursprüngliche Ereignis zu finden, ließen UB-Forscher und ihre Partner ihre verschiedenen Arabica-Genome durch ein Computermodellierungsprogramm laufen, um nach Signaturen der Grundlage der Art zu suchen.

Die Modelle zeigen drei Populationsengpässe in der Geschichte der Arabica-Pflanze, wobei der älteste vor etwa 29.000 Generationen – oder 610.000 Jahren – auftrat. Dies deutet darauf hin, dass sich Arabica irgendwann davor, vor 610.000 bis 1 Million Jahren, gebildet hat, sagen Forscher.

„Mit anderen Worten, die Kreuzung, aus der Arabica entstand, war nicht etwas, was Menschen getan haben“, sagt Albert. „Es ist ziemlich klar, dass dieses Polyploidie-Ereignis vor dem modernen Menschen und dem Kaffeeanbau stattfand.“

Es wurde lange angenommen, dass sich Kaffeepflanzen in Äthiopien entwickelt haben, doch die Sorten, die das Team rund um den Großen Afrikanischen Grabenbruch sammelte, der sich von Südostafrika bis Asien erstreckt, zeigten eine klare geografische Aufteilung. Die untersuchten Wildsorten stammten alle von der Westseite, während die Kultursorten alle von der Ostseite stammten, die der Meerenge Bab al-Mandab am nächsten liegt, die Afrika und Jemen trennt.

Dies würde mit Beweisen übereinstimmen, dass der Kaffeeanbau etwa im 15. Jahrhundert hauptsächlich im Jemen begonnen haben könnte. Man geht davon aus, dass der indische Mönch Baba Budan um 1600 die sagenumwobenen „sieben Samen“ aus dem Jemen geschmuggelt hat, wodurch er indische Arabica-Sorten etablierte und den Weg für die heutige weltweite Verbreitung des Kaffees bereitete.

„Es sieht so aus, als ob die jemenitische Kaffeevielfalt der Begründer aller aktuellen Hauptsorten sein könnte“, sagt Descombes. „Kaffee ist keine Nutzpflanze, die wie Mais oder Weizen stark gekreuzt wurde, um neue Sorten zu schaffen. Die Menschen wählten hauptsächlich eine Sorte aus, die ihnen gefiel, und bauten sie dann an. Die Sorten, die wir heute haben, gibt es also wahrscheinlich schon seit langer Zeit.“ „

Wie sich das Klima auf die Arabica-Population auswirkte

Die geoklimatische Geschichte Ostafrikas ist aufgrund der Forschung zur menschlichen Herkunft gut dokumentiert, sodass Forscher Klimaereignisse mit den Schwankungen der wilden und kultivierten Arabica-Populationen im Laufe der Zeit vergleichen konnten.

Die Modellierung zeigt einen langen Zeitraum mit geringer Bevölkerungszahl vor 20–100.000 Jahren, der ungefähr mit einer ausgedehnten Dürre und einem kühleren Klima zusammenfällt, von denen angenommen wird, dass sie die Region vor 40–70.000 Jahren heimgesucht haben. Die Population nahm dann während der afrikanischen Feuchtperiode vor etwa 6–15.000 Jahren zu, als die Wachstumsbedingungen wahrscheinlich günstiger waren.

Zur gleichen Zeit, vor etwa 30.000 Jahren, trennten sich die Wildarten und die Sorten, die später vom Menschen kultiviert wurden.

„Sie brüteten immer noch gelegentlich miteinander, hörten aber wahrscheinlich gegen Ende der afrikanischen Feuchtperiode und der Erweiterung der Meerenge aufgrund des steigenden Meeresspiegels vor etwa 8.000 bis 9.000 Jahren auf“, sagt Jarkko Salojärvi, Assistenzprofessor an der Nanyang Technological University in Singapur und ein weiterer mitkorrespondierender Autor von Werken.

Geringe genetische Vielfalt bedroht Arabica

Die effektive Populationsgröße der angebauten Arabica-Pflanze wird auf nur 10.000 bis 50.000 Individuen geschätzt. Aufgrund ihrer geringen genetischen Vielfalt könnte sie wie die Monokultur-Cavendish-Banane durch Krankheitserreger wie Kaffeeblattrost vollständig dezimiert werden, was jährlich Verluste in Höhe von 1 bis 2 Milliarden US-Dollar verursacht.

Das Referenzgenom konnte mehr Aufschluss darüber geben, wie eine Linie von Arabica-Sorten eine starke Resistenz gegen die Krankheit erlangte.

Die Timor-Sorte entstand in Südostasien als spontane Hybride zwischen Arabica und einem ihrer Eltern, Coffea canephora. Auch als Robusta bekannt und hauptsächlich für Instantkaffee verwendet, ist diese Art resistenter gegen Krankheiten als Arabica.

„Als sich Robusta auf Timor wieder mit Arabica hybridisierte, brachte es einige seiner Abwehrgene gegen Krankheitserreger mit“, sagt Albert, der 2014 auch die Sequenzierung des Robusta-Genoms mit leitete. Auch die aktuelle Arbeit von Albert und seinen Mitarbeitern wird vorgestellt eine stark verbesserte Version des Robusta-Genoms sowie eine neue Sequenz der anderen Vorläuferart von Arabica, Coffea eugenioides.

Während Züchter versucht haben, diese Kreuzung zu reproduzieren, um die Krankheitserregerabwehr zu stärken, ermöglichte das neue Arabica-Referenzgenom den Forschern, eine neue Region zu lokalisieren, die Mitglieder der RPP8-Resistenzgenfamilie sowie einen allgemeinen Regulator von Resistenzgenen, CPR1, beherbergt.

„Diese Ergebnisse deuten auf einen neuen Zielort zur potenziellen Verbesserung der Krankheitserregerresistenz bei Arabica hin“, sagt Salojärvi.

Das Genom lieferte auch weitere neue Erkenntnisse, etwa welche Wildsorten dem modernen, kultivierten Arabica-Kaffee am nächsten kommen. Sie fanden auch heraus, dass die Typica-Sorte, eine frühe niederländische Sorte, die entweder aus Indien oder Sri Lanka stammt, wahrscheinlich der Elternteil der Bourbon-Sorte ist, die hauptsächlich von den Franzosen angebaut wird.

„Unsere Arbeit war der Rekonstruktion des Stammbaums einer sehr wichtigen Familie nicht unähnlich“, sagt Albert.