Tuebingen, Germany
June 25, 2019
Plants collected by Darwin have helped reveal the ancestry of European potatoes and solve nearly 100 years of debate on the crop’s origins
Solanum tuberosum herbarium specimen collected in the Chonos Archipelago, Chile, by Charles Darwin on the voyage of the “Beagle”. Image by courtesy of the Cambridge University Herbarium.
Ein Exemplar des Herbars Solanum tuberosum (Kartoffel), das auf dem Chonos-Archipel in Chile von Charles Darwin während seiner Expedition auf der HMS “Beagle” gesammelt und konserviert wurde (Bildrechte: Cambridge University Herbarium).
The origins and adaptation of the modern European potato have been unveiled using plants collected as long as 350 years ago, including by Charles Darwin during his 1834 voyage on HMS Beagle.
New genetic analysis, led by scientists from the Max Planck Institute for Developmental Biology in Germany, settles nearly 100 years of debate about the origins of the European potato. Russian scholars thought that modern European potato came from Chile while English researchers suggested an Andean origin. The new results show that the origins of the European potato are in fact rooted in both regions of South America.
To trace the ancestry of the potato, the authors extracted DNA from 88 samples that included landraces, modern cultivars and historical specimens kept in herbaria. The oldest was a 1660 specimen found in the Sloane herbarium at London's Natural History Museum. To the author's knowledge, this is the oldest herbarium specimen of any plant from which genome-wide DNA data has been successfully retrieved.
The first potatoes collected by Europeans were taken from the highlands of the equatorial Andes in the 16thcentury. At this latitude, they were adapted to short days. When they were first introduced to Europe, tubers would only develop in late autumn as the days shortened, mimicking the day length and temperature cues of their original habitat. This allowed little time for tubers to grow in size before plants were killed by the first frosts.
"Plants introduced from Peru would have produced the smallest potatoes you've ever seen on your plate and would have sliced into chips smaller than matchsticks," says first author Dr Rafal Gutaker from the Max Planck Institute for Developmental Biology. "Overcoming short-day dependency for tuberization was the most important milestone in the widespread success of potato-growing."
The new research tracks the emergence of this adaptation in Europe and traces it to the 19th century, coinciding with an influx of Chilean potatoes. The period also coincides with a transformation in the cultivation of potatoes in Europe. After a slow start, cultivation gained momentum between the 18thand 19thcenturies and by the middle of the 19thcentury, the potato was Ireland's main staple crop.
"Potato specimens from 19th-century South America are very rare. The authors would not have been able to determine with certainty the Chilean ancestry of potato without the samples collected by Darwin in 1834, which are preserved for future research in the Cambridge University Herbarium," says Professor Beverley Glover from Cambridge University Herbarium, which curates the Darwin collection.
Contemporary Chilean potatoes are very similar to modern potatoes in Europe. However, they're also very different from historical Chilean samples, including those collected by Darwin. The initial introductions to Europe from the Andes and then from Chile are not the full story.
From 1846 to 1891, Andean ancestry made a resurgence, which coincides with the potato late blight epidemic of 1845 to 1847 that triggered the Irish Potato Famine. This shift suggests that farmers may have reintroduced older potato stocks to overcome losses of pathogen-susceptible crops. The analysis also suggests that genetic diversity introduced from South America was mixed in later years with wild potato species, used to build resistance to plant pathogens.
"Potatoes are one of the most important staple crops for food security. Our findings show the importance of maintaining diverse landraces and wild relatives of crops to ensure their success in an uncertain future, governed by the effects of climate change and the ever-present threat of new diseases,"says the lead author Dr. Hernán Burbano from the Max Planck Institute for Developmental Biology.
Notes to editors:
The study was funded by the Max Planck Society. The original scientific paper has been published in Nature Ecology & Evolution
(https://doi.org/10.1038/s41559-019-0921-3).
Rätsel um Ursprung der europäischen Kartoffel gelöst
Woher stammt die europäische Kartoffel? Pflanzen, die im 19. Jahrhundert auf einer Expedition des britischen Naturwissenschaftlers Charles Darwin gesammelt wurden, halfen Forschern am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen nun bei der Klärung eines über hundert Jahre alten Diskurses.
Lange Zeit bestand unter Gelehrten verschiedener Nationen Uneinigkeit darüber, woher sie eigentlich kommt, die europäische Kartoffel. Die einen meinten Chile, die anderen waren sich sicher, die Kartoffel stammt aus den Anden. Eine neuartige Genanalyse der Autoren der Studie, Hernán Burbano und Rafal Gutaker, zeigt nun: beide Lager haben Recht. Die Ursprünge der europäischen Kartoffel lassen tatsächlich auf beide Regionen in Südamerika schließen.
Genetische Kartierung von über 350 Jahre alten Pflanzen
Bis zu 350 Jahre alt sind die Kartoffeln, die zur genetischen Bestimmung herangezogen werden konnten, von modernen Sorten bis zu historischen Exemplaren aus Herbarien. Darunter auch Pflanzen aus einer Sammlung Darwins, die er im Jahr 1834 von seiner Expedition auf der HMS Beagle, ein Vermessungsschiff der Britischen Marine, nach Europa mitbrachte. Für ihre Untersuchungen studierten die Autoren die Erbanlagen von 88 unterschiedlichen Proben. Die älteste stammt aus dem Jahr 1660, aufbewahrt im Sir Hans Sloane Herbarium des Londoner Naturhistorischen Museums. Nach Angaben der Wissenschaftler handelt es sich dabei um die älteste pflanzliche Probe überhaupt, deren Kern-DNA entziffert werden konnte.
Die ersten von Europäern im 16. Jahrhundert in Südamerika gesammelten Kartoffeln stammen demnach aus den Hochlagen der äquatorialen Anden. Als sie nach Europa kamen, entwickelten sie zunächst nur im Spätherbst die nahrhaften Knollen, da sie sich in den Anden über viele Generationen hinweg an kurze Tageslängen angepasst hatten. Dadurch aber blieb den Knollen nur wenig Zeit zum Wachstum, bevor sie vom ersten Frost überrascht wurden.
Moderne landwirtschaftliche Kultivierung im 19. Jahrhundert
"Die Knollen der ursprünglichen Kartoffelpflanzen aus den Anden Perus waren nach unserer heutigen Vorstellung sehr klein. In Streifen geschnittenen wären Pommes Frites kürzer als Streichhölzer entstanden", kommentiert Rafal Gutaker vom Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie. Insofern war ein zentraler Meilenstein auf dem Weg zum Erfolg der Kartoffel in Europa, einen Ausweg aus ihrem zeitlich begrenzten Knollenwachstum im Spätherbst zu finden.
Die aktuelle Studie hat dies mit der Einfuhr chilenischer Sorten im 19. Jahrhundert in zeitlichen Zusammenhang gebracht, was auch mit der Ausweitung der Kartoffel in Europa zusammenfällt. So war die Kartoffel nach einem zögerlichen Start im 18. Jahrhundert schon Mitte des 19. Jahrhunderts das landwirtschaftliche Haupterzeugnis in Irland.
"Es gibt nur wenige erhaltene Exemplare der ursprünglichen Kartoffelsorten aus Südamerika. Ohne die Sammlungen Charles Darwins wäre es uns unmöglich gewesen, auch die chilenischen Wurzeln unserer heute in Europa heimischen Kartoffelsorten zu bestimmen", kommentiert Beverley Glover, Professorin an der Universität Cambridge und zugleich Kuratorin der Sammlungen Darwins. "Denn die heutigen chilenischen Kartoffelsorten sind den europäischen sehr ähnlich, und weichen stark von ihren chilenischen Ahnen ab, auch von denen aus den Sammlungen Charles Darwins."
Zentrale Säule globaler Ernährung
Die in zwei Phasen erfolgte Einführung der Kartoffel, erst aus den Anden und dann aus Chile, ist aber noch nicht das Ende der Geschichte. Zwischen 1846 und 1891 erlebten die Ursprungssorten aus den Anden wieder eine Renaissance, was mit der breitflächigen Ausbreitung der Kraut- und Knollenfäule, und der damit einhergehenden großen Hungersnot in Irland zwischen 1845 und 1847 zusammenfällt. Dies lässt vermuten, dass Bauern in dieser Zeit wieder auf die alten Sorten zurückgegriffen haben. Auch können die Max-Planck-Forscher aus ihren Genanalysen erkennen, dass nach dieser Zeit begonnen wurde, wilde Kartoffelarten in die amerikanischen Nutzpflanzen einzukreuzen, um eine bessere Resistenz gegen Krankheitsbefall zu erzielen.
"Kartoffeln gehören heute zu den zentralen Säulen weltweiter Nahrungssicherung. Unsere Forschungsergebnisse zeigen, wie wichtig es ist, unterschiedliche Sorten sowie verwandte Arten aus wilden Beständen zu erhalten, um für widrige Umstände im Zuge des Klimawandels oder der Ausbreitung neuer Krankheitserreger gewappnet zu sein", so Hernán Burbano vom Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie.
Die hier beschriebene Studie wurde von der Max-Planck-Gesellschaft finanziert. Die Originalpublikation ist auf den Seiten der internationalen Fachzeitschrift Nature Ecology & Evolution veröffentlicht (https://doi.org/10.1038/s41559-019-0921-3).
Originalpublikation:
Rafal M. Gutaker, Clemens L. Weiß, David Ellis, Noelle L. Anglin, Sandra Knapp, José Luis Fernández-Alonso, Salomé Prat & Hernán A. Burbano, The origins and adaptation of European potatoes reconstructed from historical genomes, Nature Ecology & Evolution (2019)
Topics
Species
