Wissenschaftler finden gemeinsame Gene, die Kaffeepflanzen vor verheerenden Krankheiten schützen

Arabica-Kaffee ist der wirtschaftlich bedeutendste Kaffee weltweit und macht 60 % der Kaffeeprodukte weltweit aus. Doch die Pflanzen, von denen er stammt, sind anfällig für eine Krankheit, die im 19. Jahrhundert das Kaffeeimperium Sri Lankas vernichtete.

Jetzt ist einem internationalen Forscherteam unter der gemeinsamen Leitung der Nanyang Technological University in Singapur (NTU Singapore) ein Durchbruch gelungen, der dabei hilft, Arabica-Pflanzen (Coffea arabica) vor der Pilzkrankheit namens Kaffeeblattrost zu schützen.

Die anderen Co-Leiter von die Studieveröffentlicht in Naturgenetikhaben ihren Sitz beim weltweit größten Lebensmittel- und Getränkeunternehmen Nestlé, der Université de Montpellier in Frankreich und der University at Buffalo in den Vereinigten Staaten.

Die Wissenschaftler haben das gesamte genetische Material – oder die Genome – von Arabica und zwei verwandten Kaffeepflanzen detailliert kartiert. Dies ermöglichte es dem Team, eine neue Kombination von Genen zu identifizieren, die den Pflanzen gemeinsam sind und gegen Kaffeeblattrost resistent sind. Mit den Daten zu den Genomen können auch andere nützliche Merkmale von Kaffeepflanzen identifiziert werden.

Die Entdeckung der Resistenzgene eröffnet den Weg, die tägliche Ernährung von Kaffeeliebhabern besser zu schützen und den hochwertigen Geschmack ihres Getränks zu bewahren und so eine Branche zu unterstützen, die Millionen von Arbeitnehmern beschäftigt. Nach Angaben der International Coffee Organization hängt der Lebensunterhalt von 125 Millionen Menschen weltweit vom Kaffeegeschäft ab.

Die Kaffeerostkrankheit hat in den Kaffee produzierenden Ländern verheerende Schäden angerichtet und vernichtet auch heute noch Kaffeeplantagen. Die US-amerikanische Agentur für internationale Entwicklung schätzte, dass ein Ausbruch von Kaffeeblattrost zwischen 2012 und 2014 in Lateinamerika wirtschaftliche Schäden in Höhe von etwa 1 Milliarde US-Dollar (1,36 Milliarden Singapur-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 bilden zusammen mit den Kandidaten-Gensequenzen für die Kaffeeblattrostresistenz den Grundstein für.“ Züchten 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 aus 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 Experte für Genomik bei Nestlé Research und einer der Co-Leiter der Studie, sagte: „Obwohl es andere öffentliche Referenzen für Arabica gibt, ist die Qualität der Arbeit unseres Teams äußerst hoch. Wir verwendeten modernste modernste genomische Ansätze – einschließlich Hochdurchsatzsequenzierung mit langen und kurzen Lesevorgängen – um die bisher fortschrittlichste, vollständigste 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. Die Kulturpflanzen verfügen typischerweise nicht über das genetische Merkmal, das 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 für die Kaffeezubereitung geernteten Beeren der Pflanze.

Um eine möglicherweise katastrophale Ausrottung der Arabica-Pflanzen weltweit durch Kaffeeblattrost zu verhindern, untersuchten die Wissenschaftler die genomischen Ursprünge und die Züchtungsgeschichte der Pflanze.

Dazu kartierten sie die sehr detaillierten Genomsequenzen von Arabica und zwei verwandten Kaffee produzierenden Pflanzen, Robusta (C. canephora) und C. eugenioides, den heutigen Vorfahren von Arabica.

Dies geschah mithilfe fortschrittlicher Techniken, nämlich der PacBio-High-Fidelity-Technologie zur Sequenzierung von DNA mit hoher Genauigkeit und der Erfassung der Chromosomenkonformation mit hohem Durchsatz, um detaillierte 3D-Karten der Interaktion verschiedener DNA-Segmente zu erstellen. Die Daten für die Genome sind Öffentlich verfügbar.

Die Analyse der Wissenschaftler deutete darauf hin, dass die Resistenz gegen Kaffeeblattrost bei Arabica möglicherweise verloren gegangen ist, als Arabica-Pflanzen weit verbreitet angebaut wurden, da alle kultivierten Arabica-Kaffeepflanzen aus demselben Bestand 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 geht die Resistenz mit einem Nachteil einher, da die Hybride keinen Kaffee produziert, der so gut schmeckt wie der Kaffee anderer Arabica-Pflanzen.

Da es keine Alternativen gibt, bilden die Nachkommen der Timor-Hybridpflanze immer noch die Grundlage aller gegen Kaffeeblattrost resistenten Varianten.

Frühere Forschungen entdeckten einige Gene, die bei verschiedenen Kaffeepflanzen möglicherweise Resistenz gegen Blattrost verleihen. Aber ohne eine Karte des Genoms der verschiedenen Kaffeepflanzen war es schwierig, diese Gene genau zu identifizieren und herauszufinden, ob sie auch in anderen Kaffeepflanzen vorkommen, was die Wahrscheinlichkeit erhöhen würde, dass sie für Resistenz kodieren. Auch der Genidentifizierungsprozess verlief langsam.

Mit der neuen Forschung, die die Genome verschiedener Kaffeepflanzen jedoch sehr detailliert kartiert, wird die Identifizierung von Resistenzgenen schneller und genauer sein.

Anhand der Genominformationen 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 Bereich von DNA-Sequenzen zu finden, der bei verschiedenen gegen Blattrost resistenten Kaffeepflanzen üblich ist, mit einer neuen Kombination von Robusta-basierten Genen, die möglicherweise Resistenz bei Arabica-Pflanzen im Allgemeinen vermitteln. 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 die Pflanzen Robusta und C. eugenioides auf natürliche Weise kreuzbestäubt wurden, um die ersten Arabica-Pflanzen in freier Wildbahn zu schaffen.

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

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 Verwendung anderer verwandter Kaffeearten wie Robusta und C. eugenioides in Betracht ziehen können, um sicherzustellen, dass Arabica-Pflanzen krankheitsresistent sind.

Die alleinige Verwendung von Arabica-Pflanzen zur Züchtung auf das Resistenzmerkmal ist problematisch, da die Studie ergab, dass selbst die wilden Arabica-Sorten, nicht nur die kultivierten, eine sehr geringe genetische Vielfalt aufweisen, was die Züchtung auf Krankheitsresistenz erschwert.

„Die geringe genetische Vielfalt sowohl kultivierter als auch wilder moderner Arabica-Pflanzen stellt ein Hindernis für die Züchtung unter Verwendung wilder Sorten der Pflanzen dar. Aber große Ähnlichkeiten zwischen Arabica-, Robusta- und C. eugenioides-Pflanzen dürften die Einführung interessanter Merkmale erleichtern.“ die beiden letzteren in Arabica umzuwandeln“, sagte Asst Prof. Salojarvi.

Die sehr detaillierten Genomsequenzen, die für alle drei Kaffeepflanzen kartiert wurden, bedeuten auch, dass in Zukunft weitere nützliche Merkmale identifiziert werden könnten, wie z. B. Widerstandsfähigkeit gegenüber Trockenheit, bessere Ernteerträge und aromatischere Kaffeebohnen.

Diese Merkmale können mit genetischen Markern identifiziert werden, die dazu verwendet werden können, die zukünftige Leistung von Kaffeesämlingen vorherzusagen, anstatt jahrelang darauf zu warten, dass die Pflanzen reifen und Beeren tragen, um dies herauszufinden.

Da der blattrostresistente Hybrid aus Timor keinen so guten Kaffee produziert wie der aus den üblichen Arabica-Pflanzen, bieten die zusammengestellten Genomdaten den Forschern nun einen schnellen Weg zur Züchtung neuer krankheitsresistenter Pflanzen, die dennoch das erhabene, glatte und edle Aroma behalten süßer Arabica-Geschmack, den Kaffeeliebhaber auf der ganzen Welt genießen.