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咖啡品种|咖啡杂交品种如何适应日益恶劣的咖啡种植环境

发布时间:2021-06-10人气:

根据 2016 年进行的研究,在未来 30 年内,气候变化可能会使世界上 50% 以上的适宜咖啡种植的土地消失。通过减少适合种植主要经济作物的土地数量,这样的变化将对全球数百万小农产生巨大影响。

假设全球变暖的影响没有减缓,唯一的解决方案是开发能够在普通条件下茁壮成长的阿拉比卡咖啡品种。但是就目前而言,竞争者的数量非常有限。

因此,在农林系统咖啡育种项目 (BREEDCAFS) 下,咖啡研究人员正在与全球 17 个合作伙伴组成的联盟合作。他们在尼加拉瓜、墨西哥、喀麦隆和越南的田地里研究,在丹麦、法国和葡萄牙的环境控制实验室培育植物,并咨询现有的科学研究以寻找更多合适的品种。

为了了解更多信息,我与参与这些试验的利益相关者进行了交谈。

 

减轻气候变化的影响

Sophie Léran 是一位年轻的分子生理学家,专门研究咖啡并在 CIRAD 工作。她说:“我们的努力是将微调的实验室控制实验和严格的实地考察相结合,以评估某些咖啡品种,尤其是新的阿拉比卡杂交种,如何应对气候变化

为了应对气候变化的影响,未来的咖啡品种必须能够在更恶劣的环境条件下生存,包括严重干旱、极端温度升高和更高水平的二氧化碳。

然而,对于现有的咖啡品种,生产者可以首先使用农林业技术在较高的树荫下进行咖啡种植

一段时间以来,该行业已经讨论了遮荫种植咖啡的生态优势。 Jean-Christophe Breitler 是一名阿拉比卡咖啡研究员,他说 “咖啡植物在树下看起来更好,这是因为水更多,温度更低”

虽然在阴凉处种植咖啡通常为生产者提供更有利的气候,但产量可能会下降多达 40%。这可以通过以下事实来解释:今天通常种植的咖啡植物是从适应充足阳光条件而不是遮荫的祖先培育而来的。

Sophie 告诉我,BREEDCAFS 项目的主要目标之一是选择和测试在质量和生产力方面都适合农林业系统的品种。

为了找到合适的咖啡种类Jean-Christophe 告诉我,研究人员正在尼加拉瓜、墨西哥、喀麦隆和越南的田间试验中评估不同的咖啡品种。评估农场种植的植物,并通过多种因素评估其农艺性能,包括生长、产量、生化成分和杯子质量。

他说,在墨西哥、尼加拉瓜和喀麦隆,研究人员正在一系列海拔的浅度和重度遮荫下测试阿拉比卡杂交品种和当地栽培品种。结果随后被用于试点育种计划,并为农林业系统选择高产杂交品种。

 

在尼加拉瓜,Jean-Christophe 说,研究人员正在专门研究温度升高对果实成熟度、豆密度和杯子质量的影响。

在这些试验中,他指定咖啡植物在不同海拔和温度的 200 升桶中生长;例如,在 1,500 m.a.s.l 下生长的植物通常暴露在比 750 m.a.s.l 低 5°C 的温度下。

-克里斯托夫告诉我,尼加拉瓜的团队在这些试验中收集了大量信息。他说这包括植物本身可见的特征(例如植物高度、樱桃大小、果实产量等)。然而,这些信息还包括植物遗传学、咖啡豆的生化成分和杯子质量,所有这些都可以让研究人员更好地了解咖啡质量背后的分子机制。

在越南,CIRAD 研究员 Pierre Marraccini 和 CIRAD-ECOM 博士生 Thuan Sarzynski 正在研究植物如何适应农林业系统中的干旱条件。

Pierre 和 Thuan 将相同的阿拉比卡咖啡品种暴露于一系列水方案(例如灌溉、正常降雨和 30% 的缺水),随后在干燥和潮湿时期记录了相同的信息点。

Pierre 说,虽然他的团队确实评估了不同杂交品种在受到水分威胁时的表现,但也关注咖啡品种在干旱威胁结束后恢复的能力。在农业研究中,这就是“复原力”的含义。

 

在实验室中对咖啡进行测试

现场试验是我们能得到的最接近“真实世界”条件的方法。然而,Sophie 解释说,鉴于与许多其他波动环境因素的相互作用,很难研究和理解该领域中一个特定参数的影响。这使得很难确定植物的哪一部分响应与给定的气候变化有关。

Sophie 告诉我,蒙彼利埃 CIRAD 的 CoffeeAdapt 团队正在研究气候变化对咖啡植物的影响,重点是温度升高造成的损害。虽然气候变化通常主要与平均温度升高有关,但它也会导致更频繁和更严重的热浪。

Sophie 说:“通过使用设置了最佳生长条件(光、温度、湿度、CO2 等)的生长室,并且只改变一个参数,我们可以分解特定的影响,突出耐受或抗性品种,并确定分子对压力的适应性反应所涉及的机制。

“这些房间是强大的工具,使我们能够模拟田间条件,同时避免气候变化(如风、降雨、云)以及病虫害,”她解释道。 “在这个例子中,我们使用这些生长室来模拟热浪。阿拉比卡杂交品种连续 10 天暴露在 42°C 的温度下。在此期间,我们每天都在收集样本和数据。

“我们注意到三天后叶子上出现了第一个烧伤症状。我们现在计划测试其他品种,以在未来找到一些有弹性的植物,并确定一些对热应力更具弹性的植物。

“这项实验实际上是在 2019 年 6 月欧洲真正的热浪破坏其他作物的几个月前进行的,我们最糟糕的预测与现实相差不远!”

 

除了 Sophie 和她在葡萄牙蒙彼利埃的团队之外,里斯本大学农业学院的博士研究员 José C. Ramalho 正在测试咖啡植物在预计的未来环境条件下的恢复能力。

“在这些房间里,你可以看到发生了什么,细胞中发生了哪些变化,在高二氧化碳水平下的植物中,在干旱、炎热、寒冷……任何你想要的情况下,”他说。 “我们相信,未来几年二氧化碳水平仍会大幅增加。”

因此,他说他正在组织实验,在“高二氧化碳水平、不同温度和不同可用水水平”下对植物进行压力测试。

他说目前还不清楚这些植物会如何反应,但他指出,在某些情况下,预测预计某些品种的表现甚至会比平时更好。 José 说:“如果我们能够在不变暖的情况下实现更高的二氧化碳排放量,[一些] 植物会产生更多。”

一般来说,里斯本大学和 CIRAD 研究人员预计,他们正在测试的新咖啡杂交种将能够耐受和适应日益恶劣的环境条件,包括更高的二氧化碳水平、更少的水和更多的热量。然而,何塞说他们对“适应和适应不再可能”的“拐点”特别感兴趣。

在哥本哈根大学,研究人员还利用他们的设施在受控条件下种植咖啡。 Anders Raebild 和 Athina Koutuleas 是两位对光强度适应感兴趣的生态生理学家。

在这些试验中,Anders 和 Athina 正在模仿咖啡生产者在农林业系统中种植植物时自然发现的不同密度的遮荫树。他们在五种不同的光照水平下与亲本一起种植阿拉比卡杂交种,随后测量它们的光合作用、生长速度和樱桃发育的能力,以及强调这些特征的基因表达。

“尽管我们在全球北部的光照条件很差,但我们还是设法在与热带环境中自然生长相似的时间点培育了含樱桃的咖啡植物,尽管咖啡豆只够喝几杯咖啡, ”雅典娜说。 “我们很可能是目前丹麦唯一认真种植咖啡的人。”

 

分析田间和生长室试验的数据

来自田间和生长室试验的数据最终找到了位于戈尔韦爱尔兰大学的博士后研究员 Marcus McHale 的途径。所有记录的数据都存储在 Marcus 开发的 BREEDCAFS 数据库中。到目前为止,已有超过 16,000 棵树木被列入清单并单独标有唯一代码。

首先,对于 Jean-Christophe 和 Pierre 在户外田间试验中的工作,Marcus 记录了咖啡植物的所有可测量特性(例如茎直径、叶子大小等)。然后,他相应地预测哪些身体特征可能与积极的结果有关。

Marcus 说:“例如,现在我们正在预测与产量相关的性状,例如高度或树干直径。”

这对农民来说是有价值的。 “如果你给我 10,000 个体植物的数据,我可以对它进行排序并立即告诉你哪些价值最高,”马库斯说。分析后,这些信息会传回给研究人员,他们为下一代试验植物培育这些选定的咖啡。

随着植物生长、结出果实并提供更多数据,这些信息会循环回模型以使其更加准确。然而,马库斯补充说,通常不清楚为什么植物中的某个物理属性可能与更高的产量相关——我们只知道它是。

然而,他补充说,根据生长室试验的信息,可以使用转录组学分析(一种分析植物基因组成的方法)了解哪个特定基因导致哪个理想特性(例如更高的产量)。这有效地提供了某个时间点所有相关基因的“屏幕截图”。

在生长室中进行的实验结束时,将植物切碎,在液氮中快速冷冻,然后送到专业实验室进行基因组测序和生化分析。

Marcus 然后以类似的方式分析这些数据。他说,例如,有数据表明,与咖啡植物叶子上允许其“呼吸”的微观开口大小之间存在遗传联系。

理论上,咖啡育种者然后可以查明这个特定的基因,并将其提供给生产者在更多的测试环境中,例如那些二氧化碳水平高得多的环境。假设这些植物将能够更好地应对气候变化的影响。

 

通过结合田间试验和受控条件试验,研究人员已经能够研究咖啡植物以及某些品种对气候变化影响的可能反应。这涵盖了从农林业系统中咖啡树的行为到某些理想或不良特征的遗传表达。

BREEDCAFS 研究人员在整个项目过程中考虑了农民的需求。他们通过在所有相关国家的调查以及利用咖啡消费者的期望来寻求对特定品种的反馈。在所有的现场试验中,样品随后被送到当地或欧洲的咖啡烘焙商(包括 Illycafè)以评估杯子的质量。

尽管咖啡行业面临气候变化方面的挑战,但这个广泛而全面的项目正在努力寻找解决方案。相关利益相关者希望该项目能够出现品种,并为消费者提供高质量的杯子外形,同时提高生产者的产量和弹性。如果是这种情况,从长远来看,咖啡农将能够增加他们的财务安全,并有望减轻气候变化对其生计的影响。

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