Maïs, een gewas dat op elk continent wordt gekweekt behalve Antarctica, lijkt heel weinig op zijn voorouder, een wild gras met harde pitten dat tegenwoordig in het zuidwesten van Mexico groeit en teosinte wordt genoemd.
Botanici hebben bijna een eeuw lang gedebatteerd over de oorsprong van maïs en geloofden op een gegeven moment dat de moderne plant afstamde van een uitgestorven wilde maïs, of iets dat nog niet is ontdekt. Genetici hebben echter uiteindelijk in 1990 vastgesteld dat maïs verwant was aan teosinte met een harde kern en concludeerden dat de mollige, sappige plant die we vandaag kennen de gedomesticeerde vorm van het wilde gras is. Tussen 10.000 en 13.000 jaar geleden, redeneerden wetenschappers, hadden boeren de zaden met gunstige eigenschappen geselecteerd en geplant en in de loop van de tijd werd de plant getransformeerd.
Maar in een onderzoek dat vorige week in het tijdschrift Quaternary International werd gepubliceerd, deelde Smithsonian onderzoeker Dolores Piperno, een archeobotanist die werkt bij het veldstation van het Smithsonian Tropical Research Institute in Gamboa, Panama, een nieuwe hypothese over 'tijdmachine'. Onder vroegere omgevingscondities, zeggen zij en haar collega's, zag Teosinte er heel anders uit dan vandaag en lijkt het meer op moderne maïs dan nu. Dit kan licht werpen op de reden waarom vroege boeren ervoor kozen het te cultiveren.
Onder vroegere omgevingscondities, zeggen Piperno (met moderne teosinte) en haar collega's dat de voorvader van de plant uit het Pleistoceen er veel anders uitzag dan vandaag en meer lijkt op hedendaagse maïs. (Matthew Lachniet) "We weten dat tussen 10.000 en 13.000 jaar geleden, " zegt Piperno, "toen jager-verzamelaars voor het eerst de wilde voorouders van [de] hedendaagse gewassen begonnen te exploiteren en toen de eerste boeren daadwerkelijk begonnen met het cultiveren van de gewassen, waren de temperatuur en atmosferische CO2 heel anders. ”
Piperno werkte samen met Klaus Winter, die een serre met glazen kamer - de tijdmachine - ontwierp met lagere CO2-waarden en bewaard bij lagere temperaturen die vergelijkbaar waren met die van het late Pleistoceen en het vroege Holoceen. Ter controle werd in de buurt een andere kas klaargemaakt die de omgeving van vandaag nabootst. Piperno en haar collega's plantten vervolgens Teosinte in beide kamers.
Het was tijdens het bestuderen van de fossiele geschiedenis van maïs en vroegere omgevingscondities dat Piperno zich begon af te vragen hoe de voorouders van de plant eruit hadden kunnen zien tijdens het late Pleistoceen en het vroege Holoceen, toen ze voor het eerst werden geoogst en vervolgens verbouwd. Destijds was de temperatuur 3, 5 tot 5, 4 graden koeler dan nu, en de atmosferische CO2 schommelde rond 260 delen per miljoen. Later, tijdens de industriële revolutie, zou CO2 stijgen tot 405 delen per miljard vandaag, het niveau waarin de lange, langvertakte teosinte-plant nu groeit.
De maïsachtige fenotype-plant uit de "tijdmachine" -kamer (A) heeft een enkele kwast die de hoofdsteel beëindigt en vrouwelijke oren verschijnen langs de hoofdsteel (pijlen). De inzet rechtsboven is een close-up van een van de vrouwelijke oren. Moderne teosinte gekweekt in de controlekamer (B) heeft veel lange, primaire zijtakken (bijvoorbeeld bovenste witte pijl) afgesloten door kwasten (zwarte pijl). Onontwikkelde, vrouwelijke oren zijn te zien op de secundaire zijtakken (witte pijlen). (Irene Holst, STRI) Piperno was geïnteresseerd in studies die onderzoeken hoe toekomstige CO2- en temperatuurstijgingen iets kunnen veroorzaken dat 'fenotypische plasticiteit' wordt genoemd, of veranderingen in het uiterlijk in de plant als reactie op zijn omgeving. Fenotypische plasticiteit kan ervoor zorgen dat twee genetisch identieke organismen er anders uitzien als ze in afzonderlijke omstandigheden worden gekweekt.
In de 'tijdmachine' waren Piperno en Klaus geïntrigeerd om te ontdekken dat de teosinte-planten groeiden en meer leken op de maïs die we vandaag kweken en eten. Terwijl de teosinte van vandaag talloze takken met kwastjes heeft met oren die op secundaire takken groeien, hadden de kasplanten een enkele hoofdstam met daarbovenop een enkele kwastje, evenals verschillende korte takken met oren. En de zaden waren ook anders: in tegenstelling tot wilde teosinte-zaden, die opeenvolgend volgroeiden, rijpen alle zaden in de experimentele planten allemaal tegelijkertijd, vergelijkbaar met maïskorrels of zaden. De teosinte-zaden van vandaag zijn ingesloten in strakke vegetatieve schutbladen, maar de tijdmachine produceerde planten met zaadpitten die werden blootgesteld.
Volgens Piperno zouden minder takken, samen met gemakkelijk zichtbare zaden, teosinte een gemakkelijker te oogsten gewas hebben gemaakt. Deze karakteristieken - waarvan eerder werd gedacht dat ze voortkwamen uit menselijke selectie en domesticatie - kunnen zijn aangespoord door veranderingen in het milieu die fenotypische plasticiteit hebben veroorzaakt.
In de tijdmachinekamer werd de teosinte gekweekt in omstandigheden die hij 10.000 jaar geleden had kunnen tegenkomen. (Irene Holst, STRI) Het lijkt erop dat de omgeving een "belangrijke, als serendipitaire" rol speelde in de focus op teosinte voor de teelt, zegt Piperno. Maïsachtige kenmerken "gaven vroege boeren een voorsprong."
Daniel Sandweiss, hoogleraar antropologie en quartair en klimaatstudies aan de Universiteit van Maine, heeft uitgebreid onderzoek gedaan naar vroege klimaatverandering in Latijns-Amerika. Hij noemde het experiment van Piperno 'baanbrekend' en zei dat hij geloofde dat het 'een model zou worden voor een hele reeks studies'.
Piperno, Klaus en hun team waren ook geïnteresseerd om te zien hoe een merkbare piek in temperatuur en CO2 die plaatsvond tussen de late Pleistoceen en Holoceen tijdperken de productiviteit van de plant kan hebben beïnvloed, en zou kunnen helpen om een mogelijke reden te verklaren waarom de landbouw in die tijd begon en niet Hiervoor.
Tijdens het Pleistoceen waren de CO2-waarden in de atmosfeer zelfs lager dan tijdens het Holoceen - minstens een derde - en de temperatuur was 5 tot 7 graden koeler. Pleistocene tijdperk CO2-niveaus en temperaturen waren beperkende factoren voor de plantengroei, concludeerde Piperno, die eerder onderzoek had gezien dat suggereerde dat het kweken van planten in een omgeving met een lage CO2, lage temperatuur de fotosynthese remde en de zaadopbrengst verlaagde.
De wilde voorouder van maïs, teosinte, wordt getoond groeiend onder moderne (kamer links) en onder vroegere (kamer rechts) klimaatomstandigheden. Smithsonian wetenschappers Dolores Piperno (rechts) met Irene Holst. (Sean Mattson) Piperno's eigen resultaten echoden eerdere studies; teosinte vormde ook meer zaden in de kamer met warmere temperatuur en verhoogde C02. Dit fenomeen maakte de landbouw misschien voor het eerst een duurzame praktijk om gezinnen te voeden. De verhoogde productiviteit van de fabriek, zegt Piperno, maakte de landbouw tot 'een goede adaptieve strategie'.
"De resultaten zijn verbluffend", zegt Sandweiss, die opmerkte dat het uiterlijk van teosinte lang ondermijnde wetenschappers had. Na te hebben gezien hoe teosinte eruit zag in de groeiomstandigheden van het Pleistoceen, begon de relatie met maïs "veel logischer te worden."
Het experiment van Piperno kan wetenschappers en archeologen ook helpen het proces en de timing van de teelt van gewassen over de hele wereld te begrijpen, merkte Sandweiss op. Tarwe, gerst en rijst hebben mogelijk ook fenotypische veranderingen en verhoogde productiviteit in de late Pleistoceen en vroege Holoceen tijdperken ervaren. Het volgen van dit proces zou kunnen verklaren, "zoals het lijkt met maïs, waarom mensen die specifieke soort kozen en niet andere, en waarom het proces van domesticatie plaatsvond toen het gebeurde."
Piperno is van plan haar onderzoek voort te zetten door kunstmatige selectiestudies uit te voeren en verschillende generaties planten te laten groeien om de erfenis van de geïnduceerde, maïsachtige fenotypes te observeren. Ze zegt dat fenotypische plasticiteit een belangrijk onderdeel wordt van wat wetenschappers 'de nieuwe moderne synthese' noemen - en verruimt hoe wetenschappers het effect van het milieu op evolutionaire veranderingen bekijken.
"We hebben eigenlijk een venster geopend", zegt Piperno.
