Die ersten Pferde entstanden vor 4 Millionen Jahren

Das bescheidene Pferd hat die älteste vollständige Genomsequenz einer Art geliefert – von einem mehr als eine halbe Million Jahre alten Exemplar, das im Permafrost der kanadischen Arktis eingefroren gefunden wurde. Das Ergebnis, das heute in Nature1 veröffentlicht wurde, verschiebt die bekannten Ursprünge des Pferdestammbaums um etwa 2 Millionen Jahre nach hinten und liefert eine Reihe von evolutionären Erkenntnissen.

Die Sequenz wurde aus einem Fußknochen eines Pferdes gewonnen, das vor 780.000 bis 560.000 Jahren lebte. Durch die Sequenzierung des Genoms dieses Tieres zusammen mit denen eines 43.000 Jahre alten Pferdes, von fünf modernen Hauspferderassen, einem wilden Przewalski-Pferd und einem Esel konnten die Forscher die Evolutionsgeschichte der Pferdefamilie in noch nie dagewesener Ausführlichkeit nachzeichnen. Sie schätzen, dass sich der Urvorfahr der modernen Gattung Equus, zu der Pferde, Esel und Zebras gehören, vor etwa 4 Millionen Jahren von anderen Tierlinien abspaltete – doppelt so lange, wie Wissenschaftler bisher angenommen hatten.
„Wir haben die Zeitbarriere überwunden“, sagt der Evolutionsbiologe Ludovic Orlando von der Universität Kopenhagen, der die Arbeit zusammen mit seinem Kollegen Eske Willerslev leitete. Orlando weist darauf hin, dass die älteste DNA, die zuvor sequenziert wurde, von einem Eisbären stammte, der zwischen 110.000 und 130.000 Jahre alt war2, und sagt: „Plötzlich hat man Zugang zu viel mehr ausgestorbenen Arten, als man sich jemals hätte träumen lassen.“

Das Team war in der Lage, so alte DNA zu sequenzieren, was zum Teil an den eisigen Bodentemperaturen in dem Gebiet lag, in dem der Knochen gefunden wurde, was die Geschwindigkeit des DNA-Zerfalls verlangsamt hätte.

Aber die Forscher waren auch deshalb erfolgreich, weil sie die Techniken zur Extraktion und Aufbereitung der DNA perfektioniert hatten, um ihre Qualität für die Sequenzierung zu erhalten. Sie suchten gezielt nach Gewebe im Fossil, das einen hohen DNA-Gehalt aufweist, wie etwa Kollagen. Außerdem kombinierten sie die DNA-Sequenzierungstechniken, um eine maximale DNA-Abdeckung zu erreichen, indem sie die routinemäßige Sequenzierung der nächsten Generation mit der Einzelmolekülsequenzierung kombinierten, bei der eine Maschine die DNA direkt abliest, ohne sie vorher zu amplifizieren, wodurch einige DNA-Sequenzen verloren gehen können.

Eine große Herausforderung für die Forschung besteht nun darin, diese Techniken auf andere Arten anzuwenden, z. B. auf alte Menschenarten wie Homo heidelbergensis und Homo erectus, die vor Hunderttausenden bis mehr als einer Million Jahren lebten. Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass solche Exemplare im DNA-erhaltenden Permafrostboden vergraben sind.

„Die wirkliche Herausforderung in diesem Bereich besteht darin, diese Sequenzierungstechnologien der nächsten Generation mit der Möglichkeit zu kombinieren, Proben zu analysieren, die nicht aus dem Permafrostboden stammen“, sagt Carles Lalueza-Fox, Paläogenetiker am Institut für Evolutionsbiologie in Barcelona, Spanien.

Wildpferde

Orlando und Willerslevs Arbeit weist auf andere Arten von Entdeckungen hin, die diese Technologien ermöglichen können. Ihr Team konnte zum Beispiel die Behauptung untermauern, dass das Przewalski-Pferd (Equus ferus przewalskii), das in der Mongolei durch Zuchtprogramme in Gefangenschaft vor dem Aussterben bewahrt wurde, tatsächlich das letzte verbliebene Wildpferd ist, wenn man es genetisch mit domestizierten Pferden vergleicht.

Die Forscher waren auch in der Lage, die Größe der Pferdepopulation im Laufe der Zeit nachzuvollziehen, indem sie nach genomischen Signaturen der Populationsgröße suchten, und konnten so zeigen, dass die Populationen in Zeiten mit reichlich Grasland zwischen Zeiten extremer Kälte wuchsen.

Aber das ist nicht überraschend. Andere Forscher sagen, dass dies ein Grundsatzbeweis dafür ist, wie ähnliche Studien genutzt werden können, um die Faktoren zu erforschen, die die Evolution und die Artbildung angetrieben haben. „Diese Art von Studie gibt uns neue Einblicke, die uns zeigen, wie die Evolution funktioniert“, sagt Alan Cooper, Direktor des Australian Center for Ancient DNA der Universität Adelaide.
Obwohl Willerslev und Orlando sagen, dass es theoretisch möglich wäre, das alte Pferd wieder auferstehen zu lassen, indem man ein modernes Pferdeei mit der alten DNA implantiert, haben sie keine Pläne, dies zu tun. Sie sagen, dass es eine gewaltige Aufgabe war, das Genom aus vielen kleinen DNA-Fragmenten zusammenzusetzen. Im Moment ziehen sie es vor, sich auf die weitere Verbesserung ihrer Techniken zu konzentrieren, bevor sie sie an anderen Proben testen.

Wenn sie die Technik beherrschen, sagt Willerslev voraus, dass sie einen großen Einfluss auf die Evolutionsbiologie haben wird. „Die antike Genomik wird die Art und Weise, wie wir die Evolution bis heute betrachten, stark verändern“, sagt er.

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