Wie der Brotteig die Zivilisation hervorbrachte
Eine groß angelegte internationale Studie hat erklärt, wie der Brotweizen dazu beitrug, die antike Welt auf ihrem Weg zur Kultursorte zu verändern, die heute eine Weltbevölkerung von acht Milliarden Menschen ernährt.
Aegilops tauschii - eines der Wildgräser, aus denen sich der Weizen entwickelte
Ana Perera
"Unsere Ergebnisse werfen ein neues Licht auf ein ikonisches Ereignis in unserer Zivilisation, das eine neue Art von Landwirtschaft hervorbrachte und es den Menschen ermöglichte, sesshaft zu werden und Gesellschaften zu bilden", sagte Professor Brande Wulff, Weizenforscher an der KAUST (King Abdullah University of Science and Technology) und einer der Hauptautoren der Studie, die in Nature erscheint.
Professor Cristobal Uauy, ein Gruppenleiter am John Innes Centre und einer der Autoren der Studie, sagte: "Diese Arbeit ist ein Beispiel dafür, wie wichtig die globale Zusammenarbeit und der länderübergreifende Austausch von Daten und Saatgut ist; wir können so viel erreichen, wenn wir Ressourcen und Fachwissen institutsübergreifend und über internationale Grenzen hinweg kombinieren."
Das Erfolgsgeheimnis des Brotweizens liegt laut den Forschungen der im Open Wild Wheat Consortium (OWWC) zusammengeschlossenen Institute in der genetischen Vielfalt eines Wildgrases namens Aegilops tauschii.
Brotweizen ist eine Kreuzung aus drei Wildgräsern mit drei Genomen (A, B und D) in einer komplexen Pflanze.
Aegilops tauschii, ein ansonsten unauffälliges Unkraut, lieferte das D-Genom des Brotweizens, als es sich vor acht- bis elftausend Jahren im Fruchtbaren Halbmond mit dem früh kultivierten Pasta-Weizen kreuzte.
Die zufällige Kreuzung an den Ufern des südlichen Kaspischen Meeres löste eine landwirtschaftliche Revolution aus. Der Anbau von Brotweizen verbreitete sich rasch über eine Vielzahl neuer Klimazonen und Böden, da die Landwirte diese dynamische neue Kulturpflanze mit ihrem hohen Glutengehalt, der für einen luftigeren, elastischen Brotteig sorgt, mit Begeisterung annahmen.
Diese rasche geografische Ausbreitung hat die Weizenforscher verblüfft. Es gibt keinen wilden Brotweizen, und die Art der Hybridisierung, bei der das neue D-Genom zu den bestehenden A- und B-Genomen des Weizens hinzugefügt wurde, führte zu einem genetischen Engpass, wodurch die neue Art im Vergleich zu den umliegenden Wildgräsern eine wesentlich geringere genetische Vielfalt aufwies.
Dieser Flaschenhalseffekt in Verbindung mit der Tatsache, dass Weizen eine Inzuchtart ist - d. h. er bestäubt sich selbst - lässt vermuten, dass Brotweizen außerhalb seiner Ursprünge im Fruchtbaren Halbmond Probleme haben könnte. Wie konnte er sich also in der ganzen Region verbreiten und durchsetzen?
Um dieses Rätsel zu lösen, stellte die internationale Zusammenarbeit ein Diversitätspanel mit 493 einzigartigen Akzessionen zusammen, die das geografische Spektrum von Aegilops tauschii von der nordwestlichen Türkei bis nach Ostchina abdecken.
Aus diesem Panel wählten die Forscher 46 Akzessionen aus, die die Merkmale und die genetische Vielfalt der Art widerspiegeln, um ein Pangenom zu erstellen, eine hochwertige genetische Karte von Aegilops tauschii.
Anhand dieser Karte scannten sie 80.000 Brotweizen-Landrassen - lokal angepasste Sorten -, die von CIMMYT gehalten werden und aus der ganzen Welt stammen.
Diese Daten zeigten, dass etwa 75 % des D-Genoms des Brotweizens von der Linie (L2) von Aegilops tauschii abstammen, die aus dem südlichen Kaspischen Meer stammt. Die restlichen 25 % des genetischen Aufbaus stammen von Linien aus dem gesamten Verbreitungsgebiet ab.
"Dieser 25-prozentige Zufluss von genetischem Material aus anderen Tauschii-Stämmen hat zum Erfolg des Brotweizens beigetragen und ihn definiert", sagte Professor Simon Krattinger, Hauptautor der Studie.
"Ohne die genetische Lebensfähigkeit, die diese Vielfalt mit sich bringt, würden wir höchstwahrscheinlich kein Brot in dem Umfang essen, wie wir es heute tun. Andernfalls wäre Brotweizen heute eine regionale Kulturpflanze - wichtig für den Nahen Osten, aber ich bezweifle, dass er ohne diese Plastizität, die es dem Brotweizen ermöglichte, sich anzupassen, weltweit dominant geworden wäre."
Eine frühere Studie des OWWC ergab, dass es eine eigene Aegilops tauschii-Linie gibt, die geografisch auf das heutige Georgien in der Kaukasusregion beschränkt ist - 500 Kilometer vom Fruchtbaren Halbmond entfernt. Diese Aegilops tauschii-Linie (L3) ist von Bedeutung, weil sie dem Brotweizen das bekannteste Gen für die Teigqualität geliefert hat.
In dieser Studie stellten die Forscher die Hypothese auf, dass, wenn es sich um eine historische Introgression handeln würde, ähnlich wie ein genetischer Fußabdruck des Neandertalers im menschlichen Genom, sie in den CIMMYT-Sammlungen Landsorten finden würden, die einen höheren Anteil davon aufweisen.
Die Datenanalyse ergab, dass die CIMMYT-Weizensorten aus der georgischen Region 7 % L3-Introgressionen im Genom enthielten, siebenmal mehr als bei den Brotweizen-Landessorten aus dem Fruchtbaren Halbmond.
"Wir haben die L3-Tauschii-Akzessionen als Versuchskaninchen benutzt, um die Hybridisierungen anhand von 80.000 Brotweizen-Landrassen zu verfolgen", sagte Professor Krattinger.
"Die Daten unterstützen sehr schön ein Bild, bei dem der Brotweizen im südlichen Kaspischen Raum entstanden ist, dann mit Migration und landwirtschaftlicher Ausbreitung Georgien erreichte und hier mit Genfluss und Hybridisierungen mit den eigentümlichen, genetisch unterschiedlichen und geographisch begrenzten L3-Akzessionen zu einem Zustrom neuen genetischen Materials führte."
"Dies ist einer der neuen Aspekte unserer Studie und bestätigt, dass wir mit unseren neuen Ressourcen die Dynamik dieser Introgressionen bei Brotweizen nachvollziehen können."
Neben der Lösung dieses uralten biologischen Rätsels werden das neue Open-Source-Pangenom von Aegilops tauschii und das von der OWWC zur Verfügung gestellte Keimplasma von Forschern und Züchtern auf der ganzen Welt genutzt, um neue Krankheitsresistenzgene zu entdecken, die Weizenpflanzen vor uralten landwirtschaftlichen Plagen wie Weizenrost schützen werden. Außerdem können sie aus dieser Wildgrasart klimaresistente Gene gewinnen, die in Elite-Weizensorten gezüchtet werden können.
Forscher des John Innes Centre arbeiteten eng mit Kollegen von der KAUST zusammen und nutzten bioinformatische Ansätze, um den Anteil der DNA zu ermitteln, den die L3-Linie von Aegilops tauschii zum Brotweizen beiträgt.
Professor Uauy schloss: "Die Studie zeigt, wie wichtig es ist, genetische Ressourcen wie die vom BBSRC finanzierte Germplasm Resources Unit hier am John Innes Centre zu erhalten, die historische Sammlungen von Wildgräsern unterhält, die zur Züchtung wertvoller Eigenschaften wie Krankheits- und Schädlingsresistenz in modernen Weizen verwendet werden können."
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
Originalveröffentlichung
Emile Cavalet-Giorsa, Andrea González-Muñoz, Naveenkumar Athiyannan, Samuel Holden, Adil Salhi, Catherine Gardener, Jesús Quiroz-Chávez, Samira M. Rustamova, Ahmed Fawzy Elkot, Mehran Patpour, Awais Rasheed, Long Mao, Evans S. Lagudah, Sambasivam K. Periyannan, Amir Sharon, et al.; "Origin and evolution of the bread wheat D genome"; Nature, 2024-8-14
Weitere News aus dem Ressort Wissenschaft
Holen Sie sich die Life-Science-Branche in Ihren Posteingang
Ab sofort nichts mehr verpassen: Unser Newsletter für Biotechnologie, Pharma und Life Sciences bringt Sie jeden Dienstag und Donnerstag auf den neuesten Stand. Aktuelle Branchen-News, Produkt-Highlights und Innovationen - kompakt und verständlich in Ihrem Posteingang. Von uns recherchiert, damit Sie es nicht tun müssen.
