Les chercheurs ont développé un génome de référence de la plus haute qualité pour l'espèce de café Arabica, révélant son évolution sur 600 000 ans et son développement naturel sans intervention humaine. Ce nouveau génome met en lumière la sensibilité de l'Arabica au changement climatique et aux ravageurs en raison de sa faible diversité génétique, et offre un potentiel de sélection de nouvelles variétés plus résistantes aux stress environnementaux. Crédit : Université de Buffalo
Des recherches retracent la généalogie du café Arabica, le café le plus populaire espèces à l'échelle mondiale, tout au long des cycles de réchauffement et de refroidissement de la Terre au cours des mille dernières années.
Le secret pour cultiver des plants de café plus résistants aux futurs changements climatiques se trouve peut-être dans leur passé ancien.
Des chercheurs dirigés en partie par l'Université de Buffalo ont développé ce qu'ils décrivent comme le génome de référence du café Arabica de la plus haute qualité, l'espèce de café la plus populaire au monde. Ce nouveau génome révèle des secrets millénaires sur l'héritage du café à travers les continents.
Leurs conclusions, publiées aujourd'hui dans Génétique naturellesuggère que Café arabica développé il y a plus de 600 000 ans dans les forêts d’Éthiopie grâce à l’accouplement naturel entre deux autres espèces de café. La population d'Arabica a augmenté et diminué au cours des périodes de réchauffement et de refroidissement de la Terre sur des milliers d'années, selon l'étude, avant d'être finalement 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 dresser 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 l'auteur co-correspondant de l'étude. , Victor Albert, PhD, professeur Empire Innovation au département des sciences biologiques de l'UB, au sein du Collège des arts et des 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'un historique de consanguinité et d'une petite taille de population, l'Arabica est sensible à de nombreux ravageurs et maladies et ne peut être cultivé que dans quelques endroits dans le monde où les menaces pathogènes sont moindres et 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 Albert.
À partir de leur nouveau génome de référence, réalisé à l'aide de technologies de pointe ADN Grâce à la technologie de séquençage et à la science avancée des données, 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 co-responsables de l'étude, Patrick Descombes, expert senior en génomique chez Nestlé Research. « Nous avons utilisé des approches génomiques de pointe – y compris le séquençage d’ADN à haut débit en lecture longue et courte – pour créer le génome de référence 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 des humains
L'Arabica est à l'origine d'environ 60 % de la production totale de café dans le monde, et ses graines aident des millions de personnes à commencer leur journée ou à se coucher tard. Cependant, le croisement initial qui l’a créé a été réalisé sans aucune intervention humaine.
Arabica formé comme une hybridation naturelle entre Café canéphora et Coffea eugenioides, après quoi il a reçu deux jeux de chromosomes de chaque parent. Les scientifiques ont eu du mal à déterminer exactement quand et où cet événement d’allopolyploïdisation a eu lieu, avec des estimations allant de 10 000 à 1 million d’années.
Pour trouver des preuves de l'événement original, les chercheurs de l'UB et leurs partenaires ont analysé leurs différents génomes d'Arabica via un programme de modélisation informatique pour rechercher les signatures de la fondation de l'espèce.
Les modèles montrent trois goulots d'étranglement démographiques au cours de l'histoire de l'Arabica, le plus ancien remontant à environ 29 000 générations, soit 610 000 ans. Cela suggère que l'Arabica s'est formé quelque temps avant cela, il y a entre 610 000 et 1 million d'années, selon les chercheurs.
«En d'autres termes, le croisement qui a donné naissance à l'Arabica n'est pas quelque chose que les humains ont fait», explique Albert. « Il est assez clair que cet événement de polyploïdie est antérieur à l'homme moderne et à la culture du café. »
On a longtemps pensé 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 division géographique. Les variétés sauvages étudiées sont toutes originaires du côté ouest, tandis que les variétés cultivées sont toutes originaires du côté est, le plus proche du détroit de Bab al-Mandab qui sépare l’Afrique du Yémen.
Cela concorde avec les preuves selon lesquelles la culture du café pourrait avoir commencé principalement au Yémen, vers le XVe siècle. On pense que le moine indien Baba Budan a fait sortir clandestinement les légendaires « sept graines » du Yémen vers 1600, créant ainsi des cultivars indiens d'Arabica et ouvrant la voie à la portée mondiale du café aujourd'hui.
« Il semble que la diversité du café yéménite soit à l'origine de toutes les principales variétés actuelles », déclare Descombes. « Le café n’est pas une culture qui a été fortement croisée, comme le maïs ou le blé, pour créer de nouvelles variétés. Les gens choisissaient principalement une variété qui leur plaisait et la cultivaient ensuite. Les variétés dont nous disposons aujourd’hui existent donc probablement depuis longtemps.
Comment le climat a impacté la population d'Arabica
L'histoire géoclimatique de l'Afrique de l'Est est bien documentée grâce aux recherches sur les origines humaines, de sorte que les chercheurs ont pu comparer les événements climatiques avec la façon dont les populations d'Arabica sauvages et cultivées ont fluctué au fil du temps.
La modélisation montre une longue période de faible taille de population il y a 20 à 100 000 ans, ce qui coïncide à peu près avec une sécheresse prolongée et un climat plus frais qui auraient frappé la région il y a entre 40 et 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 celles qui seraient éventuellement cultivées par l'homme se sont séparées les unes des autres.
« Ils se reproduisaient encore occasionnellement entre eux, mais ils ont probablement cessé 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 un autre auteur co-correspondant de l'ouvrage.
La faible diversité génétique menace l’Arabica
On estime que l’Arabica cultivé a une population effective de seulement 10 000 à 50 000 individus. Sa faible diversité génétique signifie qu'elle pourrait être complètement décimée, comme la monoculture de banane Cavendish, par des agents pathogènes, tels que la rouille des feuilles du caféier, qui provoque des pertes annuelles de 1 à 2 milliards de dollars.
Le génome de référence a permis de mieux comprendre comment une lignée de variétés Arabica a obtenu une forte résistance à la maladie.
La variété Timor s'est formée en Asie du Sud-Est comme un hybride spontané entre l'Arabica et l'un de ses parents, Café canéphora. Également connue sous le nom de Robusta et utilisée principalement pour le café instantané, cette espèce est plus résistante aux maladies que l'Arabica..
« Ainsi, lorsque le Robusta s'est hybride à nouveau avec l'Arabica au Timor, il a apporté avec lui certains de ses gènes de défense contre les agents pathogènes », explique Albert, qui a également codirigé 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 des autres espèces progénitrices de l'Arabica, Coffea eugenioides.
Alors que les sélectionneurs ont tenté de reproduire ce croisement pour renforcer la défense contre les agents pathogènes, le nouveau génome de référence de l'Arabica a permis aux chercheurs présents d'identifier une nouvelle région abritant des membres de l'espèce. RPP8 famille de gènes de résistance ainsi qu'un régulateur général des gènes de résistance, RCP1.
« Ces résultats suggèrent un nouveau locus cible pour améliorer potentiellement la résistance aux agents pathogènes chez l'Arabica », explique Salojärvi.
Le génome a également fourni d’autres nouvelles découvertes, notamment sur les variétés sauvages les plus proches du café Arabica cultivé moderne. Ils 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», explique Albert.
Nestlé Research a financé la majorité de la recherche. La grande équipe internationale était codirigée par Albert, dont les travaux étaient soutenus par la National Science Foundation et par de nombreuses autres organisations. Parmi les autres contributeurs de l'UB figurent Trevor Krabbenhoft, PhD, et Zhen Wang, PhD, tous deux professeurs adjoints de sciences biologiques ; Steven Fleck, étudiant au doctorat ; Minakshi Mukherjee, titulaire d'un doctorat ; et l'ancien chercheur Tianying Lan – tous du Département des sciences biologiques.
