Die Evolution des Maises

Kino ohne Popcorn? Für viele undenkbar. Aber wie wurde aus den wilden Vorfahren die beliebte und vielseitig einsetzbare Kulturpflanze Mais? Vor ca. 10.000 Jahren domestizierte der Mensch den Mais. Forscher versuchten den Verlauf dieses Prozesses nach zu verfolgen: Vergleichende Genomanalysen machen deutlich, dass die Selektion der Bauern in den Anfängen der Domestikation einen entscheidenden Einfluss auf den Mais hatte.

Seit langem forschen Wissenschaftler an dem Genom der Kulturpflanze Mais, denn sie wollen verstehen wie genau aus dem Süßgras Teosinte, dem wilden Vorfahre des Maises, das beliebte Getreide wurde; welche Gene für die Veränderung im Phänotyp verantwortlich sind. Mais (Zea mays) wurde vor circa 10.000 Jahren im Mexiko domestiziert. Archäologische und genetische Befunde, lassen auf das Gebiet um den Fluss Río Balsas, in Zentralmexiko, als Ausgangspunkt der Kultivierung schließen. Seitdem versuchte man kontinuierlich den Mais zu verbessern. Diese Bemühungen fanden ihren Höhepunkt in der Entwicklung von Hybrid-Mais-Linien, die an moderne landwirtschaftliche Methoden angepasst sind.

Mais ist ein wirtschaftlich bedeutendes Getreide

Mais ist eine wichtige Nutzpflanze: 2010 wurden weltweit über 844 Millionen Tonnen Mais geerntet (FAO). Wir nutzen Mais primär als Nahrungs- und Futtermittel, aber auch als Energiepflanze. Dabei wird die Unterart Zea mays subsp. mays mittlerweile weltweit kultiviert.

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Durch Domestikation und Züchtung unterscheiden sich die heutigen Kulturpflanzen phänotypisch stark von Wildpflanzen. Doch nicht nur der Phänotyp unterscheidet sich: man kann auch einen Unterschied in den Genen nachweisen. Um den komplexen Prozess der Evolution vom Wildpflanzentyp zur heutigen Nutzpflanze besser zu verstehen, verglich ein internationales Forscherteam die Genome unterschiedlicher Maislinien miteinander.

Vergleichende Genomanalysen liefern wichtige Hinweise

Das Forscherteam lieferte durch ihre populationsgenetische Studie eine umfassende Beurteilung der Entwicklung moderner Maissorten. Diese basiert auf einer genomweiten Re-Sequenzierung von 75 Maislinien. Die Forscher verglichen Wildformen mit traditionellen Maissorten aus dem gesamten amerikanischen Raum sowie mit modernen verbesserten Zuchtlinien; darunter 17 wilde Verwandte, 23 traditionelle Landsorten und 35 verbesserte Zuchtlinien. Dies stellt die derzeit umfassendste Analyse des Mais-Genoms dar. Die erste Sequenzierung des Genoms gelang einem US-amerikanischen Forscherkonsortium im Jahr 2009 (vgl. Schnable et al., 2009; PLoS Genetics: 2009 Maize Genome Collection); welche hier als Referenzgenom genutzt wurde.

Urzeitbauern hatten einen größeren Einfluss auf die Evolution als moderne Züchtung

Das Forscherteam identifizierte eine Reihe von Genen, die eine Rolle bei der Transformation von Mais gespielt haben. Durch die Genomanalysen fanden die Forscher heraus, dass während der Domestikation ein großer Teil der Vielfalt verloren ging, jedoch seither eine neue Vielfalt in Form von neuartigen Mutationen entstanden ist. Die Wissenschaftler führen diese neuartige Vielfalt der modernen Sorten auf ein Einkreuzen (Introgression) von wilden Arten zurück.

Die Wandelung des wilden Grases zur heutigen Kulturpflanze, mit dem Ziel die Bedürfnisse der Menschen besser zu befriedigen, war größtenteils auf die selektiven Eingriffe der damals lebenden Bauern zurückzuführen. Die Forscher entdeckten, dass die damaligen Bauern dabei einen stärkeren Einfluss auf die Entwicklung des Mais-Phänotyps nahmen, als die modernen Pflanzenzüchter. Hunderte von Genen mit vielfältigen biologischen Funktionen scheinen eine Rolle bei der Domestikation von Mais gespielt zu haben (welche wahrscheinlich unerforschte Aspekte des Phänotyps beeinflusst haben).

Hybridisierung ist in der Landwirtschaft von Bedeutung, um die Qualität und den Ertrag der Ernte auf einem hohen Niveau aufrechtzuerhalten. Moderne Zuchtstrategien, die auf eine - durch Kreuzung erreichte - erhöhte Leistungsfähigkeit (Heterosis-Effekt) abzielen, veränderten die Genexpression. Die Selektion der Bauern während der anfänglichen Domestikation scheint, laut den Forschern, jedoch einen stärkeren Einfluss auf die Evolution des Maises gehabt zu haben. Denn moderne Zuchtmethoden hatten offenbar eine vernachlässigbare Auswirkung auf die genomweite Vielfalt, so ein Ergebnis der Studie.

Das Maisgenom ist komplex

Die Ergebnisse stammen aus einem Verbundprojekt, dessen Forschungsergebnisse in zwei separaten Berichten in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Genetics erschienen. Die zweite Studie (Chia et al., 2012) untersuchte die genetische Struktur und die sequentielle Anordnung der einzelnen Gene in mehr als 100 wilden und domestizierten Maissorten. Das Maisgenom besteht aus über 32.000 Genen (2,3 Milliarden Basen), die auf 10 Chromosomen verteilt sind. Dieses komplexe Maisgenom wurde umfassend analysiert, wobei die Forscher mehr als 55 Millionen genetische Marker (Single Nucleotide Polymorphisms) identifizierten. Sie belegten, dass sich das Genom ständig verändert und legen nahe, dass positive Eigenschaften der Wildpflanzen – wie Trockenresistenz – wahrscheinlich auf Zuchtlinien übertragen werden könnten. 

Grundlage zur Züchtung verbesserter Sorten

Zusammengenommen erlauben die Forschungsergebnisse des Kooperationsprojektes einen detailierten Blick auf das Genom und die Evolution des Maises und ebnen dadurch den Weg für die Entwicklung von neuen noch weiter verbesserten Sorten. Das neugewonnene Wissen dient dabei als Basis, um neue Sorten zu züchten, die resistenter gegenüber Schädlingen und Krankheiten sind, aber auch um Ernteerträge zu steigern. Dies wird vor allem vor dem Hintergrund der stetig wachsenden Weltbevölkerung immer bedeutender.

Durch die Kenntnis der genetischen Vielfalt sowie der neu entwickelten Ansätze und Instrumente, könnten wir auch besser verstehen, wie sich andere Organismen an verändernde Umweltbedingungen -wie z. B. Veränderungen des Klimas und der Lebensräume, oder menschliche Eingriffe - anpassen. Evolutionsforscher können zukünftig ihre Analysen auf diesen neuen Erkenntnissen aufbauen.