2024-10-15 22:08来源:本站
科学家最近对阿拉比卡咖啡的基因组进行了测序,揭示了可能导致抗病和适应气候的咖啡品种的遗传见解。这一突破使指导杂交和有针对性的基因改造成为可能,增强了我们对咖啡抗病性和香气特征的理解。来源:SciTechDaily.com
这项工作使我们有可能讲述基因组融合的故事,这种融合产生了世界上最多的细菌消耗的物种,以及识别基因反应不能抵抗锈病和其他疾病。
咖啡是世界上交易量最大的商品之一,阿拉比卡咖啡是现存的130多种咖啡中消费最广泛的一种。它是另外两个物种融合的结果:canephora咖啡(在巴西被称为Conilon或Robusta咖啡)和eugenioides咖啡。在过去的十年里,世界上几乎每一种主要商品都有参考基因组测序,但咖啡直到最近才加入这个名单。
参考基因组对于培育更好地适应气候变化和抗病的品种至关重要。通过对阿拉比卡咖啡的参考基因组进行前所未有的测序,一个科学家联盟能够选择可能对咖啡抗锈病和其他疾病负责的基因(候选基因)。与此同时,他们还鉴定了与阿拉比卡咖啡香气相关的一些基因的表达。
研究可以指导更好地适应气候变化的品种的发展。来源:Gian Barros
基因组知识的力量
“有了基因组的知识,就有可能获得信息,使我们能够朝着两个方向发展:通过指导杂交育种来发展品种,换句话说,作为参考,指导我们未来杂交育种,产生新品种;Douglas Domingues总结道,他目前是巴西
圣保罗大学(ESALQ-USP) Luiz de Queiroz农业学院植物基因组学和转录组学小组的研究员,也是这篇论文的作者之一(他还在
圣保罗州立大学里奥克拉罗校区工作时写的)。
据他说,当时有一场基因组测序竞赛。“测序的价格已经下降了很多,咖啡是为数不多的没有进行参考基因组测序的商品之一。还有其他小组也在尝试,在我们之前发表了一篇论文。但他们中的大多数人使用的是标准策略:选择一种有趣的植物进行种植,并对其基因组进行测序。”
独特的测序方法
多明格斯所属的研究小组对一种植物进行了测序,从农艺学的角度来看,这种植物并不有趣,但从遗传学的角度来看,它有很多价值。“我们的参考基因组的优势在于它来自‘二单倍体’个体。这项工作的协调员、雀巢食品安全和分析科学研究所的基因组学高级专家Patrick Descombes解释说:“这将产生一个均匀的参考基因组,这将是未来研究的卓越标准。”他解释说,阿拉比卡咖啡是一个四倍体:它有两个基因组在一个,因为它是两个其他物种的融合。
通过对从阿拉比卡咖啡中提取的二单倍体与普通的四倍体品种进行测序,科学家们对基因组有了更清晰、更简单的了解。这使得更精确地识别相似基因之间的变异成为可能,促进了分子信息用于改进研究。
通过DNA了解历史
在这项研究中,研究小组能够更精确地确定这种融合发生的时间:不超过60万年前,C. canephora和C. eugenioides融合形成了这种四倍体杂交,并继续其进化路径。“我们利用阿拉比卡咖啡、罗布斯塔咖啡和尤金尼亚咖啡的DNA信息得出了这个结论:我们能够做出更准确的推断,因为之前这个间隔被定在5万到100万年之间。我们将这一窗口期缩短到了35万到60万年,”多明格斯报告说。
这篇最近发表在《自然遗传学》(Nature Genetics)杂志上的文章,是一个由来自包括巴西在内的十多个国家的科学家组成的财团与不止一个机构共同参与的结果。在Domingues的案例中,他的参与部分由FAPESP通过青年研究员项目和授予Suzana Tiemi Ivamoto-Suzuki的博士后奖学金资助,Suzana Tiemi Ivamoto-Suzuki也是该文章的作者。
野生咖啡与栽培咖啡的遗传多样性
“我们使用参考序列来了解来自非洲原产地区的野生阿拉比卡咖啡的多样性,并将其与今天种植的阿拉比卡咖啡进行比较,”ESALQ-USP科学家说,他解释说,该小组重新测序了种植在世界不同地区的阿拉比卡咖啡品种,以及在埃塞俄比亚森林中收集的野生标本,并设法了解野生和栽培的差异。
追寻阿拉比卡咖啡的进化连历史
为了从基因组角度了解阿拉比卡咖啡的进化史,该研究小组对46个品种进行了测序,其中包括3个罗布斯塔品种、2个尤金尼亚品种和41个阿拉比卡品种。后者包括一个18世纪的模式标本(分类单元的作者在描述时指定的实物标本作为其基础材料),12个具有不同育种历史的栽培品种,帝汶杂交种(阿拉比卡与抗虫害的C. canephora Robusta品种的自然杂交)和5个与阿拉比卡的回交品种,以及17个野生品种和3个从埃塞俄比亚大裂谷的东西两侧采集的野生/栽培品种。
“我们使用了最新的基因组技术,即来自高保真PacBio系统(用于基因测序)的长读数和来自Illumina(用于分析遗传变异和生物功能的集成系统)的短读数的近距离连接,以产生染色体组装。这种组合导致了染色体水平上最高质量和完整性的组装,”Descombes说。
对抗病能力的探索
根据ESALQ-USP教授的说法,在栽培品种中,对育种非常重要的是引入了抗咖啡叶锈病的基因。“上世纪30年代,巴西在这方面发挥了重要作用。同样位于
圣保罗州的坎皮纳斯农艺研究所(IAC)是研究和育种的先驱中心。IAC的研究人员为我们提供了早于该机构育种计划的植物,该计划可以追溯到20世纪30年代。以疾病为导向的育种在20世纪60年代和70年代之间出现,主要工作是将一种抗锈病的阿拉比卡咖啡植物,即所谓的帝汶杂交种,与生长在不同国家的植物杂交,以使新品种具有抗锈病能力。但不知道是哪些基因导致了这种抗性。”
20世纪20年代在帝汶岛的田野里发现的帝汶岛杂交品种具有天然的抗锈病和其他疾病的能力。“除了锈病之外,咖啡莓病、咖啡莓蛀虫和咖啡茎蛀虫是影响世界许多地区生产的另外三种主要害虫。气候变化也是控制病虫害的一个关键问题,因为它使病虫害传播到新的地区。不同地区之间的生咖啡豆贸易是促进某些病虫害向新地区传播的另一个因素,”雀巢农业科学研究所植物遗传与化学小组经理莫德·勒佩利透露。
在现在发表的这篇论文中,该研究小组成功地找到了文献中已经与抗病相关的几组基因,这些基因只存在于改良后的品种中。“不知怎么的,帝汶的杂交品种获得了这些抗性基因,现在我们知道是哪些了。有几十个,但我们缩小了搜索范围。阿拉比卡咖啡有69000个基因;我们已经把范围缩小到不到30个基因。能够识别这些以前未知的候选抗性基因,是我们研究中前所未有的成就,”Domingues指出。
但这项工作远未结束,因为这些基因还有待测试。Lepelley说:“需要更多的研究来识别和创造对这些和其他咖啡害虫和疾病有抵抗力的品种。”
利用分子遗传学,该联盟还能够进行三重分离,表明埃塞俄比亚野生植物的遗传多样性与今天种植的咖啡不同,可能是由于瓶颈效应和驯化,因为很少有植物被选中进行这一过程。科学家们说:“我们在这里已经表明,由于多种驯化前的瓶颈,野生标本的遗传多样性已经非常低,而且人类选择用于种植的基因型,无论是古代埃塞俄比亚当地品种还是更近的品种,在不同的谱系之间已经有些混合。”
基因的前女友减压与咖啡香气
与此同时,多明格斯的研究小组能够观察到一些与咖啡质量,尤其是香气相关的基因表达相关的事件。他们研究了萜烯合成酶,这种酶在植物中与抵御昆虫有关,以及一种与咖啡中的脂质化合物有关的基因,这种基因编码脂肪酸去饱和酶2。
“我们在一个亚洲阿拉比卡品种中观察到,与香气和味道相关的基因在果实中由C. eugenioides亚基因组表达的比另一个亲本表达的更多。换句话说,其中一个基因组比另一个对饮料的感官特征贡献更多。我们现在想知道的是:这是否适用于我们测序的所有品种,无论是改良前的还是改良后的?多明戈斯说。
探索阿拉比卡咖啡的基因相互作用
“这项研究揭示了C. canephora和C. eugenides基因之间的相互作用如何与阿拉比卡咖啡的香气等特征相关。阐明基因之间的相互作用有助于提高我们对阿拉比卡咖啡重要特征的遗传机制的了解,这是开发新品种的基本先决条件,这将保证未来咖啡产品的咖啡豆生产,”Lepelley说。
据多明格斯说,这项工作的衍生产品已经在进行中。“我刚刚开始了另一个项目,这是第一次努力的一个分支,与这个财团的法国研究人员合作。我们现在要分析非种植的咖啡品种。我们想了解非咖啡物种的基因组,这些物种包含与气候变化情景相关的特征。我们正专注于对气候适应性更强的物种进行测序。我们想知道它们有哪些基因是阿拉比卡咖啡所没有的,这些基因使它们能够抵抗气候变化。最终,我们可以通过基因编辑引入或修改它们,使培育的物种更具抵抗力。”
有关这项研究的更多信息,请参见揭开咖啡的史前基因组。
参考:作者:Jarkko Saloj?rvi、Aditi Rambani、于喆、Romain Guyot、Susan Strickler、Maud Lepelley、Cui Wang、Sitaram Rajaraman、Pasi Rastas、郑春芳、Daniella Santos Mu?oz、jo
o Meidanis、Alexandre Rossi Paschoal、Yves Bawin、Trevor J. Krabbenhoft、Wang Zhen Qin、Steven J. Fleck、Rudy Aussel、Laurence Bellanger、Aline Charpagne、Coralie Fournier、Mohamed Kassam、Gregory Lefebvre, Sylviane m
, Moine, Michel Rigoreau, Jens Stolte, Perla Hamon, Emmanuel Couturon, Christine Tranchant-Dubreuil, Minakshi Mukherjee, Tianying Lan, Jan Engelhardt, Peter Stadler, Samara Mireza Correia De Lemos, Suzana Ivamoto Suzuki, Ucu Sumirat, Ching Man Wai, Nicolas Dauchot, Simon Orozco-Arias, Andrea Garavito, Catherine Kiwuka, Pascal Musoli, Anne Nalukenge, Erwan Guichoux, Havinga Reinout, Martin Smit, Lorenzo Carretero-Paulet, Oliveiro Guerreiro Filho,Masako Toma Braghini, Lilian Padilha, Gustavo Hiroshi Sera, Tom Ruttink, Robert Henry, Pierre Marraccini, Yves Van de Peer, Alan Andrade, Douglas Domingues, Giovanni Giuliano, Lukas Mueller, Luiz Filipe Pereira, Stephane Plaisance, Valerie Poncet, Stephane Rombauts, David Sankoff, Victor A. Albert, Dominique Crouzillat, Alexandre de Kochko和Patrick Descombes, 2024年4月15日,Nature Genetics。DOI: 10.1038 / s41588 - 024 - 01695 - w