Gezähmtes Genom

Wie sich die künstliche Auslese des Menschen auf das Erbgut von Kulturpflanzen auswirkt, haben Wissenschafter am Modell der Tomate untersucht. Durch natürliche Selektion wären viele Eigenschaften erhalten geblieben, die in unseren Kultursorten verloren gingen, zeigt der Vergleich von Kultur- und Wildtomaten.

Eine der wichtigsten Entwicklungen in der Geschichte der Menschheit war die Kultivierung von Pflanzen, um diese als Nahrung verfügbar zu machen. Dabei selektierten die Menschen seit jeher diejenigen Pflanzen, die über besonders vorteilhafte Eigenschaften verfügten. Über Jahrtausende beeinflusste der Mensch dadurch auch den genetischen Hintergrund von Kulturpflanzen. Wie stark die Genome von Kultur- und Wildpflanzen dabei auseinander gedriftet sind, haben Wissenschaftler jetzt an Tomatenpflanzen mit modernen Sequenziermethoden untersucht. Der Einfluss des Menschen hat die genetischen Eigenschaften von Kultursorten anscheinend nicht nur verbessert.

Modell Tomate: Viele Phänotypen, erst kürzlich kultiviert

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Die Kultivierung der Tomate wurde bereits intensiv erforscht. Wann genau Tomaten kultiviert wurden, wird unter Wissenschaftlern derzeit noch diskutiert. Als sicher gilt jedoch, dass die Pflanze um das 17. oder 18. Jahrhundert von Mexiko nach Europa eingeführt wurde. Die Menschen legten dabei offenbar besonderen Wert auf die Größe der Früchte, denn diese hat in den letzten Jahrhunderten stark zugenommen. Die Tomate eignet sich aus zwei Gründen besonders gut dazu, die Auswirkungen der künstlichen und natürlichen Selektion zu vergleichen: Wilde Tomaten sind phänotypisch sehr verschieden und Tomaten wurden erst in jüngerer Vergangenheit kultiviert. Was also haben wir Menschen in den letzten rund 400 Jahren durch die Kultivierung an dieser Pflanze verändert?

Die Auslese des Menschen hinterlässt genetische Spuren

Ein Team aus Wissenschaftlern um Prof. Detlef Weigel vom Max-Planck-Institut (MPI) für Entwicklungsbiologie in Tübingen untersuchte in Kooperation mit Wissenschaftlern des MPI für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln und des MPI für molekulare Pflanzenphysiologie in Golm, der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen, des Forschungszentrums Jülich sowie weiteren internationalen Forschungspartnern das Genom und das Transkriptom, die Gesamtheit aller aktiv abgelesenen Gene, von sechs verschiedenen Tomatenspezies. Darunter waren eine kultivierte Tomate, zwei verwandte rotfrüchtige Arten und drei wilde grünfrüchtige Arten aus unterschiedlichen Regionen, die sich in der Natur verschiedenen Lebensräumen anpassen mussten. Mittels Hochdurchsatz-Sequenzierungsmethoden suchten die Wissenschaftler nach Unterschieden in der DNA-Sequenz sowie in den abgelesenen Genen in diesen Tomatenarten. Dabei stießen sie auf hunderttausende Stellen im Genom und im Transkriptom, an denen sich wilde von kultivierten Tomaten unterscheiden. Auch die Genaktivität der wilden und domestizierten Sorten haben mittlerweile ganz unterschiedliche Muster entwickelt. Das galt vor allem für Gensets, die die Pflanzen vor biotischem und abiotischem Umweltstress schützen. Diese Gene werden in den wilden Sorten stärker aktiviert, als in den Kulturtomaten, wie die Analyse zeigte. Die Wissenschaftler fanden in wilden Tomaten vermehrt Gene, die den Pflanzen helfen, sich an bestimmte Umweltbedingungen anzupassen: Dazu gehören die salzige und trockene Böden, Hitze und oxidativer Stress. In kultivierten Tomaten kamen besonders viele Gene vor, die die Farbe der Früchte steuern.

Natürliche und künstliche Auslese: Der Mensch wählt aus, die Natur passt an

Das ist leicht nachzuvollziehen, wenn man betrachtet, was die natürliche Selektion in freier Wildbahn von der Kultivierung durch den Menschen unterscheidet: Für den Menschen sind wenige Eigenschaften der Tomatenpflanze interessant – vor allem waren das die Größe und die Farbe der Frucht. So vermehrten die Menschen über einen langen Zeitraum immer nur diejenigen Pflanzen, die möglichst große und rote Früchte trugen.

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Für Wildsorten waren hingegen vielfältige andere Parameter von Bedeutung. Sich ändernde Klimaverhältnisse und Umweltbedingungen erforderten eine Anpassung an neue Lebensräume, die beispielsweise eine verbesserte Salz-, Trockentoleranz von den Pflanzen erforderten. Der natürliche Selektionsdruck in der Wildnis sorgte dafür, dass sich Gene für diese Eigenschaften in dem Genom der wilden Sorten etablieren konnten, während sie in den kultivierten Tomatenpflanzen größtenteils verloren gingen – und mit ihr die Variabilität, über die die Wildsorten auch heute noch verfügen.

Zucht verbessern durch wilde Arten

Erst die modernen technischen Möglichkeiten, die in den letzten 15 Jahren mit Hochdurchsatzsequenzierungsgeräten geschaffen wurden, erlauben den Blick auf ganze Genome. Sie zeigen, was unsere kultivierten Pflanzen trotz allem Nutzen, den sie für uns haben, gegenüber ihren wilden Verwandten eingebüßt haben. Mit der gezielten und dauerhaften Selektion nach perfekten Früchten haben die kultivierten Pflanzen die Fähigkeit, bestimmte Lebensräume zu besiedeln auch genetisch verloren. Das zeigt, wie wichtig es ist, wilde Arten als solche zu erhalten. Denn nur dann steht Züchtern ein schier unerschöpflicher Genpool zu Verfügung, den sie bei Bedarf in die kultivierten Arten einkreuzen können. „Alle untersuchten Spezies verfügen über Eigenschaften, die dazu beitragen könnten, unsere heutigen Tomaten noch zu verbessern“, schreiben die Wissenschaftler in ihrer Studie. Weigel und seine Kollegen lieferten mit ihrer Studie auch die genetischen Rohdaten, die Züchter für eine markergestützte Auswahl ihrer Pflanzen benötigen, um in Zukunft stresstolerantere Tomaten zu produzieren.