קבוצת חוקרים בינלאומית פרסמה לאחרונה בעיתון Science את הגנום (רצף הד.נ.א. המלא) של צמח הקפה מזן רובוסטה, Coffea canephora. קפה רובוסטה מהווה 30% מסך כל הקפה המופק בעולם. ניתוח הגנום מעלה מספר ממצאים מעניינים לגבי האבולוציה של הקפאין.

קפה הוא הגידול העיקרי בארצות טרופיות רבות. המובילות בייצור הקפה הן ברזיל, וייטנאם, אינדונזיה, קולומביה ואתיופיה, מולדת הקפה, ומיליוני אנשים בארצות אלה מועסקים בתעשיית הקפה. בסוף השרשרת, יותר מ- 2.25 מיליארד כוסות קפה נמכרות מדי יום ברחבי העולם. מבחינה זאת, חשיבות הקפה כפולה: גם לשותי הקפה, אשר זקוקים לו על-מנת לפתוח את הבוקר וגם לכלכלה העולמית, אשר מגלגלת מיליארדי דולרים כל שנה סביב תעשייה זו. מכאן גם החשיבות הרבה שבריצוף גנום הקפה והבנת פעולתו.

שלושה צמחים בשימוש האדם מייצרים קפאין: קקאו, תה וקפה. הסברה עד כה היתה שהגנים האחראים לייצור הקפאין בשלושת הצמחים האלה התפתחו מגן קדמון משותף, ובכל אחד מהצמחים הם עברו לאחר מכן שינויים במהלך השנים (תהליך שנקרא אבולוציה מתבדרת divergent evolution). אולם מתברר כעת מבדיקת הרצפים והמיקום של הגנים שהגנים לקפאין בצמח הקפה התפתחו באופן עצמאי וללא קשר לאלה שבקקאו ובתה. כלומר, המערכת לייצור קפאין התפתחה בגנום הקפה באופן בלתי תלוי בגנומי הקקאו והתה, אך התקבלה אותה תוצאה (תהליך שנקרא אבולוציה מתכנסת convergent evolution).

בעבר הועלו מספר השערות לגבי השאלה מדוע צמח הקפה מייצר קפאין, ביניהן שהקפאין בעלים דוחה חרקים המכרסמים את עלי הצמח, ושהקפאין בפירות ובזרעים נספג באדמה ומונע מזרעי צמחים אחרים לנבוט בסביבה הקרובה לעץ. בנוסף, מאביקים שונים כנראה מתמכרים לקפאין, בדומה לבני-האדם, וחוזרים אל הצמח שוב ושוב.

בניתוח הנתונים כעת, נמצא שגנום הקפה מכיל משפחה גדולה מאד של האנזימים המעורבים בהכנת הקפאין, N-methyltransferases. תגלית מעניינת נוספת היא שגנום הקפה מכיל גנים רבים מאד – בהשוואה, למשל, לגנומים של הענבים והעגבניה – הקשורים לייצור של אלקלואידים ופלבונואידים, מולקולות אשר תורמות לארומת הקפה ולמרירות שלו, וששה גנים לייצור חומצה לינולאית, שתורמת לארומה ושמירת טעם הקפה לאחר הקלייה. ועוד, בניגוד לגנומים של צמחים אחרים, אשר הכפילו ואף שילשו את רצף הד.נ.א. המקורי שלהם במהלך האבולוציה, גנום הקפה מזן רובוסטה נשאר כמות שהוא, ורק משפחות גנים מסויימות, כמו אלה המעורבות בייצור הקפאין, הכפילו את עצמם.

פרוייקט נוסף, לריצוף גנום הזן ערביקה, נמצא בשלבי עבודה. נוסף לשיפור ושינוי זני הערביקה והרובוסטה המוכרים (למשל, יצירת זן נטול-קפאין על-ידי נטרול ייצור הקפאין בצמח), הנתונים מגנומים אלה יאפשרו בעתיד השוואה עם מאות זני קפה אחרים שגדלים באפריקה ואינם בשימוש כיום בתעשיית הקפה (כולל זן שאינו מייצר קפאין), ועשויים להיות בעלי פוטנציאל לגנים שיתנו צמחים עמידים יותר למחלות או לבצורת, או בעלי תכולת קפאין גבוהה או נמוכה יותר, וכמובן – כאלה שייתנו קפה טעים יותר.

לקריאה נוספת:

Denoeud, F. et al., The coffee genome provides insight into the convergent evolution of caffeine biosynthesis, Science, 2014, 345( 6201): 1181-1184