Die klassische Genetik nach Gregor Mendel: Monohybride Erbgänge

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1 Die klassische Genetik nach Gregor Mendel: Monohybride Erbgänge Stand: Jahrgangsstufen Fach/Fächer Vorklasse Biologie (Ausbildungsrichtungen Sozialwesen, Gesundheit) Übergreifende Bildungsund Erziehungsziele Zeitrahmen Benötigtes Material ca. 90 Minuten je 16 gelb und grün lackierte Holzkügelchen; blickdichter Beutel Kompetenzerwartungen Diese Aufgabe unterstützt den Erwerb folgender Kompetenzen: Die Schülerinnen und Schüler geben biologische Sachverhalte vorwiegend beschreibend wieder, wenden dabei Fachsprache an und nutzen verschiedene Darstellungsformen, um diese zu veranschaulichen. (B10 1) unterscheiden und nutzen verschiedene Arten von Modellen, begründen die Verwendung von Modellen zur Veranschaulichung bzw. Vereinfachung komplexer biologischer Phänomene und Erläutern die Möglichkeiten und Grenzen von Modellen. (B10 1) nutzen bereitgestellte und zum Teil selbst recherchierte Fachtexte sowie Abbildungen zur Klärung biologischer Fragestellungen und präsentieren ihre Ergebnisse in Vorträgen und Schriftform. (B10 1) bestimmen die Geno- und Phänotypenverteilung bei Kreuzungen, indem sie die Gesetzmäßigkeiten der Vererbung nach Mendel auf mono- und dihybride Erbgänge in Symbolschreibweise anwenden und diese auf chromosomaler Ebene begründen. (B10 3) wenden statistische Methoden zur Auswertung von Kreuzungsexperimenten an, um Vorhersagen von Merkmalsausprägungen in verschiedenen Generationen zu treffen. (B10 3) Seite 1 von 12

2 Aufgabe Lesen Sie den folgenden Infotext aufmerksam durch. Altbrünn, im August 1862 Forschungsschrift verfasst von Bruder Gregorius Ich, Bruder Gregorius, der Zuständige für den Klostergarten zu Altbrünn, führe seit geraumer Zeit zahlreiche Kreuzungsexperimente mit der Gartenerbse (Pisum sativum) durch. Zum Ziele habe ich mir gemacht, mehr über die Vererbung von Merkmalen bei Erbsen herauszufinden. So hoffe ich voraussagen zu können, welcher Erbsensamen aus der Kreuzung resultiert und was mich beim Öffnen der Hülsen erwartet. In diesem Dokument möchte ich nun meine Vorgehensweise und die Ergebnisse niederschreiben, da ich denke, bei meinen Experimenten auf eine schier bahnbrechende Entdeckung gestoßen zu sein, aus der sich Gesetzmäßigkeiten für die Vererbung von Merkmalen aller Lebewesen ableiten lassen. Als Grundlage für meine Versuche wählte ich ausschließlich Pflanzen, die durch Vorversuche gesichert wieder Erbsen ihrer eigenen Samenfarbe hervorbringen. Solche Pflanzen bezeichne ich als reinerbig. In meinem Klostergarten standen mir hierfür zweierlei Arten gelbe und grüne Erbsen zur Verfügung. Von Folgendem kann ich ausgehen: Die Blüten der Gartenerbse enthalten sowohl männliche Staubblätter als auch weibliche Samenanlagen im Fruchtknoten und die Befruchtung geschieht durch Insekten- sowie Selbstbestäubung. Für meine Kreuzungsexperimente übernahm ich die Rolle des Bestäubers: Dazu entnahm ich den Pollen aus den männlichen Staubblättern der Pflanze mit gelben Früchten und brachte ihn mittels eines Pinsels auf die weibliche Narbe der Pflanze, welche grüne Früchte trägt. Um eine Selbstbestäubung zu verhindern, entfernte ich vorher bei dieser zweiten Pflanze die männlichen Staubblätter. Zur Gewährleistung, dass ich auch der einzige Bestäuber blieb, stülpte ich anschließend Tüten über die Blüten und wartete das Ergebnis ab. Als die Erntezeit der Erbsen gekommen war, öffnete ich alle Hülsen der zahlreichen Pflänzchen. Was ich dann sah, konnte ich selbst fast nicht glauben, alle Erbsen waren gelb. Diese sich gegenüber der zweiten Merkmalsform durchsetzende Eigenschaft nenne ich dominant. Im Frühjahr des nächsten Jahres säte ich nun die entnommenen gelben Erbsensamen der ersten Versuchsreihe aus, um die resultierenden Pflänzchen untereinander in der oben beschriebenen Weise zu kreuzen. Das Ergebnis überraschte mich dermaßen, dass ich dieses Kreuzungsexperiment mehrfach wiederholte. Ich dachte einen Fehler gemacht zu haben. Nach Auszählung aller in den geernteten Hülsen enthaltenen Erbsen kam ich zu folgendem Ergebnis: 293 gelbe Erbsen und 107 grüne Erbsen. Seite 2 von 12

3 Die klassische Genetik nach Gregor Mendel: die Erbgänge I Betrachtung eines unterschiedlichen Merkmals: monohybrid Eines der Merkmale setzt sich im Erbgang zur 1. Generation an Nachkommen durch: dominant-rezessiv Stellen Sie die Beobachtungen von Gregor Mendel in nachfolgendem Schema dar, indem Sie: die dargestellten Erbsen entsprechend der Beschreibung des Experiments im Punkt Merkmalsebene farbig kennzeichnen. für die beiden Allele geeignete Buchstabensymbole wählen und im Punkt Betrachtung auf genetischer Ebene eintragen. Beachten Sie, dass das dominante Allel mit einem Großbuchstaben dargestellt wird. die genetische Information der Parentalgeneration (= Elterngeneration) P mittels der zuvor festgelegten Symbole darstellen (diploide Individuen!) die genetische Information, die von den Individuen der Parentalgeneration P in die Keimzellen G P gelangt, an der entsprechenden Stelle in die symbolhaften Keimzellen eintragen. aus den Keimzellen durch Verschmelzung die befruchtete Zygote der 1. Generation an Nachkommen ( F1 ) kombinieren. diesen Vorgang gemäß der schrittweisen Anleitung in das Kombinationsquadrat übertragen. Betrachtung auf Merkmalsebene (= Phänotyp): P: X F1: Seite 3 von 12

4 Betrachtung auf genetischer Ebene (= Genotyp): P: X Genotyp:.. Allelsymbol für Merkmal G P : gelb grün F1: Genotyp:. Übertrag in ein Kombinationsquadrat: 1. Schritt: Eintragen: Allel aus Keimzelle von Individuum 1 2. Schritt: Eintragen: Allel aus Keimzelle von Individuum 2 4. Schritt: 3. Schritt: Kombination der Allele zu einem neuen diploiden Organismus Angabe des resultierenden Genotyps und Zuordnung des entsprechenden Phänotyps: Seite 4 von 12

5 Wiederholen Sie die detaillierte Betrachtung für die Kreuzung der Nachkommen der F1-Generation untereinander, indem Sie: für die beiden Allele die identischen Buchstabensymbole des vorangegangenen Kombinationsquadrats wählen. die genetische Information der Einzelindividuen der F1-Generation mittels der zuvor festgelegten Symbole darstellen (diploide Individuen!). die genetische Information, die von den Individuen aus F1 in die Keimzellen G F1 gelangt, an der entsprechenden Stelle in die symbolhaften Keimzellen eintragen. aus den Keimzellen durch Verschmelzung die befruchtete Zygote der 2. Generation an Nachkommen ( F2 ) kombinieren. diesen Vorgang in das Kombinationsquadrat übertragen. Betrachtung auf Ebene der Phänotypen: F1: X F2: Betrachtung auf Ebene der Genotypen: F1: X Genotyp:.. Allelsymbol für Merkmal G F1 : gelb grün F2: Genotyp:.... Seite 5 von 12

6 Übertrag in ein Kombinationsquadrat: 1. Schritt: Eintragen: Allel 1 aus Keimzelle von Individuum 1 2. Schritt: Eintragen: Allel 2 aus Keimzelle von Individuum 1 3. Schritt: Eintragen: Allel 1 aus Keimzelle von Individuum 2 4. Schritt: Eintragen: Allel 2 aus Keimzelle von Individuum 2 5. Schritt: Kombination der Allele zu je einem neuen diploiden Organismus pro Quadrat 6. Schritt: Angabe der resultierenden Genotypen und Zuordnung der entsprechenden Phänotypen: Seite 6 von 12

7 Weiterführende Aufgaben: Illustrierende Aufgaben zum LehrplanPLUS Mit Hilfe des folgenden Modellexperiments soll die Vermischung und Kombination des Erbgutes bei der Zygotenbildung verdeutlicht werden. Gehen Sie hierzu wie folgt vor: Mischen Sie die 16 gelben und 16 grünen Kugeln (die Farben stehen für die jeweiligen Allele der Farbe der Erbse) gut durch. Ziehen Sie im Anschluss blind aus dem Sack jeweils 2 Kugeln. Diese Kugeln bilden immer ein Allel-Pärchen. Die Farbkombinationen werden gezählt und in die Liste eingetragen. Geben Sie an, wofür die Kugeln modellhaft stehen. # Allel- Pärchen Genotyp Phänotyp Seite 7 von 12

8 Setzten Sie die jeweiligen Phänotypen der gezogenen F2-Generation ins Verhältnis zueinander. Erklären Sie, warum Sie ein ggf. von Ihren Erwartungen abweichendes Verhältnis erhalten haben und ob dies in der Natur auch auftreten könnte. Erstellen Sie eine Hypothese auf chromosomaler Ebene, durch die sich die eventuelle Abweichung vom theoretischen Idealverhältnis erklären lassen könnte. Versuchen Sie aus den Erkenntnissen des zuvor behandelten Erbgangs Gemeinsamkeiten abzuleiten und formulieren Sie daraus Ihre persönlichen Vererbungsregeln. Tauschen Sie sich anschließend untereinander bezüglich Ihrer Regeln aus und einigen Sie sich gemeinsam auf die jeweils passendste Variante. Vergleichen Sie Ihre Ergebnisse abschließend mit den von Gregor Mendel gefundenen Regeln zur Vererbung. Als Hilfestellung dient die jeweilige Überschrift. Die Vererbungsregeln Regel 1: Die Uniformitätsregel Regel 2: Die Spaltungsregel Seite 8 von 12

9 Beispiele für Produkte und Lösungen der Schülerinnen und Schüler Betrachtung auf Merkmalsebene (= Phänotyp): P: X F1: Betrachtung auf genetischer Ebene (= Genotyp): P: X Genotyp: gg GG Allelsymbol für Merkmal G P : g G gelb grün G g F1: Genotyp: Gg Übertrag in ein Kombinationsquadrat: g G Gg 4. Schritt: Angabe des resultierenden Genotyps und Zuordnung des entsprechenden Phänotyps: Gg = gelb Seite 9 von 12

10 Wiederholen Sie die detaillierte Betrachtung für die Kreuzung der Nachkommen der F1-Generation untereinander: Betrachtung auf Ebene der Phänotypen: F1: X F2: Betrachtung auf Ebene der Genotypen: F1: X Genotyp: Gg Gg Allelsymbol für Merkmal G F1 : G g G G gelb grün G g F2: Genotyp: GG Gg Gg gg Übertrag in ein Kombinationsquadrat: G g G GG Gg g Gg gg 6. Schritt: Angabe der resultierenden Genotypen und Zuordnung der entsprechenden Phänotypen: GG = gelb, Gg = gelb, gg = grün Seite 10 von 12

11 Weiterführende Aufgaben: Illustrierende Aufgaben zum LehrplanPLUS Die 16 gelben und 16 grünen Kugeln werden in dem Sack gut gemischt und im Anschluss jeweils 2 Kugeln blind gezogen. Diese Kugeln bilden immer ein Allel- Pärchen. Die Farbkombinationen werden gezählt und in die Liste eingetragen. Überlegen Sie sich auch, wofür die Kugeln modellhaft stehen. Tabelle = Zufallsexperiment der Schüler Kugeln = Modell für die miteinander verschmelzenden Keimzellen Bestimmen Sie die jeweiligen Phänotypen der gezogenen F2- Generation und setzen Sie diese dann ins Verhältnis zueinander. Entsprechend der Ergebnisse des Zufallsexperiments Überlegen Sie, warum Sie ein ggf. stärker abweichendes Verhältnis erhalten haben und ob dies in der Natur auch auftreten könnte. Zufall bei der Ziehung der Holzkügelchen führt zu ggf. stärkerer Abweichung. In der Natur ist dies wegen des Zufalls bei der Befruchtung (es müssen nicht zwangsläufig die Keimzellen im stochastischen Verhältnis verschmelzen) ebenfalls möglich. Erstellen Sie eine Hypothese auf chromosomaler Ebene, durch die sich die eventuelle Abweichung vom theoretischen Idealverhältnis erklären lassen könnte. Zufall bei der Trennung der homologen Chromosomen in der Anaphase I der Meiose in den heterozygoten Individuen. Die Vererbungsregeln Regel 1: Die Uniformitätsregel Kreuzt man zwei reinerbige Eltern, die sich in nur einem Merkmal voneinander unterscheiden, so sind alle Individuen der F1-Generation genotypisch und phänotypisch gleich. Regel 2: Die Spaltungsregel Kreuzt man die Individuen der F1-Generation untereinander, so gehen daraus Nachkommen (F2-Generation) hervor, deren Merkmalsformen sich in einem bestimmten Zahlenverhältnis aufspalten. Seite 11 von 12

12 Hinweise zum Unterricht Illustrierende Aufgaben zum LehrplanPLUS Zur Aufgabenbearbeitung notwendiges Vorwissen: Fachbegriffe der klassischen Genetik Seite 12 von 12