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Science頭條:為什么咖啡如此特別

日期:2014-09-09 09:07:06

 

由來自法國,美國、意大利、加拿大、中國等國家20多家研究機構的科學家們組成的一個研究小組對咖啡樹進行了最新的測序,揭示出一些幫助生成咖啡因的酶在咖啡樹、茶樹和可可樹(巧克力)中獨立進化。

 

新測序的咖啡樹基因組揭示出了有關人類最好的化學朋友:咖啡因進化的秘密。完成這一項目的科學家們說,咖啡樹中一些基因的序列以及所在的位置表明,它們獨立于茶樹和可可樹中具有相似功能、也生成咖啡因的一些基因進化而來。換句話說:咖啡并沒有從共同祖先那里繼承與咖啡因相關的基因,而是自身形成了這些基因。

 

這些研究結果發表在95日的《科學》(Science)雜志上。

 

為什么咖啡如此特別?

 

每天全世界要消耗超過22.5億杯咖啡,咖啡是許多熱帶國家主要的農產品。根據國際咖啡組織估計,2013年生產了超過870萬噸的咖啡,在2009-2010年咖啡的出口收入達154億美元,2010年在52個國家該行業聘用人員接近2600萬人。

 

法國發展研究所(IRD)Philippe Lashermes說:“對于每日早起的人來說咖啡的重要性不亞于它對全球經濟的重要性。因此,對其進行基因組測序是朝著改良咖啡邁出的重要一步。通過檢測咖啡基因組以及咖啡特異性的一些基因,我們能夠得到一些結論:是什么讓咖啡如此特別。”

 

Lashermes,法國國家測序中心的基因組科學家Patrick WinckerFrance Denoeud,以及布法羅大學的生物科學教授Victor Albert是這項研究的主要作者。

 

該研究團隊構建出了中粒咖啡(Coffea canephora)的高質量基因組草圖。根據位于曼哈頓的國家咖啡協會的統計,中粒咖啡占世界咖啡產量的30%

 

接下來,科學家們檢測了咖啡的遺傳構成與其他物種的不同之處。相比于包括葡萄、番茄等幾種植物物種,咖啡包含更大的與生物堿和黃酮類化合物生成相關的基因家族,它們導致了咖啡的一些特性如咖啡的香氣和咖啡豆的苦味。

 

咖啡中具有擴增的N-甲基轉移酶,這類酶與咖啡因的生成相關。

 

通過更一步的探查,研究人員發現相比于茶和巧克力中的一些咖啡因酶,咖啡的咖啡因酶與咖啡樹中的其他一些基因具有更密切的關系。

 

這一研究發現表明,咖啡樹中的咖啡因生成是獨立進化而來。如果這一性狀是從共同祖先繼承而來,物種之間的這些酶會更加的相似。

 

Albert說:“這一咖啡基因組幫助我們了解了咖啡的令人興奮之處——除了在清晨讓我清醒之外。通過檢測咖啡樹中擴增的基因家族,以及咖啡和其他物種的基因組結構之間的關系,我們了解了咖啡的獨立進化信號通路,其中包括咖啡因的故事。”

 

為什么咖啡因在自然中如此重要是另一個問題。科學家們認為,這一化學物質有可能幫助植物逐退了一些昆蟲或是阻礙競爭對手的生長。近期的一篇論文顯示,授粉者如人類可以養成喝咖啡的習慣。接觸過咖啡因生長植物的昆蟲往往會返回再嘗其味。

 

新的Science研究并沒有提供關于咖啡因進化作用的新見解,但它支持了這一觀點:這種化合物是一種寶貴的財產。它也為更好地了解咖啡基因組結構的進化提供了機會。

 

Wincker 說:“結果表明,隨著進化時間的推移,咖啡基因組并沒有和它的近親番茄和紅辣椒那樣三倍化。反而,它保持了與葡萄相似的結構。就這一點而論,當基因組中所有的基因在復制之時,一些特殊基因家族的擴增更有可能驅動了咖啡基因組的進化多樣性。”

 

這一觀點與一些大型植物家族的認識相反,其他一些研究人員提出高度的物種多樣性與全基因組的倍增或三倍化有關聯。

 

“咖啡屬于茜草科植物,茜草科包含大約1.3萬種物種,是世界被子植物中的第四大科;沒有發生基因組倍增,它似乎打破了基因組倍增與高度多樣性關聯的模式,”Denoeud說。

 


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