Science:为什么咖啡如此特别 兴独进碱酮基因多逐昆虫碍竞

顾汉现

Science头条：为什么咖啡如此特别

2014-09-12 17:01

由来自法国，美国、意大利、加拿大、中国等国家20多家研究机构的科学家们组成的一个研究小组对咖啡树进行了最新的测序，揭示出一些帮助生成咖啡因的酶在咖啡树、茶树和可可树（巧克力）中独立进化。

新测序的咖啡树基因组揭示出了有关人类最好的化学朋友：咖啡因进化的秘密。

完成这一项目的科学家们说，咖啡树中一些基因的序列以及所在的位置表明，它们独立于茶树和可可树中具有相似功能、也生成咖啡因的一些基因进化而来。换句话说：咖啡并没有从共同祖先那里继承与咖啡因相关的基因，而是自身形成了这些基因。

这些研究结果发表在14-9月5日的《科学》（Science）杂志上。

为什么咖啡如此特别？

每天全世界要消耗超过22.5亿杯咖啡，咖啡是许多热带国家主要的农产品。根据国际咖啡组织估计，2013年生产了超过870万吨的咖啡，在2009-2010年咖啡的出口收入达154亿美元，2010年在52个国家该行业聘用人员接近2600万人。

法国发展研究所(IRD)的Philippe Lashermes说：“对于每日早起的人来说咖啡的重要性不亚于它对全球经济的重要性。因此，对其进行基因组测序是朝着改良咖啡迈出的重要一步。通过检测咖啡基因组以及咖啡特异性的一些基因，我们能够得到一些结论：是什么让咖啡如此特别。”

Lashermes，法国国家测序中心的基因组科学家Patrick Wincker和France Denoeud，以及布法罗大学的生物科学教授Victor Albert是这项研究的主要作者。

该研究团队构建出了中粒咖啡（Coffea canephora）的高质量基因组草图。根据位于曼哈顿的国家咖啡协会的统计，中粒咖啡占世界咖啡产量的30%。

接下来，科学家们检测了咖啡的遗传构成与其他物种的不同之处。相比于包括葡萄、番茄等几种植物物种，咖啡包含更大的与生物碱和黄酮类化合物生成相关的基因家族，它们导致了咖啡的一些特性如咖啡的香气和咖啡豆的苦味。

咖啡中具有扩增的N-甲基转移酶，这类酶与咖啡因的生成相关。

通过更一步的探查，研究人员发现相比于茶和巧克力中的一些咖啡因酶，咖啡的咖啡因酶与咖啡树中的其他一些基因具有更密切的关系。

这一研究发现表明，咖啡树中的咖啡因生成是独立进化而来。如果这一性状是从共同祖先继承而来，物种之间的这些酶会更加的相似。

Albert说：“这一咖啡基因组帮助我们了解了咖啡的令人兴奋之处——除了在清晨让我清醒之外。通过检测咖啡树中扩增的基因家族，以及咖啡和其他物种的基因组结构之间的关系，我们了解了咖啡的独立进化信号通路，其中包括咖啡因的故事。”

为什么咖啡因在自然中如此重要是另一个问题。科学家们认为，这一化学物质有可能帮助植物逐退了一些昆虫或是阻碍竞争对手的生长。近期的一篇论文显示，授粉者如人类可以养成喝咖啡的习惯。接触过咖啡因生长植物的昆虫往往会返回再尝其味。

新的Science研究并没有提供关于咖啡因进化作用的新见解，但它支持了这一观点：这种化合物是一种宝贵的财产。它也为更好地了解咖啡基因组结构的进化提供了机会。

Wincker 说：“结果表明，随着进化时间的推移，咖啡基因组并没有和它的近亲番茄和红辣椒那样三倍化。反而，它保持了与葡萄相似的结构。就这一点而论，当基因组中所有的基因在复制之时，一些特殊基因家族的扩增更有可能驱动了咖啡基因组的进化多样性。”

这一观点与一些大型植物家族的认识相反，其他一些研究人员提出高度的物种多样性与全基因组的倍增或三倍化有关联。

“咖啡属于茜草科植物，茜草科包含大约1.3万种物种，是世界被子植物中的第四大科；没有发生基因组倍增，它似乎打破了基因组倍增与高度多样性关联的模式，”Denoeud说。(生物谷)

http://www.sciencemag.org/conten ... s=1&ssource=mfr

顾汉现

14-9月5日《科学》杂志精选

咖啡因、香气和风味的完美混合

研究人员已经对咖啡的基因组进行了测序，从而揭示了植物中咖啡因的演化并对这一大众饮料的广受欢迎的风味和香气提出了见解。该基因组序列还给科学家们一种用来快速定位在具体咖啡染色体上特定基因的工具，这是一种可帮助他们改善咖啡育种、加速研发新咖啡品种并增加咖啡植物对像气候变化及害虫等环境应力的资源。France Denoeud及其同事用先进的测序技术来获取一个中果咖啡——俗称罗布斯塔咖啡—的基因组草图，它大约占全球生产的30%的咖啡来源。中果咖啡是两种最重要的市售咖啡中的一种，另一种是阿拉比卡咖啡，后者因为它的酸味较轻（这是咖啡因浓度较低的结果）使得它占了世界其余咖啡生产中的大多数。为了确定中果咖啡的独特基因族，Denoeud等人对来自咖啡、葡萄树、番茄及拟南芥等植物的蛋白序列运行了比较基因组学软件。他们在这些植物中确认了1.6万多个基因，它们源自一个最后共同祖先的某单一基因。研究人员说，进一步的分析揭示了对咖啡基因独特的有价值的适应性变化，其中包括在抗病基因及产生咖啡因基因中的适应性变化；与咖啡的咖啡因产生有关的酶则进行了独立于那些在可可和茶中的酶的适应性改变。相较于拟南芥——它有一个亚油酸基因，后者是香气和口味的一个重要促成因子——咖啡有6个亚油酸基因。Dani Zamir突出介绍了将咖啡基因组转变成为咖啡培育新工具的重要性，尤其是在全球咖啡类植物多元性下降的时候。

Zamir说，作为这一过程的一部分，科学家们必须分享（像香气及风味等特征的）表型数据，这样，基因序列能被清晰地与其所希望的背后的表型联系起来。Zamir说，这一努力对确保咖啡类植物品种中的变异的持续存在是至关重要的，而这将转而帮助减轻不稳定气候及植物疾病对这一作物的影响。

顾汉现

作者：France Denoeud

来源：《科学》

发布时间：2014/9/17 1:15:09

咖啡基因组草图绘制完成
分析表明咖啡因至少经历两次进化过程



在印尼苏门答腊岛，人们在晾晒咖啡豆。

图片来源：Dimas Ardian

你手中的一杯咖啡可能经历了两次进化。科学家日前发表了咖啡的基因组测序结果，这项研究揭示了咖啡树利用一套与在茶、可可豆以及其他让人兴奋的植物中发现的基因完全不同的机制合成出了咖啡因。研究人员指出，咖啡的第一份基因组草图揭示了咖啡因在咖啡中的演化历史，也有助于培育风味更佳、可抵抗气候变化与害虫的咖啡新品种。

全球大约有1100万公顷的土地种植咖啡树，而全世界每天大约要消耗超过20亿杯咖啡饮料。

全世界的咖啡大致是由分别被称为罗布斯塔咖啡豆和阿拉伯咖啡豆的两种咖啡豆研磨、烘烤和发酵，并最终酿造得来的。

一个国际研究小组如今在罗布斯塔咖啡基因组中鉴别出了超过25000种蛋白质合成基因。罗布斯塔咖啡约占全球咖啡总产量的1/3，大部分用于速溶咖啡品牌的生产，例如雀巢咖啡。

阿拉伯咖啡则包含有较少的咖啡因，但较低的酸性和苦味使这种饮品在咖啡爱好者中大受青睐。

而研究人员之所以选择罗布斯塔咖啡进行测序是因为这种咖啡的基因组比阿拉伯咖啡的基因组更为简单。

咖啡因的进化远远早于缺乏睡眠的人们沉迷于咖啡之前，这或许是为了帮助咖啡树免遭天敌的侵袭以及获得其他益处。例如，咖啡叶中包含的咖啡因比咖啡树中其他部位的咖啡因含量都高，而当这些叶子掉落到地面上时，能够阻止其他植物在咖啡树附近生长。

参与该项测序研究的美国纽约州水牛城大学基因组学家Victor Albert表示：“咖啡因还能使传粉者上瘾，从而使得它们想要回来传播更多的花粉，就像我们人类对咖啡上瘾一样。”

研究人员在9月4日出版的美国《科学》杂志上报告了这一研究成果。

在这项研究中，科学家还找到了使咖啡与其他植物区分开来的基因家族，正是这些基因让咖啡因的含量在咖啡树中名列榜首。研究人员发现，这些基因编码了甲基转移酶，后者能够通过在3个步骤中增加甲基团从而将一种黄嘌呤核苷分子转化为咖啡因。相比之下，茶和可可豆则利用与研究人员在罗布斯塔咖啡中鉴别出的甲基转移酶不同的酶合成咖啡因。

Albert认为，这一发现表明，植物制造咖啡因的能力至少进化了两次，一次发生在咖啡树的祖先那里，另一次则出现在茶与可可豆的共同祖先之中。

研究人员说，和葡萄、西红柿等其他植物相比，咖啡的基因更易生成生物碱和类黄酮，这两种物质与咖啡的香味和苦味等密切相关。咖啡还有更多的N-甲基转移酶，这是涉及咖啡因合成的物质。

研究人员表示，这一基因测序结果将能够用来鉴别帮助咖啡树战胜疾病（例如咖啡锈病）的基因，同时应对气候变化。

《科学》杂志同时配发的一篇文章强调，在全球咖啡类植物的多样性出现下降趋势的背景下，有必要把咖啡基因组转变为帮助咖啡培育的新工具。科学家们必须分享香味及风味等特征的数据，与出口咖啡的发展中国家展开国际合作，培育咖啡新品种。

研究人员表示，通过对制造咖啡因的基因进行灭活还可以用来制造一种更美味的无咖啡因咖啡。一种经过转基因处理的不含咖啡因的咖啡栽培品种将在无法忍受咖啡味道的人群中大受欢迎。目前去除咖啡因的过程包括化学处理，而这也会影响咖啡的味道。Albert表示：“我必须每天早上喝杯咖啡，但是白天我通常不喝，因为它会让我颤抖。”

据国际咖啡组织估计，2013年，全世界生产87亿吨咖啡，为50多个咖啡出口国解决了近2600万人的就业问题，并给这些国家创造了154亿美元的收入。（ 赵熙熙）