Endlich konnte das Rätsel über die genetische Herkunft der Kartoffel gelöst werden. Vor acht bis neun Millionen Jahren ging das heutige Grundnahrungsmittel aus einer wundersamen Kreuzung zweier knollenloser Wildpflanzen hervor.
Die Kartoffel ist laut dem Bundesamt für Landwirtschaft und Ernährung (BLE) weltweit das viertwichtigste Grundnahrungsmittel nach Reis, Weizen und Mais. Sie gewährleistet die Ernährungssicherheit von bis zu 1,3 Milliarden Menschen und zeichnet mit den drei genannten Mitstreitern für rund 80 Prozent der menschlichen Kalorienzufuhr verantwortlich. Laut dem BLE gibt es global rund 5.000 Kartoffelsorten, wobei in Deutschland nur rund 200 Sorten die Zulassung zur Kultivierung durch das Bundessortenamt erhalten haben. Aus botanischer Sicht zählt die Kartoffel, die in Fachkreisen „Solanum tuberosum“ genannt wird, zu der Familie der Solanaceae, im Volksmund besser bekannt als Nachtschattengewächse, zu denen auch die Tomate, die Aubergine, die Paprika, der Tabak oder die Tollkirsche gehören. Wobei die Pflanzengattung Solanum oder Nachtschatten innerhalb der Solanaceae aus mehr als 1.000 Arten besteht. So weit, so gut. Doch nun wird es schwieriger, sofern man sich die häufig aufploppende Frage stellt, ob die Kartoffel eher der Warengruppe der Früchte oder der des Gemüses zugerechnet werden kann. Beide Zuordnungen sind falsch, auch die alternative Definition der Kartoffel als stärkehaltige Wurzel ist nicht haltbar. Denn es handelt sich bei der Kartoffel botanisch gesehen letztendlich um einen unterirdischen Spross oder genauer gesagt um eine unterirdische Stängel-verdickung in Gestalt einer Knolle. Die Knolle dient der Pflanze als geschütztes Speicherorgan für Nährstoffe und als vegetatives, von Samenbildung oder Bestäubung unabhängiges Vermehrungsorgan.
Im 16. Jahrhundert nach Europa
Damit dürften einige wesentliche Unklarheiten betreffs der Kartoffel beseitigt sein.
Doch das größte Rätsel um das im 16. Jahrhundert von Südamerika nach Europa importierte Nachtschattengewächs, dessen Knollen ihre sättigende Wirkung vor allem ihrem relativ hohen Stärkegehalt (14 bis 16 Prozent) bei vergleichsweise geringem Energiegehalt verdanken und zu rund 80 Prozent aus Wasser bestehen, blieb bis vor Kurzem ungelöst. Weil die Forschung die Herkunft, die Abstammungslinie oder die genetischen Ursprünge der Kartoffel bislang nicht aufklären konnte. Um dies zu ändern, fand sich ein internationales Team von Wissenschaftlern zusammen, wobei die in Shenzhen beheimatete Chinesische Akademie für Agrarwissenschaften unter Federführung des am Agricultural Genomics Institute tätigen Genforschers Prof. Sanwen Huang und das Londoner Natural History Museum unter Federführung der Leiterin der Pflanzenabteilung Dr. Sandra Knapp die Hauptarbeit übernahmen. Wobei die beiden genannten Forschungseinrichtungen mit ziemlich unterschiedlichen Zielsetzungen an dem Projekt teilnahmen. Die Chinesen mit dem Protagonisten Sanwen Huang möchten eine neue Hybrid-Kartoffel entwickeln, die aus Samen gezogen werden soll, um dadurch die häufig auftretenden Mutationen oder Krankheiten, für die die Kartoffel-Klone bislang anfällig sind, vermeiden zu können. Die Briten hingegen interessierten sich einfach nur für die weitere Erkundung der Beziehungen zwischen verschiedenen Pflanzen der Gattung Nachtschatten. „Er interessiert sich für Kartoffeln. Wir interessieren uns für Solanum“, sagt Dr. Sandra Knapp. „Wir haben erkannt, dass hier etwas Interessantes vor sich geht.“
Laut dem Forscherteam ist die Kulturkartoffel Solanum tuberosum inzwischen sogar das drittwichtigste Grundnahrungsmittel der Welt. „Innerhalb der Gattung Solanum bildet die Kulturkartoffel mit ihren 107 eng verwandten Wildarten die monophyletische (nur von einem gemeinsamen Vorfahren abstammende, Anm. d. Red.) Petota-Linie (mit dem entscheidenden Charakteristikum einer Knollenbildung, Anm. d. Red.), die sich ökologisch und morphologisch von den eng verwandten Linien Etuberosum und Tomate unterscheidet“, so die Wissenschaftler in der Einleitung zu ihrer im Fachmagazin „Cell“ erschienenen Studie.
Pflanzengruppe mit drei Arten
Frühere Untersuchungen hatten nahegelegt, dass es sich bei Etuberosum, einer winzigen südamerikanischen Pflanzengruppen-Linie mit gerade mal drei kleinen Arten, die von ihrem äußeren Erscheinungsbild stark den heutigen Kartoffeln ähneln, aber keine Knollen ausbilden, und der bekanntermaßen ebenfalls knollenlosen Tomate um Schwestern der Petota gehandelt haben könnte. Wobei speziell die aufgezeigte enge Verwandtschaft zwischen Kartoffeln und Tomaten wegen genetischer Übereinstimmungen doch ziemlich verblüffend gewesen war. Noch weitaus überraschender dürfte die neueste Erkenntnis sein, dass Tomate und Etuberosum gewissermaßen die Eltern der Gruppe der Petota und damit der heutigen Kartoffel gewesen waren. Sowohl Tomate als auch Etuberosum bilden zwar unterirdische Triebe, sogenannte Stolonen oder Rhizome, aus, die sich aber bei ihnen nicht zu Knollen weiterentwickeln können. Tomate und Etuberosum hatten laut dem Forscherteam vor etwa 14 Millionen Jahren einen gemeinsamen Vorfahren. Nach einer Trennung von rund fünf Millionen Jahren fanden sie vor acht bis neun Millionen Jahren wieder zusammen.
Das Ergebnis der natürlichen Kreuzung/Hybridisierung der beiden lange getrennten wilden Pflanzenlinien war die Geburtsstunde der Petota oder der ersten Kartoffelpflanzen mit Knollenausbildung. Beide Elternlinien steuerten dabei ihr Genmaterial bei, wobei etwa 60 Prozent der künftigen Kartoffel von Etuberosum-Vorfahren und etwa 40 Prozent von der Tomaten-Linie stammten. Das entscheidende Novum zur Knollenbildung waren allerdings zwei Schlüsselgene. Die Tomate spendierte dabei das Gen namens SP6A, das sich gewissermaßen als Kickstarter der Tuberisierung oder Knollenbildung entpuppen sollte. Für das Knollenwachstum steuerte Etuberosum das Gen namens IT1 bei. Ohne das Vorhandensein eines dieser beiden Gene wären die hybriden Nachkommen laut dem Forscherteam nicht dazu in der Lage gewesen, Knollen zu entwickeln. „Unsere Ergebnisse zeigen, wie eine Hybridisierung zwischen Arten die Evolution neuer Merkmale auslösen und so die Entstehung weiterer Arten ermöglichen kann“, so Prof. Sanwen Huang.
Sehr schnelle Artbildung
Zudem war die Bildung neuer Arten in der Petota-Linie laut dem Team in einem ungewöhnlich hohen Tempo abgelaufen, mehr als 30 Prozent schneller als in anderen Gruppen der Gattung Solanum. Wobei die Kartoffel in ihrem Frühstadium von stark im Wandel begriffenen Umweltbedingungen profitiert hatte. Denn vor rund zehn Millionen Jahren begannen sich die Anden an der Westküste Südamerikas aufzufalten. Den neuen, harschen Höhenlagen mit einem kalt-trockenen Klima konnte sich die Kartoffel mit ihren im Boden sicher gespeicherten Nährstoffen optimal anpassen und neue ökologische Nischen vom Hochland Perus bis nach Mexiko besiedeln. Auch die Fortpflanzung ohne Blüten, Samenbildung und Früchte war fraglos ein wichtiger Evolutionspluspunkt gewesen. „Die Entwicklung einer Knolle verschaffte Kartoffeln einen enormen Vorteil in rauen Umgebungen, was zu einer explosionsartigen Vermehrung neuer Arten führte und zur reichen Vielfalt der Kartoffel beitrug, die wir heute kennen und schätzen“, so Prof. Sanwen Huang. „Wir haben endlich das Rätsel um die Herkunft der Kartoffel gelöst.“
Dass sich ausgerechnet zwei verschiedene Pflanzenlinien gekreuzt hatten und dabei mit der Knolle ein völlig neues Merkmal entstanden war, war mit dem äußerst seltenen Fall einer sogenannten homoploiden Hybridisierung verbunden, einer Kreuzung ohne Chromosomenverdoppelung. Das positive Ergebnis der Kreuzung war jedenfalls ein evolutionärer Glücksfall, weil häufig vergleichbare Hybridisierungen laut dem Evolutionsbiologen Prof. James Mallet von der Bostoner Harvard University keine sonderlich guten Folgen nach sich ziehen. „Es ist nicht gut, die Gene so durcheinanderzubringen. Aber gelegentlich kommt es zu seltsamen Genkombinationen, die es innerhalb einer Linie nicht gegeben hätte. Es ist, als würde man die Würfel neu werfen.“ Was im Fall der Kartoffel zu einem Volltreffer geführt hatte. Die genetische Mischung der beiden Vorfahren, 60 Prozent Etuberosum- und 40 Prozent Tomaten-Anteil, ist bis heute im Erbgut der Kartoffel stabil erhalten geblieben. Wie das Forscherteam bei der ihrer Studie zugrundeliegenden Untersuchung von 450 Genomen kultivierter Kartoffelsorten und denen von 56 wilden Varianten feststellen konnte. Hinzu kamen Referenz-Genome weiterer Nachtschattengewächse, darunter Tomaten und Vertreter der Etuberosum-Linie. Anhand dieser Daten analysierte das Team die genetischen Muster, um Rückschlüsse auf eine eventuelle gemeinsame Vergangenheit ziehen zu können.