کشف اطلاعاتی مهم با توالی‌یابی ژنوم قهوه عربیکا

تحقیقی جدید امکان روایت داستان ادغام ژنوم‌ها که منجر به ظهور پرمصرف‌ترین گونه قهوه جهان یعنی قهوه عربیکا شده است را فراهم می‌کند و توانایی شناسایی ژن‌های مسئول بیماری‌های مرتبط با قهوه را دارد.

به گزارش تکناک، قهوه یکی از پرمعامله‌ترین کالاهای جهان است و قهوه عربیکا پرمصرف‌ترین نوع از حدود 130 گونه موجود است. این محصول حاصل ادغام دو گونه Coffea canephora (در برزیل به عنوان قهوه Conilon یا روبوستا شناخته می‌شود) و Coffea eugenioides می شود.

در دهه گذشته، تقریباً هر کالای اصلی در جهان دارای توالی ژنوم مرجع بوده است، اما قهوه اخیراً به این لیست پیوسته است.

ژنوم مرجعی متنوع برای توسعه گونه‌هایی است که بهتر با تغییرات آب و هوایی سازگار هستند و در برابر بیماری مقاوم هستند. با توالی‌یابی ژنوم مرجع قهوه عربیکا در تلاشی بی‌سابقه، کنسرسیومی از دانشمندان توانستند ژن‌هایی را انتخاب کنند که ممکن است مسئول مقاومت بیماری زنگ قهوه و سایر بیماری‌ها (ژن‌های کاندید) باشند. در همان زمان، آنها فعالیت برخی از ژن‌های مربوط به قهوه عربیکا را شناسایی کردند.

بیماری زنگ قهوه نوع بیماری قارچی است که بر روی برگ‌های درخت قهوه پدیدار می‌شود.

قدرت دانش ژنومی

داگلاس دومینگوس که یکی از محققان این مطالعه است،‌ می‌گوید: با دانش ژنومی، می‌توان اطلاعاتی را به دست آورد که به ما امکان می‌دهند در دو جهت برویم: توسعه گونه‌ها با هدایت آمیختگی. به عبارت دیگر، دانش ژنومی به عنوان مرجعی برای راهنمایی ما در آینده است که منجر به تولید گونه‌های جدید می‌شود. کار دیگر، مداخلات مستقیم‌تر مانند اصلاح یک ژن خاص است.

به گفته وی، برای تعیین توالی ژنوم کمی رقابت وجود داشت. قیمت توالی‌یابی بسیار پایین آمده است و قهوه یکی از معدود کالاهایی بود که توالی ژنوم مرجع آن تعیین نشده بود. گروه‌های دیگری هم در این زمینه تلاش ‌کردند و مقاله‌ای درست قبل از ما منتشر شد. اما اکثر آنها از استراتژی استاندارد استفاده کردند: انتخاب یک گیاه جالب برای کشت و تعیین توالی ژنوم آن.

رویکرد منحصر به‌فرد به توالی

گروهی که دومینگوس به آن تعلق دارد، گیاهی را توالی‌یابی کرده‌اند که از نظر زراعی جالب نیست اما از نظر ژنتیکی چیزهای زیادی برای ارائه دارد.

دومینگوس گفت: مزیت ژنوم مرجع ما این است که از یک گیاه دی هاپلوئید مشتق شده است. پاتریک دسکومبز، یکی دیگر از محققان مطالعه توضیح می‌دهد که این کار منجر به توسعه یک ژنوم مرجع همگن می‌شود که استانداردی برتر برای تحقیقات آینده خواهد بود. وی با بیان اینکه قهوه عربیکا یک تتراپلوئید است، توضیح می‌دهد: این قهوه در یک هاپلوئید دو ژنوم دارد زیرا ترکیب دو گونه دیگر است.

با تعیین توالی یک دی‌هاپلوئید مشتق شده از قهوه عربیکا در مقایسه با انواع تتراپلوئید معمولی، دانشمندان دید واضح‌تر و ساده‌تری از ژنوم به دست می‌آورند. این دید امکان شناسایی تغییرات بین ژن‌های مشابه را با دقت بیشتر فراهم می‌کند و استفاده از اطلاعات مولکولی را برای بهبود مطالعات، تسهیل می‌کند.

بینش تاریخی از طریق  DNA

در این مطالعه، این گروه توانست به‌طور دقیق‌تری تعیین کند که این همجوشی چه زمانی اتفاق افتاده است: بیش از 600000 سال پیش، C. canephora  و C. eugenioides با هم ترکیب شدند و این هیبرید تتراپلوئید را تشکیل دادند که مسیر تکاملی خود را ادامه داد. محققان گفتند: ما با استفاده از اطلاعات DNA عربیکا، روبوستا و Eugenioides توانستیم استنباط دقیق‌تری داشته باشیم زیرا قبلاً این فاصله بین 50000 تا 1 میلیون سال بود. ما این زمان را به 350000 تا 600000 سال کاهش دادیم.

تنوع ژنتیکی در قهوه وحشی در مقابل قهوه کشت شده

محققان می‌گویند: ما از دنباله مرجعی برای درک تنوعی که در قهوه‌های عربیکای وحشی از منطقه آفریقایی منشأ وجود دارد، استفاده کردیم و آن را با قهوه‌های عربیکا که امروزه کشت می‌شوند، مقایسه کردیم. انواع قهوه کاشته شده در نقاط مختلف جهان و همچنین نمونه‌های وحشی جمع‌آوری شده در جنگل‌های اتیوپی، توانستند به درک تفاوت بین انواع قهوه‌های وحشی و کشت شده کمک کنند.

ردیابی تاریخ تکاملی عربیکا

برای به دست آوردن دیدگاه ژنومیک در تاریخ تکاملی قهوه عربیکا، محققان 46 پیوست از جمله سه روبوستا، دو Eugenioides و 41 عربیکا را توالی‌یابی کردند.

محققان گفتند: ما از جدیدترین فناوری‌های ژنومی یعنی خواندن طولانی از سیستم PacBio با دقت بالا برای توالی‌یابی ژن و بستن مجاورت با خواندن کوتاه از Illumina [سیستم یکپارچه برای تجزیه و تحلیل تغییرات ژنتیکی و عملکرد بیولوژیکی] برای تولید مجموعه کروموزوم استفاده کردیم. دسکامبز می‌گوید: این ترکیب منجر به مجموعه‌ای در سطح کروموزوم با بالاترین کیفیت و یکپارچگی شد.

تلاش برای مقاومت در برابر بیماری

در میان گونه‌های کشت شده، چیزی که برای اصلاح نژاد بسیار مهم است، معرفی ژن‌های مقاوم در برابر زنگ برگ قهوه بود. در دهه 1930، برزیل نقش مهمی در این زمینه ایفا کرد. قبلا تحقیقاتی در مورد ژن‌های مسئول این بیماری انجام شده بود اما مشخص نبود که کدام ژن مسئول آن بوده‌اند.

هیبرید تیمور که در دهه 1920 در مزارع جزیره تیمور کشف شد، به‌طور طبیعی در برابر زنگ و سایر بیماری‌ها مقاوم است. علاوه بر زنگ، بیماری توت قهوه، کرم توت قهوه و کرم ساقه‌خوار قهوه سه آفت مهم دیگر هستند که بر تولید قهوه در بسیاری از مناطق جهان تأثیر می‌گذارند. همچنین تغییرات آب و هوایی یک نگرانی کلیدی در کنترل آفات و بیماری‌ها است، زیرا به آنها اجازه می‌دهد به مناطق جدید گسترش یابند. تجارت دانه‌های قهوه سبز بین مناطق مختلف عامل دیگری است که می‌تواند گسترش آفات و بیماری‌های خاص را به مناطق جدید تسهیل کند.

در مقاله‌ای که اکنون منتشر شده است، محققان موفق شده‌اند مجموعه‌ای از ژن‌هایی را بیابند که مرتبط با مقاومت به بیماری هستند که فقط در برخی انوع قهوه پس از بهبود وجود دارند.

محققان می‌گویند: به نوعی هیبرید تیمور توانست این ژن‌های مقاومت را به دست آورد و اکنون می‌دانیم کدام یک از آنهاست. ده‌ها مورد از آنها وجود دارد، اما ما جستجو را محدود کرده‌ایم. قهوه عربیکا 69000 ژن دارد. ما آن را به کمتر از 30 ژن کاهش داده‌ایم. توانایی شناسایی این ژن‌های مقاومت که قبلا ناشناخته بودند، یک دستاورد بی‌سابقه در تحقیقات ما است.

اما کار هنوز به پایان نرسیده است، زیرا این ژن‌ها هنوز باید آزمایش شوند. تحقیقات بیشتری برای شناسایی و ایجاد گونه‌های مقاوم در برابر این آفات و بیماری‌های مرتبط با قهوه مورد نیاز است.

با استفاده از ژنتیک مولکولی، کنسرسیوم توانست یک جداسازی سه‌گانه نیز انجام دهد که نشان می‌دهد تنوع ژنتیکی گیاهان وحشی اتیوپی با قهوه‌ای که امروزه رشد می‌کند، متفاوت است.

محققان می‌گویند: ما در این تحقیق نشان دادیم که تنوع ژنتیکی در بین نمونه‌های وحشی به دلیل تنگناهای متعدد قبل از اهلی‌سازی بسیار کم بود و ژنوتیپ‌هایی که برای کشت توسط انسان انتخاب شده‌اند، هم گونه‌های محلی باستانی اتیوپی و هم انواع جدیدتر، تا حدودی وجود داشتند و بین دودمان‌های متفاوت مخلوط شده است.

فعالیت ژن و رایحه قهوه

محققان قادر به مشاهده برخی رویدادهای مربوط به فعالیت ژن‌های مرتبط با کیفیت قهوه، به ویژه عطر بودند. آن‌ها آنزیم‌های ترپن سنتاز را که در گیاهان مربوط به دفاع در برابر حشرات است، و همچنین ژن مربوط به ترکیبات لیپیدی قهوه را مورد بررسی قرار دادند که اسید چرب دساتوراز 2 را فعال می‌کند.

دومینگوس گفت: ما در گونه آسیایی عربیکا مشاهده کردیم که ژن‌های مرتبط با عطر و طعم بیشتر توسط زیرژنوم C. eugenioides نسبت به والدین دیگر فعال می‌شود. به عبارت دیگر، یکی از ژنوم‌ها بیشتر از دیگری به ویژگی‌های حسی قهوه کمک می‌کند. چیزی که اکنون ما را متعجب کرده این است: آیا این موضوع برای همه گونه‌هایی که توالی‌بندی کرده‌ایم، چه قبل و چه بعد از بهبود، صدق می‌کند؟

بررسی فعل و انفعالات ژنتیکی در قهوه عربیکا

این مطالعه چگونگی ارتباط بین ژن‌های C. canephora و C. eugenoides را با صفات قهوه عربیکا مانند عطر نشان می‌دهد. نشان دادن تعاملات بین ژن‌ها به بهبود دانش در مورد مکانیسم‌های ژنتیکی اساسی ویژگی‌های مهم عربیکا کمک می‌کند که یک پیش‌نیاز اساسی برای توسعه گونه‌های جدیدی است که تولید دانه‌های قهوه را برای محصولات قهوه آینده تضمین می‌کند.

محققان تمایل دارند در آینده‌ای نزدیک گونه‌های قهوه کشت نشده را تجزیه و تحلیل کنند. آنها بیان کردند: ما می‌خواهیم با ژنوم گونه‌های قهوه کشت نشده که دارای ویژگی‌های مرتبط با سناریوی تغییرات آب و هوایی هستند، آشنا شویم. ما روی توالی گونه‌هایی تمرکز می‌کنیم که نسبت به آب و هوا انعطاف‌پذیرتر هستند. ما می‌خواهیم بدانیم آنها چه ژن‌هایی دارند که قهوه عربیکا ندارد و آنها را در برابر آب و هوا مقاوم می‌کند. در نهایت، می‌توانیم آن‌ها را از طریق ویرایش ژن معرفی یا اصلاح کنیم تا گونه‌های کشت‌شده مقاوم‌تر شوند.

برای اطلاعات بیشتر در مورد این تحقیق، به مجله Unveiling Coffee’s Prehistoric Genome مراجعه کنید.