Mais ist eine der wichtigsten Kulturpflanzen der Welt. Wir knacken es nicht einfach und knabbern es am Maul; Mais kann zu Mehl und Sirup verarbeitet werden, es wird Vieh gefüttert, es wird in Ethanol umgewandelt und es kann sogar zur Herstellung von Plastik verwendet werden. Zwischen 2016 und 2017 wurden weltweit rund eine Milliarde Tonnen Mais produziert, und Mais liefert mehr als sechs Prozent aller menschlichen Nahrungsmittelkalorien.
Die Geschichte dieser bescheidenen und doch handlichen Stärke beginnt in Mexiko vor Tausenden von Jahren mit der Domestikation eines uralten Grases namens Teosinte. Laut einer neuen, in Science veröffentlichten Studie ist die Entwicklung von Teosinte zum Goldkorn, die wir heute kennen, möglicherweise komplexer, als die Wissenschaftler bisher dachten.
Die allgemein anerkannte Theorie besagt, dass die Domestizierung von Mais im Balsas River Valley im Süden von Zentralmexiko stattgefunden hat. Vor etwa 9.000 Jahren begannen die frühen Landwirte in dieser Region, nach günstigen Teosinteigenschaften zu suchen, die sich vom heutigen Mais stark unterscheiden und nicht besonders schmackhaft sind. sein Maiskolben ist klein und seine wenigen Kerne sind von einer harten Hülle umgeben. Aber mit menschlichem Eingreifen entwickelte sich Teosinte zu schmackhaftem, zartem Mais, der anschließend in andere Teile Amerikas transportiert wurde. Zur Zeit der europäischen Kolonialisierung im 15. Jahrhundert war Mais in vielen Teilen der Region eine wichtige Nahrungsquelle.
Logan Kistler, der Hauptautor und Kurator der neuen Studie für Archäobotanik und Archäogenomik am Smithsonian National Museum of Natural History, sagt, dass der Genfluss aus wildem Teosinte nach dieser Theorie immer noch in domestiziertem Mais vorkam, aber „in einem großen Maße, evolutionär Wichtig ist, dass der Genfluss im gemeinsamen Vorfahren von Mais mehr oder weniger gestoppt ist. “
Die jüngsten Enthüllungen veranlassten Kistler und seine Kollegen jedoch, diese Idee zu überdenken. 2016 analysierten zwei unabhängige Forschungsgruppen die DNA von 5.000 Jahre alten Maiskolben aus einer Höhle in Mexiko und stellten fest, dass sich der alte Mais noch mitten im Domestikationsprozess befand. Die Maiskolben hatten einige mit Teosinte assoziierte Gene, die Dinge wie die Samenverteilung und die Stärkeproduktion vorschrieben, und andere für domestizierten Mais charakteristische Gene, wie Varianten, die für die Beseitigung der harten Außenhülle von Teosinte verantwortlich sind.
Diese Ergebnisse waren laut Kistler überraschend. Bis die Maiskolben auf dem Boden der alten Höhle landeten, war Mais bereits weit über Mexiko hinaus gereist und wurde im Südwesten des Amazonasgebiets seit etwa 1.500 Jahren angebaut. Mit anderen Worten, die Evolutionsgeschichte des Getreides schien sich in zwei verschiedene Pfade verzweigt zu haben.
"Sie haben dieses Paradoxon, dieses Missverhältnis, bei dem Mais in Teilen des Amazonas bereits seit Tausenden von Jahren kontinuierlich angebaut wird, und dann ist es noch nicht einmal fertig, im Ursprungszentrum domestiziert zu werden", erklärt Kistler. "Um die Archäologie und die Genetik in Einklang zu bringen ... mussten wir über ein neues Domestikationsmodell nachdenken."
Also beschlossen Kistler und seine Kollegen, sich die Mais-DNA genauer anzuschauen - und was sie fanden, lässt vermuten, dass die Domestikation von Teosinte tatsächlich in Mexiko begann,
Wir sollten die Domestizierung von Mais nicht als diskretes Ereignis betrachten. Stattdessen war die Entwicklung des Getreides ein langer und komplizierter Prozess, bei dem die letzten Stadien seiner Domestizierung mehr als einmal an mehr als einem Ort stattfanden.
Die neue Studie analysierte das Genom von mehr als 100 modernen Maissorten, von denen rund 40 von den Forschern sequenziert wurden. Das Team untersuchte auch die DNA von 11 alten Pflanzen. Bei der Kartierung der genetischen Zusammenhänge zwischen den Exemplaren entdeckten die Forscher mehrere unterschiedliche Abstammungslinien, von denen jede eine eigene Beziehung zu Teosinte aufweist. Am signifikantesten ist, dass die Ergebnisse zeigten, dass die Domestikation von Mais zwar mit einem einzigen großen Genpool in Mexiko begann, das Getreide jedoch vor Abschluss des Domestikationsprozesses an einem anderen Ort befördert wurde.
„Wir haben im Genom Beweise dafür gefunden, dass südamerikanischer Mais tatsächlich aus einer dieser semi-heimischen Linien stammt“, sagt Kistler. "Sie hatten diese parallelen Entwicklungen in verschiedenen Teilen Amerikas, mit verschiedenen Gruppen von Menschen."
Der Studie zufolge gab es eine große Welle von "Proto-Corn" -Bewegungen von Mexiko nach Südamerika. Der teilweise domestizierte Mais scheint im südwestlichen Amazonas gelandet zu sein, der bereits ein Hotspot für die Domestizierung anderer Pflanzen wie Reis, Kürbis und Maniok war. Kistler geht davon aus, dass Mais in die dortigen Anbaumethoden übernommen wurde, was dem Domestizierungsprozess die Chance gibt, dort weiterzumachen, wo er aufgehört hat. Es ist möglich, aber nicht sicher, dass sich Mais an diesem neuen Standort schneller entwickelte als Mais im Zentrum der Domestikation, was erklären würde, warum sich die 5000 Jahre alten Maiskolben aus der Höhle in Mexiko anscheinend in einer Zwischenphase der Domestikation befinden Zu einer Zeit, als im Amazonasgebiet bereits Mais angebaut wurde.
"Der Grund dafür ist, dass Sie keinen konstanten Genfluss von der Wildpopulation haben ... wo der Wildmais am Rand des Feldes etwas Pollen beisteuern wird", sagt Kistler. "Das wird die Effizienz der Auswahl verlangsamen, und Sie werden bei weitem nicht so effizient in der Lage sein, die Auswahl für diese Merkmale voranzutreiben."
Nach mehrtausendjähriger Inkubation im südwestlichen Amazonasgebiet ist Mais nach Angaben der Autoren der Studie wieder in Bewegung geraten - diesmal in den östlichen Amazonas, wo er inmitten einer allgemeinen Blüte der Landwirtschaft wuchs, die Archäologen in der Region beobachtet haben.
Eine weitere interessante Entdeckung lag in der Tatsache, dass moderner Mais aus den Anden und dem südwestlichen Amazonas eng mit dem in Ostbrasilien angebauten Mais verwandt ist, was auf eine andere Bewegung nach Osten hinweist. Dies steht im Einklang mit archäologischen Beweisen - wie zum Beispiel der Verbreitung von Keramiktraditionen -, die darauf hindeuten, dass die Menschen in Nord- und Südamerika laut Kistler vor etwa 1.000 Jahren mit der Expansion nach Osten begonnen haben. Tatsächlich gebrauchen Menschen, die in der Nähe der brasilianischen Atlantikküste Macro-Jê-Sprachen sprechen, heute ein einheimisches amazonisches Wort für „Mais“.
Die Teile dieses genetischen Puzzles passten zunächst nicht eindeutig zusammen. Kistler sagte, dass die genomischen Daten, die er und seine Kollegen sammelten, "für eine lange Zeit wirklich verwirrend" seien.
"Wir konnten weder Kopf noch Zahl aus dem machen, was wir sahen, bis wir anfingen, mit Sprachexperten, Paläoökologen und Archäologen zu sprechen", erläutert er. "Dann hat es geklickt."
Einige Enthüllungen kamen durch glücklichen Zufall zustande. Während Kistler im vergangenen Jahr in Brasilien eine frühe Version seiner Ergebnisse präsentierte, war Flaviane Malaquias Costa, Doktorandin an der Universität von São Paulo, im Publikum. Sie wies darauf hin, dass Kistlers genetische Karte bemerkenswerte Ähnlichkeiten mit der Verbreitung eines amazonischen Wortes für Mais aufwies. Später halfen Jonas Gregorio de Souza und Eduardo Ribeiro, Forscher an der Universität von Exeter bzw. am Museum für Naturgeschichte, diesen sprachlichen Trend mit der Landschaft zu verknüpfen.
In der kollektiven Arbeit des Teams wird „ein explizites Modell dargestellt, in dem sich Mais nach seiner Ankunft in Südamerika weiterentwickelt“, sagt Jeffrey Ross-Ibarra, Pflanzenwissenschaftler an der University of California in Davis, der die Evolutionsgenetik von Mais und Teosinte untersucht, war aber nicht an dieser Studie beteiligt. "Obwohl es sich an sich nicht um eine zweite Domestizierung handelt, weist dies darauf hin, dass südamerikanischer Mais in Mexiko eine beträchtliche Menge an Anpassungen erfahren hat, die etwas unabhängig von Mais sind."
Für Michael Blake, einen Anthropologen an der University of British Columbia, dessen Forschung sich auf die Ursprünge und Ausbreitung der Landwirtschaft konzentriert, ist die Sequenzierung von neun archäologischen Pflanzen in der Studie besonders aufregend. "Wir hatten noch nicht sehr viele gute Kontexte [in Südamerika], in denen wir gute Proben von archäologischem Mais erhalten, die zuverlässig datiert und ... gut genug konserviert sind, um genetische Beweise zu liefern", sagt er.
Aber Blake merkt auch an, dass diese alten Proben nur etwa 1.000 Jahre alt waren, was "ziemlich spät in der Entwicklung von Mais" ist. Es gibt nur sehr wenige archäologische Maisproben aus Südamerika, die vor fünf oder sechstausend Jahren stammen, was es schwierig macht um ein vollständiges Bild des Getreides zu bekommen, das aus Mexiko herausgetragen wurde.
"Die genetische Charakterisierung selbst sagt möglicherweise nicht viel über die Morphologie [oder die Form und Struktur der Pflanzen] aus, da wir nicht genau wissen, welche Zusammenhänge zwischen Aspekten der Morphologie und den Genen selbst bestehen", erklärt Blake.
Kistler räumt ein, dass es „wirklich schön“ wäre, so alte Beweise aus Südamerika zu haben, denkt aber auch an die Zukunft. Es ist wichtig zu verstehen, wie sich Mais in der Vergangenheit an neue Umgebungen angepasst hat, da Getreide auch heute eine wichtige Nahrungsquelle ist, sagt Kistler. Die Domestizierung von Mais war bisher so erfolgreich, weil eine symbiotische Beziehung zwischen Mensch und Pflanze seit Jahrtausenden floriert. Durch den Anbau von Mais erhielten die Menschen eine zuverlässige Nahrungsquelle und Mais wurde regelmäßig in einer nährstoffreichen Umgebung ausgesät.
Unser sich schnell veränderndes Klima ist jedoch "leicht aufwärtsgerichtet", erklärt Kistler. „Umso wichtiger ist es, über die biologische Vielfalt nachzudenken und zu ermitteln, woher die Anpassungsfähigkeit stammen wird, wenn unser Lebensmittelproduktionssystem schlecht auf sich ändernde, hochgradige Klimaeigenschaften reagiert.“
