NTU与国际研究机构协作，在《Nature Genetics》发表一项新研究，为防护阿拉比卡咖啡免受真菌危害提供研究意义与价值。
▲第一作者：Jarkko Salojarvi（南洋理工大学生物科学学院） 通讯作者：Jarkko Salojarvi、Victor A. Albert、Dominique Crouzillat、Alexandre de Kochko、Patrick Descombes DOI ：10.1038/s41588-024-01695-w 阿拉比卡咖啡（Coffea arabica，也称小果咖啡）是全球经济层面上最重要的咖啡品种，占全球咖啡产品的60%。然而，这种咖啡的来源植物容易受到一种病害的侵袭，这种病害在19世纪曾严重破坏斯里兰卡的咖啡帝国。
阿拉比卡咖啡树
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现在，由NTU 和其他国际研究机构共同领导的一个国际研究团队在Nature Genetics杂志上发表了一项研究，该研究为防护阿拉比卡咖啡植物免受一种名为咖啡叶锈病的真菌病害提供了帮助。
研究团队详细绘制了阿拉比卡咖啡及其两种相关咖啡植物的所有基因材料——基因组。这使团队能够识别出一组新的基因组合，这些基因在抵抗咖啡叶锈病的植物中是共有的。有了这些基因组数据，也可以识别咖啡植物中的其他有用特性。
研究团队的共同负责人，NTU生物科学学院的副教授Jarkko Salojarvi表示：“这三种植物物种的高质量基因组序列，加上候选的抗咖啡叶锈病基因序列，为培育更适应变化且对真菌等病原体引起的疾病有更高抗性的新阿拉比卡品种提供了基石。”
NTU生物科学学院的助理教授 Jarkko Salojarvi
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该项目涉及来自澳大利亚、比利时、巴西、加拿大、中国、哥伦比亚、芬兰、法国、德国、印尼、意大利、荷兰、南非、西班牙、瑞士、乌干达和美国的大型研究者和咖啡育种者联盟。
雀巢研究中心的高级基因组学专家Patrick Descombes博士，也是该研究的共同领导之一，他说：“虽然其他关于阿拉比卡的公共参考资料确实存在，但我们团队的工作质量极高。我们采用了包括长短读取高通量测序在内的最先进基因组学方法，创建了迄今为止最先进、最完整、最连续的阿拉比卡参考。”
为了防止咖啡叶锈病可能对全球阿拉比卡植物造成的灾难性毁灭，科学家们研究了植物的基因组起源和育种历史。
阿拉比卡咖啡的种群历史
a ，重新测序的野生阿拉比卡种质的地理起源（红色占位符）。b，subCC（左）和subEE（右）的阿拉比卡种质的祖先群体分配。c ， a左下部分的放大图，显示subCC（顶部）和subEE（底部）中每个材料的混合值；颜色对应于b中的分析。d，使用SMC++推断的野生和栽培种质的种群规模表明，遗传瓶颈在~350和1 ka（仅限于非混合野生个体）。e，FastSimcoal2 输出，表明种群分裂约 30.5 ka，随后是种群之间的迁移期，直到约 8.9 ka。f，使用 Orientagraph 进行的定向基因流分析提出了两个假设。
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他们通过使用高精度的PacBio技术对阿拉比卡及其两种相关咖啡生产植物，Robusta（C. canephora）和C. eugenioides，进行了详细的基因组序列映射。这些植物是阿拉比卡的现代祖先。同时，使用高通量染色体构象捕获技术创建了不同DNA片段如何相互作用的详细3D图。
C. arabica及其祖先物种C. canephora和C. eugenioides的同线、分级和基因丢失模式
a，CA 亚基因组 subCC（橙色）和 subEE（蓝色）之间以及与 CC（橙色）和 CE（蓝色）基因组之间对应的同线性块。b，在 subCC-subEE 比较中，同线性基因间 DNA 中的碱基对由分段引起的间隙，与同源未分段区域中的碱基对数量相比，作为删除的连续基因数量的函数。c，沿 subCC 2 号染色体绘制的同线性块中的基因保留率；subCC 以橙色绘制，subEE 以蓝色绘制。绿色框表示着丝粒周围区域。
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通过分析植物的基因组信息，研究人员分析了代表全球咖啡生产约95%的最常见栽培咖啡品种，并将其与帝汶杂交的后代进行了比较。
这使他们发现了一个DNA序列区域，在不同的抗叶锈病咖啡植物中是共有的，具有一种新的Robusta基因组合，这可能在普遍的阿拉比卡植物中传达抗性。知道这些共有基因的存在极大地增加了这些基因序列确实可以抵御叶锈病的可能性，并且可能允许育种者在培育新的咖啡品种时选择它们。
C. canephora基因渗入H.ivastatrix抗性C. arabica谱系
a，不同帝汶杂交衍生物的渗入df统计估计。b，subCC 4号染色体上共享的渐渗基因组区域包含一组 R 基因 ( RPP8 )、一组 R 负调节基因 ( CPR1 ) 同源物和一组叶锈病抗性 10 激酶同源物 ( LRK10L )（底部）。
来源：Nature Genetics
通过比较阿拉比卡与Robusta和C. eugenioides的高质量基因组序列，研究团队发现这三个物种在遗传上仍然非常相似。这表明，为了确保阿拉比卡植物具有疾病抗性的未来育种计划，育种者可以考虑使用其他相关的咖啡物种，如Robusta和C. eugenioides。
Jarkko Salojarvi助理教授表示：“无论是栽培的还是现代的野生阿拉比卡植物，低遗传多样性都是利用其野生品种进行育种的障碍。但是在阿拉比卡、Robusta和C. eugenioides植物之间发现的密切相似性可能有助于将后两者的有趣特性引入阿拉比卡。”
根据 subCC 中的 SNP 推断的阿拉比卡种质的亲缘关系估计
缩略图显示每个目标个体的 FDR 校正 F3 基因渗入测试。
来源：Nature Genetics
由于来自帝汶的抗叶銹杂交品种生产的咖啡并不像通常的阿拉比卡植物那样好，现在编制的基因组数据为研究人员提供了一条快速途径，可以培育新的抗病植物，同时仍保留阿拉比卡所享受的细腻、光滑和甜美的味道。
咖啡传播路线
黄色：当前阿拉比卡咖啡种植情况；黑色：当前种植的C. canephora；黑色/黄色阴影：当前栽培，两个物种。中东上空的实线：咖啡消费的早期传播；虚线：波本威士忌的主要路线；虚线：Typica 主要路线；埃塞俄比亚和帝汶岛为红色。
来源：Nature Genetics
参考文献
Paper titled “The genome and population genomics of allopolyploid Coffea arabica reveal the diversification history of modern coffee cultivars”, published in Nature Genetics, 15 April 2024.
