新加坡南洋理工大学生物科学学院的助理教授 Jarkko Salojarvi 共同领导了一个国际研究小组，绘制了阿拉比卡植物（如图）和两种相关咖啡植物的基因组。 （来源：新加坡南洋理工大学）

阿拉比卡咖啡是全球经济上最重要的咖啡，占全球咖啡产品的 60%。但它所源自的植物很容易受到一种疾病的影响，这种疾病在 1800 年代摧毁了斯里兰卡的咖啡帝国。

现在，由新加坡南洋理工大学（NTU Singapore）共同领导的一个国际研究小组取得了突破性进展，有助于保护阿拉比卡咖啡（Coffea arabica）免受称为咖啡叶锈病的真菌病害的侵害。

这项发表在《自然遗传学》杂志上的研究的其他共同领导者来自世界上最大的食品和饮料公司雀巢、法国蒙彼利埃大学和美国布法罗大学。

科学家们详细绘制了阿拉比卡咖啡树和两种相关咖啡树的所有遗传物质（或基因组）。这使得研究小组能够识别出抗咖啡叶锈病的植物共有的新基因组合。利用基因组数据，还可以识别咖啡植物的其他有用性状。

发现抗性基因为更好地保护咖啡爱好者的日常饮用和保持饮料的高品质口味开辟了道路，从而支持了雇用数百万工人的行业。据国际咖啡组织称，全球 1.25 亿人的生计依赖​​于咖啡业务。

咖啡叶锈病对咖啡生产国造成了严重破坏，并继续摧毁咖啡农场。美国国际开发署估计，2012年至2014年间，咖啡叶锈病的爆发给拉丁美洲造成了约10亿美元（13.6亿新元）的经济损失。

研究小组共同领导者、南洋理工大学生物科学学院助理教授 Jarkko Salojarvi表示：“这三种植物的高质量基因组序列，以及咖啡叶锈病抗性的候选基因序列，构成了研究咖啡叶锈病的基石。培育更能适应变化、​​更能抵抗真菌等病原体引起的疾病的阿拉比卡植物新品种。”

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、印度尼西亚、意大利、荷兰、南非、西班牙、瑞士、乌干达和美国的研究人员和咖啡育种者的大型财团。

雀巢研究中心基因组学高级专家、该研究的共同负责人之一帕特里克·德斯科姆博士 (Patrick Descombes)表示：“虽然确实存在有关阿拉比卡咖啡的其他公开参考文献，但我们团队的工作质量非常高。我们使用最先进的基因组学方法（包括长读和短读高通量测序）来创建迄今为止最先进、完整和连续的阿拉比卡咖啡参考。”

遗传变异性差

阿拉比卡咖啡树。 （来源：新加坡南洋理工大学）

阿拉比卡植物的遗传多样性较低，这使得它们容易受到病虫害的影响。栽培的植物通常不具有抵抗咖啡叶锈病的遗传特征，咖啡叶锈病是由Hemileia badatrix真菌引起的。

这些真菌在咖啡树的叶子上形成橙黄色斑点，最终枯萎并掉落。叶子的损失会降低为冲泡咖啡而收获的植物浆果的质量和数量。

为了防止咖啡叶锈病对全世界阿拉比卡咖啡植物造成潜在的灾难性消灭，科学家们研究了该植物的基因组起源和育种历史。

他们通过绘制阿拉比卡咖啡和两种相关咖啡生产植物罗布斯塔 ( C. canephora ) 和C. eugenioides的高度详细的基因组序列来实现这一目标，这两种植物是阿拉比卡咖啡的现代祖先。

这是使用先进技术完成的，即 PacBio 高保真技术对 DNA 进行高精度测序，以及高通量染色体构象捕获以创建不同 DNA 片段如何相互作用的详细 3D 图。基因组数据是公开的（见下面的注释）。

科学家的分析表明，当阿拉比卡咖啡树广泛种植时，阿拉比卡咖啡树对咖啡叶锈病的抵抗力可能已经丧失，因为所有栽培的阿拉比卡咖啡树都来自同一品种，遗传变异性很小。

然而，1927 年在帝汶岛上发现了对这种疾病具有抵抗力的阿拉比卡和罗布斯塔品种的杂交品种。不幸的是，这种抵抗力是有代价的，因为这种品种生产的咖啡味道不如其他阿拉比卡品种的咖啡。

在别无选择的情况下，帝汶杂交植物的后代仍然构成了所有咖啡叶锈病抗性变种的基础。

先前的研究发现一些基因可能赋予不同咖啡植物抗叶锈病的能力。但如果没有各种咖啡植物的基因组图谱，就很难准确识别这些基因，也很难弄清楚它们是否也存在于其他咖啡植物中，这会增加它们编码抗性的机会。基因鉴定过程也很缓慢。

然而，随着新研究详细绘制了不同咖啡树的基因组，识别抗性基因将更快、更准确。

利用植物的基因组信息，研究人员分析了最常见的栽培咖啡品种（约占世界咖啡产量的 95%），并将它们与帝汶杂交品种的后代进行了比较。

这使得他们能够找到不同叶锈病抗性咖啡植物中常见的 DNA 序列区域，以及基于罗布斯塔的基因的新组合，该基因可能在阿拉比卡咖啡植物中传递普遍的抗性。了解这些共享基因的存在大大增加了这些基因序列确实能够抵御叶锈病的可能性，并且可以让育种者在种植新的咖啡品种时对其进行选择。

通过分析，研究人员还推测，阿拉比卡咖啡起源于 35 万至 61 万年前的一次偶然事件，当时罗布斯塔和C. eugenioides植物自然异花授粉，形成了第一批野生阿拉比卡咖啡植物。

这一年代测定介于之前的估计之间，早期的估计将这一偶然事件追溯到 2 万年前，而其他的估计则将其追溯到 100 万年前。研究人员表示，早期数据的差异可能是由于野生和栽培植物种群规模的历史变化，以及所使用的数据来源不同和数量有限所致。

通过比较阿拉比卡、罗布斯塔和C. eugenioides的高质量基因组序列，研究小组发现这三个物种在基因上仍然高度相似。这表明，对于未来确保阿拉比卡咖啡植物具有抗病性的育种计划，育种者可以考虑使用其他相关咖啡品种，例如罗布斯塔和C. eugenioides。

单独使用阿拉比卡植物来培育抗病性状是有问题的，因为研究发现，即使是野生阿拉比卡品种，而不仅仅是栽培品种，其遗传多样性也非常低，这使得培育抗病性变得更加困难。

“栽培和野生现代阿拉比卡植物的遗传多样性较低，这是利用野生品种进行育种的障碍。但阿拉比卡、罗布斯塔和C. eugenioides植物之间发现的密切相似性可能有助于将后两种有趣的性状引入阿拉比卡，”助理教授 Salojarvi 说。

为所有三种咖啡植物绘制的高度详细的基因组序列也意味着未来可以识别其他有用的性状，例如抗旱能力、更好的作物产量和更芳香的咖啡豆。

这些性状可以通过遗传标记来识别，从而可以用来预测咖啡幼苗的未来表现，而不必等待数年等待植物成熟并结出浆果才能发现。

由于来自帝汶的抗叶锈病杂交品种无法生产出与普通阿拉比卡咖啡豆一样好的咖啡，因此现在编制的基因组数据为研究人员培育新的抗病植物提供了一条快速通道，这些植物仍然保留了崇高、光滑和阿拉比卡咖啡的甜味深受全世界咖啡爱好者的喜爱。

原文链接：https://www.ntu.edu.sg/research/research-hub/news/detail/scientists-find-common-genes-defending-coffee-plants-against-devastating-disease