Erste Enthüllung! Wie passen sich Rinder schnell an die extremen Umgebungsbedingungen des Qinghai-Tibet-Plateaus an?

Produziert von: Science Popularization China

Autor:

Chen Ningbo, Lü Yang, Lei Chuchao (Nordwestliche Universität für Landwirtschaft und Forstwirtschaft)

Zhang Zhengwei, Lv Hongliang (Universität Sichuan)

Shungang Chen (Institut für tibetische Hochlandforschung, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um das Geheimnis der wissenschaftlichen und technologischen Arbeit zu lüften, hat Chinas Spitzentechnologieprojekt eine Artikelserie mit dem Titel „Ich und meine Forschung“ gestartet und Wissenschaftler dazu eingeladen, eigene Artikel zu schreiben, ihre wissenschaftlichen Forschungserfahrungen zu teilen und eine wissenschaftliche Welt zu schaffen. Folgen wir den Entdeckern an der Spitze von Wissenschaft und Technologie und begeben wir uns auf eine Reise voller Leidenschaft, Herausforderungen und Überraschungen.

Das Qinghai-Tibet-Plateau ist als „Dach der Welt“ bekannt. Seine durchschnittliche Höhe beträgt über 4.000 Meter und er gilt auch als dritter Pol der Welt. Trotz der rauen Umweltbedingungen des Qinghai-Tibet-Plateaus mit niedrigen Temperaturen, wenig Sauerstoff und starker UV-Strahlung gedeihen auf diesem Land noch immer viele Lebewesen.

Die auf dem Qinghai-Tibet-Plateau lebenden tibetischen Landsleute betreiben hauptsächlich Viehzucht und züchten seit langem große Haustiere wie Yaks, Pferde, Ziegen und Rinder. Zu den Hausrindern gehören zwei Unterarten: das Gemeine Rind (Bos taurus taurus) und das Zebu (B. t. indicus). In China werden Hausrinder als „gelbe Rinder“ bezeichnet, was sich auf die allgemeine Bezeichnung für Hausrinder mit Ausnahme von Yaks und Büffeln bezieht.

In meinem Land gibt es sehr reiche Rinderzuchtressourcen. Laut „National Livestock and Poultry Genetic Resources – Cattle“ gibt es derzeit 57 lokale Rinderrassen. Auf dem Qinghai-Tibet-Plateau gibt es viele Rinderrassen, darunter das Apai-Gyatso-Rind, das Tibetische Rind, das Shigatse-Buckelrind und das Zhangmu-Rind im Autonomen Gebiet Tibet. das Diqing-Rind in der Provinz Yunnan, das Ganzi-Rind in der Provinz Sichuan und das Qaidam-Rind in der Provinz Qinghai. Aufgrund der komplexen Geländebeschaffenheit des Qinghai-Tibet-Plateaus sind die Rinder, die ins Herz des Plateaus gewandert sind, nie in großem Umfang an andere Orte gewandert und haben so ihre ursprünglichen Merkmale bewahrt.

Archäologische Funde und alte DNA belegen, dass Rinder zu den ersten domestizierten Tieren gehörten, die das Qinghai-Tibet-Plateau betraten, und dass Rinder vom Qinghai-Tibet-Plateau auch die primitivste Rinder-Keimplasma-Ressource in China und sogar der Welt darstellen. Nach Tausenden von Jahren natürlicher und künstlicher Selektion verfügen die Rinder des Qinghai-Tibet-Plateaus über einzigartige Merkmale wie geringere Größe, späte Reife und Anpassung an das Hochplateauklima.

Wann und wo gelangten die Rinder in solch einer extremen Umgebung auf das Qinghai-Tibet-Plateau? Wie kann man sich schnell an die Plateauumgebung anpassen? Diese Themen haben bei wissenschaftlichen Forschern großes Interesse geweckt.

Gelbes Vieh auf dem Qinghai-Tibet-Plateau

(Bildnachweis: Foto aufgenommen von Chen Ningbo von der Northwest Agriculture and Forestry University)

Herkunft der Scalper

Alte DNA-Beweise deuten darauf hin, dass domestizierte Rinder aus dem Fruchtbaren Halbmond Westasiens vor mindestens 3.900 Jahren nach Ostasien kamen. Nach der Ankunft in Ostasien änderte sich auch seine Blutlinie. Wir nennen es ostasiatisches Volksrind, repräsentiert durch das gelbe Rind, das vor 3.900 Jahren an der Shimao-Stätte im Norden von Shaanxi ausgegraben wurde.

Genomische Beweise stützen auch die Annahme, dass die Shimao-Rinder die Vorfahren der modernen Rinder vom tibetischen Plateau und der nordostasiatischen Hausrinder sind, wie etwa der Yanbian-Rinder im Nordosten Chinas, des japanischen Wagyu und des koreanischen Hanbok.

Die durch das Shimao-Gelbrind repräsentierte einheimische Rindergruppe breitete sich nach ihrer Ankunft in China weiter aus. Sie breiteten sich nach Osten in die nordöstliche Region Chinas aus und drangen dann auf die koreanische Halbinsel und nach Japan vor. nach Westen bis zum Rand des Qinghai-Tibet-Plateaus und breitete sich in den folgenden Jahrtausenden allmählich über die gesamte Region des Qinghai-Tibet-Plateaus aus. Archäologische und genetische Beweise belegen außerdem, dass sich das Gelbe Rind vor mindestens 2.500 Jahren in der Bangga-Region im südlichen Hinterland des Qinghai-Tibet-Plateaus ausbreitete.

Gelbes Vieh, gezüchtet von Hirten auf dem Qinghai-Tibet-Plateau

(Bildnachweis: Foto aufgenommen von Chen Ningbo von der Northwest Agriculture and Forestry University)

Wie passen sich Rinder an das Hochplateauklima an?

Verglichen mit der 10.000-jährigen Domestizierungsgeschichte des Hausrinds, könnte die Geschichte des Rinds vom Qinghai-Tibet-Plateau nur 3.000 bis 4.000 Jahre alt sein. Wie konnten sich Rinder in so kurzer Zeit so schnell an die Umgebung des Plateaus anpassen? Um dieses Problem zu lösen, haben wir Proben von 89 Rinderpopulationen auf dem Qinghai-Tibet-Plateau zur Genomsequenzierung und -analyse gesammelt.

Die gesammelten Rinderproben stammten aus den wichtigsten Weidegebieten im Nordosten, der Mitte und dem Süden des Qinghai-Tibet-Plateaus auf einer Höhe zwischen 3.400 und 4.300 Metern. Anschließend analysierten wir die Genominformationen anderer Hausrinder auf der ganzen Welt und stellten fest, dass die Rinder vom Qinghai-Tibet-Plateau eine reiche genetische Vielfalt aufweisen.

Im Einklang mit der geografischen Verteilung der acht Rinderpopulationen des tibetischen Plateaus zeigte sich auch in ihrer Abstammungszusammensetzung ein kontinuierlicher Wandel vom ostasiatischen Normalrind zum südasiatischen Zebu-Rind.

In den darauffolgenden 3.000 Jahren der Fortpflanzung konnten sich durch natürliche Selektion der Lebensumstände auf Rindergenerationen die günstigsten Rinderindividuen, die durch den Mechanismus des Überlebens des Stärkeren überlebten, in hohem Maße an die Umwelt des Qinghai-Tibet-Plateaus anpassen. Bei diesen Personen kam es zu geringfügigen Veränderungen der Genomsequenz. Wie kam es also zu diesen Veränderungen?

Durch den Vergleich der Genomsequenz von Rindern in Tieflandgebieten mit der von Rindern in Tieflandgebieten fanden wir im Genom von Rindern auf dem Qinghai-Tibet-Plateau HMGA2- und NCAPG-Gene, die die Körpergröße beeinflussen. Bei den Rindern vom Qinghai-Tibet-Plateau treten in diesen beiden Genen zwei sehr häufige Genmutationen auf, während diese beiden Mutationen bei Rindern aus Gebieten mit niedrigerer Höhe fast nicht vorkommen. Dies könnte der Grund dafür sein, dass die Rinder auf dem Qinghai-Tibet-Plateau kleiner sind.

Wir fanden außerdem heraus, dass das DUOXA2-Gen, das am Energiestoffwechsel beteiligt ist, ebenfalls eine hochfrequente Mutation aufweist. Diese Mutation steht im Zusammenhang mit dem Energiestoffwechsel der Hochplateaurinder und ermöglicht ihnen durch die Regulierung des Energiestoffwechsels eine bessere Anpassung an die extremen Umgebungsbedingungen des Hochplateaus. Wir vermuten daher, dass diese Mutationen der „Schlüsselcode“ für die Rinder des Qinghai-Tibet-Plateaus sein könnten, um sich durch natürliche Selektion an die Umgebung des Plateaus anzupassen.

Doch in nur dreitausend Jahren ist es bei weitem nicht genug, sich allein durch natürliche Selektion an diese extreme Umgebung anzupassen. Um sich besser an die extremen Bedingungen des Qinghai-Tibet-Plateaus anzupassen, entschieden sich die Rinder des Qinghai-Tibet-Plateaus für eine Kreuzung mit Yaks.

Mischehe

Yaks sind als „Boote des Plateaus“ bekannt und seit der Antike das vorherrschende Nutztier in den Weidegebieten des Qinghai-Tibet-Plateaus. Yaks können die Futterressourcen alpiner Graslandschaften voll ausnutzen, verfügen über eine hohe Anpassungsfähigkeit an die örtlichen ökologischen und Umweltbedingungen, vertragen raues Futter nicht und können unter harten Umweltbedingungen wie dünner Luft, kaltem Wetter und einer kurzen Graswachstumsperiode frei leben.

Yaks und Rinder können sich kreuzen und ihre Hybridnachkommen, die Yaks, sind auch für die menschliche Besiedlung extrem hochgelegener Gebiete von großer Bedeutung. Yaks, Rinder und Ochsen sind nicht nur die Hauptkraft für das Pflügen und den Transport in der Hochlandlandwirtschaft, sondern ihr ganzer Körper ist voller Schätze. Landwirtschaftliche Produkte wie Rindfleisch, Ghee und Joghurt sind wichtige Nahrungsmittel. Aus Yakhaar gewebte Zelte halten Wind, Schnee und extremer Kälte stand. Kuhdung ist ein unverzichtbarer Hauptbrennstoff für jeden Haushalt.

Wann also begann die Kreuzung zwischen Yaks und Rindern? Archäologische Entdeckungen an der Stätte Bangga im südlichen Qinghai-Tibet-Plateau liefern uns wichtige Hinweise. Der Standort Bangga liegt auf einer Höhe von 3.750 Metern. Die frühen Überreste sind 2.000 bis 3.000 Jahre alt. Es handelt sich um eine der wenigen hochgelegenen prähistorischen Stätten in Tibet, die systematisch durch archäologische Ausgrabungen freigelegt wurde. Archäologische Untersuchungen an der Bangga-Stätte ergaben, dass die Vorfahren der Bangga sowohl Yaks als auch Rinder nutzten und die meisten Rinder im Alter von über vier Jahren starben, was dem Viehnutzungs- und -verwaltungsmodell moderner Hirten auf dem Qinghai-Tibet-Plateau ähnelt.

Durch chronologische und alte DNA-Analysen von fünf Rinderknochen aus der Bangga-Stätte fanden wir heraus, dass Rinder bereits vor 2.500 Jahren im Zuge der Migration unserer Vorfahren in Bangga ankamen. Zu dieser Zeit hatten die Vorfahren der Bangga bereits begonnen, mit der Kreuzung von Yaks und Rindern zu experimentieren. Bisher dauerte diese absichtliche „Mischehe“ mindestens 2.500 Jahre oder sogar länger an, was in Zukunft nur durch weitere archäologische Beweise bewiesen werden kann.

Welche „hervorragenden Gene“ haben die Rinder auf dem Qinghai-Tibet-Plateau also durch „Mischehen“ von den Yaks erhalten? Unsere weiteren Untersuchungen ergaben, dass Rinder, die in unterschiedlichen Höhenlagen des Qinghai-Tibet-Plateaus gezüchtet werden, viele der „hervorragenden Gene“ der Yaks besitzen. Zum Beispiel: funktionelle Gene im Zusammenhang mit der Hypoxiereaktion (EGLN1), Kälteanpassung (LPR11), DNA-Schadensreparatur (LATS1) und UV-Resistenz (GNPAT). Diese günstigen Gene haben das Vieh, das durch „Mischehen“ auf das Qinghai-Tibet-Plateau eingewandert ist, mehr oder weniger beeinflusst. Gepaart mit den „Lehren und Beispielen“ ihrer Vorfahren werden ihre Nachkommen immer anpassungsfähiger.

Wir haben außerdem festgestellt, dass Mutationen in nicht-kodierenden Regionen mit Yak-Abstammung das ursprüngliche „Gleichgewicht der Genexpression“ verändern können. Sobald dieses Gleichgewicht der Genexpression verändert ist, werden Gene, die die Anpassung an große Höhen beeinflussen, „aktiv exprimiert“, sodass die Nachkommen von Rindern nach „Mischverheiratung“ eine stärkere Anpassungsfähigkeit aufweisen. Die Kreuzung von Yaks und Rindern ist ein weiterer Schlüsselfaktor, um die Fähigkeit der Rinder auf dem Qinghai-Tibet-Plateau zu verbessern, mit der Umgebung des Plateaus zurechtzukommen.

Archäologische Stätte Bangga

(Fotoquelle: Zur Verfügung gestellt vom Team von Professor Lv Hongliang vom Archäologischen Wissenschaftszentrum der Sichuan-Universität)

Die Hybridnachkommen von Rindern und Yaks - Yak

(Bildnachweis: Foto aufgenommen von Chen Ningbo von der Northwest Agriculture and Forestry University)

In China sind alle Rinderarten der Gattung Bos verbreitet. Gibt es neben den Rindern, Yaks und ihren Hybridnachkommen, die noch heute auf dem Qinghai-Tibet-Plateau leben, noch andere Rinderarten, die im Laufe der Geschichte auf diesem riesigen Plateau gelebt haben? Was für Geschichten wird es zwischen ihnen und den Rindern und Yaks geben?

Aus Neugier sammelten wir drei alte Rinderknochenreste von einer archäologischen Stätte namens Tawindaliha im Nordosten des Qinghai-Tibet-Plateaus in der Hoffnung, darin Hinweise und Antworten zu finden. Da diese Rinderknochen seit fast dreitausend Jahren existieren, können wir anhand ihres Aussehens nicht mehr erkennen, von welcher Rinderart sie stammen.

Deshalb haben wir erneut auf die Technologie der antiken DNA zurückgegriffen, in der Hoffnung, die verbleibenden Fragmente der antiken DNA aus diesen Rinderknochen zu extrahieren und mithilfe einer Methode, die einem „Vaterschaftstest“ ähnelt, das Geheimnis ihrer Identität zu lösen.

Durch eine Reihe von Arbeiten, darunter die Extraktion alter DNA sowie die Durchführung einer Amplifikation und Genomsequenzierung, ist es uns gelungen, die genetischen Informationen aus diesen drei alten Rinderknochen zu gewinnen. Durch die Analyse dieser alten genetischen Informationen fanden wir heraus, dass ihre Mütter Rinder bzw. ostasiatische Auerochsen waren.

Wie der Name schon sagt, handelt es sich beim Auerochsen um ein primitives, nicht domestiziertes Rind, das einst in ganz Eurasien und Nordafrika lebte. Die Vorfahren des modernen Hausrinds stammen vom Auerochsen in Westasien und den Tumefakten in Südasien ab. Leider starb der Auerochse im Jahr 1627 aus.

Der Ostasiatische Auerochse bezeichnet eine in Ostasien verbreitete Auerochsenart. Bisher wurden auf dem Qinghai-Tibet-Plateau keine Spuren ihres Überlebens gefunden. Die 3.400 Jahre alte Auerochsenprobe, die wir an der Fundstelle Tawintarkha gefunden haben, beweist, dass Auerochsen nach der Ankunft der domestizierten Rinder möglicherweise Hunderte von Jahren lang frei auf dem Qinghai-Tibet-Plateau gelebt haben.

Morphologische Identifizierung von Tierskelettresten

(Bildnachweis: Foto aufgenommen von Chen Shungang vom Institut für tibetische Hochplateauforschung, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hatten Rinder und ostasiatische Auerochsen seit der Begegnung auf dem Qinghai-Tibet-Plateau vor über 3.000 Jahren auch „engen Kontakt“ zueinander wie Rinder und Yaks? Mit dieser Frage im Hinterkopf führten wir außerdem eine Kerngenomanalyse durch.

Überraschenderweise stellten wir fest, dass die Mitochondrien einer Probe zu ostasiatischen Auerochsen gehörten, das Kerngenom jedoch dem von Rindern ähnelte. Nach einer eingehenden Analyse seiner Abstammungslinie stellten wir fest, dass dieses Individuum zu 84 % von Rindern und zu 16 % von ostasiatischen Auerochsen abstammt, was seine einzigartige Identität als „Mischling“ bestätigt.

An diesem Punkt haben uns die Genetik und die Erforschung alter DNA geholfen zu erkennen, dass es nicht nur zu „Mischlingsehen“ zwischen Rindern und Yaks kam, sondern dass es auch zu „Mischlingsehen“ zwischen Rindern und ostasiatischen Auerochsen kam. Noch beeindruckender ist, dass wir auch die Blutlinien von Yaks und ostasiatischen Auerochsen im Bangga-Rind entdeckt haben, was das beste Beispiel für die „gemischte Hybridisierung“ von Auerochsen, Rindern und Yaks ist.

Extraktion alter DNA aus Proben in einem ultrareinen Labor

(Foto mit freundlicher Genehmigung von Han Xu vom Institut für tibetische Hochplateauforschung, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Wir haben mit dem Institute of Tibetan Plateau Research der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, dem Center for Archaeological Sciences der Sichuan University, der Washington University in St. Louis, der China University of Geosciences (Wuhan), dem Yazhou Bay National Laboratory der Lanzhou University, der Jilin Agricultural University, dem Kunming Institute of Zoology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und anderen Institutionen zusammengearbeitet, um unsere Reihe von Forschungsarbeiten über Rinder, Yaks, Yaks und ostasiatische Auerochsen des tibetischen Plateaus in den Zeitschriften Nature Communications, Science Advances und Science Bulletin zu veröffentlichen. Diese Studienreihe hat unser Wissen über die prähistorischen Rinderbestände auf dem Qinghai-Tibet-Plateau bereichert und uns auch zu Erkenntnissen über die Muster der „Mischverheiratung“ unter Rindern verholfen.

Wenn wir die Geheimnisse der Evolution der Rinder auf dem Qinghai-Tibet-Plateau in Zukunft noch weiter erforschen wollen, können wir das Geheimnis der Hausrinder auf dem Qinghai-Tibet-Plateau durch weitere eingehende Forschungen an den Genomen moderner und alter Proben lüften.

(Hinweis: Lateinische Teile im Text sollten kursiv gedruckt werden)

Quellen:

[1] Ningbo Chen, Xiaoting Xia, Quratulain Hanif et al. Globale genetische Vielfalt, Introgression und evolutionäre Anpassung von Indexrindern durch Gesamtgenomsequenzierung aufgedeckt. Naturkommunikation. 2023, 14, 7803.

[2] Ningbo Chen, Zhengwei Zhang, Jiawen Ho, et al. Hinweise auf frühe Domestizierung von Yaks, Taurinrindern und deren Hybriden auf dem tibetischen Plateau. Fortschritte der Wissenschaft. 2023, 9, eadi6857.

[3] Ningbo Chen, Yudong, Qiuming Chen et al. Die Neusequenzierung des gesamten Genoms enthüllt die weltweite Abstammung und adaptive Introgressionsereignisse von domestizierten Rindern in Ostasien. Naturkommunikation. 2018, 9, 2337.

[4] Shungang Chen, Lele Ren, Yu Gao et al. Hinweise auf eine Kreuzung von Rindern und Auerochsen auf dem tibetischen Plateau vor etwa 3.750 Jahren. Wissenschaftsbulletin, 2024.

[5] Yang Lyu, Fuwen Wang, Haijian Cheng et al. Durch neuere Selektion und Introgression wurde die Anpassung des Rindes an große Höhen erleichtert. Wissenschaftsbulletin, 2024.