Majs (majs) er vel nok menneskets første, og måske største bedrift inden for genteknologi. Dens enorme aks – hvert af dem er fyldt med fastsiddende kerner fyldt med stivelse, protein og olie – gør den til en af de vigtigste fødevarer. Moderne majs kan i modsætning til sin vilde græsklædte forfader teosinte ikke overleve uden mennesker, fordi den ikke kan sprede sine egne frø. Majsens oprindelse har længe fascineret genetikere, men det er først for nylig, at nye molekylære metoder har gjort det muligt for evolutionsforskere at lokalisere dens oprindelse og identificere de genetiske modifikationer (GM’er), der har muliggjort den radikale forvandling af teosinte til nutidig majs. På side 1206 i dette nummer leverer Jaenicke-Després, Doebley og deres kolleger ( 1) det seneste kapitel i denne detektivhistorie og antyder, at forhistoriske mennesker var hurtige til at tage GM-majs til sig.

Teosinte og majs ( Zea mays) ligner ikke meget hinanden, men de er interfertile. Teosinte-majshybrider opstår i naturen, men de ser så forskellige ud fra begge forældre, at de oprindeligt blev klassificeret som en anden art ( Zea canina). I 1920’erne undersøgte Beadle kromosomer i teosinte-majshybrider og konkluderede, at de to planter tilhørte den samme art og endda delte den samme kromosomale rækkefølge af gener. Det burde have løst spørgsmålet om majsens oprindelse, men det gjorde det ikke.

I 1938 foreslog den eminente majsgenetiker Mangelsdorf, at majs udviklede sig fra en uddød sydamerikansk majsart, og at teosinte stammede fra en krydsning mellem en anden græsart, Tripsacum, og majs ( 2). Selv om den var besværlig, blev denne hypotese bredt accepteret, og Mangelsdorf og Beadle førte i årevis en offentlig sparring med hinanden. Da Beadle gik på pension, organiserede han en ekspedition til Mexico for at lede efter flere vilde majsslægtninge og vendte tilbage med frø, der viste sig at være uvurderlige for den næste generation af molekylære arkæologer. Tripsacum-hypotesen blev kortvarigt genoplivet i midten af 1990’erne, men på det tidspunkt var de molekylære beviser overvældende til fordel for den opfattelse, at teosinte var forfaderen til moderne majs ( 3).

Så hvordan, hvornår og hvor blev teosinte omdannet til majs? Beadle gav sin mentor, Emerson, æren for ideen om, at blot nogle få mutationer ændrede teosinte til majs ( 4). Ved at analysere tilbagekrydsede majs-teosinte-hybrider med molekylære sonder kom Doebleys gruppe frem til en forbløffende lignende konklusion: Forskellene mellem majs og teosinte kunne spores tilbage til blot fem genomiske regioner ( 5). I to af disse regioner kunne forskellene tilskrives alternative alleler af blot ét gen: teosinte glume architecture ( tga1) og teosinte branched ( tb1), som påvirker kernestruktur og plantearkitektur.

Genet tga1 styrer glumehårdhed, -størrelse og -bøjning ( 6). Teosinte-kerner er omgivet af en stenlignende frugtkasse, hvilket sikrer, at de passerer ubeskadiget gennem et dyrs fordøjelseskanal, hvilket er nødvendigt for frøspredningen. Men plantens reproduktionssucces er forbrugerens ernæringsmæssige fiasko. Det er ikke overraskende, at en af de største forskelle mellem majs- og teosintekerner ligger i de strukturer (kopula og ydre hylster), der omslutter kernen. Majskerner udvikler ikke en frugtkapsel, fordi hylsteret er tyndere og kortere, og fordi bægerkapslen er sammenklappet. Teosinte-kernens hårdhed skyldes siliciumdioxidaflejringer i glummens epidermalceller og imprægnering af glummens celler med den polymere lignin. Majs tga1-allelen understøtter en langsommere vækst af blæren og mindre silica-aflejring og lignificering end teosinte tga1allelen.

Tb1-lokussen er i høj grad ansvarlig for de to planters forskellige arkitektur. Teosinte producerer mange lange sidegrene, der hver især er kronet af en hanblomst (kvast), og dens hunblomster (aks) produceres af sekundære grene, der vokser ud fra hovedgrenene. Moderne majs har én hovedstængel med en kvast i toppen. Dens sidegrene er korte og bærer de store aks. En stor del af forskellen kan tilskrives tb1-genet, der oprindeligt blev identificeret i en teosinte-lignende majsmutant. Mutationer ophæver generelt genfunktionen, hvilket indikerer, at majsallelen virker ved at undertrykke udviklingen af sideskud, hvilket omdanner græsklædt teosinte til slank, enkeltstilket moderne majs og hanlige til kvindelige reproduktive strukturer ( 7).

Ved viden om, at denne klynge af egenskaber styres af blot to gener, er det mindre overraskende, at genetiske forskelle i disse gener kunne gøre teosinte til en meget bedre madplante. Men uanset hvor nyttig den er for mennesker, ville en tga1-mutation have været skadelig for teosinte, idet den ville have gjort den mere sårbar over for ødelæggelse i forbrugerens fordøjelseskanal og dermed mindre i stand til at sprede sine frø. Den eneste måde, hvorpå denne mutation kan have overlevet, er derfor, hvis vores forfædre selv har formeret frøene. Det betyder, at mennesker ikke blot høstede – og sandsynligvis malede og tilberedte – teosintefrø, før disse mutationer opstod, men at de også selekterede efter gunstige egenskaber som kernekvalitet og kolvestørrelse. Dette tyder igen på en “flaskehals” i udviklingen af majs: Flere nyttige GM’er blev samlet i en enkelt plante, og derefter blev frøene fra denne plante formeret, hvilket gav anledning til alle nutidige majssorter. En sådan forudsigelse kan testes ved at beregne det antal generationer og individer, der skal til for at tage højde for den molekylære variabilitet, der findes i nutidig majs. Resultaterne af en sådan test tyder på en flaskehals for domesticering af majs på kun 10 generationer og en grundlæggerpopulation på kun 20 individer ( 8). Skete dette én gang eller mange gange? Da genetiske forskelle opstår med en ret konstant hastighed, kan dette spørgsmål besvares ved at konstruere stamtræer ved hjælp af lignende sekvenser fra forskellige sorter af teosinte og nutidig majs. Resultaterne er utvetydige: Alle nutidige majssorter tilhører en enkelt familie, hvilket peger på en enkelt domesticeringsbegivenhed.

Ved viden om, hvor hurtigt forskelle opstår, hvor mange der er i dag, og hvor oprindelsesfamilien overlever, er det muligt at bestemme, hvornår – og hvor – det hele startede. Svaret er, at majs højst sandsynligt opstod fra teosinte af underarten parviglumis i Balsas-flodens bækken i det sydlige Mexico for ca. 9000 år siden ( 9). Nylige omdateringer af kolber fra Guilá Naquitz-hulen (ca. 500 km fra Balsas-flodbækkenet) viste, at de var mere end 6200 år gamle, hvilket giver arkæologisk støtte til de molekylære fund ( 10, 11). Disse tidligste majskolber ligner ikke meget de moderne majskolber, men de ligner endnu mindre teosinte-kolber (se figuren). De er hårde og har flere rækker af tæt fastsiddende kerner, hvilket antyder, at planterne ikke ville have overlevet uden mennesker til at løsne og plante frøene. I modsætning hertil falder teosintes reproduktive struktur, rachis, fra hinanden, når den er moden, og frigiver de hårde frø. Selv for 6000 år siden var de gamle majskolber således allerede majskolber, der lignede majs.

Primitiv popcorn. Teosinte ( til venstre) og primitiv majs ( til højre). Primitiv majs blev “rekonstrueret” ved at krydse teosinte med argentinsk majs.

CREDIT: JOHN DOEBLEY

Den genmodificerede majs spredte sig langt – og hurtigt. Majs optræder i de arkæologiske optegnelser i det sydvestlige USA for mere end 3000 år siden ( 12), og det er tydeligt, at kolvestørrelsen allerede var blevet større under udvælgelse. I Jaenicke-Després et al.s undersøgelse ( 1) undersøges udvælgelsen af egenskaber, der ikke kan observeres i fossiliserede kolber. Ved at tage små prøver af fossile kolber fra Ocampo-hulerne i det nordøstlige Mexico (2300 til 4400 år gamle) og Tularosa-hulen i Mogollon-højlandet i New Mexico (650 til 1900 år gamle) ekstraherede forfatterne DNA og forstærkede, klonede og sekventerede små DNA-fragmenter af tb1-genet, pbf-genet, der styrer mængden af lagringsprotein, og su1-genet, der koder for et stivelsesforgrenende enzym, hvis aktivitet påvirker majstortillas’ konsistens. De sammenlignede deres gamle DNA-sekvenser med sekvenserne fra 66 majslandracer (den majs, der dyrkes af indfødte landmænd) fra Syd-, Central- og Nordamerika og 23 linjer af teosinte parviglumis.

De rapporterer, at alleler af disse gener, der er typiske for moderne majs, allerede var til stede for mere end 4.000 år siden, hvilket antyder, at plantearkitektur og kernens næringsegenskaber blev udvalgt tidligt, længe før majsen nåede Nordamerika. Alle 11 gamle kolber bar den tb1-allel, der er til stede i moderne majs, men mindre end halvdelen af de 23 teosinte-sorter bar denne allel. Ligeledes indeholdt alle de gamle prøver en pbf-allel, som er almindelig i majs, men sjælden i teosinte. Den fremherskende moderne su1-allel blev fundet i alle de ældre mexicanske kolber, men de yngre new-mexicanske kolber havde flere forskellige alleler, hvilket tyder på, at dette gen stadig var under udvælgelse, da majsen nåede Nordamerika.

Forfatterne konkluderer, at “… for 4400 år siden havde de tidlige landmænd allerede haft en betydelig homogeniserende effekt på den alleliske diversitet ved tre gener, der er forbundet med majsens morfologi og majskolbens biokemiske egenskaber.” Dette tyder på, at da denne særlige kombination af genmodificerede organismer først var blevet sammensat, viste planterne sig så overlegne som fødevareafgrøde, at de blev omhyggeligt formeret og bredt indført, hvilket måske forårsagede noget af en forhistorisk grøn revolution. Det antyder også, at det tilsyneladende tab af genetisk diversitet efter indførelsen af højtydende hvede- og rissorter fra den grønne revolution i 1960’erne og 1970’erne og i forbindelse med den hurtige indførelse af overlegne GM-afgrøder i dag langt fra er et nyt fænomen.

Forfatteren er ansat ved Huck Institute for Life Sciences, Pennsylvania State University, University Park, PA 16802, USA. E-mail: [email protected]

Reprinted with permission from Science, Vol 302, Issue 5648, 1158-1159, 14 November 2003