Biotechnologia w filiżance kawy Na podstawie: Biotechnological applicatios for the improvement of coffee (Coffea arabica L.) H. Etienne i in. In Vitro Cell Dev. Biol.-Plant 38:129-138 March-April 2002 D Daria Cichoń Magdalena Stopa

Kawa w liczbach Kawa to najpopularniejszy napój świata. Co roku mieszkańcy Ziemi piją 400 miliardów filiżanek. W międzynarodowym handlu kawa zajmuje drugie miejsce, tuż za ropą naftową, w 2000r. Wartość jej eksportu wyniosła 10,4 mld $ Intensywne badania nad kawą i kofeiną przynoszą 1500-2000 publikacji naukowych rocznie Aromat zielonej kawy zawiera ok. 250 różnych lotnych związków – palona kawa ponad 800 D

Handlowo wykorzystuje się 2 gatunki Surowe ziarna kawy (kawowca) są nasionami roślin z rodziny marzanowatych (Rubiaceae) z rodzaju Coffea, liczącego co najmniej 66 gatunków Handlowo wykorzystuje się 2 gatunki Kawa arabska (Coffea arabica), inaczej arabika, która stanowi 2/3 światowej produkcji Kawa kongijska (Coffea canephora) inaczej koszykowa nazywana też robusta, 1/3 światowej produkcji Odmiany kawy mają 22 chromosomy, z wyjątkiem arabiki, która ma ich 44. Na skalę przemysłową uprawia się również kawę liberyjską (C. liberica), kawę wyniosłą (C. excelsa) oraz mieszaninę kawy arabskiej i liberyjskiej (C. mixta) D

Robusta (Coffea canephora) Odkryta dopiero w XIX wieku, rośnie i owocuje szybciej niż Arabika. Robusta jest bardziej odporna na warunki klimatyczne, można ją więc uprawiać w niższych i łatwiej dostępnych partiach gór. Rośnie w wilgotnym i gorącym klimacie, w Kamerunie, Ugandzie i Wietnamie. Ziarna Robusty mają żółto-zieloną barwę. Są z reguły mniejsze i bardziej owalne od ziaren Arabiki. Zawiera więcej kofeiny (2,4 – 2,8%), ale ma ostry, gorzkawy smak i ziemisty aromat Jest oporna na choroby, ale nie można z niej otrzymać kawy najwyższej jakości M

Arabika (Coffea arabica) Najstarszy i najbardziej popularny gatunek kawy. Rośnie dziko w Etiopii, uprawiana jest na wyżynach Brazylii i Kolumbii, w Indiach i Afryce Równikowej, na Jawie, Sumatrze oraz Karaibach. Ziarna Arabiki są podłużne, zielonkawe i mają jasną, prostą bruzdę. Napar ma łagodny, aromatyczny, lekko kwaskowaty (ale nie kwaśny) smak, niekiedy z posmakiem czekoladowym lub korzennym. Jest mało wydajnym krzewem lub niskim drzewem, wysokości od 5 do 6 metrów, wymagającym troskliwej opieki Zawiera mniej kofeiny (do 1,5 %) M

Gdzie rośnie kawa M

Po co ulepszać kawę? Nadawanie oporności na choroby (leaf rust) i pasożyty (nicienie) – transfer genów oporności z C. canephora do C. arabica, bez obniżenia jakości arabiki Podniesienie wydajności Ulepszenie smaku i aromatu Wprowadzenie oporność na warunki środowiskowe (chłód) Ustabilizowanie upraw Polepszenie płodności D

Jak osiągnąć te cele – sposoby konwencjonalne Krzyżowanie międzygatunkowe Krzyżowanie wsteczne Poszukiwanie nowych odmian w dzikich populacjach WADY Wysokie koszty Czasochłonność Trudności w wyslekcjonowaniu cech recesywnych Niewystarczająca produkcja nasion D

Embriogeneza somatyczna Pozwala na szybkie rozmnażanie roślin na dużą skale i obniżenie kosztów Opisywane są trzy typy procesu: LFSE („low frequency”) – szybka (około 70 dni); w jednym medium; bez produkcji kalusa; liczba embrionów: do 100/eksplant HFSE („high frequency”) – wymaga użycia dwóch płynnych mediów i przeprowadzenia stadia kalusa; zajmuje 7-8 miesięcy dla C. canephora i 9-10 dla C. arabica; uzyskuje się setki tysięcy embrionów/g kalusa; stosowana w bioreaktorach SCSE („self-controlled”) – łączy zalety HFSE z synchronizacją hodowli D

Wydajność embriogenezy zależy od gatunku; wynosi 600 000 embrionów/L dla C. canephora i 20 000/L dla C. arabica (w bioreaktorach przez 7 tygodni) Problemy: zmiany morfologiczne, nadmierne uwodnienie komórek, niesynchroniczny rozwój, trudności z wysiewaniem, zmienność somaklonalna Sukcesy: Propagacja C. arabica F1 hybryd- 50 000drzew z 20 hybryd (5 państw Ameryki Środkowej) Propagacja C. canephora odpornej na pasożyty korzeni (18 000 drzewek) D

Kultury zarodków Metoda ta pozwala na uratowanie embrionów powstałych po krzyżowaniu międzygatunkowym, ulegających aborcji na skutek niekompatybilności endoplazmy Otrzymano kultury dojrzałych i niedojrzałych embrionów powstałych po skrzyżowaniu C. arabica z C. canephora M

Kultury pylników Androgeneza pozwala na otrzymanie homozygotycznych roślin w krótkim czasie (jedno pokolenie). Kultury pylników, poprzez tworzenie linii homozygotycznych, mogą być stosowane do identyfikacji i ustabilizowania pożądanych kombinacji genów M Zakończona sukcesem embriogeneza C. arabica

Kultury protoplastów Dzięki fuzji protoplastów możliwa jest hybrydyzacja komórek dwóch gatunków i otrzymanienie płodnego potomstwa. Bezpośrednia i jak dotąd – jedyna metoda wprowadzania dużej ilości genów do roślin kawowca M Pierwsze udane doświadczenia związane z otrzymaniem protoplastów i ich regeneracją zostały przeprowadzone w 1987r. Obecnie otrzymuje się 3,5*106 protoplastów na gram świeżej masy

Genetyczna transformacja kawy Biolistyka – przejściowa ekspresja transgenu Elektroporacja – transfer DNA do protplastów Transformacja za pomocą Agrobacterium – obecnie używana Wykorzystanie tkankowo-specyficznych i indukowalnych promotorów M

Osiągnięcia: C. arabica i C. canephora stransformowane genem cry1Ac (owadobójcze białko B. thuringiensis), za pomocą A.tumefaciens - efektywność transformacji zależała od genotypu - otrzymano ekspresje białka w liściach - rośliny nabrały cech oporności Zastosowanie A. rhizogenes jako wektora - korzenie wykazywały ekspresję transgenu - potwierdzono wbudowanie sekwencji wektora - zaburzenia w fenotypach po przeniesieniu roślin do szklarni (poskręcane liście, krótkie międzywęźla) M

Klonowanie ekonomicznie wartościowych genów Biosynteza kofeiny ksantozyno-N7-metylotransferaza, metylotransferaza 7-metyloksantyny Białek odpowiedzialne za przechowywanie ziaren 11S-globulina Biosynteza etylenu ACC-syntaza, ACC-okydaza Geny oporności na choroby M

Kofeina - związek o dwóch obliczach Działa pobudzająco na ośrodkowy układ nerwowy, jest analeptykiem ośrodka oddechowego, polepsza procesy kojarzeniowe, zmniejsza zmęczenie i senność, rozszerza naczynia mózgowe i wieńcowe, zwiększa wydzielanie soku żołądkowego Może powodować m.in. nudności, bóle głowy, bezsenność, drżenie rąk, niemiarowość czynności serca, a w dużych dawkach także duszności, drgawki, poty, owrzodzenie żołądka D Filiżanka mocnej kawy lub herbaty zawiera ok. 0,2 g kofeiny.

Jak otrzymać kawę bezkofeinową? Przeprowadzając ekstrakcję kofeiny z ziarna zielonego, przed prażeniem. Istnieje szereg metod usuwania kofeiny z kawy, najbardziej rozpowszechnione są metoda wodno-węglowa i metoda dichlorometanowa (obniżenie jakości naparu) Krzyżując odmiany o niskiej produkcji kofeiny (jakieś 20 lat...) Uzyskując rośliny transgeniczne... D

D Jedna z możliwości - zablokowanie aktywności syntazy kofeiny (udane próby sklonowania genu tego enzymu)

Źródła: Biotechnological applicatios for the improvement of coffee (Coffea arabica L.) H. Etienne i in. In Vitro Cell Dev. Biol.-Plant 38:129-138 March-April 2002 Caffeine synthase gene from tea leaves M. Kato i in. Nature 406: 956-957 August 2000 Advances in coffee biotechnology M. Carneiro AgBiotechNet 1999 Vol.1. Jan, ABN 006 www.kawa.pl M

Dziękujemy za uwagę! M