Un nouveau séquençage du génome révèle l'histoire de l'origine préhistorique du café - et son avenir dans le contexte du changement climatique

Des chercheurs codirigés par l'université de Buffalo ont créé ce qu'ils considèrent comme le génome de référence de la plus haute qualité à ce jour de l'espèce de café la plus populaire au monde, l'arabette, révélant des secrets sur sa lignée qui s'étendent sur des millénaires et des continents.

Leurs conclusions, publiées aujourd'hui dans Nature Genetics, suggèrent que Coffea arabica s'est développée il y a plus de 600 000 ans dans les forêts d'Éthiopie par le biais d'un accouplement naturel entre deux autres espèces de café. Selon l'étude, la population d'Arabica a connu des hauts et des bas au cours des périodes de réchauffement et de refroidissement de la Terre pendant des milliers d'années, avant d'être cultivée en Éthiopie et au Yémen, puis de se répandre dans le monde entier.

"Nous avons utilisé les informations génomiques des plantes vivantes aujourd'hui pour remonter le temps et brosser le tableau le plus précis possible de la longue histoire de l'Arabica, ainsi que pour déterminer comment les variétés cultivées modernes sont liées les unes aux autres", explique le co-auteur de l'étude, Victor Albert, PhD, Empire Innovation Professor au sein du département des sciences biologiques de l'UB, au sein du College of Arts and Sciences.

Les géants du café comme Starbucks et Tim Hortons utilisent exclusivement des grains d'Arabica pour préparer les millions de tasses de café qu'ils servent chaque jour. Pourtant, en partie à cause d'une faible diversité génétique résultant d'une histoire de consanguinité et d'une population de petite taille, l'Arabica est sensible à de nombreux ravageurs et maladies et ne peut être cultivé que dans quelques endroits du monde où les menaces de pathogènes sont moindres et où les conditions climatiques sont plus favorables.

"Une compréhension détaillée des origines et de l'histoire de la sélection des variétés contemporaines est cruciale pour développer de nouveaux cultivars d'arabica mieux adaptés au changement climatique", explique M. Albert.

À partir de son nouveau génome de référence, réalisé grâce à une technologie de séquençage de l'ADN de pointe et à une science des données avancée, l'équipe a pu séquencer 39 variétés d'arabica et même un spécimen du XVIIIe siècle utilisé par le naturaliste suédois Carl Linnaeus pour nommer l'espèce.

Le génome de référence est désormais disponible dans une base de données numérique accessible au public.

"Bien qu'il existe d'autres références publiques pour le café Arabica, la qualité du travail de notre équipe est extrêmement élevée", déclare l'un des codirecteurs de l'étude, Patrick Descombes, expert principal en génomique chez Nestlé Research. "Nous avons utilisé des approches génomiques de pointe - notamment le séquençage à haut débit de l'ADN à lecture longue et courte - pour créer le génome de référence de l'Arabica le plus avancé, le plus complet et le plus continu à ce jour".

Le café préféré de l'humanité a évolué sans l'aide de l'homme

L'Arabica est à l'origine d'environ 60 % de la production mondiale de café, ses graines aidant des millions de personnes à commencer leur journée ou à se lever tard. Cependant, les croisements initiaux qui l'ont créé ont été réalisés sans aucune intervention humaine.

L'arabica est né d'une hybridation naturelle entre Coffea canephora et Coffea eugenioides, à la suite de laquelle il a reçu deux jeux de chromosomes de chaque parent. Les scientifiques ont eu du mal à déterminer exactement quand - et où - cette allopolyploïdisation a eu lieu, les estimations allant de 10 000 à 1 million d'années.

Pour trouver des preuves de l'événement initial, les chercheurs de l'UB et leurs partenaires ont passé les différents génomes de l'Arabica au crible d'un programme de modélisation informatique afin de rechercher des signatures de la fondation de l'espèce.

Les modèles montrent trois goulets d'étranglement au cours de l'histoire de l'Arabica, le plus ancien s'étant produit il y a environ 29 000 générations, soit 610 000 ans. Selon les chercheurs, cela suggère que l'Arabica s'est formée quelque temps auparavant, il y a entre 610 000 et 1 million d'années.

"En d'autres termes, les croisements qui ont donné naissance à l'Arabica ne sont pas le fait de l'homme", explique M. Albert. "Il est assez clair que cet événement de polyploïdie est antérieur à l'homme moderne et à la culture du café.

On pense depuis longtemps que les plants de café se sont développés en Éthiopie, mais les variétés que l'équipe a collectées autour de la vallée du Grand Rift, qui s'étend de l'Afrique du Sud-Est à l'Asie, présentaient une nette séparation géographique. Les variétés sauvages étudiées provenaient toutes du côté ouest, tandis que les variétés cultivées provenaient toutes du côté est, plus proche du détroit de Bab al-Mandab qui sépare l'Afrique et le Yémen.

Cela concorde avec l'hypothèse selon laquelle la culture du café aurait débuté principalement au Yémen, aux alentours du 15e siècle. Le moine indien Baba Budan aurait fait sortir clandestinement les légendaires "sept graines" du Yémen vers 1600, établissant ainsi les cultivars indiens d'arabica et posant les jalons de l'expansion mondiale du café aujourd'hui.

"Il semble que la diversité du café yéménite soit à l'origine de toutes les grandes variétés actuelles", explique M. Descombes. "Le café n'est pas une culture qui a fait l'objet de nombreux croisements, comme le maïs ou le blé, pour créer de nouvelles variétés. Les gens choisissaient principalement une variété qu'ils aimaient et la cultivaient. Les variétés que nous avons aujourd'hui existent donc probablement depuis longtemps".

L'impact du climat sur la population d'Arabica

L'histoire géoclimatique de l'Afrique de l'Est est bien documentée grâce à la recherche sur les origines humaines, de sorte que les chercheurs ont pu comparer les événements climatiques avec les fluctuations des populations sauvages et cultivées d'arabica au fil du temps.

La modélisation montre une longue période de faible population entre 20 et 100 000 ans, qui coïncide à peu près avec une longue période de sécheresse et un climat plus froid qui auraient touché la région il y a 40 à 70 000 ans. La population a ensuite augmenté pendant la période humide africaine, il y a environ 6 à 15 000 ans, lorsque les conditions de croissance étaient probablement plus favorables.

À la même époque, il y a environ 30 000 ans, les variétés sauvages et les variétés qui allaient être cultivées par l'homme se sont séparées les unes des autres.

"Elles se reproduisaient encore occasionnellement entre elles, mais cela s'est probablement arrêté vers la fin de la période humide africaine et l'élargissement du détroit dû à l'élévation du niveau de la mer, il y a environ 8 000 à 9 000 ans", explique Jarkko Salojärvi, professeur adjoint à l'université technologique de Nanyang, à Singapour, et autre co-auteur de l'étude.

La faible diversité génétique menace l'arabica

On estime que la taille effective de la population d'Arabica cultivé n'est que de 10 000 à 50 000 individus. Sa faible diversité génétique signifie qu'elle pourrait être complètement décimée, comme la monoculture de la banane Cavendish, par des agents pathogènes tels que la rouille des feuilles du caféier, qui entraîne des pertes de 1 à 2 milliards de dollars par an.

Le génome de référence a permis de mieux comprendre comment une lignée de variétés d'arabica a obtenu une forte résistance à la maladie.

La variété Timor est née en Asie du Sud-Est d'un hybride spontané entre l'Arabica et l'un de ses parents, Coffea canephora. Également connue sous le nom de Robusta et utilisée principalement pour le café instantané, cette espèce est plus résistante à la maladie que l'Arabica.

"Ainsi, lorsque le Robusta s'est à nouveau hybridé avec l'Arabica au Timor, il a apporté avec lui certains de ses gènes de défense contre les pathogènes", explique Albert, qui a également codirigé le séquençage du génome du Robusta en 2014. Les travaux actuels d'Albert et de ses collaborateurs présentent également une version hautement améliorée du génome du Robusta, ainsi qu'une nouvelle séquence de l'autre espèce progénitrice de l'Arabica, Coffea eugenioides.

Alors que les sélectionneurs ont essayé de reproduire ce croisement pour renforcer la défense contre les pathogènes, le nouveau génome de référence de l'Arabica a permis aux chercheurs actuels d'identifier une nouvelle région abritant des membres de la famille de gènes de résistance RPP8 ainsi qu'un régulateur général des gènes de résistance, CPR1.

"Ces résultats suggèrent un nouveau locus cible pour l'amélioration potentielle de la résistance aux pathogènes chez l'Arabica", explique Salojärvi.

Le génome a également permis d'autres découvertes, comme les variétés sauvages les plus proches du café arabica moderne cultivé. Les chercheurs ont également découvert que la variété Typica, un cultivar hollandais ancien originaire d'Inde ou du Sri Lanka, est probablement le parent de la variété Bourbon, principalement cultivée par les Français.

"Notre travail n'est pas sans rappeler la reconstitution de l'arbre généalogique d'une famille très importante", déclare Albert.

Nestlé Research a financé la majeure partie de la recherche. La grande équipe internationale était codirigée par Albert, dont le travail a été soutenu par la National Science Foundation, et par des contributions de nombreuses autres organisations. Les autres contributeurs de l'UB sont Trevor Krabbenhoft, PhD, et Zhen Wang, PhD, tous deux professeurs adjoints de sciences biologiques, Steven Fleck, étudiant en PhD, Minakshi Mukherjee, diplômée en PhD, et Tianying Lan, ancien chercheur, tous du département des sciences biologiques.