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為何咖啡要合成咖啡因?讓咖啡的基因體告訴你

我們每天喝掉22.5億杯咖啡,算起來大約3-4個人一天喝掉一杯;這麼多人喝咖啡,種植咖啡的面積自然不會太小。全球種植咖啡的面積有1100萬公畝。

最近,咖啡的基因體已經定序完成了。雖然用來定序的不是阿拉比卡咖啡(Coffea arabica,有44條染色體),而是Coffea canephoraC. canephora,22條染色體,又稱為C. robusta,約佔世界咖啡總產量的30%);不過阿拉比卡咖啡是C. canephoraC. eugenioides的雜交種。

C. canephora的花。圖片來源:wiki

C. canephora的花。圖片來源:wiki

C. canephora咖啡的基因體由22條染色體構成,總大小是710 Mb(Megabase)。710 Mb有多大呢?想像整個咖啡的基因體印出來在我們面前,我們以一秒一字的速度來念,要念22年又6個多月才念得完。分析的結果咖啡總共有25,574個產生蛋白質的基因,92個產生microRNA的基因。另外,整個基因體大約有一半是轉位子(transposable element)。

咖啡的基因體中,較特別的部分是,與抗病相關的基因(R基因)在演化上出現了串聯重複(tandem duplication)的現象;而合成酚醛類次級化合物(phenylpropanoids)的基因也變多了。這些基因包括合成類黃酮(isoflavone and flavnoids)的酵素、合成生物鹼(alkaloids)的酵素、合成單萜(monoterpene)的酵素、以及合成咖啡因(caffeine)的酵素等。

有沒有想過咖啡為何要合成咖啡因呢?其實咖啡合成咖啡因,主要是為了抗蟲(在葉片)以及抑制其他植物的種子發芽。居住在衣索比亞的人類,無意中發現了它有提神的效果,便開始採取它的果實。

C. canephora的果實,完全成熟的果實是鮮紅色的。 圖片來源:wiki

C. canephora的果實,完全成熟的果實是鮮紅色的。圖片來源:wiki

生產咖啡因,對於咖啡的生存競爭能力顯然很重要。在基因體中,研究團隊看到有一個由23個基因構成的群集;與其他兩種會生產咖啡因的植物(茶 Camellia sinensis、可可 cacaoTheobroma cacao)有明顯的不同。

雖然許多植物在演化過程中,都出現了產生多倍體的現象(如小麥、玉米、甘藍菜、蕃茄等),但是咖啡並沒有出現多倍體,而只是選擇性的以串聯重複的方式,將部分的基因擴張,來提昇自己的競爭力。

筆者每每看到這些證據都會想:我們把植物用來趕蟲的「毒素」當作寶來吸(如香菸)、喝(如咖啡、茶),植物有知,一定會啞然失笑。當然,一個物質是藥或是毒,往往只是劑量的差別,最近也常常看到研究報告提到一天一杯咖啡是比較適當的?酗咖啡如筆者,近年來為了心臟跟神經的健康,也早已控制在一天一杯(之前最嚴重的時候是一天四杯),任何事物都是盡量控制在「中道」,比較適當,不是嗎?

參考文獻:

  1. Victor A. Albert, Patrick Wincker, Philippe Lashermes,et. al., 2014. The coffee genome provides insight into the convergent evolution of caffeine biosynthesis. Science. 345(6201); 1181-1184(因作者繁多,僅列出通信作者)

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