Des scientifiques séquencent le génome de l’Arabica, ouvrant ainsi la voie à un café résilient au climat

L'ouvrage permet de raconter l'histoire de la fusion des génomes qui a donné naissance à l'aliment le plus consommé au monde. espècesainsi que l'identification des gènes responsables de la résistance à la rouille et à d'autres maladies.

Le café est l'un des produits les plus commercialisés au monde et Café arabica est la plus consommée parmi les quelque 130 espèces qui existent. Il est le résultat de la fusion de deux autres espèces : Café canéphora (connu au Brésil sous le nom de café Conilon ou Robusta) et Coffea eugenioides. Au cours de la dernière décennie, presque tous les principaux produits de base dans le monde ont fait l’objet d’un séquençage du génome de référence, mais le café n’a rejoint la liste que récemment.

Le génome de référence est essentiel pour développer des variétés mieux adaptées au changement climatique et résistantes aux maladies. En séquençant le génome de référence du café Arabica dans le cadre d'une initiative sans précédent, un consortium de scientifiques a pu sélectionner des gènes susceptibles d'être responsables (gènes candidats) de la résistance du café à la rouille et à d'autres maladies. Parallèlement, ils ont identifié l’expression de certains gènes liés à l’arôme de l’Arabica.

Le pouvoir de la connaissance génomique

« Avec la connaissance du génome, il est possible d'obtenir des informations qui permettent d'aller dans deux directions : le développement de variétés en orientant les croisements, autrement dit comme une référence pour nous guider dans de futurs croisements produisant de nouvelles variétés ; et des interventions plus directes, comme la modification spécifique d'un gène », résume Douglas Domingues, actuellement chercheur au Groupe de génomique végétale et transcriptomique de l'École d'agriculture Luiz de Queiroz de l'Université de São Paulo (ESALQ-USP), au Brésil, et l'un des auteurs de l'article (élaboré alors qu'il travaillait encore sur le campus Rio Claro de l'Université d'État de São Paulo).

Selon lui, il y a eu une petite course pour séquencer le génome. « Le prix du séquençage a beaucoup baissé et le café était l'un des rares produits dont le génome de référence n'avait pas été séquencé. D’autres groupes ont essayé, et un article a été publié juste avant le nôtre. Mais la plupart d’entre eux ont utilisé la stratégie classique : choisir une plante intéressante à cultiver et séquencer son génome », rapporte-t-il.

Approche unique du séquençage

Le groupe auquel appartient Domingues a séquencé une plante qui n'est pas intéressante d'un point de vue agronomique mais qui a beaucoup à offrir d'un point de vue génétique. « L'avantage de notre génome de référence est qu'il est issu d'un individu « dihaploïde ». Il en résulte un génome de référence homogène qui constituera un standard supérieur pour les recherches futures », explique Patrick Descombes, coordinateur des travaux et expert senior en génomique à l’Institut Nestlé de sécurité alimentaire et de sciences analytiques. Il explique que le café Arabica est un tétraploïde : il possède deux génomes en un car il est la fusion de deux autres espèces.

En séquençant une variété dihaploïde dérivée du café Arabica par rapport à une variété tétraploïde commune, les scientifiques obtiennent une vision plus claire et simplifiée du génome. Cela permet d’identifier avec une plus grande précision les variations entre gènes similaires, facilitant ainsi l’utilisation des informations moléculaires pour les études d’amélioration.

Aperçus historiques grâce à l'ADN

Dans cette étude, le groupe a pu déterminer plus précisément quand cette fusion a eu lieu : il y a pas plus de 600 000 ans, C. canephora et C. eugénioides fusionné pour former cet hybride tétraploïde, qui a poursuivi son chemin évolutif. « Nous sommes arrivés à cette conclusion en utilisant ADN informations provenant d'Arabica, de Robusta et d'Eugenioides : nous avons pu faire une déduction plus précise car auparavant cet intervalle était daté entre 50 000 et 1 million d'années. Nous avons réduit cette fenêtre entre 350 000 et 600 000 ans », rapporte Domingues.

L'article, publié récemment dans Génétique naturelle, est le résultat d'un consortium de scientifiques de plus de dix pays, dont le Brésil, qui ont participé avec plus d'une institution. Dans le cas de Domingues, sa participation a été partiellement financée par la FAPESP à travers un projet de jeune chercheur et une bourse postdoctorale accordée à Suzana Tiemi Ivamoto-Suzuki, également auteur de l'article.

Diversité génétique du café sauvage et du café cultivé

« Nous avons utilisé la séquence de référence pour comprendre la diversité qui existe dans les cafés Arabica sauvages, provenant de la région d'origine africaine, et la comparer avec les cafés Arabica cultivés aujourd'hui », explique le scientifique de l'ESALQ-USP, expliquant que le groupe a reséquencé l'Arabica. des variétés de café plantées dans différentes parties du monde, ainsi que des spécimens sauvages collectés dans les forêts d'Éthiopie, et ont réussi à comprendre la différence entre les cafés sauvages et cultivés.

Retracer l'histoire évolutive de l'Arabica

Pour obtenir une perspective génomique sur l'histoire évolutive de l'Arabica, le consortium a séquencé 46 accessions, dont trois Robusta, deux Eugenioides et 41 Arabica. Ce dernier comprenait un spécimen type du XVIIIe siècle (le spécimen physique désigné par l'auteur du taxon au moment de la description comme le matériel sur lequel il était basé), 12 cultivars aux antécédents de sélection différents, l'hybride Timor (un croisement spontané d'Arabica avec le résistant aux parasites C. canephora Robusta) et cinq de ses rétrocroisements avec l'Arabica et 17 accessions sauvages plus trois sauvages/cultivées collectées sur les côtés est et ouest de la vallée du Grand Rift en Éthiopie.

« Nous avons utilisé les dernières technologies génomiques, c'est-à-dire des lectures longues du système PacBio haute fidélité (pour le séquençage de gènes) et ligature de proximité avec de courtes lectures d'Illumina (un système intégré pour analyser la variation génétique et la fonction biologique), pour générer l’assemblage chromosomique. Cette combinaison a abouti à un assemblage chromosomique de la plus haute qualité et intégrité », explique Descombes.

La quête de la résistance aux maladies

Selon le professeur de l'ESALQ-USP, parmi les espèces cultivées, un élément très important pour la sélection a été l'introduction de gènes de résistance à la rouille des feuilles du caféier. « Dans les années 1930, le Brésil a joué un rôle important à cet égard. Et l'IAC (Institut agronomique de Campinas, également dans l'État de São Paulo) est un centre pionnier en matière d'études et d'élevage. Les chercheurs de l'IAC nous ont fourni des plantes antérieures au programme de sélection de l'institution, qui remonte aux années 1930. La sélection axée sur les maladies a vu le jour entre les années 1960 et 1970, et le travail principal consistait à croiser une plante Arabica résistante à la rouille, appelée hybride Timor, avec des plantes cultivées dans divers pays afin que les nouvelles variétés soient résistantes. Mais on ne savait pas quels gènes étaient responsables de la résistance.

Découvert dans les champs de l'île de Timor dans les années 1920, l'hybride Timor est naturellement résistant à la rouille et à d'autres maladies. « Outre la rouille, la maladie des baies de caféier, le foreur des baies de caféier et le foreur de la tige du caféier sont trois autres ravageurs majeurs affectant la production dans de nombreuses régions du monde. Le changement climatique est également une préoccupation majeure dans la lutte contre les ravageurs et les maladies, car il permet leur propagation à de nouvelles régions. Le commerce des grains de café vert entre différentes régions est un autre facteur qui peut faciliter la propagation de certains ravageurs et maladies vers de nouvelles zones », révèle Maud Lepelley, responsable du groupe de génétique végétale et de chimie à l'Institut des sciences agricoles Nestlé.

Dans l'article maintenant publié, le groupe a réussi à trouver des ensembles de gènes déjà liés dans la littérature à la résistance aux maladies et qui ne sont présents que dans les variétés post-amélioration. « D’une manière ou d’une autre, l’hybride Timor a réussi à obtenir ces gènes de résistance, et maintenant nous savons lesquels. Il en existe des dizaines, mais nous avons restreint la recherche. Le café Arabica possède 69 000 gènes ; nous l'avons réduit à un peu moins de 30 gènes. Pouvoir identifier ces gènes candidats de résistance, jusqu’alors inconnus, constitue une avancée sans précédent dans nos recherches », souligne Domingues.

Mais le travail est loin d’être terminé, car ces gènes doivent encore être testés. «Des recherches supplémentaires seront nécessaires pour identifier et créer des variétés résistantes à ces parasites et maladies du café, ainsi qu'à d'autres», explique Lepelley.

Grâce à la génétique moléculaire, le consortium a également pu réaliser une triple séparation, montrant que la diversité génétique des plantes sauvages d'Éthiopie diffère de celle du café cultivé aujourd'hui, probablement en raison d'un effet de goulot d'étranglement et de la domestication, car peu de plantes ont été sélectionnées pour ce processus. . « Nous avons montré ici que la diversité génétique était déjà très faible parmi les spécimens sauvages en raison de multiples goulots d'étranglement avant la domestication, et que les génotypes sélectionnés pour la culture par l'homme, aussi bien les anciennes variétés locales éthiopiennes que les plus récentes, étaient déjà quelque peu différents. mélangé entre des lignées divergentes », déclarent les scientifiques.

Expression génétique et arôme du café

Parallèlement, le groupe de Domingues a pu observer certains événements liés à l'expression de gènes liés à la qualité du café, notamment l'arôme. Ils ont étudié les enzymes terpène synthase, qui chez les plantes sont liées à la défense contre les insectes, ainsi qu'un gène lié aux composés lipidiques du café, qui code pour les graisses. acide désaturase 2.

« Nous avons observé chez une variété d'Arabica asiatique que les gènes associés à l'arôme et à la saveur sont davantage exprimés dans le fruit par le C. eugénioides sous-génome que par l’autre parent. En d’autres termes, l’un des génomes contribue davantage aux caractéristiques sensorielles de la boisson que l’autre. Ce que nous nous demandons maintenant, c'est : est-ce que cela s'applique à toutes les variétés que nous avons séquencées, à la fois avant et après amélioration ? » dit Domingues.

Explorer les interactions génétiques dans le café Arabica

« Cette étude met en lumière la façon dont les interactions entre C. canephora et C. eugénoïdes les gènes sont associés aux caractéristiques du café Arabica telles que l’arôme. Élucider les interactions entre les gènes contribue à améliorer notre connaissance des mécanismes génétiques qui sous-tendent des caractéristiques importantes de l’Arabica, une condition préalable fondamentale au développement de nouvelles variétés qui garantiront la production de grains de café pour les futurs produits à base de café », explique Lepelley.

Un spin-off des travaux est déjà en cours, selon Domingues. « Je viens de démarrer un autre projet, issu de ce premier effort, en partenariat avec les chercheurs français qui faisaient partie de ce consortium. Nous allons maintenant analyser les espèces de café non cultivées. Nous souhaitons connaître le génome des espèces autres que le caféier qui contiennent des caractéristiques pertinentes dans un scénario de changement climatique. Nous nous concentrons sur le séquençage d’espèces plus résistantes au climat. Nous voulons savoir quels gènes ils possèdent que le café Arabica ne possède pas et qui les rendent résistants au climat. À terme, nous pourrions les introduire ou les modifier grâce à l'édition génétique pour rendre les espèces cultivées plus résistantes.

Pour en savoir plus sur cette recherche, voir Dévoilement du génome préhistorique du café.