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

Forscher unter der Leitung der University at Buffalo haben das ihrer Meinung nach bisher hochwertigste Referenzgenom der weltweit beliebtesten Kaffeesorte Arabica erstellt und dabei Geheimnisse über die Abstammung der Pflanze gelüftet, die Jahrtausende und Kontinente umfassen.

Ihre Ergebnisse, die heute in Nature Genetics veröffentlicht wurden, legen nahe, dass sich Coffea arabica vor mehr als 600 000 Jahren in den Wäldern Äthiopiens durch natürliche Paarung zwischen zwei anderen Kaffeesorten entwickelte. Die Arabica-Population nahm der Studie zufolge während der jahrtausendelangen Wärme- und Kälteperioden der Erde zu und ab, bevor sie schließlich in Äthiopien und im Jemen angebaut wurde und sich dann über den gesamten Globus verbreitete.

"Wir haben genomische Informationen von heute lebenden Pflanzen verwendet, um in der Zeit zurückzureisen und ein möglichst genaues Bild der langen Geschichte des Arabica zu zeichnen sowie festzustellen, wie moderne Kultursorten miteinander verwandt sind", sagt der Mitautor der Studie, Victor Albert, PhD, Empire Innovation Professor im UB Department of Biological Sciences, innerhalb des College of Arts and Sciences.

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

"Ein detailliertes Verständnis der Ursprünge und der Zuchtgeschichte der heutigen Sorten ist entscheidend für die Entwicklung neuer Arabica-Sorten, die besser an den Klimawandel angepasst sind", sagt Albert.

Anhand ihres neuen Referenzgenoms, das mit 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.

"Es gibt zwar auch andere öffentliche Referenzen für Arabica-Kaffee, aber die Qualität der Arbeit unseres Teams ist extrem hoch", sagt einer der Co-Leiter der Studie, Patrick Descombes, Senior-Experte für Genomik bei Nestlé Research. "Wir haben hochmoderne genomische Ansätze verwendet - einschließlich der DNA-Sequenzierung mit langen und kurzen Leseweiten im Hochdurchsatz -, um das bisher fortschrittlichste, vollständigste und kontinuierlichste Arabica-Referenzgenom zu erstellen."

Der Lieblingskaffee der Menschheit hat sich ohne die Hilfe des Menschen entwickelt

Arabica ist die Quelle von etwa 60 % aller weltweit hergestellten Kaffeeprodukte, und seine Samen helfen Millionen von Menschen, in den Tag zu starten oder lange aufzubleiben. Die ursprüngliche Kreuzung, aus der er hervorging, erfolgte jedoch ohne das Zutun des Menschen.

Der Arabica entstand als natürliche Kreuzung zwischen Coffea canephora und Coffea eugenioides, wobei er von jedem Elternteil zwei Chromosomensätze erhielt. Wann - und wo - dieses Ereignis der Allopolyploidisierung genau stattfand, ist für die Wissenschaftler schwer zu bestimmen, wobei die Schätzungen von 10.000 bis 1 Million Jahre zurückreichen.

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

Die Modelle zeigen drei Populationsengpässe in der Geschichte der Arabica, wobei der älteste vor etwa 29.000 Generationen - oder 610.000 Jahren - stattfand. Dies deutet darauf hin, dass die Arabica irgendwann davor entstanden ist, vor 610.000 bis 1 Million Jahren, so die Forscher.

"Mit anderen Worten: Die Kreuzung, durch die Arabica entstanden ist, wurde nicht vom Menschen vorgenommen", sagt Albert. "Es ist ziemlich klar, dass dieses Polyploidie-Ereignis vor dem modernen Menschen und der Kultivierung von Kaffee stattfand.

Man geht seit langem davon aus, dass sich die Kaffeepflanzen in Äthiopien entwickelt haben, aber die Sorten, die das Team rund um das Great Rift Valley sammelte, das sich von Südostafrika bis nach Asien erstreckt, weisen eine klare geografische Trennung auf. Die untersuchten Wildsorten stammten alle von der westlichen Seite, während die kultivierten Sorten alle von der östlichen Seite stammten, die der Meerenge Bab al-Mandab am nächsten liegt, die Afrika und Jemen trennt.

Dies würde zu den Belegen passen, dass der Kaffeeanbau hauptsächlich im Jemen um das 15. Es wird angenommen, dass der indische Mönch Baba Budan um 1600 die sagenumwobenen "sieben Samen" aus dem Jemen schmuggelte, wodurch die indischen Arabica-Sorten etabliert wurden und der Grundstein für die heutige weltweite Verbreitung des Kaffees gelegt wurde.

"Es sieht so aus, als ob die jemenitische Kaffeevielfalt der Begründer aller heutigen Hauptsorten ist", sagt Descombes. "Kaffee ist keine Kulturpflanze, die in großem Umfang gekreuzt wurde, wie etwa Mais oder Weizen, um neue Sorten zu schaffen. Die Menschen wählten hauptsächlich eine Sorte, 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 über die Ursprünge des Menschen gut dokumentiert, so dass die Forscher die Klimaereignisse mit den Schwankungen der wilden und kultivierten Arabica-Populationen im Laufe der Zeit vergleichen konnten.

Die Modellierung zeigt eine lange Periode niedriger Bevölkerungszahlen zwischen 20 und 100.000 Jahren vor heute, was in etwa mit einer ausgedehnten Dürre und einem kühleren Klima zusammenfällt, das vermutlich vor 40-70.000 Jahren in der Region herrschte. Die Bevölkerung nahm dann während der afrikanischen Feuchtzeit vor etwa 6-15.000 Jahren zu, als die Wachstumsbedingungen wahrscheinlich günstiger waren.

In dieser Zeit, vor etwa 30.000 Jahren, trennten sich die wilden Sorten von den Sorten, die später vom Menschen kultiviert werden sollten.

"Sie haben sich noch gelegentlich miteinander gekreuzt, aber wahrscheinlich haben sie mit dem Ende der afrikanischen Feuchtperiode und der Verbreiterung der Meerenge aufgrund des steigenden Meeresspiegels vor etwa 8.000 bis 9.000 Jahren aufgehört", sagt Jarkko Salojärvi, Assistenzprofessor an der Nanyang Technological University in Singapur und ein weiterer Mitautor der Arbeit.

Geringe genetische Vielfalt bedroht Arabica

Die kultivierte Arabica-Pflanze hat Schätzungen zufolge eine effektive Populationsgröße von nur 10.000 bis 50.000 Individuen. Seine geringe genetische Vielfalt bedeutet, dass er - ähnlich wie die in Monokultur angebaute Cavendish-Banane - durch Krankheitserreger wie den Kaffeeblattrost, der jährlich Verluste in Höhe von 1 bis 2 Milliarden Dollar verursacht, vollständig dezimiert werden könnte.

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

Die Sorte Timor entstand in Südostasien als spontane Hybride zwischen Arabica und einem ihrer Elternteile, Coffea canephora. Diese Sorte, die auch als Robusta bekannt ist und hauptsächlich für Instantkaffee verwendet wird, ist widerstandsfähiger gegen Krankheiten als Arabica.

"Als sich Robusta auf Timor wieder mit Arabica kreuzte, brachte sie also einige ihrer Gene zur Abwehr von Krankheitserregern mit", sagt Albert, der 2014 auch die Sequenzierung des Robusta-Genoms leitete. Die aktuelle Arbeit von Albert und seinen Mitarbeitern enthält auch eine stark verbesserte Version des Robusta-Genoms sowie neue Sequenzen der anderen Vorläuferart von Arabica, Coffea eugenioides.

Während Züchter bereits versucht haben, diese Kreuzung zu reproduzieren, um die Abwehr von Krankheitserregern zu stärken, konnten die Forscher mit dem neuen Arabica-Referenzgenom eine neue Region ausfindig machen, die Mitglieder der RPP8-Resistenzgenfamilie sowie einen allgemeinen Regulator von Resistenzgenen, CPR1, beherbergt.

"Diese Ergebnisse deuten auf einen neuen Zielort für eine mögliche Verbesserung der Pathogenresistenz bei Arabica hin", sagt Salojärvi.

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

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

Nestlé Research finanzierte den Großteil der Forschungsarbeiten. Das große internationale Team wurde von Albert geleitet, dessen Arbeit von der National Science Foundation unterstützt wurde, sowie von vielen anderen Organisationen. Zu den weiteren UB-Mitarbeitern gehören Trevor Krabbenhoft, PhD, und Zhen Wang, PhD, beide Assistenzprofessoren für Biowissenschaften, der PhD-Student Steven Fleck, die PhD-Absolventin Minakshi Mukherjee und der frühere Forschungswissenschaftler Tianying Lan - alle aus der Abteilung für Biowissenschaften.