Een nieuwe genetische studie onthult dat aardappelen een hybride oorsprong hebben: 9 miljoen jaar geleden kruisten tomaten met een andere Zuid-Amerikaanse plant en ontstond er een soort met knollen. De kruising was cruciaal voor hun evolutionaire succes en verspreiding in extreme klimaten.
Aardappelen zijn een van de meest universele voedingsmiddelen ter wereld. Ze worden gebakken, gekookt, geroosterd, geteeld in koude klimaten en hebben door de geschiedenis heen miljoenen mensen van de hongerdood gered. We kennen zelfs de oorsprong van de aardappeltortilla. Maar wat we tot nu toe niet wisten, is dat het bestaan ervan deels te danken is aan een onverwachte evolutionaire verwantschap met tomaten. Hoewel het niet zo lijkt, hebben beide planten een gemeenschappelijk verleden dat dieper gaat dan hun uiterlijk doet vermoeden.
Een nieuwe studie gepubliceerd in het tijdschrift Cell heeft een oud wetenschappelijk raadsel over de evolutionaire oorsprong van aardappelen opgelost. Na analyse van 128 genomen van verschillende soorten heeft een internationaal team ontdekt dat de aardappelsoort is ontstaan uit een kruising tussen de voorouders van tomaten en een andere Zuid-Amerikaanse plant, Etuberosum genaamd. De kruising vond plaats tussen 8 en 9 miljoen jaar geleden, in een periode van ingrijpende geologische en klimatologische veranderingen in de Andes. Deze ontdekking verklaart niet alleen de oorsprong van de knolgewassen, maar toont ook aan hoe DNA sporen van verre en fundamentele evolutionaire gebeurtenissen kan bewaren.
Een hybride afstamming met een onverwachte geschiedenis
Botanici vermoedden al lang dat de relaties tussen de afstammingslijnen van aardappelen (Petota), tomaten (Tomato) en Etuberosum niet volgens een eenvoudig evolutionair patroon verliepen. Ondanks hun morfologische en genetische verwantschap leverden fylogenetische analyses tegenstrijdige resultaten op. Het nieuwe onderzoek maakt een einde aan deze controverse: de aardappelstam is van hybride oorsprong, het resultaat van een kruising tussen twee verschillende soorten, zonder dat een van beide op zichzelf als directe voorouder kan worden beschouwd.
Volgens de studie hebben wetenschappers in het DNA van aardappelen mozaïekachtige genetische patronen waargenomen, die bestaan uit een bijna gelijke verhouding van genen die zijn geërfd van de aardappel- en Etuberosum-soorten. Dit kan alleen worden verklaard als beide soorten op een bepaald moment zijn gekruist. Zoals de auteurs aangeven, “vertonen alle leden [van Petota] een stabiele mix van genomische voorouders” die zijn geërfd van de twee ouderlijke soorten.
Deze hybride gebeurtenis was geen toevalligheid zonder gevolgen. Het werkelijk bijzondere is dat uit deze kruising een nieuwe plantstructuur is ontstaan: de knol, iets wat geen van beide ouderlijke soorten eerder had. Door de vorming van dit orgaan konden de planten voedingsstoffen en water onder de grond opslaan, wat cruciaal was voor hun verspreiding naar nieuwe klimaatzones.
De cruciale rol van DNA bij de vorming van knollen
De studie reconstrueerde niet alleen de stamboom van de aardappel, maar ging nog verder door specifieke genen te identificeren die betrokken zijn bij de ontwikkeling van knollen. Een daarvan, SP6A, is afkomstig van de tomatenstam en fungeert in moderne aardappelen als een genetische schakelaar die aangeeft wanneer een knol moet worden gevormd. Een ander relevant gen is IT1, geërfd van Etuberosum, dat ook betrokken is bij de vorming en ontwikkeling van deze structuren.
Beide genen ondergingen na de kruising een proces van natuurlijke selectie en recombinatie, waardoor een volledig nieuw regulerend netwerk ontstond. Zoals de auteurs opmerken, “droeg de afwisselende overerving van sterk uiteenlopende allelen van belangrijke genen […] bij aan de vorming van knollen door hybride combinaties”.
Om de functie van deze genen te bevestigen, voerde het team genetische en expressie-experimenten uit in het laboratorium. Een van de meest opvallende resultaten was dat bij het verwijderen van bepaalde genen met behulp van CRISPR-technieken, de planten het vermogen om knollen te vormen verloren of defecte ondergrondse structuren ontwikkelden. Dit bevestigt dat de evolutie van een nieuw functioneel orgaan is ontstaan door de combinatie van genetische fragmenten uit verschillende lijnen.
Een explosie van soorten als gevolg van een oude kruising
Het ontstaan van knollen was niet alleen een evolutionaire curiositeit: het stelde planten van de soort Petota in staat om nieuwe ecologische gebieden te koloniseren, met name die welke ontstonden tijdens het ontstaan van het Andesgebergte. In die tijd zorgde de geologische verandering voor koudere, drogere habitats met uitgesproken seizoenen. Planten die onder deze omstandigheden konden overleven, zoals die welke knollen vormden, hadden een evolutionair voordeel.
Dit resulteerde in een explosieve diversificatie van de soort, die vandaag de dag meer dan honderd wilde soorten omvat. Zoals de onderzoekers aangeven, “hebben hybridisatie en knolvorming een explosieve adaptieve radiatie teweeggebracht” in de groep. Met andere woorden, de combinatie van DNA stelde deze planten in staat zich snel aan te passen aan zeer verschillende niches, wat het ontstaan van nieuwe soorten bevorderde.
Bovendien bleek uit genoomanalyse dat deze genetische vermenging geen eenmalig verschijnsel was. Tekenen van hybridisatie zijn aanwezig in alle onderzochte soorten van de groep Petota, wat erop wijst dat de hybridisatie niet alleen stabiel was, maar ook een stichtende rol heeft gespeeld, waardoor een nieuwe evolutionaire lijn met een eigen identiteit is ontstaan.
Evolutie als kruising en recombinatie
Dit onderzoek versterkt het idee dat evolutie niet alleen voortkomt uit een langzame opeenstapeling van mutaties, maar ook dankzij eenmalige gebeurtenissen met een grote impact, zoals kruising tussen verschillende soorten. Hoewel dit soort kruisingen bij dieren zeldzamer is, komt het bij planten veel vaker voor en heeft het vaak belangrijke gevolgen.
In het geval van aardappelen gaat het om een voorbeeld van homoploïde hybride soortvorming, dat wil zeggen een nieuwe afstamming die ontstaat door kruising zonder verandering in het aantal chromosomen. Deze vorm van evolutie is bij andere organismen gedocumenteerd, maar zelden met een zo gedetailleerd genetisch onderzoek. De auteurs leggen uit dat “de mozaïekpatronen in het genoom […] consistent zijn met een verweven evolutionaire geschiedenis”.
Dankzij de ontwikkeling van technologieën zoals haplotype-resolved genoomsequencing is het mogelijk geworden om met grote nauwkeurigheid te traceren welke delen van het DNA van welke voorouder afkomstig zijn. Zo kon worden gereconstrueerd hoe de genen zich na de hybridisatie hebben geherorganiseerd en hoe bepaalde combinaties het ontstaan van nieuwe functies hebben bevorderd.
Een evolutionaire verandering die synchroon loopt met de geologie
De studie benadrukt ook het tijdsverschil tussen de hybride gebeurtenis en het ontstaan van de Andes, dat tussen 6 en 10 miljoen jaar geleden plaatsvond. Dat geologische moment creëerde nieuwe omgevingsomstandigheden die een unieke kans boden voor de verspreiding van een soort met knollen.
Zoals de onderzoekers stellen, “bevorderde de vorming van knollen de vegetatieve voortplanting en de kolonisatie van diverse ecologische niches”, vooral in koude en hooggelegen berggebieden. Deze synchronisatie tussen geologische, genetische en ecologische veranderingen is essentieel om te begrijpen waarom en hoe een zo belangrijk voedingsmiddel als de aardappel is ontstaan.
In vergelijking met hun voorouders vertonen aardappelen een grotere genetische diversiteit, een bredere geografische verspreiding en een betere aanpassing aan extreme omstandigheden. Dit suggereert dat hybridisatie niet alleen aan de oorsprong van de soort lag, maar ook de motor was van zijn evolutionaire succes.
Wat een aardappel ons leert over het verleden
Op het eerste gezicht lijkt een aardappel geen object met een rijke geschiedenis. Maar nu weten we dat elke knol die op ons bord belandt, een complex verleden met zich meedraagt, vol genetische kruisingen, aanpassingen en transformaties. Deze studie toont aan dat DNA de herinnering aan oude biologische allianties bewaart en dat deze allianties zelfs miljoenen jaren later nog blijvende effecten kunnen hebben.
Het onderzoek naar de hybride oorsprong van aardappelen herinnert ons eraan dat evolutie een creatief proces is, waarbij bestaande elementen worden gecombineerd om nieuwe oplossingen te creëren. In dit geval was het een genetische reorganisatie die leidde tot een innovatie die cruciaal was voor het voortbestaan van een plant en, op termijn, voor de voeding van de mensheid.
