Der Domestizierung von Mais auf den Grund gehen
Wissen kann Pflanzenzüchtern helfen
Ein einzigartiges Zusammentreffen von Archäologie, Molekulargenetik und glücklicher Fügung führte eine Zusammenarbeit von mexikanischen und Penn State-Forschern zu einem tieferen Verständnis darüber, wie der moderne Mais vor mehr als 5.000 Jahren aus der Teosinte, einem in Mexiko und Mittelamerika heimischen mehrjährigen Gras, domestiziert wurde.
Antike Wurzel bei der Inspektion mit einem Mikroskop
Jirwat Salungyu, Penn State
Laut Jonathan Lynch, dem Leiter des Teams und angesehenen Professor für Pflanzenernährung, ist es von großem Interesse, wie die alten Landwirte das wilde Gras Teosinte in den modernen Mais, eine der wichtigsten und erfolgreichsten Kulturpflanzen der Erde, verwandelt haben. Seit Jahrzehnten erforscht seine Forschungsgruppe am College of Agricultural Sciences, wie Wurzeln eine entscheidende Rolle für die Entwicklung und das Überleben von Pflanzen spielen.
"Mais bildet da keine Ausnahme, und es hat sich herausgestellt, dass frühe Züchter - wahrscheinlich ohne es zu wissen - Wurzelmerkmale auswählten, die die Entwicklung von Samen und Kolben förderten", sagte er. "Es ist zwar grundsätzlich interessant zu erfahren, wie sich der Mais von seinem wilden Vorfahren zu dem entwickelt hat, was wir heute kennen, aber was wir darüber erfahren, wie sich die Pflanze verändert hat, um mit Trockenheit und harten Böden zurechtzukommen, kann den Pflanzenzüchtern von morgen helfen.
Unter der Leitung von Ivan Lopez-Valdivia, ursprünglich Doktorand am LANGEBIO in Mexiko und jetzt Doktorand in Lynchs Labor, untersuchten die Forscher zwei uralte Wurzelstöcke, die in der San-Marcos-Höhle im mexikanischen Tehuacán-Tal gefunden wurden, um die Veränderungen zu verstehen, die während der Domestizierung im Untergrund stattfanden. Sie nutzten die Laserablationstomographie - eine hochauflösende Phänotypisierungsplattform, die Laseroptik und serielle Bildgebung mit 3D-Bildrekonstruktion und Quantifizierung kombiniert - um die Pflanzenanatomie zu verstehen.
Die oft als LAT bezeichnete Technologie wurde vor einem Jahrzehnt von Lynchs Forschungsgruppe entwickelt, zu der auch der ehemalige Student Ben Hall gehört, der ein Unternehmen gegründet hat, das sich auf diese Technik spezialisiert hat. In dieser Studie wurde LAT eingesetzt, um die dreidimensionale Wurzelstruktur und die innere Anatomie der beiden alten Maiswurzeln zu rekonstruieren, die zwischen 4.956 und 5.280 Jahre alt sind.
In den Ergebnissen, die heute (18. April) in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurden, berichten die Forscher, dass die äußeren Rindenzellen der Wurzeln dicke Wände aufwiesen, ähnlich denen der heutigen Maispflanzen, die an harte Böden angepasst sind. Im Gegensatz zum modernen Mais fehlten den beiden Exemplaren jedoch die Samenwurzeln. Samenwurzeln, die Maiskeimlinge mit zusätzlichem Wasser und Nährstoffen versorgen, sind bei Teosinte nicht vorhanden.
Die Forscher analysierten daraufhin die DNA eines dritten, etwa gleich alten Exemplars und fanden Mutationen in zwei Genen, die für die Bildung von Samenwurzeln in modernem Mais verantwortlich sind. Diese frühen Mais-Exemplare scheinen in ihrer Anpassung an die Trockenheit eher der Teosinte zu ähneln.
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass einige Merkmale, die mit der Anpassung an die Trockenheit zusammenhängen, beim frühesten Mais aus Tehuacán nicht vollständig vorhanden waren, was einen Einblick in die Bedingungen während des frühen Maisanbaus in der Region ermöglicht, so Lopez-Valdivia.
Die Vorgeschichte der Forschung ist fast so interessant wie die Arbeit selbst. Sie begann damit, dass Lynch einen eingeladenen Vortrag über seine Wurzelforschung im Nationalen Labor für Genomik für Biodiversität - auch bekannt als LANGEBIO, CINVESTAV - in Irapuato, Guanajuato, Mexiko, hielt. Nach der Präsentation besuchte er einen Molekularbiologen dieser Einrichtung, der Lopez-Valdivia während seines Masterstudiums in Pflanzenbiotechnologie beriet.
"Wir sprachen darüber, was er mit alten Maiswurzeln gemacht hatte, die in diesen sehr trockenen Höhlen aufbewahrt wurden, und von denen ich nicht einmal wusste", erinnert sich Lynch. "Wir beschlossen, die Anatomie und Architektur dieser alten Wurzelproben zu analysieren, um zu sehen, wie sie sich im Laufe der Zeit durch die Domestizierung von Mais verändert haben. Das war also der Ursprung. Ivan begann diese Arbeit in Mexiko und beendete sie als Student an der Penn State.
Lopez-Valdivia setzt die Forschung mit seiner Doktorarbeit fort, die sich mit der Frage befasst, wie sich die Maiswurzeln im Laufe der Evolution an ihre Umgebung anpassen. Er schätzt es, dass seine Arbeit unerwartet von der Pflanzenbiotechnologie zur Phänomik und Simulationsmodellierung überging - und damit von einem Land zum anderen.
"Der amerikanische Archäologe Richard MacNeish hat versucht, in den Höhlen von Tehuacán, Mexiko, die ältesten Maisreste zu finden", sagt er. "Seine Bemühungen geben Aufschluss über den Ursprung der Landwirtschaft in Mesoamerika. In den 60er Jahren fand er Tausende von Maiskolbenresten und nur ein Dutzend Wurzeln mit nur einem erhaltenen Skutellarknoten - der zarten Struktur, aus der sich die Samenwurzeln entwickeln."
Diese Exemplare werden im Nationalen Institut für Anthropologie und Geschichte Mexikos aufbewahrt, fügte Lopez-Valdivia hinzu, und die Forscher entnahmen schließlich Proben von ihnen, um ihre Studie zu vervollständigen.
An der Forschung an der Penn State University beteiligten sich die Studenten Alden Perkins, Hannah Schneider und James Burridge sowie aus Mexiko Jean-Philippe Vielle-Calzada, Grupo de Desarrollo Reproductivo y Apomixis; Miguel Vallebueno Estrada, Grupo de Desarrollo Reproductivo y Apomixis und Grupo de Interacción Núcleo-Mitocondrial y Paleogenómica, Unidad de Genómica Avanzada, Laboratorio Nacional de Genómica para la Biodiversidad; Eduardo González-Orozco, Grupo de Desarrollo Reproductivo y Apomixis; Aurora Montufar, Instituto Nacional de Antropología e Historia Ciudad de México; und Rafael Montiel, Grupo de Interacción Núcleo-Mitocondrial y Paleogenómica, Unidad de Genómica Avanzada, Laboratorio Nacional de Genómica para la Biodiversidad.
Das Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT), das National Institute of Food and Agriculture des US-Landwirtschaftsministeriums, die Advanced Research Projects Agency des US-Energieministeriums und das Instituto Nacional de Antropología e Historia unterstützten diese Arbeit.
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