Ecophysiological diversity of wild<i> Coffea arabica</i> populations in Ethiopia

Abstract

Drought is a wide-spread limiting factor in coffee (Coffea arabica L.) production, but the development of adapted cultivars is hampered by a limited understanding of the physiological resistance mechanism and the extreme narrow genetic base of plant material used in breeding. Therefore, the objective of this study was to evaluate the ecophysiological diversity of coffees wild progenitors and their potential for the improvement of drought resistance at its primary gene pool and center of genetic diversity, in Ethiopia.<br /> Complementary field and common-garden studies of populations native to habitats spanning a wide range of climatic conditions were examined by combining seasonal measurements in naturally regenerated stands of wild coffee (in-situ) with an artificial drought stress experiment (ex-situ), where seedlings of these populations were raised under controlled environmental conditions and subjected to different watering and light intensity regimes. Plant ecophysiological behavior was assessed in terms of gas exchange activity, leaf water status determined by water potential and osmotic potential measurements, chlorophyll fluorescence and carbon isotope discrimination.<br /> The results of both experiments revealed that the ecophysiology of wild C. arabica populations was strongly influenced by conditions of water deficit, heat and high irradiance, which had combined effects on the plants during drought periods.<br /> However, the coffee plants were able to adapt to the natural and experimental drought conditions; thereby their resistance mechanism was mainly based on the capability to avoid tissue desiccation. In particular, physiological responses were attributed to fine control of stomatal conductance reducing water loss, high rates of photosynthesis and improved water-use efficiency. Overnight re-saturation of tissue water status with no active osmotic adjustment ability was another important characteristic in drought adaptation of the plants.<br /> In addition, the in-situ ecophysiological behavior of populations from different habitats revealed contrasting strategies in response to drought stress, thereby this habitat-specific variability was also found under common-garden conditions. Thus, the results of this study provide evidence that there is a genetic basis of the marked ecophysiological diversity in wild Coffea arabica and that the contrasting habitat conditions result into different selection pressures for traits related to water-use and promote regional differentiation in adaptation to drought stress.<br /> Furthermore, the coffee plants exhibited substantial phenotypic plasticity for all ecophysiological traits in response to varying soil moisture conditions; thereby the magnitude of plasticity differed markedly among the populations. In particular, plants originating from drier, variable climates showed the highest amount of plasticity suggesting fast adaptation to changing environmental conditions. A high correlation of plastic responses in most characters was an indicator for a high degree of phenotypic integration demonstrating the need for integrative approaches for the evaluation of drought adaptation in this species.<br /> Overall, the profound amount of ecophysiological diversity in the primary gene pool of C. arabica found in this study emphasizes its importance as a unique and valuable genetic resource. The specific adaptations to drought stress suggest a high potential for breeding of improved cultivars and stresses the need for conservation of the profound ecophysiological diversity. In particular, the findings suggest an approach of in-situ conservation within the evolutionary dynamic ecosystems of the natural habitat of Coffea arabica in order to allow the preservation of genes for stress resistance as they co-evolve with their changing environment.

<strong>Ökophysiologische Diversität in Wildpopulationen von Coffea arabica in Äthiopien - Mechanismen der Trockenstreßadaption</strong><br /> Trockenstress gehört weltweit zu den Umweltfaktoren, die im erheblichen Maße das Ertragspotenzial von Arabica-Kaffee (Coffea arabica L.) beeinträchtigen. Da jedoch die Züchtung stressadaptierter Sorten durch mangelnde Kenntnisse des Resistenzmechanismus sowie der engen genetischen Basis moderner Kulturpflanzen stark limitiert ist, untersucht die vorliegende Arbeit das Ausmaß der ökophysiologischen Vielfalt und Züchtungs-potenzial von Arabica-Kaffee in Äthiopien, seinem Ursprung und genetischem Zentrum.<br /> Hierzu wurden vier Fragmente des afromontanen Regenwaldes mit natürlichem Vorkommen von Arabicakaffee entlang eines Klimagradienten ausgewählt und das ökophysiologische Verhalten der Pflanzen während natürlich vorkommender Trockenperioden am natürlichen Standort (in-situ) sowie unter kontrollierten Trockenstressbedingungen (ex-situ) untersucht. Die Charakterisierung des pflanzlichen Wasserhaushaltes erfolgte durch Messungen des Gaswechsels, der Chlorophyll-Fluoreszenz, des Blattwasserstatus sowie der δ13C Analyse.<br /> Sowohl unter natürlichen als auch unter experimentellen Trockenstressbedingungen war das ökophysiologische Verhalten der Kaffeepflanzen stark von einer Kombination verschiedener Umweltfaktoren wie Bodenwassergehalt, Temperatur, Lichtintensität und dem atmosphärischen Wasserdampfdruckdefizit beeinflusst.<br /> An der Ausprägung der Trockenstressresistenz zeigten sich eine Vielzahl von physiologischen Merkmalen beteiligt, die vornehmlich auf Mechanismen zur Vermeidung der Austrocknung des Pflanzengewebes beruhten, wobei eine mögliche Austrocknungs-toleranz durch osmotische Anpassung nicht nachgewiesen werden konnte. Eine Anpassung an Trockenheit erreichten die Pflanzen maßgeblich durch das Aufrechterhalten einer hohen Nettophotosyntheserate, die effektive stomatäre Kontrolle der Transpirationsverluste sowie eine hohe Wasserausnutzungseffizienz.<br /> Weiterhin zeigten die Ergebnisse, dass sich die Kaffeepopulationen hinsichtlich der Anpassung an Trockenstress unterschieden, wobei die Ausprägung unter ex-situ Bedingungen auf eine genetische Fixierung der populationsspezifischen Adapations-mechanismen hinweist. Da sich die Unterschiede darüber hinaus als Anpassung an die jeweiligen Umweltbedingungen am natürlichen Standort interpretieren ließen, kann den spezifischen Habitatbedingungen als Selektionsfaktoren eine bedeutende Rolle hinsichtlich der ökophysiologischen Differenzierung der Populationen beigemessen werden.<br /> Weiterhin stellt die Arbeit die phänotypische Plastizität als eine wichtige Anpassungs-strategie in den äthiopischen Kaffeepopulationen an veränderte Umweltbedingungen heraus, hinsichtlich dieser auch Populationsunterschiede nachgewiesen werden konnten. Darüber hinaus verdeutlichten die Ergebnisse die Notwendigkeit einer integrierten Betrachtungsweise der untersuchten ökophysiologischen Merkmale, die in Ihrem Zusammenwirken maßgeblich die erfolgreiche Adaptation an Trockenstress beeinflussen.<br /> Die in dieser Studie nachgewiesene einmalige ökophysiologische Vielfalt der äthiopischen Wildkaffeepopulationen belegt ihren potenziellen Nutzen in Züchtungsprogrammen und macht somit die Erarbeitung nachhaltiger Schutzkonzepte für den Erhalt dieser wertvollen pflanzengenetischen Ressourcen notwendig. Hierbei sollten Strategien einer In-situ-Konservierung im Vordergrund stehen, um so den Erhalt und die kontinuierliche Weiterentwicklung der ökophysiologischen Diversität von C. arabica für heutige und auch zukünftige Nutzungsinteressen gewährleisten zu können.