Forscher der Chinesischen Akademie der Agrarwissenschaften in China haben maschinelles Lernen auf genetische Sequenzdaten wilder und heimischer europäischer Trauben angewendet.
In der Studie „Adaptive und maladaptive Introgression bei der Domestizierung von Weinreben“, veröffentlicht in PNASDie Forscher untersuchten die Geschichte der genetischen Hybridisierung zwischen domestizierten Weintrauben und ihren europäischen wilden Verwandten und führten den Ursprung auf ein einziges Domestizierungsereignis bei Weintrauben zurück.
Nach Angaben der Studienautoren verbreitete sich die domestizierte Weinrebe vor rund 3.000 Jahren nach Europa. Archäologische Beweise datieren die erste Domestizierung von Weinreben auf etwa 5.900 v. Chr., wobei sich die Sylvestris-Sorten im Südkaukasus, im nördlichen Fruchtbaren Halbmond und in der Levante vermehrten.
Nach ihrer Domestizierung verbreiteten sich die Trauben im gesamten Mittelmeerraum und diversifizierten sich in viele lokal angepasste Sorten. Innerhalb der letzten 3.000 Jahre wurden Weinreben in Europa etabliert, wo die importierten Sorten mit genetisch unterschiedlichen wilden Sylvestris-Populationen in Kontakt kamen.
Bestimmte Genregionen der Weintrauben, die mit der Synthese aromatischer Verbindungen zusammenhängen, wurden mit Wildversionen angereichert, was darauf hindeutet, dass europäische Wildtrauben eine wesentliche Ressource für die Verbesserung des Geschmacks von Weintrauben waren.
Das Team sammelte vorhandene Sequenzierungsdaten von 305 Proben und führte mithilfe der Illumina HiSeq 4000-Plattform eine Sequenzierung an 40 Proben aus den USDA-Traubenkeimplasmasammlungen in Davis, Kalifornien durch. Die kombinierte Sammlung deckte ein breites Verbreitungsgebiet weltweiter Wild- und Kulturtrauben ab.
Eine auf maschinellem Lernen basierende populationsgenetische Analyse ergab Hinweise auf ein einzelnes Domestizierungsereignis einer Weinrebe, gefolgt von einem kontinuierlichen Genfluss zwischen europäischen Wildtrauben (EU) und kultivierten Weintrauben in den letzten etwa 2.000 Jahren.
Durch Hybridisierungsereignisse und absichtliche Züchtungsverbesserungen wurden genetische Fragmente mit einer höheren schädlichen Belastung eingeführt, wobei die meisten schädlichen Einzelnukleotidpolymorphismen (SNPs) und Strukturvarianten in einem heterozygoten Zustand verborgen waren.
Die Autoren weisen darauf hin, dass die positiven Auswirkungen der Hybridisierung möglicherweise mit Kosten verbunden sind, da in bestimmten Regionen eine erhöhte Anzahl bekannter schädlicher Varianten vorliegt. Die Identifizierung nützlicher und schädlicher Varianten könnte wichtige Faktoren für eine stärker genombasierte Strategie der Weinrebenzüchtung sein.
Wie schädlich?
Die Annahme einer schädlichen Belastung basiert auf DNA-Segmenten, die nicht besonders vorteilhaft sind, in der Regel nicht kodierend sind und in Wildpflanzen typischerweise durch natürliche Selektion eliminiert werden.
Es ist erwähnenswert, dass schädliche Belastungen in jeder domestizierten Pflanzensorte auftreten können: Kartoffeln, Tomaten, Reis, Soja und Mais weisen alle viele zusätzliche genomische Komponenten auf, die durch die natürliche Selektion aufgrund der menschlichen Züchtung nicht entfernt wurden. Während es möglich sein könnte, Pflanzengenome so zu verändern, dass sie weniger schädliche Belastungen aufweisen, ist unklar, ob sich dies positiv auf die resultierende Pflanze auswirken würde, da diese Regionen normalerweise inaktiv sind.
Regionen zu haben, die für die Funktion eines Organismus nicht entscheidend sind, könnte sogar von Vorteil sein. Wenn in einem kritischen Gen eine zufällige Mutation auftritt, wäre der nachgeschaltete Effekt schädlich für den Organismus. Wenn dieselbe zufällige Mutation in einem schädlichen Belastungsgen auftritt, wäre das Ergebnis für den Organismus weniger schädlich. Etwa 98 % des menschlichen Genoms sind nicht kodierend, und obwohl nicht jede „Junk-DNA“ völlig nutzlos ist, ist sie ein komfortabler Puffer gegen die wirklich schädlichen Auswirkungen zufälliger Mutationen, die kodierende Gene verändern.
In der Studie wurden auch Tafeltrauben untersucht. Es wurde festgestellt, dass diese Sorten 100-mal geringere Hybridisierungsereignisse aufweisen, was darauf hindeutet, dass die Weintrauben zwar eine intensive Ernteverbesserung durchlaufen haben, die Tafeltrauben jedoch die ganze Zeit über perfekt waren.
Mehr Informationen:
Hua Xiao et al., Adaptive und maladaptive Introgression bei der Domestizierung von Weinreben, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2023). DOI: 10.1073/pnas.2222041120
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