Kahvin perimä selvitetty – tiedossa parempaa makua ja vastustuskykyä kasvitaudeille

Arabica-kahvia käytetään noin 60 prosentissa maailman kahvituotteista. Arabica (Coffea arabica) on Coffea eugenioides ja Robusta -lajien (Coffea canephora) risteymä eli hybridisaatio. Nämä kaksi perustajalajia ovat evoluution aikaskaaloilla mitattuna eriytyneet melko äskettäin, noin 4,5–7 miljoonaa vuotta sitten, mikä osaltaan mahdollisti Arabica-hybridin synnyn. Aiemmat arviot Arabican synnystä ovat vaihdelleet 20 000 ja miljoonan vuoden välillä. 

– Työmme alussa Arabica-kahville ei ole vielä ollut kartoitettu kunnollista perimää eli genomia, ja olemassa oleva Robusta-kahvin perimäkin oli varsin kaukana täydellisestä, kommentoi tutkimusta johtanut Jarkko Salojärvi Helsingin yliopiston bio- ja ympäristötieteellisestä tiedekunnasta. 

Tutkimusryhmä koosti perimät kaikille kolmelle lajille ja tutki niiden avulla Arabican evoluutiohistoriaa: mitä perimälle tapahtui tuoreessa allopolyploidissa, ja mikä oli populaatiohistoria, joka sai aikaan viljellyt kahvilajit. 

Ryhmä täsmensi Arabican synnyn aika-arvion aikaskaalalle 350 000–610 000 vuotta sitten, ja havaitsi ettei Arabican synnyttänyt hybridisaatio aiheuttanut minkäänlaista shokkia perimälle, vaan se jatkoi evoluutiota samaan tahtiin kuin sen diploidit kantalajit eli lajit, jotka ovat perineet yhden perimän kopion kummaltakin vanhemmaltaan – Arabicalla taas on kaksi kopiota kummankin lajin perimästä, eli sen sanotaan olevan tetraploidi. Tutkimuksessa selvisi, että Arabica on kokenut useita populaatioiden pullonkauloja satojen tuhansien vuosien aikana, eli aikoja, jolloin kasviyksilöiden määrä on ollut matala. 

– Seurasimme genomiikan keinoin myös viljellyn kahvin historiaa, ja meille selvisi, että yleisimmät Bourbon ja Typica-lajikkeet ovat lähisukulaisia, ja että ne jakavat historian intialaisten varianttien kanssa. Tämä tukee historiallista tarinaa Baba Budanista, intialaisesta munkista, joka noin vuonna 1600 salakuljetti parrassaan "seitsemän papua” Jemenistä, jolla oli kahvimonopoli tuohon aikaan, kuvailee Salojärvi. 

Vastustuskykyä kahviruosteelle ja parempaa makua

Koska viljellyt kahvilajikkeet ovat lähisukulaisia, niiden perimät ovat hyvin samanlaisia, ja tämän takia ne ovat alttiita erilaisille patogeeneille eli taudinaiheuttajille. Näistä vakavin on kahviruoste (Hemileia vastatrix), joka aikanaan 1800-luvulla tuhosi täydellisesti Ceylonin (nyk. Sri Lanka) kahvi-imperiumin. 

Kaikeksi onneksi vuonna 1927 löytyi sattuman oikusta syntynyt Arabica x Robusta -hybridi Timorista, kaakkois-Aasiasta. Suurin osa nykyisistä kahviruosteelle resistenteistä lajikkeista on tuon yhden kasvin jälkeläisiä. 

– Valitettavasti kahvin laatu on Timorin hybridissä heikompi kuin klassisessa Arabicassa. Nyt koostamamme genomi tulee auttamaan kahvinjalostuksessa niin, että voidaan nopeammin saada samaan lajikkeeseen sekä resistenssi kahviruosteelle että huippulaatuinen sato, kertoo Salojärvi. 

Perimää tarkastelemalla tutkijat pystyivät tunnistamaan Timorin hybridin jälkeläisistä alueen, joka sisältää resistenssigeenejä.  Alue periytyy Robusta-lajista ja on kaikille risteytyksille yhteinen. Tätä aluetta tutkitaan nyt tarkemmin, josko se voisi tuottaa vastustuskyvyn kahviruosteelle. Tutkijat tunnistivat myös mahdollisia syitä Timorin hybridin heikompaan makuun geeniperheistä, jotka vaikuttavat kahvin laatuun ja maistuvuuteen.

– Kahvin genomi on jo käytössä brasiliaisilla kahvinjalostajilla, jotka olivat mukana myös kanssakirjoittajina, Salojärvi kertoo. 

Alkuperäinen julkaisu

The genome and population genomics of allopolyploid Coffea arabica reveal the diversification history of modern coffee cultivars

Kahvin lyhyt historia

Varhaisimmat tarinat kahvista ajoittuvat 600-luvun Arabiaan, jossa sen marjoja pureskeltiin niiden parantavan voiman vuoksi. Varsinaiseksi juomaksi ja viljelykasviksi se kehittyi kuitenkin vasta 1400-luvun puolivälistä lähtien. Pääviljelyalue oli Jemenissä, jolla oli kahvikaupan monopoli pitkälle 1600-luvulle asti. Silloin - itse asiassa tarkalleen vuonna 1600 - intialainen munkki Baba Budan salakuljetti seitsemän papua, tarinan mukaan parrassaan, Intiaan. 

Kahvinviljely levisi seuraavaksi hollantilaisten vaikutuksesta Ceylonille ja Kaakkois-Aasiaan Jaavalle, ja 1600-luvun lopulla alkoi arabialaisten kahvimonopoli olla mennyttä. Hollantilaiset toivat yhden kasvin Eurooppaankin vuonna 1616. Yhtä sen jälkeläistä tutki Carl Linnaeus vuonna 1737 ja nimesi sen Coffea arabicaksi oletetun alkuperänsä vuoksi. Lisäksi yksi jälkeläinen annettiin lahjaksi Ludvig XIV:lle, aurinkokuninkaalle, vuonna 1713. Tämä kuljetutti sen jälkeläisiä Martiniquelle ja Surinamiin. Hollantilaisten kahvintaimet tunnetaan nykypäivänä Typica-lajikkeena. 

Samoihin aikoihin 1700-luvun alussa ranskalaiset saivat kahvintaimia myös toista kautta, luultavasti suoraan Mokasta, Jemenistä. Viljelyä yritettiin Bourbonin saarella (nykyinen Reunion) varsin kehnoin tuloksin ja lopulta oli jäljellä enää yksi yksilö vuonna 1721. Se kuitenkin lopulta selvisi ja siitä periytyy nykyinen Bourbon-lajike. 

Tarina ei olisi täydellinen ilman pahiksia, ja sen roolin otti kahviruoste. Hollantilaisten kahvikauppa menestyi varsin hyvin 1700-luvulla, ja 1800-luvulla Ceylonin kahvintuotannosta saattoi puhua jo imperiumina. 1800-luvun puolivälissä saarelle levisi kuitenkin kahviruoste, joka tuhosi maan kahvin tuotannon parissa vuosikymmenessä, ja sen jälkeen tauti alkoi tehdä tuhojaan Jaavalla. 

Kahvinviljelyn painopiste alkoi siirtyä sitä myöten Etelä-Amerikkaan ja Brasiliaan. Siellä kahviruoste on saatu pysymään hallinnassa tiukalla kontrollilla ja kehittämällä ruosteelle vastustuskykyisiä lajikkeita. Työssä on auttanut suuresti Timorin saarelta vuonna 1927 löytynyt, sattumalta tapahtunut Arabican ja Robustan hybridi, joka on ruosteelle resistentti. 

Nykyään kahvia juodaan kaikkialla maailmassa, ja maailmanlaajuisen kahvikaupan arvioidaan olevan arvoltaan noin 127 miljardia dollaria. Vähintään kolminkertaiseen arvioon päästään, jos otetaan huomioon muukin kahviin liittyvä kauppa, kuten vaikkapa kahvilat. 

Ilmastonmuutoksen myötä kahvinviljely on kohtaamassa uusia haasteita ja on arvioitu, että kahville sopiva viljelyala tulee puolittumaan jo vuoteen 2050 mennessä. Tässä on kahvinjalostajille pähkinää purtavaksi. Nyt koostettu genomi auttaa nopeuttamaan perinteistä jalostusta, jossa risteytetään hyviksi havaittuja linjoja ja toivotaan, että joku jälkeläisistä olisi vielä parempi.

Polyploidia ja sen merkitys viljelykasveille

Ihmiset ja useimmat eläimet ovat niin sanottuja diploideja lajeja, eli jokaisella on kaksi kopiota perimästä, toinen äidiltä ja toinen isältä. Näin ei kuitenkaan ole laita kaikilla elämänmuodoilla, sillä esimerkiksi eräät kalalajit, sammakot ja erityisesti kasvit voivat polyploideja. Tuossa tapauksessa vanhemmilta tuleekin useampia kopioita perimästä. 

Alun perin polyploidia voi syntyä virheistä, joita aina silloin tällöin tapahtuu solunjakautumisessa, ja useimmiten tuollaiset tapaukset johtavat elinkelvottomien solujen tai alkioiden muodostumiseen. Joissain harvinaisissa tapauksissa syntyneet alkiot voivat kuitenkin jäädä elämään. Allopolyploidiassa kasvi pölyttyy lähisukua olevasta lajista ja muodostuu hybridi niin, että toinen perimä tulee toiselta lajilta ja toinen toiselta. Yleinen hypoteesi on, että tuollaisessa tapauksessa hybridin perimän pitää kahdentua, koska sukusolujen ja siis jälkeläisten tuottaminen meioosin kautta vaatii kromosomien pariutumista. Allopolyploidilla kasvilla on moninkertaistunut kromosomisto, joka on peräisin vähintään kahdelta lajilta.

Polyploidia on hyvin tärkeää viljelykasveissa, sillä polyploidien solukoko on usein suurempi kuin diploideilla. Tästä esimerkkinä oktoploidin (eli kahdeksankertaisen) perimän omaava mansikka, heksaploidit (kuusinkertainen kromosomisto) vehnä ja bataatti tai tetraploidit (nelinkertainen) puuvilla, maapähkinä, peruna ja Arabica-kahvi.