Wie der Mensch versehentlich „unkrautartigen“ Reis selektiert hat

Forscher der University of Massachusetts Amherst haben entdeckt, dass die anatomische Anpassung, die zur Verbreitung von Unkrautreissorten beiträgt, nicht, wie bisher angenommen, nur auf diese Schädlingsarten beschränkt ist. Die Forschung, veröffentlicht vor kurzem im Zeitschrift für experimentelle Botanikzeigt, dass trotz 10.000 Jahren menschlicher Kultivierung ein Zellgewebe, das es Reispflanzen ermöglicht, ihre Samen leicht abzuwerfen, bei fast allen kultivierten Sorten dieses Getreides vorhanden ist, wenn auch in geringerem Ausmaß und mit viel mehr Variationen.

Die anhaltende Verbreitung von Unkrautreis, einer Reissorte, die auf kultivierten Feldern zu einem Schädling wird, lässt darauf schließen, dass unsere Art des Reisanbaus unbeabsichtigt auch zu Unkraut führt. Dies wird insbesondere durch die Tatsache belegt, dass sich kultivierter Reis kontinuierlich zu Unkrautarten entwickelt.

„In den letzten Jahrzehnten haben wir Biologen uns eine Geschichte darüber erzählt, wie die Domestizierung des Reises erfolgte“, sagt Ana Caicedo, Professorin für Biologie an der UMass Amherst und Hauptautorin der Studie. „Als wir jedoch begannen, eine große Bandbreite verschiedener Reissorten genauer unter die Lupe zu nehmen, stellte sich heraus, dass diese alte Geschichte viel zu simpel ist und verschleiert, was tatsächlich passiert.“

Die Geschichte beginnt lange vor dem Auftauchen des Menschen, als der wilde Vorfahr des Kulturreises die Fähigkeit entwickelte, seine Samen zu „zerbrechen“, also leicht fallen zu lassen und zu verteilen, anstatt an ihnen festzuhalten.

Das „Zerbrechen“ oder leichte Abfallen der Samen ist eine evolutionär elegante Fortpflanzungsstrategie, mit der sich Pflanzen schnell und weit verbreiten können. Möglich wird dies durch die Bildung einer „Abszissionszone“, einer speziellen Art von Gewebe an der Basis jedes Reiskorns – dem Teil, den wir essen –, das das Korn mit der Pflanze verbindet.

Auf die Menschen zu.

Während das Zerbrechen für Wildpflanzen von Vorteil ist, ist es für die Getreideernte ein Nachteil, da die meisten Samen verloren gehen würden, bevor sie von einem hungrigen Menschen eingesammelt werden könnten. Über viele Jahrtausende hinweg haben Menschen verschiedene Reissorten gezüchtet, von denen jede ihre eigene Domestizierungsgeschichte hat und die ihre Körner fester halten als ihre wilden Vorfahren. Lange Zeit dachte man, dass die Abszissionszone und damit das Zerbrechen aus dem Kulturreis herausgezüchtet worden sei.

Allerdings hat sich aus Kulturreis auch eine Unkrautreissorte entwickelt, die so erfolgreich ist, dass sie zu den Hauptfaktoren gehört, die die Produktion von Kulturreis weltweit einschränken. Tatsächlich besteht Unkrautreis aus vielen verschiedenen Gruppen, die sich unabhängig voneinander aus verschiedenen Kultursorten entwickelt haben oder sich von diesen abgespalten haben.

„Die Abszissionszone ist seit langem als entscheidender Faktor für das Zerplatzen von Reis bekannt, wurde jedoch noch nicht gründlich untersucht“, sagt Xiang Li, einer der Hauptautoren der Studie, der diese Forschung im Rahmen seines Aufbaustudiums an der University of Massachusetts Amherst abgeschlossen hat.

„Wir mussten uns mehr Reissorten ansehen, um das Muster dieses spezialisierten Gewebes in verschiedenen Reissorten aufzudecken. Diese anatomische Untersuchung wird unser Verständnis der Reisentwicklung verbessern und den Grundstein für weitere Untersuchungen der zugrunde liegenden Genetik legen.“

Li, Caicedo und ihr Team, darunter Co-Leitautor Daniel Lowey, der als Student an der UMass Amherst diese Forschung mit vorangetrieben hat, sammelten Mikroskopiebilder von 86 Proben sowohl aus den fünf wichtigsten Kulturreisgruppen als auch von dedomestiziertem Unkrautreis aus verschiedenen Standorten, darunter der Iberischen Halbinsel, Südasien, Nordostasien und den USA.

Sie fanden heraus, dass eine Gruppe von Kulturreis, die gemäßigte japonica, ihre Abszissionszone fast vollständig verloren hat, während die meisten anderen Kulturreisgruppen sie mehr oder weniger beibehalten haben. Allerdings gibt es Unterschiede zwischen diesen Abszissionszonen.

„Optisch konnten wir deutliche Unterschiede zwischen den Trennzonen des von uns untersuchten Reises erkennen, aber wir konnten uns nicht allein auf unsere Wahrnehmung verlassen“, erklärt Lowey. „Um unsere Beobachtungen in Zahlen auszudrücken, haben wir drei neue Messmethoden entwickelt, um die Aspekte der Trennzonen, die uns am meisten interessierten, numerisch zu quantifizieren.“

Das Team entdeckte außerdem, dass die relative Länge der Abszisionszone – und nicht das bloße Vorhandensein oder Fehlen des Gewebes – die Variable war, die am besten vorhersagte, welche Sorten leicht zerbrechen und welche widerstandsfähiger sind. Während die kultivierten Gruppen Abszisionszonen aufwiesen, die in ihrer Länge stark variierten, was zu einigen Unterschieden im Ausmaß des Verlusts der Zerbrechlichkeit führte, wiesen alle Unkrautsorten, egal woher sie geerntet wurden, eine längere Zone auf.

„Das zeigt uns“, sagt Caicedo, „dass sich bei jeder Entwicklung von Unkrautreis eine lange Abszisionszone als beste evolutionäre reproduktive Anpassung ‚auswählt‘.“ Umgekehrt wurden bei jeder Domestizierung von Reissorten die Abszisionszonen unterschiedlich verändert, was zu unterschiedlichen Verlusten der Zersplitterung führte.

Dass so viele verschiedene, unabhängig voneinander entwickelte Reisartengruppen trotz 10.000 Jahren menschlicher Bemühungen, Reis in domestizierter, nicht brechender Form zu erhalten, auf dieselbe Anpassung – eine lange Abszissionszone und leichtes Zerbrechen – geeinigt haben, bedeutet, dass es etwas an der Art und Weise gibt, wie Menschen Reisfelder bewirtschaften, das diese beiden Merkmale unbeabsichtigt hervorruft. Es deutet auch darauf hin, dass eine hohe Zerbrechlichkeit nur durch eine lange Abszissionszone erreicht werden kann.

Dies bedeutet auch, dass unser Verständnis der langen Geschichte von Mensch und Reis aktualisiert werden muss. Insbesondere glaubten Wissenschaftler bisher, dass Kulturreis seine Trennzone verloren habe und dass der Grad der Rauheit an der Basis eines Reiskorns ein Hinweis darauf sein könne, ob eine Trennzone vorhanden war und somit ob das Reiskorn zerbrochen war oder nicht.

Allerdings sagt Caicedo: „Man kann nicht einfach die Oberfläche eines Reiskorns betrachten – egal, ob es sich um ein heutiges oder ein Tausende von Jahren altes archäologisches Exemplar handelt – und schon darauf schließen, dass es angebaut wurde oder zerbrochen ist, denn bei fast allen Reiskörnern ist eine Trennzone in gewissem Maße vorhanden.“

Li fügt hinzu: „Ein spannender Aspekt unserer Forschung ist, dass sie die Grundlage für die Untersuchung der zugrunde liegenden Genetik legt. Wir wissen jetzt, dass wir die Gene herausfinden müssen, die die Länge der Abszissionszonen in verschiedenen Reisgruppen steuern. Dann werden wir verstehen können, wann und wie all diese Veränderungen in der Abszissionszone entstanden sind und wie sie die Geschichte der Domestizierung und Dedomestizierung von Reis geprägt haben.“