prehistoric use of plants.pptx

40
The development of agriculturebased socie7es is presumed to have evolved from huntergatherer socie7es that gradually came to depend primarily on cereals as a major component of their food resource. This means that cereals were likely the first plants to be domes7cated. Domes7ca7on of cereals was a gradual transi7on from collec7ng wild plants to a greater reliance on cul7vated plants selected for specific proper7es. Plant domes7ca7on/agriculture required a convergence of socie7es at a stage of development ‘prepared' to adopt agriculture, i.e. possessing technologies for plant cul7va7on and prepara7on, storage of crops, the availability of the right kinds of food plants to support agricultural socie7es, and climate condi7ons favorable to plant cul7va7on. Cereals and the Transi7on from HunterGatherer to Agricultural Socie7es

description

Cereals  and  the  Transi7on  from  Hunter-­‐Gatherer  to  Agricultural  Socie7es   Independent  appearance  of  agriculture   People  in  many  different  parts  of  the  world  independently  began  to  cul7vate  and  eventually  domes7cate   plants  from  13,000  to  7000  years  BP  

Transcript of prehistoric use of plants.pptx

Page 1: prehistoric use of plants.pptx

The  development  of  agriculture-­‐based  socie7es  is  presumed  to  have  evolved  from  hunter-­‐gatherer  socie7es  that  gradually  came  to  depend  primarily  on  cereals  as  a  major  component  of  their  food  resource.      This  means  that  cereals  were  likely  the  first  plants  to  be  domes7cated.    Domes7ca7on  of  cereals  was  a  gradual  transi7on  from  collec7ng  wild  plants  to  a  greater  reliance  on  cul7vated  plants  selected  for  specific  proper7es.    Plant  domes7ca7on/agriculture  required  a  convergence  of  socie7es  at  a  stage  of  development  ‘prepared'  to  adopt  agriculture,  i.e.  possessing  technologies  for  plant  cul7va7on  and  prepara7on,  storage  of  crops,  the  availability  of  the  right  kinds  of  food  plants  to  support  agricultural  socie7es,  and  climate  condi7ons  favorable  to  plant  cul7va7on.    

Cereals  and  the  Transi7on  from  Hunter-­‐Gatherer  to  Agricultural  Socie7es  

Page 2: prehistoric use of plants.pptx

People  in  many  different  parts  of  the  world  independently  began  to  cul7vate  and  eventually  domes7cate  plants  from  13,000  to  7000  years  BP  

Independent  appearance  of  agriculture  

Page 3: prehistoric use of plants.pptx

Rela7vely  cool-­‐dry  climate  from  about  25,000  to    15,500  years  BP  (the  “older  Dryas”  period)  favored  the  spread  of  many  grass  species  through  SW  Asia  (The  Near  East,  present-­‐day  western  Turkey,  Syria,  Israel),  including  the  ancestors  of  barley  and  wheat.        Grasses  were  abundant  in  the  region  and  so  would  have  been  an  available  food  source.    How  did  the  hunter-­‐gatherer  socie7es  learn  how  to  u7lize  cereal  grains?  

Climate  and  Development  of  Agriculture  

Earliest  firm  dates  for  domes7cated  plants  (11,000  -­‐13,000  years  BP)  coincides  with  warm,  wet,  stable  climate  period.      

Page 4: prehistoric use of plants.pptx

Evidence  for  Paleolithic  use  of  cereals  

The  Ohalo  II  archaeaological  site  on  the  Sea  of  Galilee  in  present-­‐day  Israel  has  provided  the  oldest  evidence  of  human  processing  of  wild  cereal  grains.    The  age  of  the  site  is  es7mated  to  be  between  22,500  and  23,500  years  old  and  corresponds  to  the  end  of  the  Pleistocene  glacial  maximum.    The  site  has  evidence  that  humans  were  using  cereal  grains  for  food  at  the  peak  of  the  last  ice  age.  

The  Ohalo  II  site  has  the  remains  of  a  nomad  camp  of  six  brush  huts,  each  about  12  m2  in  size.    

The  huts  had  remains  of  plant  material,  seeds,  bedding,  grinding  stones,  and  a  stone  hearth  that  appears  to  represent  the  oldest  known  oven,  and  hence  the  oldest  evidence  of  baking.  

Ohalo  II  hut  

Ohalo  II  grinding  stone  Ohalo  II    stone  hearth,  the  oldest  known  oven?  

Page 5: prehistoric use of plants.pptx

Plant  Use  at  Ohalo  II  The  plant  remains  found  in  the  Ohalo  II  huts  are  remarkable  for  their  diversity.    Excava7ons  at  the  site  have  yielded  more  than  90,000  different  plant  remains,  belonging  to  140  different  species.    Starch  grains  were  extracted  from  grinding  stones  and  could  be  iden7fied  based  on  their  characteris7c  microscopic  structure      

Starch  grains  from  representa7ve  modern  plants.    a,  Tri7cum  dicoccoides  (emmer  wheat).  The  arrow  on  the  leb  points  to  dis7nc7ve  crater-­‐like  depressions.  b,  Hordeum.  spontaneum  (  wild  barley).  The  arrow  on  the  leb  points  to  lamellae;  arrow  on  the  right  points  to  Hordeum-­‐type  surface  depressions.  c,  Aegilops  geniculata.  The  arrow  points  to  the  central  protuberance  with  the  pleat.  d,  Aegilops  peregrina.  The  arrow  points  to  the  characteris7c  lamellae  present  in  this  species.  e,  H.  glaucum.  f,  B.  pseudobrachystachys.  g,  Piptatherum  holciforme.  Scale  bars,  10  microm.  

Starch  grains  extracted  from  Ohalo  grinding  stone.    a,  Len7cular  grain  from  the  AHT  (Aegilops-­‐Hordeum-­‐Tri7cum)  taxa  group.  b,  c,  Len7cular  grains  with  lamellae  (right  arrow  in  b  and  leb  arrow  in  c)  from  Hordeum.  They  also  have  surface  depressions  (other  arrows)  characteris7c  of  the  genus.  d,  Compound  starch  grain.  Scale  bars,  10  microm.  

From  Piperno  et  al.  2004.  Nature  430:  670-­‐673  

Page 6: prehistoric use of plants.pptx

Plant  Use  at  Ohalo  II  The  Ohalo  II  site  provides  evidence  of  extensive  use  of  mul7ple  grass  species  by  a  nomadic  culture  23,000  years  ago,  more  than  10,000  years  older  than  previous  evidence  of  use  of  wild  grasses.    The  presence  of  grinding  stones  together  with  primi7ve  hearths  indicates  that  the  grains  were  used  to  make  flour  and  baked  into  seed  cakes,  foodstuffs  that  presumably  could  be  stored  for  long  periods.    This  is  rela7vely  sophis7cated  food  technology  and  it  was  being  used  well  in  advance  of  the  earliest  firm  date  for  plant  domes7ca7on,  13,000  to  11,000  years  BP.    Use  of  wild  growing  plant  grains  was  well  developed  before  cereals  were  domes7cated.    The  species  used  at  the  Ohalo  II  site  are  diverse  and  include  ancestors  of  modern  wheat  and  barley,  as  well  as  small  grained  wild  grasses  that  were  never  domes7cated,  indica7ng  that  a  broad  spectrum  of  plants  were  collected  for  food.    Cereals  and  small  grained  grasses  were  apparently  plen7ful  and  offered  a  reliable  food  source.  

 The  primary  Small  Grained  Grasses  and  cereals  at  Ohalo  II    

 La7n  name          English  name        Quan7ty  Small  grained  grasses             Alopecurus  utriculatus/arundinaceus    Bladder/creeping  foxtail                        1,814       Bromus  pseudobrachystachys/7gridis    Brome                          10,995       Hordeum  glaucum        Smooth  barley          932       Hordeum  marinum/hystrix      Seaside/Mediterranean  barley      574       Puccinellia  cf.  convoluta        Alkali  grass                              1,853  Cereals             Hordeum  spontaneum        Wild  barley                                2,503       Tri7cum  dicoccoides        Wild  wheat              102  Total                                          18,773    

A  23,000-­‐year-­‐old  wheat  fragment  from  Ohalo  II.  

Page 7: prehistoric use of plants.pptx

Plant  Use  at  Ohalo  II  

Use  of  plants  by  the  inhabitants  of  Ohalo  II  was  not  restricted  to  food    The  hut  sites  at  Ohalo  II  were  preserved  because  they  were  submerged  for  most  of  the  past  23,000  years  .    Several  years  of  drought  beginning  in  1989  caused  the  lake  level  to  fall  and  the  site  was  exposed.    The  plant  seeds  and  sob  fibers  were  well  preserved  from  being  submerged.  

Floors  of  the  huts  had  bundles  of  grass  arranged  apparently  for  bedding.    

Page 8: prehistoric use of plants.pptx

Climate  change  

The  cold/dry  older  Dryas  ended  with  abrupt  climate  warming  around  15,500  years  ago.    Along  with  climate  warming  the  climate  in  the  northern  hemisphere  became  wemer,  leading  to  increased  forested  areas  and  extensive  grasslands.    In  addi7on,  the  concentra7on  of  CO2  in    the  atmosphere  increased  by  about  40%,  from  200  ppm  to  over  275  ppm.    By  13,000  years  BP  the  climate  in  SW  Asia  was  mild  and  wet,  and  would  have  supported  an  abundance  of  wild  fruit  and  seed  plants,  and  likely  abundant  game  animals.    The  availability  of  wild  fruit  and  game  would  probably  have  reduced  the  need  to  use  cereals  as  a  main  food  source,  and  reduced  any  incen7ve  to  cul7vate  grasses.    Use  of  cereals  during  this  period  was  more  likely  as  a  seasonal  or  supplementary  food  source.  

CO2  concentra7on  in  the  atmosphere  has  fluctuated  during  the  history  of  the  Earth,  and  is  very  closely  linked  to  average  temperature.  

Page 9: prehistoric use of plants.pptx

The  Natufian  Culture  

The  Natufian  culture  appeared  at  around  14,500  years  BP  and  occupied  the  Jordan  Valley  to  the  Mediterranean  coast.  

The  earliest  Natufians  were  hunter  gatherers  who  were  familiar  with,  and  used  cereals  such  as  emmer  wheat  and  barley.    Later  Natufians  were  one  of  the  oldest  cultures  to  adopt  permanent  semlements,  and  this  occurred  before  the  widespread  adop7on  of  agriculture.      What  allowed  Natufians  to  adopt  a  sedentary  lifestyle?    Possibly  the  expansion  of  forest  and  grassland  with  climate  warming  and  increased  precipita7on  at  around  14,500  years  ago  made  it  possible  to  find  sufficient  food  resources  within  a  rela7vely  small  area,  making  nomadism  unnecessary.    A  more  sedentary  culture  would  have  had  dis7nct  advantages.    Natufian  culture  developed  dis7nc7ve  ar7facts,  rituals,  architecture,  art,  tools,  etc.  and  may  have  been  the  earliest  culture  to  use  farming  in  Eurasia.  

Page 10: prehistoric use of plants.pptx

The  Younger  Dryas    

Natufian  culture  thrived  for  about  2000  years,  from  14,500  un7l  12,800  when  the  climate  again  changed  abruptly.    The  Younger  Dryas  period  was  a  brief  (ca.  1300  year)  cold  period.    It  is  called  “Dryas”  because  of  the  appearance  of  pollen  of  the  circumboreal  plant,  Dryas  octopetala,  in  sediments  in  more  southern  la7tudes,  indica7ng  subarc7c  condi7ons.  

The  arrival  of  the  prolonged  cold  and  aridity  of  the  younger  Dryas  was  catastrophic  for  the  Natufian  culture.  The  Natufians  who  survived  un7l  the  end  of  the  younger  Dryas  and  the  return  of  milder  temperatures  during  the  Holocene  are  thought  to  be  the  innovators  of  agriculture  in  the  Near  East.  However,  whether  widespread  plant  cul7va7on  began  during  the  younger  Dryas  ca  13,000  years  ago,  or  later  aber  the  return  of  warmer,  wemer  climate,  ca.  11,500  years  ago,  is  s7ll  a  subject  of  debate.      

the  rapidity  of  climate  change  at  the  beginning  and  at  the  end  of  the  Younger  Dryas  Interval  was  one  of  the  most  extreme  to  occur  in  the  last  100,000  years  

Page 11: prehistoric use of plants.pptx

End  of  the  Younger  Dryas  

Very  abruptly,  at  around  11,600  BP  the  climate  entered  another  prolonged  warming  phase.    Average  temperatures  increased  by  8  -­‐  10°  C  in  a  single  decade.    With  the  increase  in  temperature  came  increased  precipita7on,  leading  to  condi7ons  much  more  favorable  to  the  advent  of  wide  scale  farming.    The  first  evidence  of  systema7c  selec-on  and  cul7va7on  of  plants  by  humans  comes  from  the  period  during  and  immediately  aber  the  Younger  Dryas.    This  was  probably  not  a  coincidence.      Why  did  agriculture  in  Eurasia  begin  at  this  par7cular  7me?    A  convergence  of  several  factors  was  essen7al  to  the  development  of  agriculture:    1.  Plants.    Humans  had  been  consuming  wild  plants  for  many  millennia  (e.g.  Ohalo  II),  very  likely  contribu7ng  

unconsciously  to  selec7on  for  certain  desirable  traits,  “pre-­‐agricultural  selec7on”.    The  availability  of  starch-­‐rich,  high-­‐yield,  cul7va7on-­‐ready  plants  was  a  prerequisite  to  agriculture.    Humans  also  gained  experience  about  condi7ons  where  the  most  desirable  wild  plants  grew,  and  may  have  prac7ced  ‘quasiagriculture’.  

2.  People.    People  gained  several  thousand  years  of  experience  in  collec7ng  wild  plants,  and  in  developing  tools  and  technologies  for  cul7va7ng,  harves7ng,  processing  and  storing  crops.  People  learned  what  condi7ons  favored  the  growth  of  which  plants.      

3.  Environment.    The  abrupt  cooling  at  the  beginning  of  the  Younger  Dryas  Interval  followed  by  the  return  to  a  rela7vely  stable,  warm  period  provided  an  impetus  for  the  development  of  farming.    The  cold/drought  during  the  Younger  Dryas  may  also  have  made  alterna7ve  food  sources  scarce,  forcing  a  greater  dependence  on  wild  cereals,  and  eventually,  their  cul7va7on.  Prior  to  the  Holocene  clima7c  condi7ons  were  unstable  and  highly  unfavorable  to  sustainable  agriculture.  

4.  Cultural  maturity.    The  Natufian  culture  was  a  prefarming  culture,  but  the  advantages  of  a  sedentary  society  may  have  helped  push  the  transi7on  from  a  sedentary  gatherer  society  to  a  sedentary  agrarian  society.      

 

Page 12: prehistoric use of plants.pptx

Preagricultural  selec7on  

Human  use  of  wild  cereals  da7ng  to  ca.  23,000  years  before  present  (Ohalo  II)  suggests  that  humans  interacted  with  wild  plants  over  thousands  of  years  before  the  plants  were  actually  domes7cated.  But  humans  may  have  inadvertently  caused  changes  in  wild  popula7ons  through  their  ac7vi7es  and  affected  the  evolu7on  of  some  wild  plant  popula7ons.    What  kinds  of  gene7c  traits  might  have  been  uninten7onally  selected  by  early  hunter  gatherers?    1.  Seed  germina7on.    Seeds  that  germinate  uniformly  and  rapidly,  loss  of  seed  dormancy  would  

be  one  naturally  occurring  muta7on  that  would  have  been  reinforced  by  human  harves7ng  ac7vity.  

2.  Uniform  flowering  and  seed  reten7on  (nonshamering).    Humans  would  have  collected  more  seed  from  synchronously  flowering  plants  that  retained  their  seeds.    Some  of  these  would  then  be  planted,  thereby  uninten7onally  increasing  the  propor7on  of  plants  in  the  popula7on  with  these  characteris7cs.  

3.  Larger  seeds.    Clearly  people  would  have  conformed  to  the  ecological  ‘op7mal  foraging  hypothesis’  that  the  most  favored  food  would  be  the  one  that  provided  the  greatest  caloric  benefit  for  the  smallest  energy  expenditure.      

Page 13: prehistoric use of plants.pptx

Later  Natufians  

From  12,800  to    11,600  BP  the  Younger  Dryas  Interval  imposed  harsh,  inhospitable  climate  in  the  Northern  Hemisphere.    Popula7ons  of  animals  such  as  gazelle,  auroch  (the  ancestor  of  modern  camle)  and  wild  boar  were  pushed  south.    Natufian  cultures  that  also  moved  south  as  more  mobile  hunter-­‐gatherer  groups  disappeared  from  the  archeological  record,  possibly  because  of  the  drier  condi7ons,  scarcity  of  food  or  compe77on  from  other  socie7es.    However  the  Natufian  cultures  that  remained  in  the  North  (present  day  Anatolia  region  of  Turkey)  survived.    Climate  change  during  the  Younger  Dryas    caused  forests  to  be  replaced  by  grasslands  comprising  the  cereals  that  the  Natufians  were  experienced  with  harves7ng.    As  forests  receded  so  did  forest  dwelling  game  species,  forcing  an  increasing  reliance  on  wild  grains,  mainly  barley  and  wheat.    Increasing  reliance  on  these  cereals  during  a  7me  of  inhospitable  climate  would  have  strongly  favored  the  prac7ce  of  plan7ng,  tending  and  harves7ng  crops.    Together  with  wheat  and  barley,  figs  also  were  apparently  domes7cated  by  later  Natufians.    The  oldest  domes7c  figs  (parthenocarpic)  are  known  from  the  Jordan  Valley  11,400  BP.      The  figs  were  effec7vely  sterile  and  so  had  to  be  propagated  by  humans.        

Page 14: prehistoric use of plants.pptx

from  Bar-­‐Yosef  1998.  Evolu7onary  Anthropology  6:159-­‐177  

Later  Natufians  

Page 15: prehistoric use of plants.pptx

from  Bar-­‐Yosef  1998.  Evolu7onary  Antrhopology  6:159-­‐177  

Distribu7on  of  wild  cereals  during  the  Younger  Dryas  

Page 16: prehistoric use of plants.pptx

 “In  conclusion,  the  ‘‘Neolithic  Revolu7on’’  cannot  be  understood  without  research  into  its  origins  in  the  Natufian  culture.  The  emergence  of  farming  communi7es  is  seen  as  a  response  to  the  effects  of  the  Younger  Dryas  on  the  Late  Natufian  culture  in  the  Levan7ne  Corridor.  The  beginning  of  inten7onal  widespread  cul7va7on  was  the  only  solu7on  for  a  popula7on  for  whom  cereals  had  become  a  staple  food.  Domes7ca7on  of  a  suite  of  founder  crops  came  as  the  uninten7onal,  unconscious  result  of  this  process.”  

Later  Natufians  

Ofer  Bar-­‐Yosef.    1998.    Evolu7onary  Anthropology  6:  159-­‐177  

Bar-­‐Yosef  has  expressed  the  opinion  that  agriculture  was  an  inevitable  consequence  of  the  reliance  on  wild  cereals  by  Natufians:  

Page 17: prehistoric use of plants.pptx

Abu  Hureyra   The  Abu  Hureyra  site  was  contemporaneous  with  the    late  Natufian  culture  14,000  –  11,000  BP  and  is  at  the  northern  7p  of  the  Natufian  cultural  zone.    Prior  to  the  onset  of  the  Younger  Dryas,  Abu  Hureyra  was  a  semi-­‐sedentary  hunter  gatherer  semlement  that  subsisted  on  a  diverse  assemblage  of  plants:  wild  almond,  acorns,  cereals  and  wild  len7ls.    Most  of  the  diversity  in  plant  species  disappeared  from  the  site  during  the  first  decades  aber  the  beginning  of  the  Younger  Dryas,  reflec7ng  an  abruptly  more  arid  climate.    An  increasingly  dry  climate  caused  forests  to  recede  and  only  the  most  drought  tolerate  plants  persisted.    But  wheat  and  barley  were  present  at  Abu  Hureyra,  ca.  12,000  BP,  together  with  seeds  of  some  drought  intolerant  weeds,  sugges7ng  that  the  inhabitants  were  prac7cing  agriculture  in  loca7ons  where  natural  water  sources  could  be  exploited.        

from  Bar-­‐Yosef  1998.  Evolu7onary  Anthropology  6:159-­‐177  

Page 18: prehistoric use of plants.pptx

Abu  Hureyra  

Domes7cated  rye  at  Abu  Hureyra,  the  first  domes7cated  cereal?  

(a)  Grain  of  wild  rye  from  Abu  Hureyra     (b)  Grain  of  domes7cated  rye  from  Abu  Hureyra    

At  about  12,000  BP  a  new  cereal  appeared  in  the  record  at  Abu  Hureyra:  rye  (Secale  cereale),  with  grains  that  were  substan7ally  larger  than  those  of  wild  rye.    The  rye  grains  also  had  marks  indica7ve  of  threshing  to  remove  seeds  from  the  culms,  sugges7ng  the  plants  had  a  nonshamering  trait,  and  therefore  ac7ve  selec7on  by  humans.    These  characteris7cs  have  been  interpreted  as  possibly  represen7ng  the  oldest  evidence  of  a  domes7cated  cereal  and  the  earliest  example  of  agriculture  anywhere  in  the  world.    Furthermore,  domes7cated  rye  has  a  strong  tendency  to  interbreed  with  wild,  small  grained  forms,  so  maintenance  of  large  grained  rye  would  have  required  inten7onal  human  selec7on  for  self-­‐fer7le  forms.    Large  seeded  legumes  (len7ls)  also  appeared  at  around  11,500  BP  and  increased,  sugges7ng  that  rye  and  len7ls  were  the  earliest  plants  cul7vated  at  the  site    (see  Hillman  et  al.  2001).    The  large  rye  grains  remained  in  the  later  record  at  Abu  Hureyra,  from  10,500  to  8000  BP,  the  period  when  agriculture  began  to  thrive  in  the  Mesopotamian  region.    Aber  about  8500  BP  einkorn  wheat  and  barley  replaced  rye  as  the  main  crop  at  Abu  Hureyra,  but  it  remained  a  minor  crop.      

from  Hillman  et  al.  2001.    Holocene  11:  383-­‐395    

Page 19: prehistoric use of plants.pptx

Abu  Hureyra  

What  led  to  the  domes7ca7on  of  rye  at  Abu  Hureyra?    1.  A  primarily  sedentary  foraging  society  was  in  place,  with  wild  food  sources  sufficient  to  meet  

demand.  2.  Wild  cereals  were  ini7ally  an  important  seasonal  staple  food  3.  Abrupt  climate  cooling,  increasing  aridity  resulted  in  reduced  forage  foods  4.  Limited  migra7on  op7ons  forced  more  intensive  management  of  wild  foods,  preagricultural  

selec7on,  self  fer7le  rye,  non  shamering,  large  grains    5.  Cereals  supplemented  with  some  legumes  became  the  dominant  year-­‐round  staple  food  6.  Deliberate  selec7on,  cul7va7on  of  specific  cul7gens  7.  More  stable  climate  from  end  of  Younger  Dryas  allowed  expansion  and  con7nued  cul7va7on  

of  crops  over  a  long  period  

Advantages  of  rye  

Hillman  et  al  (2001)  suggest  several  characteris7cs  of  rye  that  may  have  led  to  its  early  domes7ca7on  in  an  area  where  wild  wheat  was  also  present:    1.  Rye  grains  are  more  easily  threshed  and  the  chaff  more  readily  winnowed  than  wheat  2.  Rye  grains  are  more  easily  prepared  as  food,  sober  textured  than  wheat  3.  Rye  starch  is  more  slowly  hydrolyzed,  produces  a  lower  insulin  response,  is  more  sustaining  4.  Local  condi7ons  probably  contributed  to  ease  of  cul7va7on  of  rye  at  this  site.  

Page 20: prehistoric use of plants.pptx

Transi7on  from  wild  to  domes7c  wheat  was  gradual  Although  the  first  evidence  of  a  domes7cated  cereal  from  Abu  Hureyra  is  that  rye  was  the  dominant  cereal  crop,  wheat  and  barley  gradually  became  the  dominant  cul7vated  cereals  aber  the  end  of  the  Younger  Dryas.    The  transi7on  from  wild  forms  to  cul7vated  ones  was  gradual,  taking  over  2500  years.  

Tanno  and  Wilcox  2006.  Science  311:  1886-­‐1889  

Page 21: prehistoric use of plants.pptx

Early  cul7va7on  of  wheat  and  barley    

Different  cereals  were  cul7vated  at  different  sites  in  probably  due  to  local  soil  condi7ons  and  probably  the  history  of  plant  cul7va7on.    Abu  Hureyra  (in  the  north)  ini7ally  grew  rye,  the  southern  Natufians  grew  barley  and  wheat  (emmer  or  einkorn),  together  with  pulses  such  as  len7l  and  chickpea.    Early  farming  in  the  eastern  Mediterranean  was  a  mosaic  of  different  local  species  and  types.    Over  about  4000  years  (10,500  to  6000  BP)  cereal  and  pulse  farming  spread  across  Eurasia  west  to  Europe,  south  to  the  Nile  Valley  through  trading  of  seeds  and  a  gradual  dissemina7on  of  knowledge.    A  cluster  of  crop  plants,  barley,  wheat,  len7ls,  peas  and  flax,  were  all  spread  as  a  unit.        By  5000  BP  wheat  and  barley  had  reached  China,  although  rice  cul7va7on  in  eastern  Asia  had  begun  roughly  about  the  same  7me  as  the  Natufians  were  beginning  to  cul7vate  cereals.  

Page 22: prehistoric use of plants.pptx

How  did  early  agriculture  spread?  

A  major  ques7on  in  the  prehistoric  rise  of  agricultural  socie7es  is  whether  agriculture  spread  from  centers  of  origin  by  trade  or  by  migra7on  or  expansion?    Did  prehistoric  farming  cultures  expand  and  replace  hunter-­‐gatherer  cultures  or  did  hunter-­‐gatherers  just  acquire  the  tools,  techniques,  seeds  etc  from  contact  with  farming  cultures?    Ancient  DNA  to  the  rescue!    Farming  was  introduced  to  Europe  from  the  Near  East  around  8500  years  ago  and  reached  northern  Europe  and  the  Atlan7c  Coast  by  around  5000  years  ago.    In  northern  Europe  it  appears  that  farming  was  associated  with  genotypes  in  human  remains  (skeletons)  that  were  more  closely  related  to  southern  Europeans.    This  suggests  that  farming  was  brought  to  northern  Europe  by  expansion/migra7on  of  a  farming  culture  that  originated  in  southern  Europe.    

Page 23: prehistoric use of plants.pptx

Ancient  Migrants  Brought  Farming  Way  of  Life  to  Europe  

Ancient  DNA  from  human  remains  across  Europe,  such  as  this  skeleton  from  Sweden,  provide  clues  to  the  spread  of  agriculture.  

Science  27  April  2012.  vol.  336  no.  6080  400-­‐401    

Page 24: prehistoric use of plants.pptx

Rice  The  origins  of  domes7cated  (Asian)  rice  are  not  nearly  as  well  understood  as  the  temperate  cereals  because:  

 1.  Asian  wild  rice  grew  over  a  much  larger  area  than  wild  wheat  and  barley,  greatly  expanding  the  poten7al  area  of  early  cul7va7on  

 2.  There  are  few  surviving  archaeological  sites,  and  the  climate  in  rice  growing  areas  is  less  favorable  to  the  preserva7on  of  archaeological  ar7facts  

Page 25: prehistoric use of plants.pptx

Rice-­‐  species  and  subspecies  

African  rice:  Oryza  glaberrima,  domes7cated  independently  of  Asian  rice    Asian  wild  rice:  Oryza  rufipogon,  the  wild  progenitor  of  domes7cated  rice    Asian  rice:  Oryza  sa-va  ssp.  indica:    subspecies  of  rice  from  India,  Thailand  Asian  rice:  Oryza  sa-va  ssp.  japonica:  subspecies  of  rice  from  southern  China    

Rice  was  first  grown  as  a  crop  around  10,000  BP,  close  to  the  first  domes7cated  wheat  and  barley.    However  rice  did  not  become  a  dietary  staple  un7l  several  thousand  years  later.    Rice  became  a  major  crop  in  Asia  around  7,000  BP  and  by  3,000  BP  was  being  grown  in  Korea  and  Japan.    Today  rice  is  the  staple  source  of  food  for  half  the  popula7on  of  the  world,  at  least  2  billion  people,    and  is  an  important  supplementary  food  for  many  more.  

Rice  is  by  far  the  world’s  most  important  food  crop  in  terms  of  its  contribu7on  to  the  diet  of  the  greatest  number  of  people.      

Page 26: prehistoric use of plants.pptx

There  are  different  interpreta7ons  of  gene7c  data  from  the  two  subspecies  (or  varie7es)  of  Asian  rice  (O  sa-va  indica  and  O.  sa-va  japonica).    Some  argue  that  the  gene7c  data  indicate  that  both  subspecies  of  Asian  rice  had  diverged  gene7cally  1  –  2  million  years  ago,  so  they  were  already  gene7cally  dis7nct  subspecies  by  the  date  of  first  domes7ca7on,  around  10,000  BP.    This  would  mean  that  rice  was  independently  domes7cated  in  southern  China  (japonica)  and  India-­‐Thailand  (indica).    However,  a  different  interpreta7on  is  that  both  indica  and  japonica  rice  possess  the  same  muta7on  in  an  allele  for  the  nonshamering  trait.    This  fact  supports  a  single  origin  and  later  divergence  of  japonica  and  indica  rice.    Advocates  of  this  view  argue  that  the  gene7c  divergence  that  appears  to  predate  the  domes7ca7on  of  rice  may  have  resulted  from  a  gene7c  process  called  introgression.    This  would  have  resulted  from  gene  exchange  between  the  domes7cated  forms  and  wild  popula7ons  and  could  affect  interpreta7on  of  gene  divergence  data.          Therefore  there  are  at  least  two  compe7ng  hypotheses  regarding  the  origins  of  domes7cated  Asian  rice.        

Did  contemporary  Asian  rice  result  from  one  domes7ca7on  event,  two,  or  more?  

Unlike  maize,  wheat,  barley  or  rye,  the  origins  of  domes7cated  rice  may  have  been  mul7ple,  widely  separated  loca7ons  in  southeast  Asia  –or  may  not,  the  data  are  s7ll  inconclusive.    

Page 27: prehistoric use of plants.pptx

Domes7ca7on  of  rice  

The  origins  of  domes7c  Asian  rice  are  s7ll  unclear,  whether  one,  two  or  mul7ple  centers  of  origin.    Asian  rice  was  first  cul7vated  about  10,000  BP  but  rice  cul7va7on  was  slow  to  spread  in  Asia.    Rice  cul7va7on  was  widespread  by  7000  BP,  and  reached  Korea  and  Japan  by  3000  BP.    Rice  was  likely  gathered  as  a  wild  crop  to  supplement  the  diet  of  Asia7c  hunter  gatherers  prior  to  its  cul7va7on,  as  occurred  with  cereals  in  the  Near  East.  

Page 28: prehistoric use of plants.pptx

Climate  change  and  rice  cul7va7on?  

The  first  cul7va7on  of  rice  occurred  around  10,000  BP,  well  aber  the  end  of  the  Younger  Dryas  Interval,  so  there  is  no  correla7on  between  climate  change  and  first  rice  cul7va7on.    The  effects  of  the  Younger  Dryas  were  less  severe  in  subtropical  Asia  than  in  the  eastern  Mediterranean,  so  there  is  no  clear  clima7c  s7mulus  in  the  chain  of  events  leading  to  rice  domes7ca7on.    But  wild  rice  has  several  traits  that  would  have  been  highly  favorable  in  ‘pre-­‐agricultural  selec7on’    1.  Under  cul7va7on,  domes7c-­‐like  traits  like  non-­‐shamering  and  loss  of  seed  dormancy  appear  

spontaneously  within  a  few  years  under  cul7va7on.  

2.  Sequencing  of  the  rice  genome  has  revealed  that  several  genes  controlling  domes7ca7on  related  traits  are  linked  on  the  same  chromosome.    If  early  farmers  selected  plants  for  one  desirable  trait,  such  as  seed  size,  several  other  desirable  linked  traits  would  also  be  obtained.  

Page 29: prehistoric use of plants.pptx

Maize,  the  first  gene7cally  engineered  crop  plant?  

It  is  now  widely  accepted,  based  on  mul7ple  lines  of  evidence,  that  modern  maize  is  derived    from  the  wild  Mexican  grass  teosinte.    It  has  taken  many  years,  and  considerable  research,  to  establish  the  connec7on  between  Z.  mays  and  teosinte  (previously  classified  in  a  completely  different  genus,  Euclaena).    Luther  Burbank  first  suggested  in  1907  that  modern  maize  was  derived  from  the  teosinte,  based  on  finding  the  two  plants  were  interfer7le  and  hybrids  had  intermediate  characteris7cs.    Burbank’s  hypothesis  was  not  taken  seriously  and  it  took  another  90  years  for  him  to  be  proved  correct.    It  is  hard  to  imagine  that  two  such  dissimilar  looking  plants  are  actually  members  of  the  same  species!    Maize  and  mexican  teosinte  are  now  considered  different  subspecies  of  Zea  mays,  like  the  two  subspecies  of  cul7vated  rice;  but  maize  and  teosinte  are  more  different  from  each  other  than  indica  and  japonica  rice.    teosinte:    Zea  mays  ssp.  mexicana  maize:  Zea  mays  ssp.  parviglumis    

Teosinte  

Maize  

Hybrid  

Page 30: prehistoric use of plants.pptx

How  did  early  farmers  get  maize  from  teosinte?    

teosinte:  has  many  branches,  7llers,  mul7ple  male  infloresences,  many  small  female  infloresences  (cobs)  with  few  seeds    maize:  has  a  single  stalk,  single  male  flower,  few  large  cobs  with  many  seeds  

Page 31: prehistoric use of plants.pptx

Prehistoric  gene7c  modifica7on  of  teosinte  It  turns  out  that  muta7ons  in  only  2  genes  have  major  effects  on  the  growth  form  and  seed  characteris7cs  of  maize    

tga1:  teosinte  glume  architecture  tga1  gene  controls  the  hard,  stony  fruitcase    that  encloses  teosinte  seeds.  In  teosinte  the  fruitcase  allows  seeds  to  pass  through  the  diges7ve  tract  of  herbivores.    Maize  kernels  are  not  enclosed  in  a  fruitcase,  and  have  less  silica  and  lignin  in  their  glumes,  so  they  are  more  palatable.      The  most  cri7cal  step  in  maize  domes7ca7on  was  the  libera7on  of  the  kernel  from  the  hardened,  protec7ve  casing  that  envelops  the  kernel  in  teosinte.  This  evolu7onary  step  exposed  the  kernel  on  the  surface  of  the  ear,  such  that  it  could  readily  be  used  by  humans  as  a  food  source.    This  trait  had  to  be  ac7vely  selected  by  humans  because  it  would  have  reduced  the  reproduc7ve  success  of  wild  teosinte  with  a  muta7on  in  this  gene.              

a,  Maize  ear  showing  the  cob  (cb)  exposed  at  top.  b,  Teosinte  ear  with  the  rachis  internode  (in)  and  glume  (gl)  labelled.  c,  Teosinte  ear  from  a  plant  with  a  maize  allele  of  tga1  introgressed  into  it.  d,  Close-­‐up  view  of  a  single  teosinte  fruitcase.  e,  Close-­‐up  view  of  a  fruitcase  from  teosinte  plant  with  a  maize  allele  of  tga1  introgressed  into  it.  f,  Ear  of  maize  inbred  W22  (Tga1-­‐maize  allele)  with  the  cob  exposed,  showing  the  small  white  glumes  at  the  base.  g,  Ear  of  maize  inbred  W22:tga1,  which  carries  the  teosinte  allele,  showing  enlarged  (white)  glumes.  h,  Ear  of  maize  inbred  W22  carrying  the  tga1-­‐ems1  allele,  showing  enlarged  glumes.  

Wang  et  al.  2005.  Nature  436:714-­‐719.  

Page 32: prehistoric use of plants.pptx

tb1:  teosinte  branching        Muta7ons  in  tb1  convert  the  

mul7ple  branching  teosinte  into  a  plant  with  a  single  main  stalk  with  a  single  male  infloresence  (tassel).    Muta7ons  in  this  gene  also  lead  to  presence  of  female  infloresences  (cobs)  on  axillary  branches  rather  than  male  flowers.  

(a)  A  teosinte  (Zea  mays  ss.  mexicana)  plant  and  (b)  one  of  its  primary  lateral  branches  with  terminal  tassel  (T).  Silks  (s7gmas,  S)  are  shown  emerging  from  teosinte  ears  hidden  within  the  leaf  sheaths.  (c)  A  wild-­‐type  maize  plant.  (d)  A  wild-­‐type  maize  ear  shoot.  (e)  A  tb1  mutant  maize  plant  and  (f)  its  primary  lateral  branches  with  terminal  male  inflorescences  but  no  ears.  

Prehistoric  gene7c  modifica7on  of  teosinte  

White  and  Doebley  1998.    Trends  in  Gene7cs  14:327-­‐332  

Page 33: prehistoric use of plants.pptx

Domes7ca7on  of  maize  

Muta7ons  in  tga1  that  exposed  the  naked  kernels  and  reduced  the  amount  of  silica  and  lignin,  making    the  seeds  more  palatable,  would  have  been  highly  deleterious  to  teosinte  growing  in  the  wild.    Seeds  would  not  survive  passage  through  the  diges7ve  tract  of  an  animal  and  so  mutants  would  be  inferior  compe7tors  with  wild  rela7ves  and  other  species.    This  implies  that  humans  ac7vely  selected  and  propagated  these  seeds,  and  that  humans  had  been  harves7ng  and  consuming  wild  teosinte  before  the  muta7ons  occurred  or  were  recognized.    Humans  probably  also  selected  for  other  desirable  traits  in  ‘pre-­‐maize’  teosinte,  such  as  cob  size,  kernel  size,  taste  etc.    A  consequence  of  selec7on  for  desirable  traits  in  crop  plants  is  reduced  gene7c  diversity  in  crop  selec7ons  compared  to  the  wild  popula7ons.    This  is  called  a  “gene7c  bomleneck”.    Subsequent  gene7c  diversity  in  domes7cants  is  limited  by  the  gene7c  diversity  of  the  founder  popula7on.    ‘Domes7ca7on  bomlenecks’  are  a  common  feature  of  domes7cated  plants,  reflec7ng  the  small  ini7al  popula7ons  selected  for  their  desirable  traits  that  became  the  progenitors  of  the  contemporary  crop  species.      

Page 34: prehistoric use of plants.pptx

Domes7ca7on  of  maize  

How  many  7mes  was  maize  domes7cated?    Maize  is  very  diverse  in  growth  form,  seed  and  cob  characteris7cs,  and  this  diversity  has  been  considered  circumstan7al  evidence  that  contemporary  maize  was  derived  from  teosinte  more  than  once.    But...    

Global  Crop  Diversity  Trust  

Page 35: prehistoric use of plants.pptx

Gene7c  data  comparing  genotypes  (DNA  fingerprints)  of  maize  from  North  America,  Mexico,  Caribbean  islands,  and    South  America  with  genotypes  of  Mexican  teosinte  have  been  used  to  determine  whether  modern  maize  has  mul7ple  origins.    Matsuoka  et  al.  (2002)  analyzed  DNA  fingerprints  of  190  maize  samples  represen7ng  geographic  races  from  Canada  to  Chile  at  99  different  gene  loci.    The  results  are  unequivocal  that  all  contemporary  maize  can  be  traced  to  a  single  common  ancestor;  maize  was  only  domes7cated  once.      

Domes7ca7on  of  maize  

Matsuoka  et  al.  2002.    Proc  Nat  Acad  Sci  99:6080-­‐6084  

All  modern  maize  can  be  traced  to  a  single  common  ancestor  

Page 36: prehistoric use of plants.pptx

Domes7ca7on  of  maize  

But  if  contemporary  maize  is  gene7cally  diverse,  how  could  it  become  so  diverse  following  a  domes7ca7on  bomleneck  from  a  single  domes7ca7on  event?    Using  computer  models  to  compare  the  gene7c  diversity  of  contemporary  maize  with  that  of  teosinte,  and  using  es7mated  rates  of  gene7c  change  in  maize  aber  its  domes7ca7on,  Eyre-­‐Walker  et  al.  (1998)  determined  that  a  very  small  popula7on  of  founder  individuals  (~20)  could  account  for  the  gene7c  diversity  in  contemporary  maize.      The  number  of  individuals  in  the  founding  popula7on  depends  on  the  number  of  genera7ons  that  resulted  in  domes7ca7on.    A  domes7ca7on  event  of  10  genera7ons  would  require  only  20  individuals.    A  domes7ca7on  event  of  300  years,  similar  to  the  domes7ca7on  of  wheat,  would  require  about  600  individuals.    What  is  important  is  that  the  computer  simula7on  shows  gene7c  diversity  of  contemporary  maize  could  have  arisen  from  a  rela7vely  small  founder  popula7on  within  a  7mespan  consistent  with  ac7ve  human  selec7on  resul7ng  in  a  gene7c  bomleneck.      

Eyre-­‐Walker  et.  al.  1998.    Proc.  Nat.  Acad.  Sci.  95:4441-­‐4446  

Page 37: prehistoric use of plants.pptx

Gene7c  data  can  also  be  used  to  iden7fy  the  loca7on  and  es7mate  the  date  of  maize  domes7ca7on.          

Domes7ca7on  of  maize  

Popula7ons  of  teosinte  from  the  central  Balsas  valley  of  southern  Mexico  are  closest  to  the  ancestral  maize  (asterisks  in  the  previous  slide).    

Because  maize  had  a  single  origin,  the  approximate  date  of  maize  domes7ca7on  can  also  be  es7mated  from  the  gene7c  data  by  assuming  constant  rates  of  gene  muta7ons  (based  on  known  muta7on  rates  for  certain  genes).        When  this  approach  is  applied  to  maize  and  teosinte,  the  origin  of  maize  is  es7mated  to  be  9,188  B.P.  (95%  confidence  limits  of  5,689–13,093  B.P.).    This  es7mate  is  consistent  with  the  oldest  known  fossil  domes7cated  maize  dated  to  be  6,250  B.P.  

Page 38: prehistoric use of plants.pptx

Domes7ca7on  of  maize  

Physical  archeological  evidence  for  maize  in  southern  Mexico  

Piperno  and  Flannery  2001.  Proc  Nat  Acad  Sci  98:2101-­‐2103  Benz  2001.  Proc  Nat  Acad  Sci  98:  2104-­‐2106  

The  oldest  physical  evidence  of  prehistoric  maize  comes  from  the  Guilá  Naquitz  cave  (Oaxaca),  dated  by  14C,  mass  spectroscopy  and  phytolith  analysis  to  6,250  years  ago.    The  fossil  cobs  bear  similari7es  to  both  teosinte  and  contemporary  maize.    Like  teosinte,  the  infloresences  are  two-­‐ranked.    One  of  the  specimens  (c)  is  two-­‐  ranked  with  two  seeds  per  rank.    Teosinte  only  has  one  seed  per  rank  so  this  specimen  resembles  maize.    Unlike  teosinte  and  like  contemporary  maize,  the  ‘cobs’  of  the  Guilá  Naquitz  specimens  are  rigid,  do  not  disar7culate  to  release  seeds  (i.e.  nonshamering).    Therefore  human  interven7on  was  necessary  to  disperse  and  propagate  the  seeds.  The  four-­‐rowed  specimen  (c)  suggests  human  selec7on  for  four  or  more  rows  of  grain.  

Page 39: prehistoric use of plants.pptx

The  Guilá  Naquitz  cave  is  also  the  site  of  the  oldest  evidence  of  domes7cated  squash,  Cucurbita  pepo,  about  10,000  years  old,  and  suggests  the  inhabitants  of  the  area  prac7ced  cul7va7on  of  both  maize  and  squash.    Squash  is  the  oldest  known  domes7c  crop  from  North  America.    As  was  the  case  with  wheat,  len7ls,  peas  early  farmers  in  North  America  cul7vated  a  suite  of  food  crops:  squash,  common  bean  and  maize.      

(A)  Cucurbita  pepo  peduncle  from  zone  B  of  Guila´  Naquitz  that  yielded  an  AMS  14C  date  of  7340  6  60  14C  years  B.P.  (note  diagnos7c  alterna7ng  large  and  small  ridges).  (B)  Cucurbita  pepo  fruit  end  fragment  from  zone  B  of  Guila´  Naquitz  that  retains  orange  rind  color  and  yielded  an  AMS  14C  date  of  6980  6  50  14C  years  B.P.  (C)  A  squash  seed  from  zone  C  of  Guila´  Naquitz  13.8  mm  in  length  that  exhibits  marginal  ridge  and  hair  morphology  diagnos7c  of  C.  pepo  and  yielded  an  AMS  14C  date  of  8910  6  50  14C  years  B.P.  

Smith  1997.  Science  276:932-­‐934  

Page 40: prehistoric use of plants.pptx

Map  of  Mexico  showing  the  present-­‐day  geographical  range  of  the  wild  progenitor  popula7ons  of  the  domes7cated  common  bean  (red)  (8)  and  maize  (yellow)  (7),  as  well  as  the  area  where  wild  pepo  squash  was  likely  ini7ally  brought  under  domes7ca7on,  based  on  archaeological  evidence  (orange)  (14,  15).  Also  shown  are  the  three  areas  (Tamaulipas,  Tehuaca´n,  Oaxaca)  where  dry  caves  have  yielded  much  of  the  available  evidence  regarding  the  early  pre-­‐Columbian  history  of  these  three  major  crop  plants.  The  associated  chart  indicates  when  domes7cated  common  bean,  maize,  and  pepo  squash  ini7ally  appear  in  the  archaeobotanical  sequences  of  Oaxaca,  Tehuaca´n,  and  Tamaulipas,  which  along  with  the  Southwest  United  States  form  a  south  to  north  transect  (note  degrees  north  la7tude  designa7ons).  Expressed  in  calibrated  calendar  years  ago,  the  dates  of  ini7al  appearance  of  these  three  major  crop  plants  in  these  four  regions  are  based  on  direct  AMS  radiocarbon  age  determina7ons  (1,  3,  4,  13–15).  The  age  determina7on  for  the  ini7al  appearance  of  pepo  squash  in  Tehuaca´n  is  based  on  an  AMS  date  of  7,100  6  50  14C  yr  B.P.  (b123040)—about  7,900  calendar  years  ago,  obtained  on  seed  201  from  Coxcatla´n  Cave  (square  148,  level  11,  zone  XIV).  

Smith  2001.  Proc  Nat  Acad  Sci  98:1324-­‐1326