Abitraining Biologie Klausur Leistungskurs 5

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Thema: Die Südliche Seide und die Zeit zum Blühen

Orientierungen zur Lösung

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Aufgabe 1:
Stellen Sie die Angepasstheiten der Südlichen Seide an die parasitäre Lebensweise dar (Material A). Geben Sie eine Definition des Begriffes reproduktive Fitness an. Fassen Sie die in Abbildung 1 gezeigten Daten zusammen und erläutern Sie die Bedeutung des Zeitpunkts der Blütenbildung für die reproduktive Fitness der Südlichen Seide (Material A).

Teil 1) die Angepasstheiten der Südlichen Seide an die parasitäre Lebensweise darstellen:

● Die Südliche Seide ernährt sich vollständig von der Wirtspflanze. Sie bildet Saugorgane zu den Leitungsbahnen der Wirtspflanze aus.
● Für die parasitäre Lebensweise nicht notwendige Strukturen wie Wurzeln und Chlorophyll sind zurückgebildet.
● Durch kreisende Sprossbewegungen findet die Südliche Seide Wirtspflanzen in der näheren Umgebung.

Teil 2) eine Definition des Begriffes reproduktive Fitness angeben:

Unter reproduktiver Fitness versteht man das Ausmaß, mit dem ein Organismus seine Gene in den Genpool der Folgegeneration einbringt.

Teil 3) die in Abbildung 1 gezeigten Daten zusammenfassen:

● Die Abbildung zeigt den durchschnittlichen Blühbeginn bei drei Nutzpflanzen und den sie parasitierenden Südlichen Seiden. Gurken und Sojabohnen blühen schon früh nach der Keimung, Tomaten deutlich später.
● Bei allen drei Arten blüht der Parasit im Durchschnitt vier Tage später als der Wirt.

Teil 4) die Bedeutung des Zeitpunkts der Blütenbildung für die reproduktive Fitness der Südlichen Seide erläutern:

● Die Südliche Seide betreibt keine eigene Fotosynthese und nimmt Wasser nicht selbst über eigene Wurzeln auf. Nach der erfolgreichen Parasitierung ist die Südliche Seide daher vollständig abhängig von der zufällig gefundenen Wirtspflanzen-art.
● Blüht die Südliche Seide viel später als der Wirt, reicht die Vegetationszeit zur Entwicklung reifer Samen für die Südliche Seide nicht mehr aus, bevor die einjährige Wirtspflanze abstirbt. Die Synchronisation ihrer Blütezeit mit der des Wirts erhöht daher die reproduktive Fitness der Südlichen Seide.

● Ein nahezu zeitgleicher Blühbeginn ermöglicht, dass die Bestäuber der Wirtspflanze auch die Blüten der Südlichen Seide bestäuben.

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Aufgabe 2:
Stellen Sie die wesentlichen Schritte der mRNA-Prozessierung bei Eukaryoten dar. Beschreiben Sie mithilfe von Abbildung 2 das Verfahren der Reversen Transkriptase-PCR und erläutern Sie die Funktionen der eingesetzten Primer (Material B).

Teil 1) die wesentlichen Schritte der mRNA-Prozessierung bei Eukaryoten darstellen:

● Es handelt sich um im Zellkern stattfindende Prozesse, die von der transkribierten prä-mRNA zur reifen mRNA führen.
● Hierbei werden die Introns aus der prä-mRNA herausgeschnitten und die codieren-den Exon-Sequenzen werden verknüpft.
● Zudem wird am 5ʹ-Ende der mRNA die Cap-Struktur und am 3ʹ-Ende der Poly-A-Schwanz angefügt, beides dient unter anderem zum Schutz vor enzymatischem Ab-bau.

Teil 2) mithilfe von Abbildung 2 das Verfahren der Reversen Transkriptase-PCR beschreiben:

● Zunächst bindet der Oligo-dT-Primer, der aus einer Abfolge von Thymin-Nukleotiden besteht, an den Poly-A-Schwanz der mRNA.
● Das Enzym Reverse Transkriptase synthetisiert einen zur mRNA komplementären einzelsträngigen DNA-Strang (cDNA).
● Anschließend wird der mRNA-Strang durch das Enzym RNAse abgebaut.
● An die nun einzelsträngige cDNA bindet ein PCR-Primer. Dieser wird durch die Taq-Polymerase im PCR-Ansatz komplementär zur cDNA verlängert.
● Der so entstandene DNA-Doppelstrang dient in einer nachfolgenden PCR als Matrizen-DNA, von der das gesuchte DNA-Fragment vervielfältigt wird.

Teil 3) die Funktionen der eingesetzten Primer erläutern:

● Der Oligo-dT-Primer bindet an alle mRNAs, die einen Poly-A-Schwanz aufweisen. Damit werden alle mRNAs dieser Zelle erfasst, die für Proteine codieren.
● Mithilfe der spezifischen Primer 1 und 2 kann dann gezielt die Expression ausgewählter Gene nachgewiesen werden.

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Aufgabe 3:
Werten Sie die in Abbildung 3 gezeigten Ergebnisse in Bezug auf die Expression des arteigenen FT-Gens der Südlichen Seide aus (Material C). Erläutern Sie die einzelnen experimentellen Schritte (Material D). Werten Sie die Ergebnisse des Experiments in Bezug auf die Fragestellung aus (Abbildung 4, Materialien A bis D).

Teil 1) die in Abbildung 3 gezeigten Ergebnisse in Bezug auf die Expression des arteigenen FT-Gens der Südlichen Seide auswerten:

● Beim EF-Gen zeigt sich immer eine Bande, also ein RT-PCR-Produkt, da das EF-Gen der Südlichen Seide über den gesamten Zeitraum exprimiert wird. Die Methode der RT-PCR läuft daher korrekt ab.
● Für die arteigene FT-mRNA der Südlichen Seide ist kein RT-PCR-Produkt nachweisbar. Das arteigene FT-Gen der Südlichen Seide wird demnach über den ganzen Zeitraum nicht exprimiert, obwohl die Südliche Seide am 35. Tag blüht.

Teil 2) die einzelnen experimentellen Schritte erläutern:

Schritt 1: Dadurch, dass der Promotor des FT-Gens der Ackerschmalwand durch einen Botenstoff aktivierbar ist, kann er gezielt angeschaltet werden.

Schritt 2: Das Ausschalten des arteigenen FT-Gens bei den Tabakpflanzen sorgt dafür, dass es keinerlei Genprodukte des FT-Gens der Tabakpflanze gibt, die unter Umständen von der Südlichen Seide aufgenommen werden und so das Ergebnis verfälschen könnten.

Schritt 3: Ein FT-Gen ist in der Wirtspflanze zwingend erforderlich, damit FT-mRNA gebildet wird, sodass die Translation des FT-Proteins stattfinden kann.

Schritt 4: Die transgenen Tabakpflanzen werden mit der Südlichen Seide parasitiert, damit der Blühbeginn von Wirtspflanze und Parasit später analysiert werden kann.

Schritt 5: Die Aufteilung der transgenen und parasitierten Tabakpflanzen in zwei gleich große Gruppen ermöglicht die parallele Untersuchung einer Kontrollgruppe.

Schritt 6: Die Behandlung von Gruppe A und Gruppe B unterscheidet sich lediglich durch Ab- bzw. Anwesenheit des Botenstoffs. Daher existieren dieselben Versuchsbedingungen für beide Gruppen. So können Nebenwirkungen der Behandlung ausgeschlossen werden.

Schritt 7: Mithilfe der RT-PCR kann analysiert werden, ob mRNA des Ackerschmalwand-FT-Gens aus der Tabakpflanze in die Südliche Seide gelangt ist.

Teil 3) die Ergebnisse des Experiments in Bezug auf die Fragestellung auswerten:

● Ohne den Botenstoff wurde die Transkription des FT-Gens nicht induziert und daher fand keine Blütenbildung bei transgenem Tabak und Südlicher Seide statt.
● Durch den Botenstoff wurde die Transkription des FT-Gens induziert und daher fand eine Blütenbildung bei transgenem Tabak und Südlicher Seide nach etwa 75 Tagen statt.
● Es findet sich keine FT-mRNA der Ackerschmalwand in den Sprosszellen der Südlichen Seide von Gruppe B. Da der transgene Tabak und die Südliche Seide blühen, kann das artfremde FT-Protein aus der Ackerschmalwand den Blühbeginn hier induzieren.

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Aufgabe 4:
Erläutern Sie die Bedeutung der artfremden FT-Genprodukte für die Südliche Seide (Materialien A, C und D). Entwickeln Sie eine evolutionsbiologisch begründete Hypothese zur Entstehung der Angepasstheit des Blühbeginns der Südlichen Seide an die jeweiligen Wirtspflanzen (Materialien A, C, und D).

Teil 1) die Bedeutung der artfremden FT-Genprodukte für die Südliche Seide erläutern:

● Obwohl das FT-Gen bei der Südlichen Seide vorhanden ist, wird keine arteigene FT-mRNA und somit auch kein arteigenes FT-Protein der Südlichen Seide gebildet.
● Ohne das artfremde FT-Protein würde die Südliche Seide daher nicht blühen. Es könnten folglich keine Samen gebildet werden und die Art würde möglicherweise aussterben.

Teil 2) eine evolutionsbiologisch begründete Hypothese entwickeln zur Entstehung der Angepasstheit des Blühbeginns der Südlichen Seide an ihre Wirtspflanzen:

● Zufällig kann eine Mutation dazu geführt haben, dass das arteigene FT-Gen der Südlichen Seide nicht mehr transkribiert wurde.
● Über die Saugorgane der Südlichen Seide wurden neben den Nährstoffen auch die artfremden FT-Proteine aufgenommen.
● Die artfremden FT-Proteine konnten aufgrund der strukturellen Ähnlichkeit im Aufbau der FT-Proteine den Blühbeginn bei dieser Südlichen Seide induzieren.
● Diese Pflanzen hatten gegenüber den anderen Pflanzen Vorteile, da sie unabhängig von der Art der zufällig gefundenen Wirtspflanze durch die Nutzung der arteigenen Wirts-FT-Proteine den für diese Wirtspflanze optimalen Zeitpunkt zum Blühen hatten.

● Da keine Ressourcen benötigt wurden, um das FT-Protein herzustellen, standen der Pflanze zusätzlich mehr Ressourcen für die Samenproduktion zur Verfügung.
● Die Selektionsvorteile führten dazu, dass Pflanzen der Südliche Seide ohne eigene FT-Protein-Herstellung mehr Nachkommen hervorbrachten und sich das Merkmal in der Population ausbreitete.