Domestizierung der Tomate verlangsamt innere Uhr

20. November 2015

Alle Lebewesen, vom Bakterium bis hin zum Menschen, weisen endogene von der inneren Uhr gesteuerte Rhythmen auf. Diese spielen eine wichtige Rolle bei der Synchronisierung von Organismen mit ihrer Umwelt. Forscher vom Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln konnten zeigen, dass die innere Uhr der kultivierten Tomate während der Domestizierung verlangsamt wurde. Die aus der äquatorialen Region Südamerikas stammende Pflanze wurde vom Menschen in die temperierten Breiten gebracht. Die Verlangsamung der Uhr stellt vermutlich eine Anpassung an die dort herrschenden langen Sommertage dar.

original
Original 1508157949
Domestizierung verlangsamt die innere Uhr der Tomate. Die Blätter von Tomatenkeimlingen zeigen rhythmische Bewegungen unter konstanten Umweltbedingungen. Diese Bewegungen werden von der zirkadianen Uhr gesteuert. Die zirkadianen Blattbewegungen der kultivierten Tomatenvarietäten (rot) sind deutlich langsamer als die Bewegungen der wilden Vorfahren (orange).
Domestizierung verlangsamt die innere Uhr der Tomate. Die Blätter von Tomatenkeimlingen zeigen rhythmische Bewegungen unter konstanten Umweltbedingungen. Diese Bewegungen werden von der zirkadianen Uhr gesteuert. Die zirkadianen Blattbewegungen der kultivierten Tomatenvarietäten (rot) sind deutlich langsamer als die Bewegungen der wilden Vorfahren (orange).

Die innere Uhr verleiht einen Selektionsvorteil, indem sie eine genaue Abstimmung von physiologischen, verhaltens- und entwicklungsbiologischen Prozessen mit dem Tag/Nacht Zyklus ermöglicht. Jeder, der schon einmal in eine andere Zeitzone gereist ist, weiß, was passiert, wenn die innere Uhr nicht synchron zur externen Umwelt läuft – Jetlag. Tatsächlich scheint auch in der Natur eine genaue Abstimmung der inneren Uhr auf die lokale Umgebung von Bedeutung zu sein. Hierbei spielt die natürliche Variation zirkadianer Rhythmen (von der inneren Uhr gesteuerte Rhythmen mit einer Periodizität von etwa 24 Stunden) eine wichtige Rolle. Wissenschaftler vom Kölner Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung konnten nun zeigen, dass diese Variation auch während der Tomatendomestizierung von Bedeutung war.

Die Domestizierung der Tomate begann in Ecuador, wo man auch heute noch eine Vielzahl unterschiedlicher wilder Tomatenarten entlang der Anden finden kann. Sie wachsen als Unkraut häufig in extremen Habitaten von Meereshöhe bis über 3000 m und unterscheiden sich erheblich von den kultivierten Varietäten. Diese wilden Arten können alle mit der kultivierten Art gekreuzt werden, was sie zu einer wertvollen Quelle positiver Eigenschaften - wie beispielsweise Schädlingsresistenzen - für die Tomatenzüchtung macht. Zusätzlich können an den wilden Arten aber auch Eigenschaften, die eine Rolle bei der Domestizierung gespielt haben, genetisch untersucht werden.

Durch den Vergleich der zirkadianen Rhythmen von 34 kultivierten Varietäten und 68 wilden Sorten konnten die Forscher um José M. Jiménez-Gómez und Niels A. Müller zeigen, dass die innere Uhr der kultivierten Tomaten langsamer läuft als die ihrer wilden Verwandten. „Während der Domestizierung müssen Genvarianten entstanden sein, welche für diesen veränderten Rhythmus verantwortlich sind“, erklärt Jiménez-Gómez. Durch genetische Analysen konnten die Forscher zeigen, dass die Verlangsamung der zirkadianen Uhr durch Mutationen in nur zwei Genen erreicht wurde. Eines dieser Gene ist EID1, ein Gen, welches eine Rolle bei der Signalübertragung von Licht spielt. Die Wissenschaftler konnten die kausale Genvariante von EID1 auf eine einzelne Aminosäure eingrenzen.

Des Weiteren entdeckten die Forscher durch vergleichende Genomanalyse, dass die Region um EID1 Anzeichen positiver Selektion aufweist. „Dies deutet darauf hin, dass der verzögerte Rhythmus vom Menschen selektiert wurde und für die kultivierte Art von Nutzen ist“ erklärt Jiménez-Gómez. „Wir denken, dass die verlangsamte innere Uhr eine Anpassung an die langen Sommertage der temperierten Breiten darstellt, in welche die aus der äquatorialen Region Südamerikas stammende Pflanze während der Domestizierung gebracht wurde.“ Da die kultivierte Tomate von Ecuador nach Mittelamerika und schließlich bis nach Europa transportiert wurde, wurde sie im Verlauf der Domestizierung einem stark veränderten Tag/Nacht Rhythmus ausgesetzt – in Neapel (Italien) beispielsweise sind die Tage im Sommer mehr als drei Stunden länger als in Ecuador.

Die Tomate ist hier kein Einzelfall. Viele Nutz- und Kulturpflanzen wurden durch den Menschen über weite Gebiete verbreitet. Eine interessante Frage für die Zukunft ist, ob solche Migrationen auch bei anderen Pflanzen mit Veränderungen der inneren Uhr einhergegangen sind. Die genauere Untersuchung der inneren Rhythmik verschiedener Nutz- und Kulturpflanzen könnte neue Ansatzpunkte für deren Verbesserung bieten.

 

Zur Redakteursansicht