Die Entstehung der Baumwollfasern

Seit mehreren Jahrtausenden nutzt der Mensch Baumwolle, um Kleidung und Stoffe herzustellen. Aber wie entstand diese wichtige Naturfaser im Verlauf der Evolution? Vor rund 60 Millionen Jahren vervielfältigten sich die Chromosomensätze der Baumwolle fünf- bis sechsfach. Dadurch erhöhte sich die genetische Vielfalt und die Bildung der Baumwollfaser, eine evolutionäre Innovation, wurde ermöglicht.

Baumwolle (Gossypium spec.) wird vom Mensch als Ölpflanze, hauptsächlich aber zur Gewinnung von Naturfasern angebaut. Die Baumwollfaser wird aus den Samenhaaren (sogenannte Trichome) gewonnen, die die Samen als Verlängerung der Epidermis ausbilden. Die Fasern werden meist zu Fäden gesponnen und für die Produktion von Textilien verwendet. Daher hängt die Qualität der Fasern vor allem von ihrer Länge ab. 

Jedoch nicht jede Baumwollart besitzt lange Samenhaare, die zu Garn weiterverarbeitet werden können.

Die Evolution der Baumwollfaser  

Ein internationales Forscherteam, darunter auch deutsche Forscher vom Institute of Bioinformatics and Systems Biology (IBIS), rekonstruierte die genetische Entwicklung der Baumwolle, um die Evolution der für uns bedeutenden Naturfaser nachzuzeichnen.

Die Entstehung von qualitativ hochwertigen, spinnbaren Baumwollfasern ist mit einem Phänomen verknüpft, dass Polyploidie genannt wird. Polyploide Pflanzen besitzen mehr als zwei Chromosomensätze in ihren Zellen. Diese können durch die Vervielfachung der bestehenden diploiden (zweifachen) Chromosomensätze oder durch die Fusion unterschiedlicher, verwandter Genome - wie z.B. beim Weizen - entstehen.

Der lange Weg zur spinnbaren Baumwollfaser

Vor mindestens 60 Millionen Jahren entwickelte sich die Baumwolle aus einem Vorfahren, den sie mit Kakao (Theobroma cacao) gemeinsam hat. Kurz danach kam es zu einer abrupten fünf-bis sechsfachen Vervielfältigung der Chromosomensätze. Das von den Forschern betrachtete Genom der wilden Baumwollart Gossypium raimondii besitzt dabei 13 Chromosomen. Die Vergrößerung des Erbguts im Vergleich zum Kakao wird an einem Beispiel deutlich: Auf fünf Chromosomen konnten Erbinformationen gefunden werden, die beim Kakao auf nur einem einzigen Chromosom liegt.

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Auf unterschiedlichen Kontinenten entstanden parallel wilde Vorfahren unserer heutigen Kulturbaumwolle. Wilde Baumwolle (mit dem sogenannten Genom D), die in Mittelamerika heimisch war, hatte allerdings kurze, nicht spinnbare Samenhaare. Auf dem afrikanischen Kontinent entwickelten sich im Laufe der Zeit allerdings zwei weitere, spezifische Genome - das F und aus diesem wiederum das A-Genom. Pflanzen mit dem Genom A besaßen bereits etwas längere und damit prinzipiell spinnbare Samenhaare.

Fusion vergrößert das genetische Repertoire

Vor circa ein bis zwei Millionen Jahren verschmolzen die Baumwollgenome A und D schließlich miteinander. Dadurch gewann das Erbgut der Pflanze an Komplexität und bildete die Grundlage für neue Merkmale. Durch diese Fusion zweier Genome entwickelten sich letztlich auch die wesentlich längeren Samenhaare, die später vom Menschen entdeckt und als Naturfasern weiterverarbeitet wurden. Aufgrund dieses neuen Phänotyps wurde die Baumwolle vom Menschen kultiviert und zu einer der bedeutsamsten Nutzpflanzen, die heute nicht mehr aus unserem Alltag wegzudenken ist. Mittlerweile gibt es moderne Hochleistungssorten mit verbesserter Produktivität und Faserlänge.

Das Genom ist komplex

Die wirtschaftlich bedeutendsten Baumwollarten Gossypium hirsutum und Gossypium barbadense entwickelten sich so die Meinung der Forscher, unabhängig voneinander Gemeinsam ist ihnen ein tetraploides Genom, d.h. sie besitzen statt einem doppelten einen vierfachen Chromosomensatz. Sie entstanden also durch die Kreuzung zweier unterschiedlicher, diploider Wild-Baumwollarten. Dieses Phänomen bezeichnen Biologen allgemein als Allopolyploidie.

Vergleich durch DNA-Sequenzierung

Die Wissenschaftler verglichen für ihre Forschung das Erbgut mehrerer Baumwollarten. Gossypium raimondii galt den Forschern hierbei als Referenzgenom, welches sequenziert und mit DNA-Abschnitten (Re-Sequenzierung) anderer Arten verglichen wurde. 

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Bei diesen vergleichenden Genomanalysen betrachteten die Wissenschaftler die Art Gossypium herbaceum (Genom A), deren Samenhaare lang und spinnbar sind und der Art Gossypium longicalyx (Genom F), deren Fasern nicht-spinnbar sind, mit der ebenfalls nicht-spinnbaren Art Gossypium raimondii (Genom D). Diese drei diploiden Arten wurden daraufhin mit der evolutionär später entstandenen und heute häufig angebauten Art Gossypium hirsutum verglichen. Diese tetraploide Kulturpflanzenart entstand durch Allopolyploidie aus den zwei A und D Genomen.

Bessere Fasern durch die Duplikation der Chromosomensätze

Evolutionär jüngere Baumwollarten, wie beispielsweise die hier betrachtete Gossypium hirsutum, haben durch die Vervielfältigung der Chromosomensätze und die Fusion unterschiedlicher Genome die 30-36-fache Anzahl an Genen ihrer wilden Vorfahren. So entstanden durch die Vergrößerung des Erbguts beispielsweise Gene, welche die Widerstandsfähigkeit der Pflanzen verbesserten (Schädlings- und Krankheitsresistenz).

Man vermutet daher, dass Polyploidie ein Mechanismus ist, der Pflanzen, die stärker als andere Lebewesen an einen Standort gebunden sind, hilft sich besser an wechselnde Umweltbedingungen anzupassen. Die Spannbreite der möglichen Reaktionsmuster wird durch die Erhöhung der genetischen Vielfalt erweitert. Die Vervielfältigung der Chromosomensätze führt deshalb oft zu neuen, unvorhersehbaren Eigenschaften, wie z. B. einer höheren Produktivität und im Fall der Baumwolle zu einer veränderten Faserqualität. Polyploide Pflanzen sind somit nicht nur die Summe ihrer Vorläufer, sondern können ganz neue Merkmale hervorbringen.

Die phylogenetischen Erkenntnisse und genetischen Sequenzdaten dieser Forschungsarbeit können helfen weitere Forschung voranzutreiben und die Züchtung von neuen Sorten zu erleichtern.