Gatersleben, GErmany
20.07.2022
Over the course of many thousands of years, humans turned rye into a cultivated plant. In doing so, they have considerably limited its genetic flexibility. Today, wild rye not only has a more diverse genetic make-up, it is able to recombine this
more freely than its domesticated cousins. A research team led by Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU) and the Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK) has demonstrated this in a new study published in the scientific journal “Molecular Biology and Evolution”. The results also explain why cultivated rye is less resistant than wild species to developments such as climate change.
In their study, the team investigated various properties and the genetic material of 916 wild and domesticated rye plants from different regions in Europe and Asia. They were particularly interested in the so-called recombining regions of rye. In essence, this describes how often the genetic material within a plant mixes along a chromosome during cell division. “The process of recombination plays an important role in a species’ evolution because it enables two beneficial gene variants to combine,” explains Dr Steven Dreissig from MLU. At the same time, useful variants can also be separated from ones that are less beneficial. The larger the recombination landscape, the more plants are able to flexibly recombine their genetic material.
For early farmers, however, this process was disadvantageous: agriculture relies on uniform plants with more or less there the same properties and the same genetic material. In the case of rye, says Dreissig, the situation is aggravated by the fact that the plants depend on cross-pollination; unlike barley or wheat, they are unable to self-pollinate. “Rye pollen can travel up to several kilometres. This allows populations that are separated spatially to remain in contact and exchange genetic material,” says Dreissig.
People started growing cereals, such as barley or wheat, around 12,000 years ago. Most of the varieties established today originated in the Fertile Crescent region of the Middle East. “Rye is assumed to have first spread to Europe as a weed and could only be domesticated there much later because there were no disturbing wild varieties,” says Dr Martin Mascher from IPK, who is also a member of the German Centre for Integrative Biodiversity Research (iDiv) Halle-Jena-Leipzig.
Their new analyses have allowed the researchers to reconstruct the distribution of rye and recreate a kinship network from Asia to Central Europe. The wider the distance between the individual locations, the greater the differences in the recombination landscape of the plants. “We actually found major differences between domesticated and wild rye, especially in the non-recombining regions. In cultivated rye, the recombining regions are significantly smaller than in the weed-like plants, such as those still found today in Turkey,”
says Dreissig. This is advantageous for cultivated plants because it makes plants with desirable properties, for example firm ears and large grains, more uniform and controllable. Wild rye, on the other hand, benefits from this genetic flexibility, which allows it to react better to disturbance factors, such as a changing climate.
The team also identified a gene region that appears to play a major role in the flexibility of the genetic material. In doing so, they also found a gene that was already known to influence recombining regions in yeast.
The study was funded by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (German Research Foundation, DFG) and the Federal Ministry of Education and Research (BMBF).
Original publication:
Schreiber et al. (2022) Recombination Landscape Divergence Between Populations is Marked by Larger Low-Recombining Regions in Domesticated Rye. Molecular Biology and Evolution. DOI: https://doi.org/10.1093/molbev/msac131
Geschichte des Roggens: Wie frühe Landwirte die Pflanzen genetisch unflexibler machten
Im Laufe vieler Tausend Jahre hat der Mensch aus dem Roggen eine Kulturpflanze gemacht und dabei dessen genetische Flexibilität erheblich eingeschränkt. Wilder Roggen verfügt heute nicht nur über ein vielfältigeres Erbgut, sondern können dieses auch freier durchmischen als seine domestizierten Verwandten. Das zeigt ein Forschungsteam unter Leitung der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) und des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in einer neuen Studie im Fachjournal „Molecular Biology and Evolution“. Die Ergebnisse erklären auch, warum der Kulturroggen schlechter gegen Entwicklungen wie den Klimawandel gewappnet ist als wildlebende Arten.
Für die Arbeit untersuchte das Team verschiedene Eigenschaften und das Erbgut von 916 wilden und domestizierten Roggenpflanzen, die aus unterschiedlichen Regionen Europas und Asiens stammen. Von besonderem Interesse war dabei die sogenannte Rekombinationslandschaft des Roggens. Damit wird im Prinzip beschrieben, wie häufig das Erbgut bei der Zellteilung innerhalb einer Pflanze entlang eines Chromosoms durchmischt wird. „Der Prozess der Rekombination spielt bei der Evolution einer Art eine wichtige Rolle, weil so zum Beispiel zwei vorteilhafte Genvarianten miteinander kombiniert werden können“, sagt Dr. Steven Dreissig von der MLU. Es könnten aber auch nützliche von unvorteilhaften Varianten getrennt werden. Je größer die Rekombinationslandschaften, desto flexibler können die Pflanzen ihr Erbgut durchmischen.
Für die frühen Landwirte war dieser Prozess jedoch von Nachteil: In der Landwirtschaft kommen vor allem einheitliche Sorten zum Einsatz, bei denen die Pflanzen alle über die gleichen Eigenschaften und das gleiche Erbgut verfügen. Beim Roggen komme, so Dreissig, erschwerend hinzu, dass die Pflanzen auf eine Fremdbefruchtung angewiesen sind - anders als Gerste oder Weizen können sie sich nicht selbst bestäuben. „Roggenpollen können bis zu einige Kilometer weit fliegen. So können Populationen, die eigentlich räumlich getrennt sind, trotzdem noch in Kontakt stehen und ihr Erbgut miteinander austauschen“, sagt Dreissig.
Vor etwa 12.000 Jahren fingen die Menschen damit an, Getreide wie Gerste oder Weizen anzubauen. Die meisten heute etablierten Sorten haben ihren Ursprung in der Region des Fruchtbaren Halbmonds im Mittleren Osten. „Beim Roggen geht man eher davon aus, dass er sich zunächst als Unkraut in Richtung Europa verbreitete und dort erst wesentlich später domestiziert werden konnte, weil es keine störenden wilden Verwandten gab“, sagt Dr. Martin Mascher vom IPK, der auch Mitglied des Deutschen Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) Halle-Jena-Leipzig ist.
Anhand der neuen Analysen ist es den Forschenden gelungen, die Verbreitung des Roggens und eine Art Verwandtschaftsnetzwerk von Asien bis nach Zentraleuropa zu rekonstruieren. Je größer die Distanz zwischen den einzelnen Standorten, desto größer sind zum Beispiel auch die Unterschiede in der Rekombinationslandschaft der Pflanzen: „Wir haben tatsächlich große Unterschiede zwischen domestiziertem und wildem Roggen gefunden, vor allem im Hinblick auf die nicht-rekombinierenden Bereiche. Im Kulturroggen ist der Rekombinationsbereich deutlich kleiner als bei unkrautartigen Pflanzen, wie sie heute zum Beispiel noch in der Türkei zu finden sind“, sagt Dreissig. Für Kulturpflanzen ist das von Vorteil, weil Pflanzen mit gewünschten Eigenschaften, zum Beispiel festen Ähren und großen Körnern, so einheitlicher und auch kontrollierbarer werden. Wilder Roggen profitiert hingegen von der genetischen Flexibilität: Sie können so besser auf Störfaktoren,
etwa auf ein sich veränderndes Klima, reagieren.
Das Team fand zudem einen Genbereich, der einen großen Einfluss auf die Flexibilität des Erbguts zu haben scheint. Dabei fanden sie auch ein Gen, das bereits aus Studien zur Hefe bekannt war und dort ebenfalls die Rekombinationslandschaften beeinflusst.
Die Studie wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.
Originalpublikation:
Schreiber et al. (2022) Recombination Landscape Divergence Between Populations is Marked by Larger Low-Recombining Regions in Domesticated Rye. Molecular Biology and Evolution. DOI: https://doi.org/10.1093/molbev/msac131
Topics
Species
