Biologie: Klassische Genetik
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Die Weitergabe von Erbinformation ist bei der Zellteilung recht einfach: Das komplette genetische Material wird für die Tochterzelle kopiert. Wie aber verhält es sich mit der Weitergabe von Erbinformation bei der geschlechtlichen Vermehrung, wenn zwei Organismen ihre Erbinformation einbringen?
Inhaltsverzeichnis |
[Bearbeiten] Die Mendelschen Gesetze
Die ersten Untersuchungen zu dieser Frage wurden von dem Augustinermönch Gregor Mendel (1822-1884) durchgeführt. Mendel kreuzte verschiedene Erbsensorten, die sich in auffälligen Merkmalen, wie z.B. der Blütenfarbe, unterscheiden. Ein solches sichtbares Merkmal nennt man Phänotyp. Mendel untersuchte, welchen Phänotyp die Kreuzung zweier Erbsensorten mit unterschiedlichem Phänotyp hervorbringt. Seine Erkenntnisse lassen sich derart universell auf sexuell reproduzierende Spezies anwenden, daß sie heute als Mendelsche Gesetze bezeichnet werden. Züchtungsforscher verwenden sogar das Verb "mendeln".
| P |  |
× |  |
|
| F1 | |
|
|
|
| × | ||||
| F2 | |
|
|
|
So bringt die Kreuzung von Erbsenpflanzen mit roter und weißer Blüte ausschließlich Erbsenpflanzen mit roter Blüte hervor. Der Phänotyp "rote Blüte" wird daher auch als dominant bezeichnet. Der dominante (rote) Phänotyp der Eltern (die auch als Parentalgeneration, abgekürzt P, bezeichnet werden) setzt sich bei den Nachkommen (der sogenannten 1. Filialgeneration oder F1) gegenüber dem als rezessiv bezeichneten (weiß) durch.
Mendel kreuzte nun Pflanzen der F1-Generation untereinander und wurde überrascht. Ein Viertel aller so gekreuzten Pflanzen (die 2. Filialgeneration, kurz F2) zeigte nicht den dominanten (roten), sondern den rezessiven (weißen) Phänotyp.
Wie ist dies zu erklären? Die Blütenfarbe wird von der Erbinformation der Pflanze bestimmt. Die genetische Information, die für einen bestimmten Phänotyp verantwortlich ist, wird als Genotyp bezeichnet. Der Genotyp von Erbsen (und vielen anderen sexuell reproduzierenden Lebewesen) ist jedoch doppelt vorhanden: Eine Kopie von jedem Elternteil.
Bezeichnen wir den Phänotyp "rote Blüte" mit R, den Phänotyp "weiße Blüte" mit w. Die Groß- und Kleinschreibung zeigt den dominanten bzw. rezessiven Phänotyp an. Dann hat die weiß blühende Pflanze der Parentalgeneration den Genotyp ww, die rot blühende Pflanze RR. Eine solche Pflanze, deren Genotyp aus zwei identischen Kopien besteht, nennt man homozygot (reinerbig). Wenn nun ein Nachkomme je eine Hälfte des Genotyps eines Elternteils bekommt, haben alle Pflanzen der F1-Generation daher den Genotyp Rw (oder wR, was keinen Unterschied macht). Da R dominant über w ist, zeigen alle F1-Pflanzen den Phänotyp "rote Blüte". Da alle F1-Pflanzen einen "gemischten" Genotyp aufweisen, bezeichnet man sie als heterozygot (mischerbig).
| P | RR |
× | ww |
|
| F1 | Rw |
Rw |
Rw |
Rw |
| × | ||||
| F2 | RR |
Rw |
Rw |
ww |
Aus der Kreuzung zweier heterozygoter Pflanzen, jeweils mit dem Genotyp Rw ausgestattet, können Nachkommen mit einem von vier Genotypen entstehen: Rw, wR, RR und ww. Die Hälfte der F2-Pflanzen ist also, wie ihre "Großeltern", wieder homozygot (RR und ww), die andere heterozygot (Rw und wR). Da R dominant über w ist, sind drei Viertel aller F2-Pflanzen rotblühend; nur ein Viertel (ww) blüht weiß.
[Bearbeiten] Uniformitätsgesetz
Die Beobachtungen von Parental- und F1-Generation führten Mendel zum Uniformitätsgesetz:
- Nachkommen von Eltern, die sich in einem Merkmal unterscheiden, und die für dieses Merkmal homozygot sind, sind in Genotyp und Phänotyp identisch und heterozygot.
[Bearbeiten] Spaltungsgesetz
Aus der Betrachtung von F1- und F2-Generation folgerte er das Spaltungsgesetz:
- Nachkommen von Kreuzungen innerhalb der F1-Generation haben (bei dominant-rezessivem Erbgang) im Phänotyp ein Verhältnis von 3:1.
Dies gilt nicht für den sogenannten intermediären Erbgang, bei dem heterozygote Organismen einen gemischten Phänotyp ausbilden. So sind heterozygote Varianten der japanischen Wunderblume (mirabilis jalapa) weder rot noch weiß (wie ihre homozygoten Vorfahren), sondern rosa. In diesem Fall hätte die F2-Generation eine Phänotyp-Verteilung von 1:2:1 (rot:rosa:weiß).
[Bearbeiten] Unabhängigkeits-/Neukombinationsgesetz
Bisher ging es um die Vererbung verschiedener Varianten eines einzelnen Merkmals. Aber Lebewesen haben viele verschiedene, genetisch bedingte Eigenschaften. So sind Erbsen normalerweise glatt; einige Pflanzen haben jedoch Erbsen mit Furchen. Wie verhält es sich nun mit der Vererbung mehrerer unterschiedlicher Merkmale?
Betrachten wir als Beispiel zwei reinerbige Erbsenpflanzen. Die eine hat weiße Blüten und glatte Erbsen; ihr Genotyp ist wwGG. Die andere hat rote Blüten und Erbsen mit Furchen; ihr Genotyp sei RRff. Dabei sind die Eigenschaften rot (R) und glatt (G) dominant, weiß (w) und furchig (f) sind rezessiv.
| wwGG | × | RRff |
| RwGf | ||
Die Nachkommen einer Kreuzung dieser beiden Pflanzen sind für jedes der beiden Merkmale heterozygot. Die Merkmale werden also in die F1-Generation unabhängig voneinander vererbt. Jedes der Merkmale kann einzeln nach den beiden ersten Mendelschen Gesetzen betrachtet werden. Alle Nachkommen sind bezüglich Genotyp und Phenotyp identisch. Sie zeigen den jeweils dominanten Phänotyp, also rote Blüten und glatte Erbsen.
| × | RG | Rf | wG | wf |
|---|---|---|---|---|
| RG | RRGG | RRGf | RwGG | RwGf |
| Rf | RRGf | RRff | RwGf | Rwff |
| wG | RwGG | RwGf | wwGG | wwGf |
| wf | RwGf | Rwff | wwGf | wwff |
Die Kreuzung von Pflanzen der F1-Generation führt erneut zu einem überraschenden Ergebnis. Es sind jetzt vier verschiedene Phänotypen zu sehen, die zueinander im Verhältnis 9:3:3:1 (rot/glatt : rot/furchig : weiß/glatt : weiß/furchig) stehen. Wie kommt das zustande?
Ein Elternteil hat für jedes Merkmal im Genotyp zwei Varianten, kann aber nur eine weitergeben. Da die F1-Generation heterozygot ist, unterscheiden sich diese beiden Varianten (bei der homozygoten Parentalgeneration sind sie noch gleich!). Welche Variante weitergegeben wird, ist zufällig. Aus dem Genotyp RwGf können somit die Varianten RG, Rf, wG und wf weitergegeben werden.
Da jedes der beiden Elternteile eine dieser vier möglichen Varianten weitergeben kann, gibt es 4×4=16 mögliche Neukombinationen in der F2-Generation. Wegen des dominant-rezessiven Erbgangs werden aber nur vier verschiedene Phänotypen beobachtet, im bekannten Verhältnis 9:3:3:1.
[Bearbeiten] Fragen zur Selbstkontrolle
- Wie heißen die drei Mendelschen Gesetze, und was sagen sie aus?
- Was sind Genotyp und Phänotyp?
- Was bedeuten die Begriffe dominant und rezessiv, und wie verhalten sie sich zum intermediären Erbgang?
- Was ist der Unterschied zwischen homozygot und heterozygot?
