Опубликовано 42 минуты назад

Гибридный кофе: урожайность в тени и качество на солнце

На сегодняшний день основные программы селекции арабики в Латинской Америке были сосредоточены на отборе сортов, адаптированных к интенсивным системам возделывания на полном солнце. В то же время мало внимания уделялось выведению сортов, специально адаптированных к затенению, которое является главной характеристикой агролесоводческих систем (АЛС). Между тем, сектор специализированного (спешлти) кофе в настоящее время расширяется и предъявляет спрос на определенные сенсорные качества, связанные с экзотическими сортами, однако не существует ни одной селекционной программы по созданию новых сортов для такого типа рынка.

Были заложены два полевых опыта: один — на полном солнце, другой — в условиях затенения. В схеме факториальных скрещиваний изучались гибриды F1 и их родительские формы (чистые линии и эфиопские образцы) для оценки объема кроны, урожайности (за 3 года), размера зерен, их NIRS-спектральной характеристики и итоговой чашечной оценки (каппинг-балла).

Было установлено, что размер зерен и итоговая чашечная оценка относительно слабо зависели от затенения. Для размера зерен наблюдалась сильная материнская наследуемость. В опытах гибриды F1 показали прибавку урожайности на «75–80%» по сравнению с материнскими линиями и на «40–50%» по сравнению с отцовскими формами в условиях затенения и на полном солнце соответственно.

Использование гибрида F1 позволяет повысить продуктивность как в условиях затенения, так и на полном солнце, одновременно достигая высоких сенсорных качеств. Отбор гибрида F1 для «специализированного кофе» представляется исключительным случаем. Это поднимает фундаментальный вопрос относительно материнской наследуемости биохимического состава семян. Мы делаем вывод, что селекция в условиях затенения необходима для выведения сортов, адаптированных к АЛС.

Агролесоводческие системы (АЛС) возделывания кофе, при которых кофе выращивается в ассоциации с другими деревьями на одном участке земли, широко распространены во многих тропических странах. При надлежащем управлении АЛС могут смягчать климатические колебания и использовать биологические и экономические синергии, что ведет к устойчивому землепользованию и к более высоким и стабильным доходам для местных заинтересованных сторон (в основном мелких фермеров) (DaMatta, 2004). В условиях затенения зерна кофе становятся более плотными и значительно более насыщенными по вкусу, отличаясь, в частности, тонкой кислотностью и приятным ароматом (Muschler, 2001). К сожалению, продуктивность кофейных АЛС может быть на 15–30% ниже, чем в системах на полном солнце (Vaast и др., 2006). Поддерживать идеальный уровень затенения очень сложно, поскольку регулирование тени путем обрезки ветвей теневых деревьев требует больших затрат, а это означает, что процент затенения обычно превышает 40%. Другой важной причиной, выдвигаемой для объяснения более низкой продуктивности кофе в АЛС, является тот факт, что используются как карликовые, так и высокорослые сорта, выведенные для интенсивных систем на полном солнце, хотя они не подходят для условий возделывания в АЛС (Bertrand и др., 2011).

В настоящем исследовании мы находимся на этапе селекции, на котором, как и в большинстве генетических селекционных программ, мы отбираем предварительных кандидатов, которых затем пересаживаем в производственные условия для анализа взаимодействий Г × С, включая взаимодействия между кофейными деревьями и теневыми деревьями. Взаимодействия с теневыми деревьями сложны, поскольку, помимо эффектов затенения, необходимо также учитывать эвапотранспирацию и корневые взаимодействия. На первом этапе селекции трудно точно сравнивать небольшое количество образцов, одновременно учитывая эффекты конкуренции с теневыми деревьями. Однако можно имитировать эффекты затенения, используя искусственное затенение. Первый вопрос, на который мы стремимся ответить: возможно ли отобрать генотипы, которые дают эквивалентное количество и качество при высоком проценте затенения (>50%), как и на полном солнце?

Из больших объемов кофе, производимого в АЛС и системах на полном солнце, все возрастающее количество продается как «специализированный кофе» (спешлти). Ассоциация качественных кофе (SCA, https://sca.coffee/) определяет специализированный кофе на основе качества продукта (зеленые зерна, обжаренные зерна или готовый напиток) и качества жизни, которое кофе может обеспечить всем участникам его выращивания (Rhinehart, 2009). Специализированные кофе можно отличить от массового кофе по ряду факторов, включая качество, устойчивость и более тесные отношения с производителями (Bacon и др., 2008). К сожалению, продуктивность ферм, производящих так называемый специализированный кофе, не учитывается. Обжарщики специализированного кофе поняли, что выбор генотипа оказывает огромное влияние на сенсорное качество, и что старые сорта, такие как Geisha, Typica или Bourbon, становятся ключевыми для рынка специализированного кофе высочайшего качества. К сожалению, сорта, дающие лучший кофе, также являются относительно непродуктивными или очень восприимчивыми к кофейной ржавчине и поэтому не очень рентабельны для фермеров (McCook и Vandermeer, 2015). С другой стороны, признано исключительное качество очень небольшого числа сортов. Второй вопрос, на который мы стремились ответить: можно ли вывести новые сорта для специализированного рынка, которые сочетают исключительное качество и хорошую продуктивность в условиях затенения и/или на полном солнце?

Чтобы ответить на эти вопросы, мы провели два опыта: один в условиях затенения, другой — на полном солнце. Насколько нам известно, это первое сравнение селекции на полном солнце и селекции в условиях затенения как для кофе, так и для других видов. Мы оценили, были ли показатели эквивалентны в двух опытах. Мы использовали одни и те же две факториальные схемы для сравнения продуктивности чистых колумбийских линий, диких образцов из Эфиопии и гибридов F1. Сильный эффект гетерозиса (увеличение урожайности на 20–70%) наблюдался, когда гибриды F1 были получены путем скрещивания карликовых американских чистых линий с дикими эфиопскими образцами на полном солнце (Bertrand и др., 2005). В настоящем исследовании мы хотели проверить, имеет ли гетерозис ту же амплитуду в условиях затенения. Мы оценили, была ли селекция сопоставима между двумя факториальными опытами и дала ли она одни и те же отобранные генотипы с ограничениями, связанными с тремя спецификациями. Первая спецификация отражает требования интенсивной системы возделывания, близкой к той, что определена в зеленой революции (небольшой объем кроны, крупный размер зерен и высокая продуктивность с гектара). Основываясь на различных направлениях в селекции растений, предложенных Lammerts van Bueren и др. (2018), эта ориентация может рассматриваться как «селекция, основанная на признаках». Вторая спецификация отражает требования Ассоциации специализированных кофе (https://sca.coffee/). Эта ориентация может рассматриваться как «корпоративная селекция», результатом которой являются глобально адаптированные сорта, приносящие максимальную прибыль. Третья спецификация отражает требования агролесоводства (продуктивность с гектара, объем кроны, размер зерен и качество напитка). Эта система может рассматриваться как «экосистемная селекция», направленная на создание сортов, адаптированных к агролесоводству, что иллюстрируется европейским проектом Breedcafs (https://www.breedcafs.eu/). Подход Breedcafs основан на необходимости повышения продуктивности без нанесения вреда окружающей среде и обеспечения устойчивости агроэкосистем (Campbell и др., 2014; Struik и Kuyper, 2014). Экспериментальная схема, которую мы использовали, и полученные результаты позволяют нам сделать ключевые выводы относительно отбора кандидатных сортов, пригодных для использования в различных системах земледелия и ориентированных на разные рынки. На основе этих выводов мы даем некоторые рекомендации по организации кофейного сектора в отношении селекции.

Посадочный материал и схема скрещиваний

Наше исследование было проведено с использованием факториальной схемы скрещиваний, включающей скрещивания между дикими и культурными родителями. Гибриды были получены путем скрещивания трех карликовых чистых линий cv. Castillo (Alvarado-Alvarado и др., 2005a) с 10 высокорослыми дикими эфиопскими формами (в дальнейшем именуемыми «эфиопские образцы»), предварительно отобранными по урожайности и чашечному качеству в кофейной коллекции, созданной в Колумбии. Скрещивания были установлены путем направленного опыления. Каждая линия cv. Castillo получала пыльцу от диких эфиопских образцов. В таблице 1 перечислены 28 оцененных гибридов F1, включая три материнские линии и 10 отцовских форм.

Таблица 1 Изученные генотипы: 28 гибридов F1 (карликовые), 3 материнские чистые линии (карликовые), 10 эфиопских образцов (высокорослые).

Два опыта (в дальнейшем именуемые «затенение» и «солнце») были проведены по одинаковой схеме: один на полном солнце, а другой — на участке под сеткой, пропускающей только 55% плотности потока фотосинтетически активной радиации. Технически сложно работать в условиях АЛС на первом этапе селекционной программы, который включает выбор из большого числа скрещиваний тех, которые могут быть использованы на следующем этапе селекции. В нашем исследовании мы имитировали эффект агролесоводческой системы путем снижения интенсивности света, что является одним из основных эффектов АЛС, используя искусственное затенение. Еще одна трудность, которую нам пришлось решить, заключается в том, что невозможно сравнивать карликовые и высокорослые генотипы на одном участке. В обоих опытах карликовые генотипы, женские родители и гибриды сравнивались на одной делянке, а эфиопские высокорослые родители выращивались вместе на другой делянке. Количество деревьев на генотип составляло от 10 до 20 растений с полной рандомизацией в пределах каждой делянки.

Растения выращивались на экспериментальной станции Наранхаль в муниципалитете Чинчина — Кальдас — Колумбия (4° 58′17,45″ северной широты и 75° 39′09,88″ западной долготы), на высоте 1 381 м над уровнем моря. Минимальная, средняя и максимальная температуры составляли 17,4, 21,2 и 26,8°C соответственно. Средняя относительная влажность составляла 84,2%, а среднегодовое количество осадков — 3 568 мм.

Плотность посадки составляла 1,3 м × 1,5 м (т.е. 5 128 деревьев·га⁻¹) для карликовых растений и 1,5 м × 1,5 м (т.е. 4 444 деревьев·га⁻¹) для высокорослых растений (т.е. эфиопских образцов). Почвы, на которых выращивались растения, получали 1 000 кг·га⁻¹·год⁻¹ N-P-K-Ca-Mg (18-3-10-8-0,5) и 250 кг·га⁻¹·год⁻¹ N. Растения выращивались без применения пестицидов.

Наблюдаемые признаки

Объем кроны кофейного дерева оценивался в возрасте 24 месяцев путем сравнения формы дерева с конусом. Радиус (r) в см, рассчитанный как среднее значение двух самых длинных плагиотропных ветвей, и общая высота дерева в см использовались для оценки объема конуса V (см³) = 1/3 × π × r² × h (Bryant и Kothmann, 1979).

Урожайность измерялась в кг/дерево свежих ягод. Урожайность оценивалась в течение трех вегетационных сезонов (2013–2016).

Восприимчивость к ржавчине на растение оценивалась на 2-й и 3-й год путем визуального осмотра с использованием шкалы от 0 до 4, где 0 = отсутствие поражений; 1 = спорулирующие поражения, охватывающие от 1 до 5% общей площади листьев; 2–3 = постепенное увеличение числа пораженных ветвей со спорулирующими поражениями; и 4 = поражено более 50% площади листьев (очень восприимчивые сорта могли потерять листья до даты наблюдения).

Образцы здоровых спелых ягод, принадлежащих каждому генотипу, были собраны вручную в период наивысшей продуктивности, с июля по сентябрь 2014 года, в четыре сбора урожая. Затем ягоды были переработаны индивидуально мокрым способом (депульпация, ферментация и сушка) для получения не менее 200 г зеленых кофейных зерен с конечной влажностью «11–12%». Образцы зеленого кофе были просеяны (размер ячейки сита от 14 до 20) в соответствии с колумбийским техническим стандартом NTC 5248 (Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación [ICONTEC], 2004). Зерна меньше размера ячейки сита 15 были отбракованы вместе с дефектными зернами. Для каждого дерева мы оценивали размер зеленых зерен от 16 до 20, так как экспортный кофе должен быть не менее 16/64 дюйма.

Сенсорная оценка была проведена в соответствии с протоколом каппинга Ассоциации специализированных кофе (SCA) дегустационной комиссией Комитета кофепроизводителей в Валье-дель-Каука (Колумбия), состоящей из пяти Q-Grader дегустаторов. Чтобы избежать утомления, одновременно сравнивалось не более 7 образцов. Стандартная сессия состояла из шести сетов, по семь образцов в каждом сете и по три чашки каждого образца. Стандартная сессия проводилась дважды в случайном порядке для слепого анализа. Итоговые чашечные оценки каждого образца были получены путем суммирования индивидуальных оценок по категориям: аромат/запах, вкус, послевкусие, кислотность, тело, баланс, сладость, однородность, чистота, общее впечатление и дефекты.

NIRS-фенотипирование

Метод NIRS может использоваться для анализа кофейных продуктов, так как он позволяет извлекать значительную информацию о биохимическом составе продукта. В предыдущем исследовании (Posada и др., 2009) мы показали, что межсортовые взаимосвязи на основе NIRS стабильны в различных условиях. В настоящем исследовании мы проверили, являются ли евклидовы расстояния между NIRS-сигнатурами генотипов одинаковыми в условиях затенения и на полном солнце.

Спектры отражения в ближней инфракрасной области (NIR) были получены с использованием сканирующего монохроматора NIR-спектрофотометра (модель 6500, Perstorp Analytical Inc., 1201 Tech Road Silver Spring, MD, USA), управляемого программным обеспечением NIRS2 (4.0) (Intrasoft Intl., LLC, RD109, Sellers Lane, Port Matilda, PA, USA). Анализы проводились на аликвотах по 50 г зеленого кофе после измельчения до <0,5 мм. Каждый образец представлял одно дерево, и каждое дерево было проанализировано. Для каждого образца NIR-спектр был получен в режиме отражения (R), где R представляет энергию отражения в диапазоне 4 000–9 090 см⁻¹ с шагом 7 см⁻¹. Спектр поглощения log(1/R) был получен как среднее этих измерений и сравнение с эталоном. Средняя квадратичная ошибка, оцененная по двум подвыборкам (две различные выборки одного и того же образца) на основе сырого спектра (log 1/R), составляла менее 300 мкabs, что ниже спецификаций производителя и свидетельствует об удовлетворительной повторяемости спектральных измерений. Учитывая эти результаты, для каждого образца был получен один спектр.

Анализ данных

Для статистического анализа использовались программные пакеты JMP, XLSTAT и R.

Сравнение гибридов и родительских популяций

Для оценки продуктивности трех популяций (эфиопские образцы, чистые линии Castillo и популяция гибридов F1) данные для каждой популяции, выращенной в условиях затенения и на полном солнце, были проанализированы с использованием однофакторного дисперсионного анализа (ANOVA) с последующим тестом Тьюки при P ≤ 0,05.

Сравнение внутриопытной и межопытной изменчивости генотипов

Продуктивность генотипов в каждом опыте была оценена с помощью ANOVA. Для сравнения межопытной продуктивности мы рассчитали корреляцию между двумя опытами, используя LSmeans, рассчитанные для каждого генотипа, а для сравнения продуктивности одного и того же генотипа в двух опытах мы использовали непараметрический критерий ранговых сумм Уилкоксона.

Оценка наследуемости

Дисперсионный анализ полной факториальной схемы скрещиваний с использованием двухфакторной перекрестной классификационной модели был проведен в соответствии с процедурой Хендерсона III для условий затенения и солнца. Использовался пакет R lme4 (Bates и др., 2015). Мы использовали следующую модель со случайными эффектами:

где M_i — случайный эффект i-й женской особи, F_j — случайный эффект j-й мужской особи, (MF)_ij — взаимодействие женской × мужской особи, а E_ijk — внутрисемейное отклонение k-й особи в (ij)-й комбинации женской × мужской особи. Мы оценили компоненты дисперсии (включая материнскую и отцовскую дисперсию) и наследуемость в узком смысле для основных признаков (урожайность, итоговая чашечная оценка, размер зерен).

Оцененная фенотипическая дисперсия свободна от какой-либо генетической модели и задается формулой:

Факториальные оценки главных компонент (PC) с собственным значением выше 1 были использованы для создания кластеров с использованием евклидова расстояния и алгоритма k-средних (Posada и др., 2009). Мы проверили количество создаваемых кластеров, т.е. от 2 для солнца до 6 для условий затенения, чтобы проверить устойчивость типов сортов. Мы сравнили два подхода для проверки стабильности продуктивности сорта кофе на разных участках: итоговую чашечную оценку и NIRS-сигнатуру. Псевдо-r корреляции был рассчитан путем сравнения двух матриц евклидовых расстояний с использованием теста Мантеля, а также сравнения связанных с ними вероятностей. Процедура, давшая наибольший псевдо-r, связанный с наибольшей вероятностью, считалась наиболее эффективной.

Отбор на основе спецификаций системы земледелия

При первом подходе отбор основывался на спецификациях для интенсивных систем земледелия на полном солнце (которые соответствуют обычным спецификациям, используемым в основных селекционных программах кофе в Латинской Америке). Отбор основывался на трех признаках: объем кроны, урожайность и размер зерен. При втором подходе отбор основывался на итоговой чашечной оценке и продуктивности, что является основным интересующим признаком для рынка специализированного кофе. При третьем подходе отбор основывался на спецификациях АЛС со следующими пороговыми значениями: урожайность в условиях затенения, по крайней мере, эквивалентная лучшей чистой линии, выращенной на полном солнце; итоговая чашечная оценка выше 83/100; объем кроны менее 40% от объема самой крупной чистой линии, выращенной на полном солнце; размер зеленых зерен, по крайней мере, эквивалентный продуктивности материнской линии, дающей самые мелкие зерна.

Кластеризация генотипов на двух участках для дальнейшего отбора в различных системах земледелия

Вместо отбора генотипов мы кластеризовали генотипы на основе евклидова расстояния между сортами по значениям урожайности, размера зерен, объема кроны и NIRS-сигнатуры. Информация NIR-спектров была сокращена путем использования оценок генотипов по главному первому фактору, полученному в результате дискриминантного анализа шести основных PC.

Продуктивность родительских популяций и гибридов

Продуктивность трех популяций отслеживалась в опытах с затенением и на полном солнце. Средняя продуктивность в условиях затенения была более чем на 40% ниже, чем на полном солнце.

В обоих опытах гибриды показали наилучшую продуктивность (Рисунок 1). Они давали на 75–80% больше, чем материнские линии, и на 40–50% больше, чем отцовские формы, в опытах с затенением и на солнце соответственно.

Рисунок 1 Сравнение урожайности (выраженной в кг зеленых кофейных зерен на растение), итоговой чашечной оценки (из 100 баллов), размера зерен (процент зерен размера 16–20) у женских, мужских форм и гибридов F1 на участках с затенением и на полном солнце.

Семена, произведенные женскими формами и гибридами F1, были значительно крупнее, чем произведенные эфиопскими мужскими формами, как в опытах с затенением, так и на солнце. Однако значительных различий между женскими формами и гибридами F1 в двух опытах не наблюдалось. Объем кроны отцовских форм оказался значительно больше, чем у гибридов или женских линий. Не было значительных различий в объеме кроны между женскими линиями и гибридами F1 в опытах с затенением и на солнце; также не было различий в объеме кроны между женскими линиями (карликовыми) и гибридами F1 (также карликовыми) в двух условиях.

Удивительно, но женские сорта, которые были специально отобраны на устойчивость к ржавчине, показали значительно больше симптомов, чем эфиопские генотипы или гибриды F1. Итоговая чашечная оценка мужских форм была значительно выше (P < 0,01), чем оценки гибридов F1 и женских линий, как в опытах с затенением, так и на солнце. Значительных различий между гибридами и женскими формами в двух опытах не обнаружено.

Сравнение продуктивности генотипов между двумя опытами

Линейная регрессия для размера зерен генотипов в условиях затенения относительно размера зерен на полном солнце была значимой (P < 0,001) и высокопрогностичной, с r² = 0,68. Для урожайности регрессия была значимой (P < 0,01) с r² = 0,42, хотя это нельзя считать прогностичным. Мы сравнили продуктивность каждого генотипа в условиях затенения и на полном солнце (Лист данных 1), используя непараметрический критерий ранговых сумм Уилкоксона. Большинство генотипов давали значительно более высокую урожайность на полном солнце, чем в условиях затенения. Мы выявили пять генотипов, продуктивность которых не различалась значимо в двух условиях (E464, E057, E054, E047 и CX2385 × E291). Последние два давали одинаковое количество ягод в условиях затенения и на солнце. Что касается размера зерен, продуктивность подавляющего большинства генотипов была идентична на полном солнце и в условиях затенения. Семь генотипов (E501, E291, E286, E114, E054, E057 и CX2385 × E057) показали значительное различие в пользу солнца. Наконец, эфиопские генотипы E047 и E554 давали значительно более крупные семена в условиях затенения, чем на полном солнце. Объем кроны всех генотипов был идентичен в условиях затенения и на полном солнце, за исключением гибрида CX2848 × E114, объем кроны которого был больше на полном солнце, и большинства эфиопских генотипов (E464, E069, E291, E057, E114, E286, E047, E054), объем кроны которых был больше при выращивании в условиях затенения (данные не показаны). Что касается итоговой чашечной оценки, четыре генотипа показали лучший результат на полном солнце (CU1842, CU1842 × E464, CU1842 × E501 и эфиопский E501), в то время как пять генотипов, выращенных в условиях затенения (E464, E069, E047 и гибриды CX1842 × E069 и CX2385 × E069), часто получали более высокие оценки.

Наследуемость основных признаков

Регрессия среднего родительского значения на гибриды для размера зерен была значимой в условиях затенения (r² = 0,25) и нулевой на полном солнце (r² = 0,06). Однако мы наблюдали сильный материнский эффект этого признака с материнской наследуемостью от h² = 0,69 до 0,37 для затенения и солнца соответственно.

Для итоговой чашечной оценки мы наблюдали значимый r² в условиях затенения и незначимый r² на полном солнце (0,25 и 0,15 соответственно) между продуктивностью среднего родителя и продуктивностью гибридов. Женская и мужская наследуемость для итоговой чашечной оценки были близки к нулю, в диапазоне от h² = 0,04 до 0,10 на полном солнце и в условиях затенения. Наконец, регрессия для среднего родительского значения относительно наблюдаемой урожайности гибридов была нулевой как в условиях затенения, так и на полном солнце. Материнская или отцовская наследуемость для урожайности были близки к нулю (h² женская = 0,00 и 0,11 соответственно в условиях затенения и на полном солнце, и h² мужская = 0,07 в условиях затенения и 0,23 на полном солнце). Для урожайности среднее родительское значение, по-видимому, не является полезным ориентиром для отбора родителей для тестирования комбинаций гибридов.

Сравнение стабильности NIRS-генотипической сигнатуры в двух условиях

PCA на основе всех NIR-спектров в опытах на солнце дала сходную структуру. Первая ось (PC1) разделила большинство эфиопских родителей от материнских родителей (чистых линий Castillo) (Дополнительный рисунок 2). Гибриды F1 располагались посередине между двумя родительскими популяциями на полном солнце или в условиях «затенения».

Затем мы провели анализ K-средних на основе первых 15 PC. Мы установили три устойчивых кластера, соответствующих трем субпопуляциям (а именно эфиопские образцы, линии Castillo и гибриды F1), подтверждая результаты PCA. Затем мы использовали дискриминантный анализ для объяснения и прогнозирования принадлежности наблюдений к их подгруппам. Первые 15 факторов, объясняющих более 99% общей дисперсии и имеющих собственные значения более единицы, были использованы для расчета моделей дискриминантных функций. Мы получили процент правильно классифицированных около 90%, т.е. 91% по типу на полном солнце и 90,3% в условиях затенения. Мы обнаружили одинаковую кластеризацию в трех подгруппах для NIRS-сигнатуры. Эта стабильность показывает, что два условия окружающей среды (солнце и затенение) не оказали значительного влияния на взаимосвязи между NIRS-сигнатурами генотипов.

Сравнение стабильности матриц евклидовых расстояний в двух условиях

Мы сравнили две матрицы расстояний, солнце и затенение, используя тест Мантеля на матрицах евклидовых расстояний между генотипами с использованием факториальных оценок четырех PC, рассчитанных в (A) на фенотипических значениях для урожайности, размера зерен, объема кроны и итоговой чашечной оценки; в (B) на фенотипических значениях для урожайности, размера зерен, объема кроны и NIRS-сигнатуры. Для NIR-спектров мы использовали оценки генотипов по главному первому фактору, полученному из дискриминантного анализа 15 основных PC. Мы показали, что псевдо-r корреляций, полученных при сравнении двух матриц расстояний на основе теста Мантеля и p-значения, был высокозначимым в обоих случаях. Следовательно, относительные расстояния между генотипами были высокостабильны в обоих условиях, когда мы использовали фенотипирование по четырем целевым признакам (урожайность, размер зерен, объем кроны и итоговая чашечная оценка) или «экстракт» NIRS-сигнатуры вместо сенсорного анализа. Использование NIRS-сигнатуры дало более высокий результат, чем полученный с использованием сенсорного анализа, поскольку полученный r был выше (псевдо-r = 0,801 с использованием NIRS-сигнатуры против r = 0,716 с использованием итоговых чашечных оценок).

Отбор для полного солнца

Отбор лучших кандидатов основывался на наборе спецификаций, приоритеты которых различаются в зависимости от системы земледелия. Из предыдущих результатов следовало, что женские сорта, которые входят в число лучших линий, в настоящее время распространяемых в Колумбии, отличались от других генотипов замечательным размером семян. Действительно, это был ключевой критерий, выдвигаемый селекционерами в Колумбии, другим критерием был объем кроны, для адаптации сортов к интенсивной системе на полном солнце, которая является преобладающей системой земледелия в Колумбии. Три женских сорта имели небольшой объем, т.е. признак, который очень сильно отбирается селекционерами в Латинской Америке. Выделение этого признака наряду с размером зерен выявило две различные группы: женские формы и гибриды F1, с одной стороны, и мужские генотипы, с другой, на участке с полным солнцем и на участке с затенением (Рисунок 2). Применение одного и того же отбора к обоим опытам дало разные результаты. В условиях затенения мы отобрали три чистые линии и шесть гибридов F1, а на полном солнце — те же три чистые линии и 10 гибридов F1. Пять гибридов были одинаковыми, а пять — разными. В сценарии отбора на полном солнце гибриды F1 (которые унаследовали доминантные гены устойчивости к ржавчине от материнского родителя) давали на 60–80% больше, чем лучшая женская линия (CU1842). Что касается итоговой чашечной оценки, четыре гибрида F1 имели более высокие оценки, чем лучшая материнская линия (CU1842). В частности, гибрид F1 «CU1842 × E047», который давал на 40% больше, чем лучшая женская линия, с сопоставимым объемом кроны и с итоговой оценкой более 85 и размером зерен более 85%, представляется исключительным.

Рисунок 2 Отбор для системы земледелия на «полном солнце». Диаграммы рассеяния, показывающие объем кроны и размер зерен. Представлены популяция гибридов F1 и популяция женских линий (три компонента cv. Castillo). Генотипы внутри прямоугольника были отобраны, поскольку они показали сходную продуктивность по объему кроны и размеру зерен с материнскими линиями. Верхний график — отбор на участке с полным солнцем, нижний график — на участке с затенением.

Отбор для специализированного кофе

Мы использовали определение Ассоциации специализированных кофе для определения спецификаций специализированного кофе. Посредством каппинга дегустаторы кофе оценивают балл кофе и определяют, является ли он качеством уровня спешлти. Для селекционеров это означает выявление генотипов, которые дают наивысшие оценки качества чашки. В этом определении все остальные признаки являются второстепенными. Однако мы сочли, что продуктивность также является важным критерием для фермеров, поэтому мы включили ее в два рисунка, которые касаются отбора кандидатных сортов для специализированного кофе.

Известно, что качество кофе тесно связано с условиями окружающей среды и, в частности, с высотой над уровнем моря (Bertrand и др., 2012). В настоящем исследовании отбор проводился на высоте, которая не могла дать очень высоких оценок (т.е. более 90), и мы отбирали только генотипы с итоговой чашечной оценкой более 85. Применение одного и того же отбора на полном солнце и в условиях затенения дало совершенно разные результаты. Три эфиопских генотипа (E501, E286, E057) и три гибрида F1 выделялись при отборе в опыте на солнце (Рисунок 3A). Все три гибрида F1 имели одну и ту же мать (CU1842). Продуктивность эфиопского генотипа E286 была того же порядка, что и у гибридов F1. Генотип E286 дает более 4,5 кг ягод с дерева. Этот «дикий» генотип может, следовательно, давать много очень хорошего кофе в условиях полного солнца. Однако продуктивность необходимо соотносить с гектарами. Объем кроны был в 3–4 раза больше. На практике это означало бы, что плотность посадки пришлось бы уменьшить вдвое (1 800–2 500 деревьев/га для E286 по сравнению с 4 000–5 000 деревьев/га для гибрида F1 CU1842 × E047). Таким образом, можно ожидать вдвое меньшей продуктивности с гектара по сравнению с лучшими гибридами (соответственно 2 000 кг против 4 800 кг зеленого кофе).

Рисунок 3 Отбор для «специализированного кофе». Диаграммы рассеяния, показывающие итоговую чашечную оценку и урожайность. Генотипы внутри прямоугольника были отобраны, поскольку они показали продуктивность выше порогового значения (синяя линия) по итоговой чашечной оценке. (A) отбор в опыте на полном солнце; (B) в опыте с «затенением».

На участке с затенением было отобрано только пять эфиопских генотипов (Рисунок 3B). Генотип E047 дает более 3,5 кг ягод с дерева. Этот «дикий» генотип может, следовательно, одновременно давать много кофе и очень хороший кофе в условиях затенения. Опять же, важно связать эту продуктивность с гектарами. Можно ожидать вдвое меньшей продуктивности с гектара по сравнению с лучшими гибридами (соответственно 1 600 кг против 3 200 кг зеленого кофе).

Отбор для «АЛС»

Для этой системы земледелия не существует признанных спецификаций. Мы считаем, что было бы важно отбирать наиболее продуктивные генотипы, с крупным размером зерен, наилучшими сенсорными оценками и объемами, совместимыми с плотностями посадки, которые позволили бы получать высокие урожаи с гектара. Фермеры, выращивающие кофе в АЛС, конкурируют с производителями, которые выращивают кофе в условиях полного солнца, поскольку закупочные цены на кофе не учитывают агролесоводство. Таким образом, мы установили порог урожайности на уровне урожайности лучшей линии Castillo, выращенной на полном солнце, т.е. генотипы, отобранные на участке с затенением, должны были давать не меньше, чем лучшая чистая линия Castillo, выращенная на участке с полным солнцем. Для итоговой чашечной оценки, поскольку лучшая линия Castillo достигла итоговой чашечной оценки 83,42 в условиях затенения, мы установили порог на уровне 83. Что касается размера семян, продуктивность должна была быть не ниже, чем у худшей линии Castillo. Что касается объема кроны, мы установили объем кроны в условиях затенения, который не мог быть более чем на 40% больше, чем у самой крупной женской формы на полном солнце.

Когда этот отбор был применен, мы отобрали два гибрида F1, характеристики которых перечислены в таблице 2. В условиях затенения два отобранных гибрида (CX2385 × E054 и CU1842 × E286) дали соответственно на 22 и 2% больше, чем лучшая чистая линия в условиях полного солнца. Оба гибрида имеют качество чашки, сходное с чистой линией. Размер зерен, произведенных одним из гибридов, меньше, чем у чистой линии, в то время как размер зерен, произведенных другим, сопоставим с чистой линией.

Таблица 2 Продуктивность в условиях затенения гибридов, отобранных в условиях затенения, по сравнению с продуктивностью лучших материнских чистых линий на полном солнце.

Сравнение целевых признаков. Числа, выделенные курсивом, указывают порог отбора. Числа красным цветом указывают продуктивность, полученную в опыте с затенением. Числа черным цветом указывают продуктивность, полученную в опыте с солнцем.

Средние значения, отмеченные звездочкой, указывают на различие между чистой линией CU1842 и гибридом F1 согласно непараметрическому критерию ранговых сумм Уилкоксона.

Кластеризация генотипов для дальнейшего отбора в подходящих системах земледелия

На этом раннем этапе предварительного отбора селекционер может считать, что цель состоит в кластеризации тестируемых генотипов, а не в их отборе, что может быть полезно для последующей отправки групп в селекционные центры кофе и/или в многофакторные сортоиспытания для тестирования взаимодействий генотип × среда. Генотипы могут быть отобраны по всем признакам путем объединения их в группы на основе общих признаков. Это помогает избежать априорного смещения. Мы проверили этот подход как в опытах на солнце, так и в условиях затенения. Это позволило нам определить, было бы полезно практиковать два типа предварительного отбора (в условиях затенения или на полном солнце) на этом этапе селекции. Кластеризация основывалась на урожайности, размере зерен, объеме кроны и NIRS-сигнатуре. NIRS-сигнатура может считаться предпочтительной по сравнению с дорогостоящим сенсорным анализом на этом этапе селекции и в неселекционном контексте. Чтобы сократить NIRS-сигнатуру до одной переменной, мы использовали оценки генотипов по главному первому фактору, полученному из дискриминантного анализа 15 основных PC.

Мы получили три группы на двух участках (Рисунок 4): группу с отцовскими формами, другую с большинством гибридов и последнюю группу с чистыми линиями Castillo и некоторыми гибридами. Отцовские формы группировались вместе как в условиях затенения, так и на полном солнце. Этот кластер оставался стабильным в любой среде. Кластер «гибридов F1» и кластер «чистых линий» существенно различались в условиях затенения и на полном солнце.

Рисунок 4 Иерархический кластерный анализ (евклидово расстояние, метод группировки Уорда), полученный в результате дискриминантного анализа 38 изученных сортов на основе урожайности, размера зерен, объема кроны и NIRS-сигнатуры, в условиях затенения и на полном солнце. Верхний график соответствует условиям затенения, нижний график — условиям полного солнца.

Большинство гибридов (16) образовывали одну и ту же группу в обоих условиях, что указывает на сопоставимую продуктивность по урожайности, размеру семян, объему кроны и биохимическому составу. Однако в условиях полного солнца семь гибридов группировались с линиями Castillo, в то время как четыре гибрида группировались с линиями Castillo в условиях затенения. Только три гибрида (CX2385 × E464, CU1842 × E554 и CX2385 × E554) кластеризовались с линиями Castillo в обоих условиях, что позволяет предположить, что продуктивность по урожайности, размеру зерен и биохимическому составу этих гибридов F1 близка к материнской чистой линии независимо от среды. Пять гибридов меняли кластеры в зависимости от среды. Эти генотипы, следовательно, особенно адаптированы к одной или другой из двух сред.

Доказательства воздействия повышения уровня парниковых газов в атмосфере стали более ясными и убедительными (IPCC, 2013, 2014). После очень тревожных исследований, предсказывавших резкое падение производства кофе (Bunn и др., 2015; Ovalle-Rivera и др., 2015), недавнее исследование утверждает, что кофейные культуры могут выжить при изменении климата и глобальном потеплении в большей степени, чем предполагалось ранее (DaMatta и др., 2019). Поэтому очень трудно предсказать генотипы, которые следует использовать для наилучшей адаптации к изменению климата.

Для отбора сортов, адаптированных к изменению климата и глобальному потеплению, решение, несомненно, заключается в одновременном отборе генотипов для широкого диапазона сценариев путем тестирования будущих сортов в максимально возможном количестве сред (т.е. отдавая предпочтение исследованиям генотип × среда). Однако в селекции древесных растений на первом этапе генотипы тестируются в одной среде, чтобы избежать увеличения затрат. Риск заключается в смещении этого первого этапа путем отбора генотипов, адаптированных к этой конкретной среде. Здесь мы решили провести первый этап селекции на полном солнце и с использованием искусственного затенения для имитации одного из основных эффектов систем АЛС.

Продуктивность культурных и «диких» образцов существенно различалась

Мы различали следующие генотипы по их происхождению и способу размножения. Было чрезвычайно интересно сравнить группу так называемых диких эфиопских генотипов с тремя культурными линиями, отобранными в Колумбии. Три последние линии явно представляют селекционные инициативы, которые ведутся в Латинской Америке уже более 50 лет в ответ на два императива: уменьшить размер растения, чтобы обеспечить более высокую плотность с гектара, и отобрать сорта, устойчивые к оранжевой ржавчине.

Средний объем кроны линий из Колумбии был в 4–5 раз меньше, чем у исходных образцов из Эфиопии, что иллюстрирует эффективность селекционных усилий. Это уменьшение объема кроны позволило достичь плотности возделывания 4 500–6 000 деревьев/га по сравнению с всего лишь 2 500–3 000 для эфиопских образцов. Уменьшение объема растения является одним из столпов зеленой революции в зерновых культурах (Elias и др., 2012). Арабика не является исключением из этого правила. У арабики уменьшение объема основано на одном гене, который обусловливает карликовость. Карликовость также принесла существенные выгоды в производстве плодовых деревьев, обеспечивая более высокие урожаи и облегчая сбор урожая в садах (Battistini и Battistini, 2005). В случае арабики продуктивность на растение не была увеличена, поскольку продуктивность чистой линии Castillo была ниже, чем у эфиопских, как в условиях затенения, так и на полном солнце. Таким образом, продуктивность с гектара увеличилась просто за счет карликовости растений, что подтверждает выводы Moncada и др. (2019), которые предполагают, что потенциал урожайности различных эфиопских образцов превышает потенциал любой чистой линии, культивируемой сегодня в Колумбии.

Что касается качества, линии Castillo имели крупные зерна, что является характеристикой, востребованной покупателями кофе, тогда как эфиопские образцы имели значительно меньший размер зерен, несовместимый с обычными коммерческими стандартами. Однако многие эфиопские образцы действительно имеют крупные зерна. Оказалось, что отбор эфиопских образцов, использованных в этом исследовании, не учитывал этот критерий. В сравнении с этим гомозиготные линии Castillo имеют очень крупные семена. Фактически, отбор по этому признаку может быть высокоэффективным, поскольку его материнская наследуемость высока.

Эфиопские образцы в нашем исследовании дают мелкие зерна, но замечательное сенсорное качество. Действительно, мы приводим доказательства того, что размер зерен не коррелирует с сенсорным качеством; скорее, вес 100 здоровых зеленых зерен (г) коррелирует с сенсорным качеством (Marie и др., 2020).

С другой стороны, сенсорное качество чистых линий Castillo оказалось довольно хорошим: одна из линий (CU1842) имела итоговую оценку более 84 как на полном солнце, так и в условиях затенения. Во время дегустации не было упоминаний о посторонних привкусах (данные не показаны), что подтверждает, что селекционеры смогли обойти негативные эффекты интрогрессии хромосомных фрагментов, о которых сообщалось у некоторых сортов арабики, полученных от тиморского гибрида (Bertrand и др., 2003). Однако мы отметили, что селекция привела к сенсорному качеству, уступающему большинству эфиопских образцов. Коммерческие сорта, произведенные и выпущенные в Колумбии на сегодняшний день, отбирались в основном по высокой урожайности и устойчивости к листовой ржавчине, в то время как качество чашки оценивалось путем отбраковки потомств, качество чашки которых отличалось от Typica, Bourbon и Caturra. Таким образом, существует значительный потенциал для улучшения этого агрономического признака.

Продуктивность гибридов F1 значительно превосходит продуктивность обоих родителей

Продуктивность гибридов F1 была замечательной с точки зрения продуктивности. Они намного превосходили эфиопских родителей или культурные линии как на полном солнце, так и в условиях затенения. Это подтвердило наши предыдущие выводы (Bertrand и др., 2011; Marie и др., 2020) в исследованиях, проведенных с использованием факториальной схемы или на фермерских участках. Очень высокая продуктивность гибридов F1 обусловлена гетерозисом между двумя родительскими популяциями (Bertrand и др., 2005). Хотя арабика является самоопыляющимся организмом, уровень гетерозиса в 30–80% представляется особенно высоким для автогамного вида, тем более что недавнее исследование (Scalabrin и др., 2020) показало, что этот вид возник в результате очень недавнего аллополиплоидизационного события в эволюционном масштабе (10 000–20 000 лет назад), и было обнаружено, что этот вид имеет чрезвычайно низкие уровни вариаций как следствие аллополиплоидизации. Неудивительно, что предсказать гетерозис по значению среднего родителя не удалось. Наследуемость урожайности, оцененная в обеих средах, была близка к нулю. Генетическая и молекулярная основа гетерозиса остается неясной (Schnable и Springer, 2013). Для такого малополиморфного вида, как арабика, наша гипотеза отдает предпочтение комплементарности родителей в системах регуляции.

Размер зерен и сенсорное качество являются материнскими по отношению к другим признакам

Размер зерен гибридов F1 был близок к размеру материнских линий. Мы наблюдали сильный материнский эффект для этого признака как в условиях полного солнца, так и в условиях затенения. Гибриды F1 обычно наследовали лучшие характеристики материнских линий Castillo. Размер семян можно было довольно точно предсказать в условиях затенения на основе значения материнского генотипа. Наконец, объем кроны гибридов F1 также был близок к объему материнских линий. Ген карликовости у cv. Caturra был доминантным и экспрессировался у всех гибридов F1.

Что касается сенсорного качества, результаты, полученные для гибридов F1, были довольно близки к результатам материнских линий, но с большей вариабельностью, что позволяет предположить, что этот признак имеет селекционный потенциал. Это согласуется с выводами предыдущего исследования (Bertrand и др., 2006). Не было очевидного гетерозиса для этого признака, но его было бы трудно предсказать на основе среднего значения обоих родителей, и наследуемость не была значимой. Тот факт, что гибриды F1 были ближе к материнским линиям, чем к эфиопским образцам, позволяет предположить, что, как и для размера зерен, материнская наследуемость была сильной для этого признака. Однако тот факт, что гибриды группировались между двумя родительскими группами на основе NIRS-сигнатур, сильно свидетельствует о том, что биохимический состав является преимущественно аддитивным (Дополнительный рисунок 2). Теперь нам необходимо подтвердить, оказывает ли направление скрещивания сильное влияние на сенсорное качество.

Частичная устойчивость к ржавчине

Было обнаружено, что сорта Castillo, специально выведенные на устойчивость к ржавчине, имеют более высокую заболеваемость, чем образцы из Эфиопии. Эфиопские образцы несут гены устойчивости (SH1, SH2, SH4, SH5), которые все преодолеваются штаммами ржавчины, встречающимися в Колумбии. Колумбийские линии (включая cv. Castillo), полученные от тиморского гибрида, который несет гены SH6–SH9, должны иметь уровень заболеваемости, близкий к нулю. Уровни, достигнутые здесь, показали, что гриб смог преодолеть гены устойчивости SH6–SH9 во всех трех линиях. Фактически, несколько сортов, разработанных в Бразилии с использованием различных источников устойчивости к ржавчине, сегодня полностью восприимчивы или только частично устойчивы (Zambolim, 2016). Такая же ситуация наблюдается по всей Латинской Америке, где расы ржавчины преодолели гены устойчивости, внедренные в сорта, полученные от тиморского гибрида. Это становится серьезной проблемой в кофейном секторе. В этом исследовании нас не удивило, что вертикальная устойчивость трех линий Castillo была преодолена. Известно, что после того, как эта так называемая вертикальная устойчивость преодолена, может оставаться хорошая доза частичной устойчивости. Согласно Alvarado-Alvarado и др. (2005b), более 80% генотипов, участвующих в сорте Castillo, имеют неполную устойчивость, и три линии, выбранные для нашего исследования, разделяли эту особенность. Удивительно, но мы обнаружили, что эта частичная устойчивость была ниже у линий Castillo, чем у эфиопских образцов и гибридов F1.

Как следует интерпретировать большую устойчивость эфиопских родителей и гибридов F1 к ржавчине по сравнению с гомозиготными линиями? Обусловлена ли она сохраняющейся гетерозиготностью у эфиопов и, тем более, у гибридов F1? Обусловлена ли она лучшим балансом листьев и плодов, как наблюдали Echeverria-Beirute и др. (2018), и/или лучшим здоровьем растений («хорошее здоровье растений» — концепция, пересмотренная Döring и др. (2012)). Мы развили эту концепцию здоровья в недавней работе (Toniutti и др., 2017; Echeverria-Beirute и др., 2018). Действительно, заболеваемость ржавчиной у восприимчивых сортов увеличивается с нагрузкой плодов по отношению к общей биомассе дерева (Avelino и др., 2006; Echeverria-Beirute и др., 2018). Это позволяет предположить, что селекция гомозиготных линий на продуктивность и карликовость может привести к созданию сортов с пониженным здоровьем растений.

Сравнение продуктивности в условиях затенения и на полном солнце

Затенение, которому подвергались растения в нашем исследовании, было однородным и сильным. Урожайность кофе была снижена на 40%, когда было отфильтровано более 55% естественного света. В исследовании со сходной схемой, в котором было отфильтровано 45% естественного света, сообщалось, что затенение снижает продуктивность кофейных деревьев на 18% (Vaast и др., 2006). Jaramillo-Botero и др. (2010) обнаружили, что деревья при 48% затенения давали на 20% меньше урожая, чем деревья, выращенные в условиях полного солнца. В Бразилии было обнаружено, что продуктивность кофе снижается на 15% в кофейных плантациях с деревьями Grevillea robusta в условиях затенения (Baggio и др., 1997). В естественных условиях производство кофе на полном солнце было на 30% выше, чем производство затененного кофе в Коста-Рике, в то время как в Никарагуа производство кофе на полном солнце было равно производству затененного кофе (Haggar и др., 2011). Coffea arabica является подлесным растением в своей зоне происхождения. По своей природе этот вид переносит высокие уровни затенения, и затенение не может рассматриваться как субоптимальная среда. Однако в настоящем исследовании влияние затенения на уровни производства было высоким, вероятно, потому, что наше искусственное затенение было как сильным, так и непрерывным.

Размер зерен и итоговая чашечная оценка, по-видимому, были относительно незатронуты искусственным затенением. Существовали различия между генотипами, что позволяет предположить, что есть возможности для отбора. Образцы из Эфиопии были наиболее чувствительны к световым режимам. Этот результат не соответствовал тому, что наблюдалось в других исследованиях, где затенение положительно влияло на размер зерен, а также на качество напитка (Vaast и др., 2006). Это различие может быть связано с тем, что Vaast и др. работали только с одним генотипом.

Размер зерен и NIRS-сигнатура являются стабильными признаками, в то время как урожайность и, прежде всего, сенсорные оценки менее стабильны

Мы наблюдали высокую стабильность в классификации генотипов по размеру зерен, что означает, что отбор по размеру зерен дал бы одинаковые результаты, если бы проводился в условиях затенения или на полном солнце. Тот факт, что известно, что затенение снижает температуру окружающей среды (Ehrenbergerová и др., 2017; Da Silva и др., 2018) примерно на 4°C на поверхности листа, означает, что отбор по размеру зерен не чувствителен к затенению или температуре. Использование NIRS-сигнатуры показало высокую стабильность расстояний между сортами независимо от степени затенения, что согласуется с нашими предыдущими выводами (Posada и др., 2009). Мы обнаружили корреляцию между урожайностью генотипов, выращенных в условиях затенения и на солнце, но корреляция была недостаточно сильной, чтобы предсказать продуктивность генотипа в условиях затенения, зная его продуктивность на полном солнце (и наоборот). Отбор по урожайности зеленого кофе, следовательно, зависит от интенсивности света и/или температуры. Мы не обнаружили корреляции между ранжированием генотипов и итоговой чашечной оценкой между двумя средами. К сожалению, это трудоемкий и дорогостоящий метод, особенно когда речь идет о большом количестве образцов на этом этапе предварительного отбора. Если предположить, что биохимический состав зерна отражает его сенсорное качество, и мы наблюдали высокую стабильность с использованием NIRS, можно выдвинуть гипотезу, что отсутствие корреляции между итоговой чашечной оценкой в двух средах было связано с недостаточной точностью, присущей сенсорному тесту. Однако NIRS измеряет биохимический состав зерна, т.е. предшественники аромата, а не летучие соединения. В будущем будут проведены два направления исследований, и их результаты будут сопоставлены с результатами, полученными сенсорным методом. Во-первых, было бы интересно проверить, может ли NIRS-сигнатура с выгодой заменить сенсорные измерения. В этой системе будет оцениваться расстояние от хорошо известных сортов. Отбор будет основываться на расстоянии кандидата от хорошо известных сортов. Когда расстояние мало, это указывает на то, что сорта близки друг к другу и, следовательно, считаются принадлежащими к одной «сенсорной вселенной». Во втором эксперименте можно также рассмотреть, что различия между генотипами арабики в основном обусловлены летучими соединениями. В этом случае мы будем использовать SPME-GC-MS анализ в рутинном порядке для классификации генотипов по различным группам на основе их летучих соединений. Затем мы проанализируем сходимость трех методов (т.е. с использованием классического сенсорного анализа, NIRS и SPME-GC-MS) и выберем наиболее воспроизводимый и дешевый метод.

Приводит ли отбор на полном солнце или в условиях затенения к одинаковым результатам? Ответ зависит от спецификаций

Спецификации, диктуемые объективно или субъективно рынком, производителями и/или политическими органами, являются результатом явного или неявного выбора, основанного на рациональных или иррациональных интересах. Селекционеры стараются полностью соблюдать спецификации заинтересованных сторон.

В настоящем исследовании мы решили проиллюстрировать спецификации отбора, соответствующие трем основным системам земледелия, которые производят кофе для трех типов рынков, соответствующих трем «направлениям селекции», как определено Lammerts van Bueren и др. (2018). Мы показали, что отбор генотипов в соответствии со спецификациями специализированного кофе привел к отбору кофе только эфиопского происхождения, которые отличались замечательным сенсорным качеством в условиях затенения, и трех эфиопских образцов и трех гибридов F1 в условиях полного солнца. При этом «корпоративном» подходе к селекции ясно, что отбор на полном солнце не дает таких же результатов, как в условиях затенения. Поэтому мы настоятельно рекомендуем, начиная с первого этапа селекции, тестировать генотипы как в условиях затенения, так и на полном солнце. С другой стороны, для полного проявления сенсорных качеств мы рекомендуем проводить этот отбор на большой высоте. Эфиопские образцы, протестированные в этом исследовании, были собраны на большой высоте в Эфиопии. Поэтому они подходят для выращивания на больших высотах, и именно там они лучше всего проявят свои сенсорные качества. По-видимому, существует специфическая адаптация некоторых из этих генотипов к затенению или, наоборот, к полному свету на больших высотах (см., например, замечательную продуктивность генотипа E286 на полном солнце по сравнению с его плохой продуктивностью в условиях затенения). Было бы интересно проверить эту специфическую адаптацию на нескольких десятках генотипов. Эфиопские образцы, с другой стороны, редко адаптированы к условиям низких высот с более высокими температурами (личные наблюдения). Одним из недостатков, который мы выявили, является их мелкий размер зерен. Путем отбора на более широкой генетической основе, вероятно, можно будет найти эфиопские образцы отличного качества с крупными зернами. Также было бы полезно выводить 100% дикие эфиопские сорта путем скрещивания образцов из Эфиопии для получения гибридов F1, которые более продуктивны, чем эфиопские образцы, и имеют отличный сенсорный профиль. Эта работа уже проводилась в самой Эфиопии (Opile и Agwanda, 1993; Bellachew, 1997), но, к сожалению, материал пока недоступен для других стран-производителей.

Основная проблема при отборе эфиопских линий или эфиопских гибридов F1 касается объема кроны. Объемы отобранных деревьев варьируются в 2–4 раза по сравнению с линиями Castillo или гибридами F1. Это означает, что плотность посадки и, следовательно, урожайность с гектара снижаются соответственно. Это было бы приемлемо для фермеров, если бы кофе продавался в 1,5 или 2 раза дороже цены, установленной Нью-Йоркской товарной биржей, чтобы компенсировать потерю дохода производителей. Рынку специализированного кофе необходимо учитывать это ограничение, чтобы продолжать обеспечивать устойчивые поставки специализированного кофе.

Очень большая часть современного мирового кофейного сада состоит из карликовых сортов (небольшой объем кроны), хорошо адаптированных к полному солнцу (т.е. Catuai, Caturra, IAPAR59, CR95, Castillo®, Marsellesa®, Obata и др.), с массовым сенсорным качеством и крупными зернами для чистых линий, составляющих многолинейный сорт Castillo. Нашей отправной точкой было наблюдение, что селекция для полного солнца должна сначала фокусироваться на объеме растения для максимизации производства с гектара. Мы показали, что гораздо лучше использовать гибриды F1, которые дают значительно больше при том же объеме растения. Эти гибриды также имели те же сенсорные и физические качества, что и материнские линии. В недавней статье (Marie и др., 2020) мы показали, что два гибрида F1 (Centroamericano-H1 и Mundo Maya-H16) с объемом всего на 20% больше, чем у Marsellesa® или Caturra (один из наиболее широко возделываемых сортов), давали на 50% более высокую урожайность, чем Marsellesa® или Caturra. В настоящем исследовании 10 гибридов F1 давали на 60–85% больше, чем лучшая женская линия (CU1842), с тем же объемом кроны (т.е. с той же плотностью посадки). Результаты этого исследования подтверждают предыдущие сообщения: значительный генетический прогресс можно ожидать от распространения гибридов F1 (полученных путем скрещивания американских карликовых × диких эфиопских сортов) в системах возделывания арабики, основанных на принципах первой зеленой революции (карликовые сорта на полном солнце, массовое качество чашки). Вопрос о том, следует ли во время селекции также тестировать деревья на их способность давать урожай в условиях затенения, не возникает.

В третьем типе отбора мы решили отбирать сорта по их адаптации к условиям затенения. Действительно, даже в Бразилии (ведущей стране-производителе кофе в мире), где возделывание на полном солнце в значительной степени преобладает, наконец, начинают звучать голоса, предполагающие, что АЛС могут представлять собой лучшую систему управления для сохранения биоразнообразия и почв. Основным недостатком АЛС является более низкая продуктивность по сравнению с интенсивной системой на полном солнце. В предыдущем многофакторном испытании в агролесоводческой системе (Bertrand и др., 2011) было показано, что урожайность гибридов была на 58% выше, чем у американских сортов. В настоящем исследовании мы показали, что сорта-гибриды F1 гораздо более продуктивны, чем другие, в условиях затенения. Таким образом, можно отобрать гибриды, которые дают урожай в условиях затенения так же хорошо, как лучшие чистые линии, выращиваемые на полном солнце. Это открытие является весомым аргументом для поощрения производителей кофе, использующих систему возделывания на полном солнце, переходить на системы АЛС, особенно в регионах, где в климатических сценариях ожидается повышение температуры. Для отбора генотипов, адаптированных к агролесоводческим системам, мы советуем действовать так, как мы сделали в этом исследовании (т.е. отбирать генотипы, которые дают столько же в условиях затенения, сколько лучшие контрольные образцы на полном солнце). Чтобы эта система земледелия была рентабельной, уровни продуктивности действительно должны приближаться к уровням систем земледелия на полном солнце. Однако это преимущество исчезнет в тот день, когда производители на полном солнце примут гибриды F1. Чтобы действительно продвинуться, необходимо будет отобрать гибриды, которые дают столько же на полном солнце, сколько и в условиях сильного затенения. Лист данных 1 показывает, что это относится к гибриду CX2385 × E291. Действительно, хотя объем кроны не изменяется под влиянием затенения и количество образованных узлов также не меняется (данные не показаны), количество цветочных почек меняется. Как свет изменяет количество цветочных почек? Влияет ли количество или качество света? Существуют ли аллельные вариации для этого признака? В то время, когда глобальное потепление ускоряется и агролесоводство воспринимается как решение для смягчения последствий, необходимо срочно запустить исследования по этому вопросу.

В обоих условиях (полное солнце или затенение), выбирая гибриды F1 вместо эфиопских образцов, можно было бы увеличить плотность посадки и продуктивность с гектара, одновременно достигая хороших сенсорных качеств. Однако невозможность достичь качества эфиопских сортов в условиях затенения и тот факт, что в условиях полного солнца отобрано только три гибрида, вызывает озабоченность. Отбор генотипа с одновременно замечательным сенсорным качеством и продуктивностью гибрида F1 с гектара представляется на данный момент исключительным.

Полученные нами результаты также поднимают вопросы относительно типа сортов. Первый вопрос касается материнской наследуемости качества чашки. Следует ли использовать эфиопские образцы в качестве материнских родителей? Действительно, большинство гибридов F1, созданных в Латинской Америке до настоящего времени, были выведены с американской чистой линией в качестве матери и эфиопским образцом в качестве отца. Наследуемость хорошего качества чашки, возможно, в основном материнская, как и в случае с размером зерен.

Можем ли мы представить себе создание исключительных чистых линий, которые сочетают продуктивность карликовых гибридов F1 и качество лучших «диких» эфиопских образцов? Это ставит вопрос о наследуемости признаков и природе гетерозиса у арабики. Можно ли его закрепить в гомозиготном состоянии? Путь долог и опасен. Природа гетерозиса у аллополиплоидного растения все еще очень плохо изучена (Solhaug и др., 2016), но мы подозреваем, что он не очень «фиксируем». Для создания высокопродуктивных линий по продуктивности и качеству необходима очень широкая генетическая основа, чтобы иметь шанс отобрать лучших кандидатов. Эта стратегия используется только в Эфиопии, первичном центре разнообразия вида, поскольку доступное там генетическое разнообразие очень велико. В других странах, которые не имеют доступа к столь широкому разнообразию, другими словами, во всех остальных странах мира, эта стратегия, вероятно, быстро достигнет своих пределов.

Итак, если гибрид F1 является лучшим типом сорта для адаптации к различным системам земледелия и к изменению климата, основная проблема, которую необходимо решить, — это семенное размножение (Etienne и др., 2018). Мы показали, что это препятствие можно преодолеть, используя мужскую стерильность, что позволяет производить семена гибридов F1 по цене, совместимой с высокоплотным возделыванием (Georget и др., 2019). Перенос генов мужской стерильности в хорошие родительские формы теперь должен стать приоритетом исследований для сообщества селекционеров арабики.

Хотя в этом исследовании мы рассмотрели основные системы земледелия, другие остаются для изучения. Механизация сбора урожая кофе в Бразилии основана на высокорослых сортах (Mundo-Novo, Bourbon), которые не были охвачены в настоящем исследовании. Мы считаем, что высокорослые гибриды F1 могут быть с выгодой протестированы в механизированных системах, где они могут показывать лучшие результаты, чем Mundo Novo и Bourbon. В будущем мы могли бы также протестировать отбор на основе как объема кроны, так и продуктивности. По нашему мнению, нет сомнений, что гибриды между высокорослыми американскими сортами и эфиопскими образцами будут более продуктивны, чем их собственные родители.

Также агрономам предстоит разрабатывать новые системы земледелия, особенно для решения кризиса антропоцена. Можно представить, например, проектирование ультраинтенсивных систем земледелия со сверхкарликовыми форматами растений. Действительно, существуют гены карликовости, которые даже более выражены, чем ген Caturra (т.е. Laurina). Это позволило бы выращивать в теплицах и, в теории, выращивать арабику за пределами межтропической зоны (Djerrab и др., 2020), чтобы избежать глобального потепления.

Дополнительный материал к этой статье можно найти онлайн по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fsufs.2021.709901/full#supplementary-material

Bertrand B, Villegas Hincapié AM, Marie L and Breitler J-C (2021) Breeding for the Main Agricultural Farming of Arabica Coffee. Front. Sustain. Food Syst. 5:709901. doi: 10.3389/fsufs.2021.709901

Перевод статьи «Breeding for the Main Agricultural Farming of Arabica Coffee» авторов Bertrand B, Villegas Hincapié AM, Marie L and Breitler J-C., оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык