Genetische variatie in wilde en gecultiveerde Arabica koffie (Coffea arabica L.): evolutionaire oorsprong, wereldwijde verspreiding en zijn effect op de incidentie van schimmelziektes in zuidwest Ethiopië

De diversiteit aan landbouwgewassen, die zowel de diversiteit binnen als tussen gewassen en hun wilde verwanten omvat, wordt zeer gewaardeerd vanwege haar potentieel om gewassen aan te passen aan veranderende omgevingsomstandigheden en consumentenvoorkeuren. Deze diversiteit wordt momenteel echter bedreigd door landgebruik veranderingen en de intensivering van de landbouw. Om de diversiteit in gewassen te beschermen en beschikbaar te stellen voor gewasveredeling is de karakterisering van de genetische diversiteit en samenstelling van de wilde en gecultiveerde genenpoel van een gewas essentieel. Een dergelijke karakterisering is evenwel een uitdaging in gewassen met een hybride en/of polyploïde achtergrond. Arabica koffie (Coffea arabica) is een voorbeeld van een allotetraploïd, zelfbestuivend gewas (2n = 4x = 44) waarvan de genenpoel onvoldoende is gekarakteriseerd voor een optimale instandhouding en gebruik. De soort is waarschijnlijk ontstaan na een natuurlijke kruising tussen twee wilde Coffea soorten, maar de identiteit van die voorouders, het tijdstip van de hybridisatie en de evolutie van zelfbestuiving in de soort moeten nog verder worden onderzocht. Hedendaagse wilde C. arabica populaties komen voornamelijk voor in de bergregenwouden in Zuidwest Ethiopië, van waaruit het gewas vermoedelijk werd verspreid naar tropische en subtropische regio’s in meer dan vijftig verschillende landen. Deze historische verspreiding, die leidde tot de wereldwijde teelt van Typica en Bourbon koffie variëteiten, ging wellicht gepaard met een sterke genetische bottleneck in de globaal geteelde Arabica koffie. Aangezien de genetische relaties tussen Arabica koffievariëteiten afkomstig van verschillende regio's onvoldoende zijn opgehelderd, is de samenstelling van de genenpoel van geteelde Arabica koffie momenteel erg onduidelijk.

De opbrengsten van Arabica koffie nemen in verschillende werelddelen af door infecties van koffieplanten met schimmelsoorten, voornamelijk koffieroest (veroorzaakt door Hemileia vastatrix) en de koffiebessenziekte (veroorzaakt door Colletotrichum kahawae). Beide pathogenen komen voor in Zuidwest Ethiopië, waar ze samen met enkele andere schimmelziektes zoals de koffieverwelkingsziekte (veroorzaakt door Fusarium/Giberella xylarioides) en Armillaria wortelrot (veroorzaakt door Armillaria spp.) schade berokkenen aan de koffieteelt. De meeste Arabica koffie sites in Zuidwest-Ethiopië zijn koffiebossen met een geringe menselijke verstoring of relatief kleinschalige koffieproductiesystemen met een variërende beheerintensiteit. Om de oogstverliezen door de koffiebessenziekte in Zuidwest Ethiopië te verkleinen, werden lokaal gekweekte resistente koffie cultivars geïntroduceerd in die systemen. Wilde C. arabica populaties in Ethiopië kunnen echter bijkomende genetische variatie herbergen die mogelijks van belang kan zijn voor veredelingsprogramma's die een verminderde vatbaarheid van koffieplanten voor schimmelziekten beogen. Wanneer bijvoorbeeld populaties met een hogere genetische diversiteit of een bepaalde genetische samenstelling minder schimmelziektes bevatten, kan dit wijzen op de aanwezigheid van een genetische component die de incidentie van schimmelziekten verlaagt. Het is echter niet geweten of de incidentie van schimmelziekten correleert met de genetische diversiteit en genetische samenstelling van wilde C. arabica populaties. De genetische variatie in wilde C. arabica populaties wordt daarnaast mogelijks bedreigd door de nabijheid van geïntroduceerde resistente koffie cultivars. De instroom van genetisch materiaal van deze cultivars naar hun wilde verwanten kan leiden tot crop-wild introgressie, wat verwijst naar de permanente aanwezigheid van cultivar-specifieke allelen in de wilde genenpoel. Indien de individuen met cultivar-specifieke allelen de wilde individuen wegconcurreren, kan crop-wild introgressie de wilde genenpoel verarmen. Hoewel de resistente cultivars waarschijnlijk wijdverspreid voorkomen in koffie sites met wilde C. arabica individuen, werd hun abundantie nog niet grondig bestudeerd. Een dergelijke inschatting van het aantal resistente cultivars in Ethiopische Arabica koffie sites bevat cruciale informatie voor een beoordeling van het risico op crop-wild introgressie in de regio.

De diversiteit en samenstelling van de C. arabica genenpoel werd in deze thesis op drie niveaus gekarakteriseerd: (i) op het niveau van de genetische relaties tussen C. arabica en andere Coffea soorten, (ii) op het niveau van de wilde C. arabica populaties in Zuidwest Ethiopië, en (iii) op het niveau van de globaal geteelde C. arabica variëteiten. De genetische variatie in C. arabica werd gekwantificeerd aan de hand van puntmutaties in high-throughput sequencing data van genotyping-by-sequencing bibliotheken, aangevuld met data van whole genome sequencing en HiPlex amplicon sequencing bibliotheken. Die laatste twee types van bibliotheken werden gebruikt om de variatie in globaal geteelde koffiecultivars te karakteriseren.

Eerst hebben we de genetische relaties tussen C. arabica en andere Coffea soorten in kaart gebracht op basis van schattingen van de Jaccard genetische afstanden en met een multilabeled fylogenetische boom. Met behulp van die gegevens hebben we de evolutionaire oorsprong van C. arabica opgehelderd. Coffea eugenioides en C. canephora werden hierbij geïdentificeerd als de meest waarschijnlijke vooroudersoorten van C. arabica. Aan de hand van een Bayesiaanse moleculaire klokanalyse werd geschat dat de hybridisatie aan de oorsprong van C. arabica tussen 1,08 miljoen en 543 duizend jaar geleden heeft plaatsgevonden. De soort zou bijgevolg zijn ontstaan in een periode met sterke omgevingsveranderingen. Zelfbestuiving is vermoedelijk onafhankelijk geëvolueerd in C. arabica, wat werd aangetoond op basis van een maximum likelihood reconstructie van de evolutie van deze eigenschap in het genus Coffea.

Vervolgens karakteriseerden we de genetische verwantschap tussen accessies van Arabica koffie variëteiten die werden ingezameld in verschillende levende collecties en herbaria. Dat verwantschap werd weergegeven in een fylogenetische boom die de verspreiding van de teelt van Arabica koffie in verschillende tropische en subtropische gebieden weerspiegelde. We hebben op die manier eerder gerapporteerde introducties van koffie variëteiten in verschillende landen bevestigd en hebben de afzonderlijke genetische oorsprong van de Typica en Bourbon aangetoond. De Bourbon lijn is hierbij vermoedelijk ontstaan uit C. arabica var. Mokka. Bovendien werden drieëndertig accessies geïdentificeerd als vermoedelijke hybriden, waarvan zevenentwintig accessies niet a priori als hybriden waren geïdentificeerd. De accessies in deze groep waren afkomstig uit verschillende regio's, wat suggereert dat de genetische integriteit en authenticiteit van koffie variëteiten in verschillende landen mogelijks werd aangetast door spontane kruisingen.

Vervolgens hebben we de genetische diversiteit en genetische samenstelling van gepoolde blad stalen van zestig Arabica koffie sites afkomstig uit de Jimma regio in Zuidwest Ethiopië onderzocht. Elk gepoold staal bestond uit het bladmateriaal van zestien C. arabica individuen. De Arabica koffie sites varieerden in beheerintensiteit en in de incidentie van vier schimmelziekten: koffieroest, koffiebessenziekte, koffieverwelkingsziekte, en Armillaria wortelrot. We vonden een correlatie tussen de variatie in de genetische samenstelling (gekwantificeerd als de principale componenten van de allel frequentie spectra) van de Arabica koffie sites en de variatie in de incidentie van elke schimmelziekte. Deze correlaties werden niet steeds bestendigd door dezelfde principale componenten, wat suggereert dat verschillende delen van de genetische samenstelling van de Arabica koffie sites in verband kunnen worden gebracht met de incidentie van een schimmelziekte. De genetische diversiteit (gemeten als de gemiddelde expected heterozygosity) correleerde niet met de incidentie van de vier schimmelziekten. De aanwezigheid van bepaalde genotypes lijkt dus de incidentie van een schimmelziekte in een Arabica koffie site te verminderen, terwijl een hogere genetische variatie de incidentie van schimmelziekten niet lijkt te kunnen verlagen.

Ten slotte hebben we de relatieve abundantie van cultivars die resistent zijn tegen de koffiebessenziekte in dezelfde zestig Ethiopische Arabica koffielocaties geschat aan de hand van een combinatie van veldwaarnemingen, een bevraging van de koffietelers en een moleculaire fingerprinting methode. De ziekte-resistente koffie cultivars waren aanwezig in het merendeel van de Arabica koffie sites. Hun relatieve abundantie was ruimtelijk gestructureerd over het studiegebied, en correleerde sterk met de incidentie van de koffiebessenziekte. Hoewel de resistente cultivars de incidentie van de koffiebessenziekte in Arabica koffie sites met succes lijken terug te dringen, kan hun wijdverspreide distributie een dreiging vormen voor de genetische integriteit van de genenpoel van wilde Arabica koffie in Ethiopië.

De bevindingen in deze thesis dragen bij tot de karakterisering van de wilde en gecultiveerde genenpoel van Arabica koffie. Ze zijn tevens van potentiële waarde voor het behoud van de genetische bronnen van wilde koffie en de verbetering van de koffieteelt. We toonden aan dat wilde Arabica koffie een relatief kleine genetische basis heeft, wat waarschijnlijk kan worden toegeschreven aan zijn zelfbestuivend reproductiesysteem en aan de recente eenmalige kruising die aan de oorsprong lag van de soort. De genetische samenstelling van globaal geteelde Arabica koffie werd gevormd door de historische verspreiding van koffievariëteiten, wat pleit voor een verrijking van de geteelde genenpoel om het aanpassingspotentieel van Arabica koffie aan een veranderende omgeving en aan wijzigende consumentenvoorkeuren te verhogen. Het behoud van de genetische rijkdommen van koffie lijkt van groot belang te zijn voor de koffieteelt, zoals werd geïllustreerd door de correlatie tussen de genetische samenstelling van Arabica koffie sites en de incidentie van verschillende schimmelziektes. Inspanningen die de diversiteit in de Arabica koffie genenpoel beschermen zijn dringend nodig, gezien de voortdurende intensivering van het beheer van koffiebossen in Zuidwest-Ethiopië en de abundante verspreiding van cultivars resistent tegen de koffiebessenziekte in het natuurlijke verspreidingsgebied van C. arabica.