Ur-Gerstenpopulation entdeckt

Zahlreiche Wildpopulationen haben in der modernen Gerste ihre genetischen Spuren hinterlassen. Auch heute gibt es einen regen Genfluss. Doch die Kultivierung könnte vor 12.000 Jahren mit einer einzigen Population begonnen haben.

Gerste (Hordeum vulgare L. ssp. vulgare) ist eine der ersten domestizierten Pflanzen der neolithischen Revolution gewesen. Im sogenannten Fruchtbaren Halbmond finden sich Hinweise auf eine Kultivierung um 10.000 v. Chr. Dort, vom südlichen Irak am Persischen Golf bis in den Norden Ägyptens sind noch heute die meisten Wildpopulationen der Gerste (Hordeum vulgare ssp. spontaneum) zu finden. Weil sich einzelne Populationen rund ums Mittelmeer und bis nach Ostasien ausgebreitet haben, gilt ihr Erbgut als Quelle potenziell wertvoller Allele, um Zuchtsorten an die Veränderungen des Klimawandels anzupassen.

Noch aber steckt das Erbgut der Gerste voller Rätsel. So war nicht einmal bekannt, ob die heutigen Zuchtsorten einen gemeinsamen Vorfahren haben oder ob die Domestizierung an mehreren Orten mit unterschiedlichen Gerstenpopulationen parallel begonnen hat. Eine Studie des Kölner Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung sowie der Universitäten Köln und Düsseldorf glaubt, darauf eine Antwort gefunden zu haben.

433 Gerstengenome resequenziert

Das Team resequenzierte das Genom von 89 domestizierten Gerstensorten und von 344 Wildtypen aus dem Fruchtbaren Halbmond. Anhand von Punktmutationen (sogenannten SNPs) identifizierten die Forscher „selective sweeps“, d. h. Erbgutabschnitte, in denen sich ein zuvor nicht vorhandenes oder mäßig häufiges Allel in kurzer Zeit in einer Population durchgesetzt hat. Das kann auf natürliche Weise geschehen, weil ein Allel aufgrund veränderter Umweltbedingungen plötzlich einen evolutionären Vorteil bietet. Es ist aber auch ein typisches Merkmal der Pflanzenzüchtung.

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Bislang sind bei der Gerste nur zwei solcher Allele gut untersucht, deren Dominanz auf die Domestizierung zurückzuführen ist: Eines der wenigen phänotypischen Merkmale, in denen sich wilde Gerste und moderne Zuchtsorten unterscheiden, ist die Brüchigkeit der Ährchen. Auf genotypischer Seite sind dafür die Gene Btr1 und Btr2 verantwortlich. Tatsächlich fand die Studie in allen untersuchten Zuchtsorten in mindestens einem der beiden Gene eine Mutation. Neben diesem Erbgutabschnitt identifizierten die Wissenschaftler weitere 136 Bereiche potenzieller „selective sweeps“.

14 Kandidatengene identifiziert

Mittels mehrerer statistischer Verfahren grenzte das Team die Kandidaten weiter ein. Übrig blieben 14 Gene, deren Allele in Folge der Domestizierung vermutlich selektiert worden sind. Für keines dieser Gene ist bis heute die Funktion aufgeklärt, wenngleich homologe Gene in anderen Arten Vermutungen erlauben. Demnach könnte es sich u. a. um Gene der circadianen Rhythmik und der Lichtsignalverarbeitung handeln. Zu erklären wäre das dadurch, dass sich für die Pflanze die Lichtverhältnisse verändern, wenn sie bei der Kultivierung in dichter Reihe gepflanzt wird. Dann muss die Pflanze ihre Wuchsform anpassen.

Mit den 14 identifizierten Genen der Zuchtsorten folgten die Wissenschaftler einer gängigen Annahme: Wildformen, die das ähnlichste Allel aufweisen, sind mit hoher Wahrscheinlichkeit die am engsten verwandten Vorfahren der Zuchtsorten. Auf diese Weise ergaben sich neun wilde Gerstenpopulationen, die als Ursprung heutiger Zuchtsorten gelten können. Sechs davon sind in der südlichen Levante beheimatet, drei im Nordosten des Fruchtbaren Halbmonds. Deutlich wurde in der Studie allerdings auch, dass im Laufe der Jahrtausende nahezu alle Wildpopulationen genetische Spuren in den heutigen Zuchtsorten hinterlassen haben. Der Austausch phylogenetisch alter Erbgutsequenzen zwischen wilden und gezüchteten Unterarten findet bis heute statt.

Zwei mögliche Szenarien

Bemerkenswert ist, dass sich die Verteilung der mutmaßlich infolge der Züchtung selektierten Allele der ursprünglichen Wildpopulationen in allen domestizierten Sorten kaum unterscheidet. Das deutet darauf hin, dass am Anfang der Domestizierung von Gerste eine einzige Population gestanden haben könnte. Sie hat entweder im Laufe der Domestizierung mehrere „selective sweeps“ infolge von Genfluss aus Wildpopulationen erfahren. Oder es gab mehrere phylogenetisch getrennte Wildpopulationen, die durch Genfluss vermischt wurden und erst dann die Ursprungslinie der Domestizierung formten. Zu diesen Wildpopulationen könnten auch die beiden Linien gehören, die die Wissenschaft zuletzt für zwei voneinander unabhängige Ursprünge der Gerstendomestikation gehalten hatte.

„In jedem Fall ist klar, dass die Domestizierung nicht auf ein einzelnes Zentrum begrenzt war und dass sie den intensiven Austausch der frühen domestizierten Gerstenkulturen zwischen den neolithischen Bauerngemeinschaften beinhaltete“, so das Fazit der Studie.