Các khía cạnh nguồn gốc, thực vật học và di truyền của cà phê đã được mô tả rộng rãi trong nhiều ấn phẩm và bài đánh giá. Chương này nhằm cung cấp một cái nhìn tổng quan về những khía cạnh của các loài cà phê chính với một tập trung đặc biệt vào chất lượng cảm giác. Dữ liệu bổ sung liên quan đến phân bố địa lý và thành phần hóa học của các loài cà phê cũng được cung cấp. Thông tin chi tiết hơn có thể được tìm thấy trong các bài đánh giá của Charrier và Bethaud (1985), Davis (2007), Anthony và cộng sự (2011), và nhiều người khác.
Mục lục
1. Cà phê xuất xứ từ đâu?
Qua hàng thế kỷ, đã có nhiều truyền thuyết về nguồn gốc và việc phát hiện ra cà phê. Tuy nhiên, được biết rằng cây cà phê hoang dã (Coffea arabica) là một loài cây bản địa của Ethiopia, nơi nó được phát hiện vào khoảng năm 850 sau Công nguyên. Lịch sử của cà phê Robusta mới hơn. Có vẻ như việc chuyển giao và trồng cây đầu tiên diễn ra vào khoảng năm 1870 ở lưu vực Congo. Do đó, mặc dù lịch sử của chúng không thể so sánh được, cả hai loài đều bản địa của rừng xích đạo châu Phi (Smith, 1985).
Vì vậy, cà phê và Homo sapiens đều bắt đầu hành trình tiến hóa dài đằng đẵng của họ tại châu Phi. Trên thực tế, rừng cao nguyên của Ethiopia và Nam Sudan được coi là nơi mầm mống của cà phê Arabica; nhưng đó cũng là khu vực mà loài người nguyên thủy bắt đầu hành trình dài để chinh phục thế giới. Loài Arabica hiện tại bắt nguồn từ các cây tổ tiên được tìm thấy trong rừng nguyên sinh của thung lũng Rift nổi tiếng, một trong những sự kiện địa chất tuyệt vời nhất trên Trái Đất. Ngày nay, một số cây Arabica hoang dã vẫn đang mọc trong một số rừng này, như đã được chứng minh bởi các báo cáo gần đây về các loại cây mới, được mô tả bởi nhà thực vật học Stoffelen và cộng sự (2008).
Loài người đã trồng cây cà phê ở phần còn lại của thế giới (Hình 1.1). Lịch sử của việc phổ biến cà phê Arabica bắt đầu vào thế kỷ 8 khi một số hạt giống được chuyển từ Ethiopia đến Yemen, nơi chúng được trồng cho đến cuối thế kỷ 14 bởi người Ả Rập, người trở thành người cung cấp duy nhất cà phê trong khoảng 100 năm. Sau đó, cà phê tiếp tục mở rộng ở các quốc gia xa xôi, như Ấn Độ, Ceylon (nay là Sri Lanka), Java và Indonesia, nơi các trang trại trồng trọt thương mại đầu tiên được bắt đầu. Đầu thế kỷ 17, cà phê đến châu u, được mang bởi một thương nhân Hà Lan vào năm 1616. Một số cây được nhân giống tại Vườn thực vật Amsterdam và sau đó được đưa ra các quốc gia Đông Ấn để thiết lập các trang trại mới. Các cây cà phê khác cũng đến Vườn thực vật Paris như một món quà cho vua Louis XIV. Điều này là điểm khởi đầu cho việc trồng trọt cà phê trong các thuộc địa Pháp và ngay sau đó là các thuộc địa Tây Ban Nha và Anh. Việc trồng trọt cà phê đã lan rộng đến gần như tất cả các khu vực nhiệt đới trên thế giới.
Sự phân tán dần dần của các loài Arabica và Robusta từ trung tâm xuất xứ của chúng (được hiển thị dưới dạng điểm màu xanh lục trong hình ảnh) đến phần còn lại của thế giới
Việc phổ biến cây cà phê Robusta bắt đầu gần sông Lomani, một chi lưu của sông Congo ở Trung Phi. Chính thông qua một vườn ươm ở Brussels mà cà phê Robusta di chuyển từ Congo Bỉ (Cộng hòa Dân chủ Congo), nơi nó bắt nguồn, đến Java. Sau đó, các lựa chọn sớm đã được sản xuất thành công và hạt giống mới được sử dụng để thiết lập các trang trại ở các quốc gia khác như Ấn Độ, Uganda và Bờ Biển Ngà. Các quần thể tự nhiên địa phương dần dần được sử dụng cho việc trồng trọt ở các quốc gia châu Phi khác và điều này đã cho phép việc phổ biến cà phê Robusta trên các khu vực trồng trọt mới trước khi chúng cuối cùng đến châu Mỹ vào khoảng năm 1912.
Ngày nay, một số loại cà phê hoang dã mới tiếp tục được phát hiện trong rừng nhiệt đới châu Phi. Ngoài ra, các loại mới đang được phát triển ở các khu vực nhiệt đới khác trên thế giới. Ở Trung Mỹ, Colombia, Brazil, Bờ Biển Ngà, hoặc Kenya, các chương trình lai tạo đang tập trung không chỉ vào năng suất cao mà còn vào sự chịu đựng cao đối với sâu bệnh (chủ yếu cho Arabica), sự thích ứng sinh lý tốt hơn với các khu vực trồng cà phê mới hoặc thay đổi khí hậu, và khi có thể, cũng như các đặc tính cảm giác khác nhau.
2. Xuất xứ Thực vật và Phân bố Địa lý
2.1 Cây cà phê
Đối với một nhà thực vật học, bất kỳ loại cây nhiệt đới nào thuộc họ Rubiaceae, sản xuất hạt cà phê, đều được coi là “cây cà phê”. Hơn 100 loài cà phê đã được mô tả bởi các nhà thực vật học từ thế kỷ 16, và số lượng loài đã tăng mạnh kể từ khi tạo ra chi Coffea. “Cà phê thật sự” được phân loại vào bộ tộc Coffeeae, bao gồm hai chi: Psilanthus và Coffea (Bridson, 1987). Sự khác biệt chính giữa hai nhóm này dựa vào tiêu chí hình thái của cấu trúc hoa. Chi Coffea có một thân dài và ống hoa dài vừa với nhụy phôi nhô ra. Chi Psilanthus được đặc trưng bởi một thân ngắn và ống hoa dài với nhụy phôi bọc kín. Hình dạng của cây cà phê có thể thay đổi từ cây bụi lâu năm nhỏ đến cây gỗ cứng dày, trong khi quả của chúng có cấu trúc đặc biệt. Trên thực tế, mỗi quả là một loại quả mâm không mở với hai hạt, mỗi hạt có một rãnh sâu đặc trưng (tức là rãnh lõm) ở phần bụng, được gọi là “đường rãnh cà phê” (Davis et al., 2006).
2.2 Lịch sử tiến hóa
Khu vực trung tâm châu Phi dường như là nguồn gốc của các loài chính của Coffea bao gồm hai loài quan trọng về mặt thương mại là Coffea arabica (hay còn gọi là Arabica) và Coffea canephora (hay còn gọi là Robusta). Ban đầu, Arabica là một cây bụi sống dưới tầng rừng xung quanh phía tây nam Ethiopia và phía bắc Kenya, ở độ cao từ 1300 đến 2000 m. Chỉ trong thời gian gần đây, nguồn gốc của C. arabica đã được công nhận chính thức sau khi một số cuộc thăm dò thực vật học đã được tiến hành suốt thế kỷ 20. Năm 1999, phân tích phân tử và di truyền học cuối cùng đã cho phép làm sáng tỏ nguồn gốc của loài này, kết quả từ sự lai tạo tự nhiên giữa hai dạng sinh học liên quan đến các loài C. eugenioides và C. canephora (Lashermes et al., 1999). Sự khác biệt di truyền thấp giữa hai bộ gen cấu thành của C. arabica và các loài tổ tiên của nó ủng hộ giả thuyết rằng C. arabica phát sinh từ một sự kiện phân loài rất gần đây xảy ra từ 10.000 đến 50.000 năm TCN (Cenci et al., 2012).
Loài C. canephora có nguồn gốc từ rừng ngập nước ẩm ướt của châu Phi nhiệt đới. Ban đầu, hai loại gen chính đã được phân biệt: Kouillou và Robusta. Loại Kouillou được mô tả là một nhóm nhỏ với đa dạng gen thấp. Một lựa chọn duy nhất từ loại này bắt nguồn từ giống “Conilon” nổi tiếng được trồng rộng rãi tại Brazil. Loại Robusta được mô tả là quan trọng nhất trong hai nhóm: người Congo (từ Trung Phi) và người Guinea (từ Bờ Biển Ngà và Guinea). Mỗi nhóm được đặc trưng bởi sự khác biệt về hình thái, thói quen sinh trưởng và sự thích nghi với các điều kiện sinh thái đa dạng. Các nghiên cứu đa dạng phân tử sau này đã cho phép phân biệt chi tiết hơn từng nhóm thành bảy nhóm con khác nhau: D (Guinean); SG1 hoặc A (Conilon); SG2 hoặc B (Cộng hòa Trung Phi); E (Congo); C (Cameroon); O (Uganda); và R (Cộng hòa Dân chủ Congo) (Dussert et al., 1999; Cubry, 2008; Gomez et al., 2009).
Mặc dù đã có rất nhiều thông tin được thu thập, việc làm sáng tỏ hoàn toàn về lịch sử tiến hóa của các loài Coffea vẫn còn mảnh lẻ. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, các công nghệ genôm mới được áp dụng vào nghiên cứu cây cà phê đã đưa ra cái nhìn thêm về sự tiến hóa của gen của chúng.
2.3 Phân bố địa lý
Sự phân bố địa lý ban đầu của chi Coffea bị hạn chế trong các vùng nhiệt đới ẩm ướt của châu Phi và các đảo phía Tây Ấn Độ Dương. Các nghiên cứu so sánh dựa trên phân tích phân tử của các loài Coffea đã chứng minh sự tương ứng mạnh mẽ giữa nguồn gốc phylogenetic của chúng và phân bố địa lý trên bốn khu rừng nhiệt đới chính: Tây và Trung Phi châu Phi, Đông Phi và Madagascar, nơi các loài bắt nguồn (Lashermes et al., 1997; Razafinarivo, 2013). Số lượng loài cà phê được ghi nhận trong các quốc gia khác nhau trong vòng 15 năm qua cho thấy sự hiện diện của ba điểm nóng chính của đa dạng loài nằm ở Madagascar, Cameroon và Tanzania. Mặc dù có sự tăng lên về tình trạng phá rừng ở những khu vực này, việc ghi nhận các loài mới ở các quốc gia khác nằm dọc theo vùng nhiệt đới châu Phi vẫn đáng kể.
Sự phân bố tự nhiên của một số loài Cà phê được công nhận nhiều nhất ở Châu Phi.
Mặc dù các loài cà phê được tìm thấy từ mực nước biển lên đến 2300 m, hầu hết các loài (67%) được thích nghi với một phạm vi độ cao hạn chế dưới 1000 m. Một số loài như C. canephora, Coffea liberica, Coffea salvatrix, Coffea eugenioides hoặc Coffea brevipes có phạm vi phân bố rộng rãi ở các vùng cao, từ vùng thấp (ví dụ, <500 m lên đến 1500 m), trong khi những loài khác chủ yếu bị hạn chế trong các phạm vi biến đổi hẹp (ví dụ, Coffea heterocalix, Coffea kapakata, Coffea sessiflora hoặc Coffea stenophylla). Hơn nữa, C. arabica thích nghi tốt với một phạm vi từ 800 đến 2000 m. Trong khi đó, hầu hết các loài có phạm vi phân bố rộng rãi trên lục địa châu Phi (tức là C. canephora, C. eugenioides và C. liberica) thường được tìm thấy trong môi trường sống ẩm ướt được đại diện bởi rừng xanh hoặc rừng galeri. Ngược lại, các loài khác như Coffea congensis, Coffea racemosa hoặc Coffea pseudozanguebariae có sự thích nghi cụ thể với môi trường sống có điều kiện đất và khí hậu cụ thể.
3. Chiến lược Lai tạo và các loại cây trồng
3.1 Các loại Arabica
Khoảng 60% tổng sản lượng cà phê (84,3 triệu túi 60 kg vào năm 2014/2015, theo thống kê của ICO) đến từ loài Arabica (Hình 1.3). Các loại truyền thống như Typica và Bourbon, có nguồn gốc từ dân số Yemen, cũng như một số biến thể của chúng như Caturra, đã lâu được coi là có năng suất cao và cho chất lượng cốc tiêu chuẩn. Chỉ một số lựa chọn cụ thể như Laurina, Moka, hoặc Blue Mountain đã được thị trường công nhận là tạo ra cà phê chất lượng cao. Ngược lại, cà phê có nguồn gốc từ vùng Ethiopia và Sudan, như Geisha và Rume Sudan, được coi là lựa chọn hoang dã hoặc bán hoang dã, thích hợp để cung cấp cho các thị trường đặc biệt do năng suất thấp của chúng.
Vào đầu những năm 1980, sự cần thiết phát triển các loại Arabica chống lại bệnh rỉ lá cà phê (CLR) do nấm Hemileia vastatrix gây ra đã buộc các nhà di truyền học phải tìm kiếm nguồn gen chống lại khác. Mặc dù sự gần gũi di truyền giữa loài C. arabica và loài Robusta có thể không bị xem nhẹ (Herrera et al., 2002), sự truyền gen thông qua cách lai giữa các loài triploid giữa các loài có nguồn gốc khác nhau đại diện cho một hướng tiếp cận dài hạn để giới thiệu sự chống chịu gen cho Arabica trồng trồng. Do đó, hầu hết các nhà lai tạo quyết định sử dụng giống lai Timor (là một giống lai tự nhiên giữa C. arabica và C. canephora), tương thích cao với Arabica, là nguồn gen chống chịu chính. Như một phần của những nỗ lực này, các loại lai tạo khác nhau đã được phát triển (ví dụ, Catimors, Sarchimors) kết hợp năng suất cao và khả năng chống rỉ lá.
Cây thuộc giống Arabica phổ biến nhất trên thế giới.
Mặc dù hiệu suất nông nghiệp tổng thể đã được cải thiện, chất lượng cốc của các loại mới vẫn là một chủ đề gây tranh cãi trong một số trường hợp; đó là trường hợp của giống Costa Rica 95, có chất lượng kém hơn so với các loại truyền thống (Leroy et al., 2006; Van der Vossen, 2009). Tuy nhiên, kinh nghiệm lai tạo đã cho thấy rằng khi lựa chọn chất lượng được coi là một tiêu chí chính, có thể thu được các loại Arabica lai tạo với chất lượng cốc xuất sắc (Bertrand et al., 2003). Một số ví dụ là giống Castillo phát triển tại Colombia, giống Ruiru 11 phát triển tại Kenya, hoặc một số giống chống chịu phát triển tại Brazil.
Ở Colombia, các loại hỗn hợp Colombia và gần đây hơn là Castillo đã được đánh giá về các đặc tính cảm quan trong các nghiên cứu khác nhau (Moreno et al., 1997; Alvarado và Puerta, 2002; Alvarado et al., 2009). Nhìn chung, kết quả cho thấy rằng ngay cả khi những loại này là sự kết hợp giữa một số dòng tiến bộ (F5 và F6), hồ sơ cảm quan của chúng không thể phân biệt được so với các nhóm loại truyền thống như Caturra, Typica, hoặc Bourbon. Đáng chú ý, trong một nghiên cứu (Alvarado et al., 2009), đã có thể xác định các dòng cụ thể của giống Castillo có hồ sơ chất lượng vượt trội theo cách thống kê so với các loại truyền thống.
Ruiru 11 là một giống lai tạo khác được phát triển tại Trạm Nghiên cứu Cà phê Ruiru (Kenya), và được phát hành cho người trồng năm 1985. Nó kết hợp khả năng chống lại các bệnh lớn của cà phê, bao gồm bệnh nấm lá cà phê (CBD) và CLR, với năng suất cao, chất lượng tốt, và sự phát triển gọn gàng phù hợp với mật độ trồng cao. Trong một báo cáo gần đây, Guichuru và cộng sự (2013) chỉ ra khả năng lựa chọn, trong số các thành phần của Ruiru 11, một số dòng lai kết hợp cả chất lượng cốc cao và khả năng chống lại CBD.
Tại IAPAR, Viện Nông nghiệp Parana´ ở Brazil, hàng trăm dòng lai đã được lựa chọn sau năm 1973. Việc lựa chọn được thực hiện từ hàng ngàn genoty được phát sinh từ các nguồn gen như Catuaı´, Mundo Novo, Icatu, Catimor, Sarchimor, Catucaı´, và gần đây hơn là một số lựa chọn thí nghiệm. Kinh nghiệm tích luỹ tổng thể cho thấy chất lượng có thể dao động mạnh trong hậu duệ thu được ngay cả từ các bậc cha mẹ ban đầu có hồ sơ chất lượng cốc cao. Nhiều dòng từ các nguồn gen Icatu và Sarchimor, ví dụ, gặp vấn đề như tỷ lệ hạt vỏ cao và chất lượng cốc kém, trong khi những dòng khác từ cùng nguồn gen lại có hồ sơ chất lượng vượt trội (Sera, 2001).
3.2 Các loại Robusta
Chiến lược lai tạo trong loại cà phê Robusta được xác định bởi tính tự không tương thích nghiêm ngặt của loài và do đó, mục tiêu sẽ là lựa chọn các giống lai được nhân giống theo cách thụ phấn kiểm soát hoặc các giống lai lai được nhân giống bằng hạt giống và thu được dưới sự thụ phấn kiểm soát. Hai phương pháp chính đã được phát triển bởi Viện cà phê cho lai tạo Robusta: lựa chọn massal, chủ yếu được áp dụng tại Brazil và Việt Nam, và lựa chọn bằng lai tạo giữa các nhóm gen xa nhau được phát triển bởi các nhà khoa học Pháp và Bờ Biển Ngà. Lai tạo bằng lai tạo đã được mở rộng thành chương trình lựa chọn định kỳ và lựa chọn đối lập tại Bờ Biển Ngà.
Trồng trọt C. canephora bắt đầu từ đầu thế kỷ 19 do thiệt hại đáng kể gây ra bởi bệnh CLR trên các trang trại cà phê C. arabica ở châu Á. Theo các báo cáo đầu tiên có sẵn, cà phê Robusta đã được giới thiệu vào Java vào năm 1901 từ một nguồn gốc trước đây được xác định tại Cộng hòa Dân chủ Congo. Những giống cà phê Robusta này nhanh chóng được chấp nhận bởi những người nông dân châu Phi đầu tiên nhờ sức mạnh, năng suất và khả năng chống lại CLR. Đồng thời, các nguồn gen hoang dã khác của loài C. canephora như Kouillou, Maclaudi & Game, Niaouli, hoặc Coffea ugandae cũng được triển khai ở các quốc gia khác nhau như Bờ Biển Ngà, Guinea, Togo, hoặc Uganda, tương ứng (Charrier và Eskes, 1997).
So với đó, C. liberica Hiern, loài cà phê được trồng quan trọng thứ ba, được trồng ít hơn so với C. canephora do sự nhạy cảm được công nhận đối với Fusarium xylarioides, mặc dù loài này đã cho thấy sự chín đều của quả, góp phần tạo ra chất lượng cà phê tốt hơn và trọng lượng hạt cao hơn. Mặc dù có mối quan hệ phân loại gần gũi giữa hai loài này (Robusta và Liberica), chúng vẫn khác nhau đáng kể về các đặc điểm hình thái của chúng (N’Diaye và cộng sự, 2005).
Chỉ sau những năm 1960, các lựa chọn giống lai mới của Robusta đã được thu được ở Uganda, Congo, và sau đó ở Bờ Biển Ngà. Tuy nhiên, hầu hết các loại đa gen được sử dụng bởi nông dân vẫn gần gũi về mặt di truyền với các nguồn gen địa phương hoang dã. Ngày nay, chỉ một số quốc gia giảm bớt chương trình lựa chọn cho các giống lai thương mại. Nhờ vào công việc này, đã đạt được những cải tiến đáng kể, ví dụ, ở Bờ Biển Ngà, năng suất và kích thước hạt đã được cải thiện đáng kể (từ 30% đến 110% tăng năng suất và 50% tăng kích thước hạt). Các loại đa gen cũng đã được phát triển ở Brazil trong nhóm “Conilon”, một nhóm gen của C. canephora. Một số loại Conilon được thu được thông qua lựa chọn massal (ví dụ, Emcapa 8111, Emcapa 8151, Victoria Incaper 8142, Conilon, và nhiều loại khác) và hiện được trồng trên diện rộng ở đất nước này (Gava Ferra˜o và cộng sự, 2007).
4. Cơ sở di truyền của chất lượng cà phê
4.1 Những yếu tố sinh hóa xác định chất lượng
Chất lượng, theo nghĩa được chấp nhận, bao gồm các tính chất vật lý, hóa học và cảm quan của đồ uống cà phê. Chất lượng này đang chịu ảnh hưởng của một số yếu tố bao gồm không chỉ di truyền và sinh lý của cây mà còn tất cả các thực hành nông nghiệp và chế biến liên quan đến quy trình thu hoạch và sau thu hoạch (xem Chương 2 và 3). Mỗi yếu tố đều đóng một vai trò quan trọng và không được đánh giá thấp. Do đó, tiềm năng chất lượng của cà phê xanh được sản xuất bởi cây cà phê cần được bảo tồn trong suốt chuỗi cung ứng để cung cấp chất lượng đồ uống được mong đợi bởi người tiêu dùng.
Trong số các thành phần chất lượng tổng thể, tiềm năng di truyền của loài, gen và biến thể để sản xuất “hạt cà phê chất lượng” vẫn là một trong những yếu tố quan trọng nhất. Điều này đúng không chỉ về kích thước mà còn về nội dung các hợp chất (tức là, thành phần sinh hóa). Hơn nữa, chất lượng cũng tự nhiên đến mức độ biến đổi của một số yếu tố di truyền và tương tác của chúng với môi trường (Villarreal và cộng sự, 2009; Joe¨t và cộng sự, 2012).
Các nghiên cứu về các loài Coffea khác nhau đã cho thấy sự biến đổi thú vị về các hợp chất sinh học hiện liên quan đến các đặc tính chất lượng (Anthony và cộng sự, 1993; Campa và cộng sự, 2004, 2005). Sự biến đổi sinh học này liên kết với một nguồn gen hữu ích cho nhà lai tạo cà phê; tuy nhiên, việc hiểu rõ hơn về cơ sở sinh học và di truyền của chất lượng vẫn cần thiết để sử dụng các loài này để cải thiện các loại cà phê thương mại.
Ngoài hai loài cà phê thương mại quan trọng (C. arabica và C. canephora), chỉ có một số ít các loài Coffea khác, được biết đến là phù hợp để tiêu thụ. Trong số các loài được trồng, C. liberica, C. racemosa, C. stenophylla, hoặc Coffea humblotiana có thể được đề cập như là các ví dụ cụ thể về sản xuất và tiêu thụ địa phương (Anthony, F. và Hamon, P., Trò chuyện cá nhân, Tháng 11 năm 2015). Một số loài này có nồng độ caffeine tự nhiên cao, nhưng cũng có nồng độ trigonelline và sucrose cao (Hình 1.4), được công nhận là hai trong số các tiền chất hương vị và mùi vị chính sau khi rang (Farah và cộng sự, 2005). Trong trường hợp của cà phê xanh Arabica, nồng độ sucrose và trigonelline cao kết hợp với mức độ caffeine thấp được đề cập là yếu tố tiềm năng, ít nhất là một phần, cho chất lượng cảm quan tốt hơn của nó (Casal và cộng sự, 2000; Ky và cộng sự, 2001). Tuy nhiên, như đã đề cập trước đó cho các loài khác, mức độ cao của ba hợp chất sinh học này không đủ để đảm bảo một cà phê chất lượng cao.
4.2 Di truyền của chất lượng
Một trong những nghiên cứu tiên phong về biến thể di truyền cho các đặc điểm chất lượng, Walyaro (1983) đã phân tích 11 biến thể cà phê (C. arabica) và các loại lai của chúng cho các đặc điểm chất lượng khác nhau trong vòng 3 năm và dưới hai mật độ trồng khác nhau. Tác giả này kết luận rằng hầu hết các đặc điểm chất lượng đều có tính di truyền cao, đặc biệt là các đặc điểm về kích thước hạt và các tiêu chuẩn chất lỏng tổng thể được biểu thị bởi độ axit, cơ thể và hương vị. Xem xét điều này, việc cải thiện di truyền cho chất lượng trở nên là một mục tiêu có thể đạt được. Đối với hầu hết các đặc điểm liên quan đến chất lượng, sự biến đổi quan sát được chủ yếu do các hiệu ứng di truyền cộng hưởng. Nói chung, các loại lai được tạo ra từ các bậc cha mẹ có các đặc điểm chất lượng cà phê tốt thường tạo ra cà phê chất lượng tốt.
Các nghiên cứu sâu rộng cũng đã được tổ chức để hiểu rõ cơ chế di truyền điều khiển chất lượng của cà phê Robusta (Montagnon et al., 1998; Ky et al., 2000, 2001). Tổng thể, những nghiên cứu này đã chứng minh rằng ở C. canephora, một số đặc điểm như nồng độ chất béo, nồng độ caffeine và trọng lượng hạt có giá trị di truyền cao, trong khi các đặc điểm khác như trigonelline, axit chlorogenic hoặc nồng độ sucrose có giá trị di truyền cao đến trung bình tùy thuộc vào nguồn gốc giữa các loài hoặc trong các quần thể cùng loài đang được nghiên cứu. Trong bối cảnh này, những tiến bộ di truyền quan trọng trong cà phê Robusta có thể được đạt được thông qua các phương pháp lai tạo thông thường trên các đặc điểm như kích thước hạt hoặc nồng độ caffeine.
Thành phần sinh hóa của 16 loài Coffea về hàm lượng trigonelline (A), sucrose (B) và caffeine (C). Các loài C. arabica và C. canephora thương mại được chỉ định làm tài liệu tham khảo. Ngoài ra, một số loài được (hoặc đã) được trồng ở một số khu vực hạn chế chỉ để tiêu thụ tại địa phương (ví dụ: C. liberica, C. racemosa, C. stenophylla hoặc C. humblotiana) được đánh dấu bằng dấu đồ thị.
Trong số hàng trăm hợp chất liên quan đến chất lượng đồ uống, caffeine là một trong những hợp chất được nghiên cứu nhiều nhất. Caffeine là một loại alkaloid purin có mặt trong một số nhóm loài thực vật như trà (Camellia spp.), cacao (Theobroma spp.), hoặc cây guarana` (Paullina cupana) nguyên sinh từ lưu vực Amazon trung tâm. Caffeine tích tụ trong hạt, lá và lá mầm và có vẻ như có vai trò như một hợp chất allelopathic cũng như là phòng thủ sinh học chống lại sự ăn mòn của sâu bệnh. Gần đây, cơ sở di truyền của con đường caffeine cũng đã được phát hiện và hiện được hiểu rõ. Do đó, nhờ vào các công nghệ sinh học phân tử mới áp dụng vào lai tạo cà phê thông thường, trong tương lai gần có thể điều chỉnh nồng độ caffeine trên một phổ rộng và hiệu quả hơn so với trước khi các công nghệ lai tạo mới được áp dụng.
4.3 Phương pháp thử nghiệm
Nhờ vào việc triển khai tiến bộ của các phương pháp phân tích mới cũng như các công nghệ dựa trên DNA trong cà phê, việc nghiên cứu về “chất lượng cảm quan” trở nên chính xác và giá cả phải chăng hơn. Trong bối cảnh này, hai phương pháp bổ sung chính được dự kiến để đánh giá cơ sở di truyền của chất lượng cốc cà phê: (1) phương pháp metabolomics, mục tiêu là tìm kiếm việc xác định “chỉ số sinh học,” là các hợp chất lưu trữ và bay hơi được công nhận rộng rãi là tiền chất quan trọng của hương thơm và vị cà phê; (2) phương pháp transcriptomic, mục tiêu là xác định “chỉ số phân tử” mật thiết liên kết với gen, hoặc gần đây hơn, với các vùng di truyền, thường liên quan đến sự biểu hiện của các điểm di truyền định lượng (QTLs), liên quan đến các tiền chất sinh học của chất lượng (Joe¨t et al., 2012). Do đó, có khả năng rằng số lượng tăng lên của các QTLs gần đây được báo cáo và liên quan đến các hợp chất như caffeine, hydrat cacbon, lipid, hoặc các hợp chất phenolic sẽ là điểm khởi đầu để tăng tốc các chiến lược lai tạo hiện đại hơn (Leroy et al., 2006; Me´rotL’Anthoe¨ne et al., 2014).
5. Tương lai trong Lai tạo Cà phê: Chiến lược và Quan điểm
Trong tương lai, ngành cà phê đang đối mặt với những thách thức mạnh mẽ như tác động tiêu cực của biến đổi khí hậu đối với sản xuất và chất lượng cà phê. Do đó, việc phát triển các loại cà phê Arabica thích hợp hơn với nhiệt độ cao hơn phải là ưu tiên hàng đầu cho các nhà lai tạo cà phê trong những thập kỷ tới (Ovalle et al., 2015). Ngoài ra, thị trường thế giới cũng đòi hỏi sản lượng cao hơn của cà phê chất lượng, thúc đẩy các quốc gia sản xuất phát triển một thế hệ mới của các loại cà phê, có sự sửa đổi để thích nghi tốt hơn, năng suất ổn định hơn và hồ sơ chất lượng ổn định hơn.
Đối với C. arabica, loài có chất lượng cảm quan tốt nhất trong số các loài cà phê, mục tiêu chính trong tương lai sẽ là kết hợp chất lượng cảm quan cao với khả năng thích nghi tốt hơn với các căng thẳng không sống được gây ra bởi biến đổi khí hậu. Sự xảy ra hạn hán, cũng như sự gia tăng của sâu bệnh, đều đại diện cho những thách thức quan trọng cho tương lai. Do đó, các loại mới nên có khả năng chịu đựng tốt hơn đối với các căng thẳng sống và không sống được trong bối cảnh của các biến đổi khí hậu. Trong kịch bản này, các loại lai F1 trở thành một chiến lược thú vị hướng đến một hệ thống “nông nghiệp môi trường” mới. Những loại lai này, đầu tiên được phát triển ở Trung Mỹ, đã chứng minh được sự hiệu quả cao hơn (tăng 30-60% so với các loại truyền thống tốt nhất) và thích nghi tốt hơn với các môi trường khác nhau, đặc biệt là với hệ thống trồng cây lâm nghiệp (Bertrand et al., 2006). Tuy nhiên, các loại lai F1 cần có hệ thống sinh sản thụ động, ảnh hưởng đến chi phí sản xuất cây giống cà phê. Một số triển vọng thú vị đang được nghiên cứu để giảm chi phí này thông qua sự kết hợp của các phương pháp sinh sản in vitro kết hợp với các hệ thống trồng trọt hoặc thông qua một chiến lược sinh sản hạt dựa trên việc sử dụng tình trạng vô sinh của đực.
Các loại Robusta đã được thu được thông qua việc lựa chọn massal bên trong các nhóm gen hẹp hoặc thông qua lai tạo giữa các kiểu gen được lựa chọn trong các nhóm Guinean và Congolese. Kết quả của các chiến lược lai tạo này đã dẫn đến sự cải thiện đáng kể về năng suất và sức mạnh, chứng tỏ sự hiệu quả của những phương pháp này (Leroy et al., 1994). Tuy nhiên, các nghiên cứu phân tử gần đây dựa trên đa dạng gen di truyền dựa trên chiều dài các đoạn hạn chế và các dấu hiệu phân tử lặp lại đơn giản đã xác nhận sự tồn tại của một đa dạng gen chưa được khai thác, với bảy nhóm bao gồm cả những nguồn gốc Guinean và Congolese (Dussert et al., 1999; Cubry et al., 2008). Trong trung hạn, có thể mong đợi rằng nhà lai tạo sẽ có thể sử dụng sự đa dạng gen có sẵn này để tạo ra các kế hoạch lai tạo để tận dụng hiệu suất heterotic của các loại lai.
6. Triển vọng
Trong tương lai gần, ngành công nghiệp cà phê sẽ phải đối mặt với việc giới hạn về lượng nguyên liệu. Biến đổi khí hậu tăng tốc độ đang ảnh hưởng đến sự tương tác sinh học giữa các loại cây trồng và môi trường của chúng theo một cách khác biệt. Năng suất và chất lượng của cây trồng đang bị ảnh hưởng đặc biệt bởi biến đổi khí hậu trực tiếp, và gián tiếp, thông qua các bệnh tật (Newton et al., 2011). Hiện tượng này đúng đối với hầu hết các loại cây trồng thực phẩm và cà phê. Do đó, trong những thập kỷ tới, những người lai tạo sẽ bị buộc phải lựa chọn nguồn gen cha mẹ được chứng minh là chịu đựng tốt dưới các kịch bản biến đổi khí hậu có thể xảy ra bao gồm cả các sự kiện cực đoan. Các thông số chịu đựng này nên bao gồm không chỉ sự kháng cự với sâu bệnh, kháng hạn, và năng suất, mà còn đương nhiên là chất lượng.
Các chương trình lai tạo sẽ cần sự hỗ trợ hơn từ các công cụ mới phát sinh từ các công nghệ dựa trên DNA. Hiện nay, việc phát triển các loại lai trong các loại cây trồng khác nhau làm cho việc kỹ thuật gen có thể tạo ra các loại cây sản xuất ra mức độ cao các chất chuyển hóa mà không gây ra mất năng suất (Fernie và Schauer, 2009). Các nỗ lực liên tục để làm sáng tỏ phản ứng chuyển hóa đối với các căng thẳng sống và không sống được trong các loại lai và giống cà phê Robusta và Arabica cho thấy rằng lai tạo hỗ trợ chuyển hóa có thể cũng hữu ích trong việc phát triển các loại cây cà phê sẽ chịu đựng tốt hơn với những căng thẳng này (Joe¨t et al., 2012).
Trong những thập kỷ gần đây, nhiều công ty tư nhân đã thể hiện sự quan tâm tăng lên đối với việc phát triển và sử dụng các công nghệ lai gen và lai tạo mới này. Như một phần của các mục tiêu này, Nestle´ đã tham gia vào một số sáng kiến hợp tác dựa trên việc phát triển kiến thức khoa học về gen cà phê, như đã được chứng minh thông qua sáng kiến chuỗi gen Robusta liên quan đến một kế hoạch lai tạo công cộng của 27 viện nghiên cứu và 64 nhà khoa học trên toàn thế giới (Denoeud et al., 2014). Gần đây hơn, các công ty cà phê khác như Lavazza và Illy tại Ý đã thành lập một dự án tương tự về gen Arabica. Mục tiêu cuối cùng của tất cả những bên này là để tăng tốc các chương trình lai tạo của họ thông qua việc sử dụng lựa chọn dựa trên dấu vết để rút ngắn đáng kể thời gian cần thiết cho việc sản xuất các giống cây trồng thích hợp như một yếu tố chủ chốt cho tương lai và sự bền vững của ngành công nghiệp cà phê.
