Klade und Kladogramm

Ursprünglich ein Werkzeug der biologischen Systematik, wird das Kladogramm heute auch in der Zuchtgenetik genutzt. Es zeigt Abstammungsverhältnisse als Verzweigungsbaum: Jede Verzweigung (Knoten) steht für den letzten gemeinsamen Vorfahren der von ihm ausgehenden Linien; jeder Zweig mit allem, was daran hängt, ist eine Klade.

Die Logik gilt unabhängig von der betrachteten Ebene: Kladen lassen sich z.B. für Arten, für Rassen, für Zuchtlinien und für einzelne DNA-Varianten (Haplotypen) bilden. Die Basis eines Kladogramms sind DNA-Informationen – SNP-Arrays, mitochondriale DNA-Sequenzen (maternale Linien), Y-Chromosom-Marker (paternale Linien).

Bitte beachten: Ein Kladogramm zeigt die Struktur der Verzweigungen; es gibt keine Auskunft über den Zeitpunkt der Verzweigungen, die Ähnlichkeit der abgebildeten Vertreter und das Vorkommen bestimmter Merkmale.

Die Klade

Der Begriff (griech. klados = Zweig) geht auf die von Willi Hennig ab 1950 begründete Phylogenetische Systematik (Kladistik) zurück. Eine Klade in diesem Sinne ist eine monophyletische Gruppe: Dazu gehören der "Stammvater" und jeder seiner Nachkommen.

Maßgeblich ist also die gemeinsame Abstammung. Erkennbar wird eine Klade an Merkmalen, die im gemeinsamen Vorfahren neu entstanden sind und von ihm an seine Nachkommen weitergegeben wurden, zum Beispiel an einer bestimmten Mutation. Das Merkmal ist dabei das Indiz, nicht die Definition: Eine Mutation wird im Mittel nur an die Hälfte der Nachkommen weitergegeben und kann im Lauf der Generationen auch wieder verloren gehen. Die Nachkommen, die sie nicht tragen, gehören trotzdem zur Klade.

Innerhalb einer Population, deren Tiere sich frei miteinander verpaaren, mischt die Rekombination das Erbgut in jeder Generation neu. Einzelne Tiere lassen sich deshalb nur für Erbgut, das nicht rekombiniert (mitochondriale DNA, Y-Chromosom), oder für kurze Genomabschnitte (Haplotypen) sauber in Kladen ordnen. Für Arten und für Rassen, die sich lange getrennt entwickelt haben, ist das Kladenmodell dagegen eine gute Näherung.

Nicht als Kladen gelten diese Gruppierungen:

Kladen sind ineinander verschachtelt: Jede Klade enthält kleinere Kladen und ist selbst Teil einer größeren. Ob eine Gruppe eine Klade ist, hängt deshalb davon ab, welcher Ausschnitt des Stammbaums betrachtet wird.

Merkmale, die eine Klade anzeigen

Für den Nachweis einer Klade sind nicht alle gemeinsamen Merkmale gleich viel wert:

• Synapomorphie – ein gemeinsam abgeleitetes Merkmal, das im letzten gemeinsamen Vorfahren neu entstanden ist. Nur sie zeigt eine Klade an. Molekulargenetisch entspricht ihr eine geteilte Mutation an einer definierten Position.
• Symplesiomorphie – ein gemeinsames ursprüngliches Merkmal, das schon vorher vorhanden war. Sie sagt über die Verzweigung innerhalb der Gruppe nichts aus.
• Homoplasie – dieselbe Merkmalsausprägung ohne gemeinsame Herkunft, entstanden durch Konvergenz, Rückmutation oder wiederholte Mutation an derselben Stelle. Sie ist die wichtigste Fehlerquelle beim Aufbau von Bäumen.

Das Kladogramm

Bestandteile eines Kladogramms:

• Terminale Knoten (Blätter) – die untersuchten Einheiten: Arten, Rassen, Individuen oder Haplotypen.
• Innere Knoten – hypothetische letzte gemeinsame Vorfahren. Sie sind eine Rekonstruktion, kein beprobtes Tier.
• Wurzel – gibt dem Baum eine Richtung und damit die Aussage, was ursprünglich und was abgeleitet ist. Gewurzelt wird über eine Außengruppe (Outgroup), die sicher außerhalb der untersuchten Gruppe steht – bei Hunderassen z. B. der Wolf, bei Pferderassen das Przewalski-Pferd.

Beim Lesen sind drei Punkte oft missverstanden:

1. Nur die Topologie zählt. Astlängen tragen im echten Kladogramm keine Information.
2. Knoten sind frei drehbar. Zwei Rassen, die im Bild nebeneinander stehen, müssen nicht enger verwandt sein als weit auseinander gezeichnete – maßgeblich ist allein, an welchem Knoten sie sich treffen.
3. Der Baum ist ein Modell. Er stellt eine Hypothese über den Abstammungsverlauf dar, keine Messung.

Abgrenzung zu verwandten Darstellungen

Die letzte Zeile ist in der Zuchtpraxis besonders wichtig: Viele Rasse-Übersichten sind Dendrogramme einer Clusteranalyse genetischer Distanzen. Sie sehen aus wie Stammbäume, sagen aber zunächst nur "ähnlich" und nicht "verwandt".

Wie ein Kladogramm entsteht

1. Merkmalsmatrix aufbauen – heute molekular: SNP-Genotypen aus Arrays oder Sequenzierung, mitochondriale Sequenzen, Y-Chromosom-Haplotypen, Mikrosatelliten.
2. Baum berechnen – distanzbasiert (Neighbor-Joining, UPGMA) oder merkmalsbasiert (Maximum Parsimony, Maximum Likelihood, Bayes'sche Inferenz).
3. Knoten absichern – über Bootstrap-Werte (Felsenstein 1985) oder posteriore Wahrscheinlichkeiten. Sie geben an, wie stabil eine Verzweigung ist, wenn die Daten wiederholt zufällig neu gezogen werden. Als gut gestützt gelten üblicherweise Werte ab etwa 70 %, als belastbar Werte ab 95 %. Ein Knoten mit niedrigem Wert ist eine offene Frage, keine Aussage.
4. Wurzeln – über die Außengruppe.

Grenze des Baummodells: Ein Baum unterstellt, dass Linien sich aufspalten und danach getrennt bleiben. Bei Haustierrassen trifft das nur eingeschränkt zu, weil Einkreuzungen laufend Gene zwischen Zweigen bewegen. Solche Netzwerke werden deshalb ergänzend als Median-Joining-Netzwerke oder Admixture-Graphen dargestellt.

Rassenanalyse und Rassezuordnung

Die bislang umfassendste Auswertung dieser Art (Parker et al. 2017) untersuchte 1.346 Hunde aus 161 Rassen und ordnete sie 23 Kladen zu. Die Kladen fassen Rassen zusammen, die auf gemeinsame regionale Ursprünge und Verwendungszwecke zurückgehen – etwa Terrier, Spitze oder Hütehunde.

Für die praktische Rassenanalyse hat das eine unmittelbare Folge: Rassen innerhalb einer Klade teilen große Teile ihres Genoms und sind statistisch schwerer voneinander zu trennen als Rassen aus verschiedenen Kladen. Das erklärt, warum ein Rassetest bei eng verwandten Rassen Anteile auf mehrere Rassen derselben Klade verteilt, während weit entfernte Rassen sicher unterschieden werden.

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Mutter- und Vaterlinien als Haplogruppen

Mitochondriale DNA (rein mütterlich vererbt) und das Y-Chromosom (rein väterlich) rekombinieren nicht. Ihre Varianten bilden daher saubere Kladen, die als Haplogruppen bezeichnet werden.

Beim Pferd wurden aus 83 vollständigen Mitogenomen 18 Haplogruppen (A–R) abgeleitet (Achilli et al. 2012). Der Befund zeigt, dass eine große Zahl von Stutenlinien in die Domestikation eingegangen ist. In der Zucht dient die Zuordnung dazu,

• ein Tier einem Stutenstamm bzw. einer Hengstlinie zuzuordnen,
• Zuchtbuchangaben zur mütterlichen oder väterlichen Linie zu überprüfen,
• seltene Linien gezielt zu erhalten.

Herkunft und Ausbreitung einzelner Erbanlagen

Eine bestimmte Mutation entsteht in der Regel nur einmal, auf einem bestimmten Chromosomenabschnitt. Alle Träger dieser Mutation bilden dann, bezogen auf diesen Abschnitt, eine Klade, erkennbar am gemeinsamen umgebenden Haplotyp. Ausnahmen sind Mutationen, die an derselben Stelle wiederholt entstehen (Homoplasie, siehe oben); sie zeigen sich daran, dass die Träger verschiedene umgebende Haplotypen tragen. Daraus ergibt sich:

• der Nachweis, dass eine Krankheitsanlage einen einzigen Ursprung hat und über Rassegrenzen hinweg weitergegeben wurde,
• eine Abschätzung ihres Alters und ihrer Verbreitung,
• die Erkenntnis, wenn ein gleiches klinisches Bild in einer anderen Rasse auf einer anderen Mutation beruht: Dann gehören die Träger nicht derselben Klade an. Praktische Konsequenz – ein für Rasse A validierter Gentest ist für Rasse B in diesem Fall nicht aussagekräftig.

Erhaltungszucht und genetische Vielfalt

Der Verzweigungsverlauf einer Population zeigt, welche Linien sich früh getrennt haben und daher die stärksten Unterschiede tragen. Anpaarungen über Kladengrenzen hinweg erhöhen die zu erwartende Heterozygotie der Nachkommen und senken deren genomischen Inzuchtkoeffizienten. In kleinen Populationen folgt daraus die Empfehlung, die Linien zu erhalten, die eigene Zweige bilden – nicht die zahlenmäßig häufigsten.

Aufdecken von Einkreuzungen

Tiere, deren Position im Baum nicht zur dokumentierten Abstammung passt, können auf nicht dokumentierte Einkreuzungen oder auf fehlerhafte Abstammungsangaben hinweisen. Niedrige Bootstrap-Werte allein sind dafür kein Beleg, denn sie haben viele mögliche Ursachen, etwa zu wenige informative Marker. Einkreuzungen werden gezielter mit Verfahren wie der Admixture-Analyse nachgewiesen.

Grenzen der Interpretation

• Ein Kladogramm sagt nichts über Leistung, Zuchtwert oder Gesundheit eines Tieres aus.
• Nähe im Baum bedeutet gemeinsame Abstammung, nicht Ähnlichkeit im Erscheinungsbild.
• Das Ergebnis hängt von Markerauswahl und Referenzstichprobe ab: Eine Rasse, die in der Referenz fehlt, kann nicht richtig eingeordnet werden.

Literatur:

• Parker, H.G., Dreger, D.L., Rimbault, M. et al. Genomic Analyses Reveal the Influence of Geographic Origin, Migration, and Hybridization on Modern Dog Breed Development. Cell Reports19 (4), 697–708 (2017). https://doi.org/10.1016/j.celrep.2017.03.079
• Achilli, A., Olivieri, A., Soares, P. et al. Mitochondrial genomes from modern horses reveal the major haplogroups that underwent domestication. PNAS109 (7), 2449–2454 (2012). https://doi.org/10.1073/pnas.1111637109
• Felsenstein, J. Confidence limits on phylogenies: an approach using the bootstrap. Evolution39 (4), 783–791 (1985). https://doi.org/10.1111/j.1558-5646.1985.tb00420.x
• Hennig, W. Phylogenetic Systematics. University of Illinois Press, Urbana (1966) – Grundlegung der Kladistik.