Un genoma recién secuenciado revela el origen prehistórico del café y su futuro bajo el cambio climático

Investigadores codirigidos por la Universidad de Buffalo han creado lo que consideran el genoma de referencia de mayor calidad hasta la fecha de la especie de café más popular del mundo, el Arábica, desenterrando secretos sobre su linaje que abarcan milenios y continentes.

Sus hallazgos, publicados hoy en Nature Genetics, sugieren que el Coffea arabica se desarrolló hace más de 600.000 años en los bosques de Etiopía mediante el apareamiento natural entre otras dos especies de café. Según el estudio, la población de Arábica aumentó y disminuyó a lo largo de los periodos de calentamiento y enfriamiento de la Tierra durante miles de años, antes de que acabara cultivándose en Etiopía y Yemen, para extenderse después por todo el planeta.

"Hemos utilizado información genómica de plantas vivas para retroceder en el tiempo y trazar un panorama lo más preciso posible de la larga historia del arábica, así como para determinar el parentesco entre las variedades cultivadas en la actualidad", explica el coautor del estudio, el doctor Victor Albert, catedrático de Empire Innovation en el Departamento de Ciencias Biológicas de la Facultad de Letras y Ciencias de la UB.

Gigantes del café como Starbucks y Tim Hortons utilizan exclusivamente granos de plantas arábicas para preparar los millones de tazas de café que sirven cada día. Sin embargo, debido en parte a la escasa diversidad genética derivada de una historia de endogamia y al pequeño tamaño de la población, el arábica es susceptible a muchas plagas y enfermedades y sólo puede cultivarse en unos pocos lugares del mundo donde la amenaza de patógenos es menor y las condiciones climáticas son más favorables.

"Para desarrollar nuevos cultivares de arábica mejor adaptados al cambio climático es fundamental conocer en detalle los orígenes y la historia de la cría de las variedades actuales", afirma Albert.

A partir de su nuevo genoma de referencia, obtenido mediante una tecnología puntera de secuenciación del ADN y una ciencia de datos avanzada, el equipo pudo secuenciar 39 variedades de Arábica e incluso un espécimen del siglo XVIII utilizado por el naturalista sueco Carl Linnaeus para dar nombre a la especie.

El genoma de referencia está ahora disponible en una base de datos digital de acceso público.

"Aunque existen otras referencias públicas para el café Arábica, la calidad del trabajo de nuestro equipo es extremadamente alta", afirma uno de los codirectores del estudio, Patrick Descombes, experto principal en genómica de Nestlé Research. "Hemos utilizado enfoques genómicos de vanguardia -incluida la secuenciación de ADN de alto rendimiento de lectura larga y corta- para crear el genoma de referencia del Arábica más avanzado, completo y continuo hasta la fecha".

El café favorito de la humanidad evolucionó sin la ayuda de la gente

El Arábica es la fuente de aproximadamente el 60% del total de productos de café del mundo, y sus semillas ayudan a millones de personas a empezar el día o a trasnochar. Sin embargo, el mestizaje inicial que lo creó se realizó sin intervención humana.

El Arábica se formó como una hibridación natural entre Coffea canephora y Coffea eugenioides, con lo que recibió dos juegos de cromosomas de cada progenitor. Los científicos han tenido dificultades para determinar con exactitud cuándo y dónde se produjo esta alopoliploidización, con estimaciones que oscilan entre 10.000 y 1 millón de años.

Para hallar pruebas del acontecimiento original, los investigadores de la UB y sus colaboradores sometieron varios genomas de arábica a un programa de modelización computacional en busca de firmas de la fundación de la especie.

Los modelos muestran tres cuellos de botella poblacionales a lo largo de la historia del arábica, el más antiguo de los cuales se produjo hace unas 29.000 generaciones (610.000 años). Según los investigadores, esto sugiere que el Arábica se formó en algún momento anterior, hace entre 610.000 y 1 millón de años.

"En otras palabras, el mestizaje que creó el Arábica no fue algo que hicieran los humanos", afirma Albert. "Está bastante claro que este evento de poliploidía es anterior a los humanos modernos y al cultivo del café".

Hace tiempo que se cree que las plantas de café se desarrollaron en Etiopía, pero las variedades que el equipo recogió alrededor del Gran Valle del Rift, que se extiende desde el sureste de África hasta Asia, mostraban una clara división geográfica. Todas las variedades silvestres estudiadas procedían del lado occidental, mientras que las cultivadas procedían del lado oriental, más próximo al estrecho de Bab al-Mandab, que separa África de Yemen.

Esto concordaría con las pruebas de que el cultivo del café pudo iniciarse principalmente en Yemen, en torno al siglo XV. Se cree que el monje indio Baba Budan sacó de contrabando las legendarias "siete semillas" de Yemen hacia 1600, estableciendo los cultivares de Arábica de la India y preparando el terreno para el alcance mundial del café en la actualidad.

"Parece que la diversidad del café yemení puede ser la fundadora de las principales variedades actuales", afirma Descombes. "El café no es un cultivo que se haya cruzado mucho, como el maíz o el trigo, para crear nuevas variedades. La gente elegía una variedad que le gustaba y la cultivaba. Así que las variedades que tenemos hoy probablemente existen desde hace mucho tiempo".

Cómo influyó el clima en la población de Arábica

La historia geoclimática de África oriental está bien documentada gracias a la investigación sobre los orígenes humanos, por lo que los investigadores pudieron contrastar los acontecimientos climáticos con la forma en que las poblaciones silvestres y cultivadas de Arábica fluctuaron a lo largo del tiempo.

Los modelos muestran un largo periodo de escasa población entre hace 20.000 y 100.000 años, que coincide aproximadamente con una prolongada sequía y un clima más frío que se cree afectaron a la región hace entre 40.000 y 70.000 años. A continuación, la población aumentó durante el periodo húmedo africano, hace unos 6-15.000 años, cuando las condiciones de crecimiento eran probablemente más beneficiosas.

En esta misma época, hace unos 30.000 años, las variedades silvestres y las que acabarían cultivando los humanos se separaron entre sí.

"Todavía se cruzaban ocasionalmente, pero probablemente dejaron de hacerlo hacia el final del periodo húmedo africano y el ensanchamiento del estrecho debido a la subida del nivel del mar hace unos 8.000 o 9.000 años", explica Jarkko Salojärvi, profesor adjunto de la Universidad Tecnológica de Nanyang (Singapur) y otro de los autores del trabajo.

La escasa diversidad genética amenaza al Arábica

Se calcula que el Arábica cultivado tiene una población efectiva de sólo 10.000 a 50.000 individuos. Su escasa diversidad genética significa que podría verse completamente diezmada, como el monocultivo del plátano Cavendish, por patógenos como la roya del café, que causa entre 1.000 y 2.000 millones de dólares en pérdidas anuales.

El genoma de referencia pudo arrojar más luz sobre cómo una línea de variedades de Arábica obtuvo una fuerte resistencia a la enfermedad.

La variedad Timor se formó en el sudeste asiático como un híbrido espontáneo entre Arábica y uno de sus progenitores, Coffea canephora. También conocida como Robusta y utilizada principalmente para el café instantáneo, esta especie es más resistente a la enfermedad que el Arábica.

"Así, cuando Robusta se hibridó de nuevo con Arábica en Timor, trajo consigo algunos de sus genes de defensa contra patógenos", dice Albert, que también codirigió la secuenciación del genoma de Robusta en 2014. El trabajo actual de Albert y sus colaboradores también presenta una versión muy mejorada del genoma de Robusta, así como una nueva secuencia de la otra especie progenitora de Arábica, Coffea eugenioides.

Aunque los criadores han intentado reproducir este cruce para potenciar la defensa contra patógenos, el nuevo genoma de referencia del Arábica permitió a los investigadores actuales localizar una nueva región que alberga miembros de la familia de genes de resistencia RPP8 , así como un regulador general de genes de resistencia, el CPR1.

"Estos resultados sugieren un nuevo locus diana para mejorar potencialmente la resistencia a patógenos en Arábica", afirma Salojärvi.

El genoma también proporcionó otros nuevos hallazgos, como qué variedades silvestres son las más parecidas al café arábica cultivado moderno. También descubrieron que la variedad Typica, un antiguo cultivar holandés originario de la India o de Sri Lanka, es probablemente la madre de la variedad Bourbon, cultivada principalmente por los franceses.

"Nuestro trabajo no ha sido diferente de reconstruir el árbol genealógico de una familia muy importante", afirma Albert.

Nestlé Research financió la mayor parte de la investigación. El amplio equipo internacional estuvo codirigido por Albert, cuyo trabajo contó con el apoyo de la National Science Foundation, y con contribuciones de muchas otras organizaciones. Otros colaboradores de la UB son los doctores Trevor Krabbenhoft y Zhen Wang, ambos profesores adjuntos de Ciencias Biológicas; el estudiante de doctorado Steven Fleck; la licenciada Minakshi Mukherjee; y el antiguo investigador científico Tianying Lan, todos ellos del Departamento de Ciencias Biológicas.