Aufgabe Vorschlag C - Aufgabe 5 · Abitur Hessen Biologie GK 2022

Material 3

Parasit verhindert Abwehrreaktion von Wirtspflanzen durch microRNA

Eine amerikanische Forschergruppe hat herausgefunden, dass über Haustorien RNA, Proteine und sogar Viren zwischen Parasit und Wirt ausgetauscht werden können. Besonders auffällig sind dabei verschiedene kleine RNA-Moleküle mit einer Länge von 21–24 Nukleotiden. Solche kleinen RNA-Moleküle sind sowohl bei Menschen und Tieren als auch bei Pflanzen weit verbreitet. Sie werden zur Regulation der Proteinproduktion und den damit verbundenen verschiedenen biologischen Prozessen verwendet, wie zum Beispiel der Entwicklung oder der Verteidigung gegen Eindringlinge.

Parasiten nutzen kleine RNA-Moleküle, um in den Stoffwechsel ihrer Wirte einzugreifen. Die Hexenseide ist der erste pflanzliche Parasit, bei dem die Produktion spezieller kleiner RNA-Moleküle (microRNAs) zur Manipulation der Wirtspflanze nachgewiesen werden konnte.

Die folgende Abbildung zeigt, wie eine parasitäre microRNA nach dem Eindringen in der Wirtszelle wirkt. Dabei entfaltet sie ihre Wirkung nicht nur unmittelbar an der entsprechenden mRNA der Wirtszelle, sondern setzt mithilfe wirtseigener Enzyme einen weiteren Prozess in Gang, durch den schließlich eine große Anzahl mRNA-Moleküle des Wirts stillgelegt werden kann.

Hinweis

Nukleasen: Enzyme, die doppelsträngige Nukleinsäuren spalten

Alle enzymatischen Reaktionen erfolgen durch wirtseigene Enzyme.

5 Zeigen Sie, welche Ergebnisse der in den Abbildungen 4.1 bis 4.3 dargestellten Experimente jeweils die Erkenntnisse A–F bestätigen. (Material 3 und 4)

Material 4: Untersuchungen zur Rolle von microRNA bei der Interaktion der Hexenseide mit ihren Wirtspflanzen

Amerikanische Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ließen Hexenseide-Pflanzen auf Acker-Schmalwand ( Arabidopsis) und anderen Pflanzen als Wirtspflanze wachsen. Sie konnten dabei die Produktion verschiedener microRNA-Moleküle mit einer Länge von 22 Nukleotiden in Hexenseide nachweisen, die sie genauer untersuchten. Aus den Experimenten konnten folgende Erkenntnisse gewonnen werden:

A Im Gewebe der Kontaktstellen zwischen Parasit und Wirt werden spezifische microRNAs vermehrt gebildet.

B Zu diesen microRNAs lassen sich komplementäre Sequenzen in mRNAs der Wirtspflanze finden, nicht jedoch in mRNAs von Hexenseide.

C Die microRNAs des Parasiten blockieren besonders die Gene von Verteidigungsmechanismen der Wirtspflanze.

D Die Manipulation des Verteidigungsmechanismus des Wirts bewirkt einen Wachstumsvorteil für den Parasiten.

E Die Voraussetzung zur Ausbildung der spezifischen microRNAs in Hexenseide ist der Kontakt zu lebenden Wirtspflanzen.

F Die microRNAs von Hexenseide wirken in gleichem Maße auf verschiedene Wirtspflanzenarten.

Im Folgenden sind die Ergebnisse der durchgeführten Experimente zu zwei parasitären microRNAs dargestellt:

Es wurde überprüft, ob die Basensequenz zweier verschiedener parasitärer microRNAs komplementär zu mRNAs der Wirtspflanze bzw. des Parasiten ist.

Vergleichs-mRNA · micro-RNA 1 · micro-RNA 2

BIK 1 Gen für ein membrangebundenes Signalprotein, das u. a. durch Krankheitserreger aktiviert wird. · + · —

SEOR1 Gen für ein in Leitbahnen häufiges Protein, das die Menge an Fotosyntheseprodukten (Zuckern) in der Umgebung einer Verwundung reduziert und damit deren Verlust minimiert. · — · +

weitere Wirts-mRNAs · — · —

Hexenseide-mRNA · — · —

Gewebe · micro-RNA 1 · micro-RNA 2

PS - Stängel des Parasiten oberhalb der Kontaktstelle · — · —

HP - Kontaktstelle von Wirt und Haustorien des Parasits · + · +

WS - Stängel der Wirtspflanze oberhalb der Kontaktstelle · — · —

KS - Stängel der Wirtspflanze ohne Kontakt mit dem Parasit · — · —

+ nachgewiesen — nicht nachgewiesen

Untersuchte Pflanzen: Tabak (T), Acker-Schmalwand (A), Hexenseide (H).

· Gewebe · micro-RNA 1 · micro-RNA 2

A · HP - Kontaktstelle von Wirt und Haustorien des Parasits · + · +

KS - Stängel der Wirtspflanze ohne Kontakt mit dem Parasit · — · —

T · HP - Kontaktstelle von Wirt und Haustorien des Parasits · + · +

KS - Stängel der Wirtspflanze ohne Kontakt mit dem Parasit · — · —

H · PH - Kontaktstelle zwischen Parasit und Holzstab · — · —

A

Erkenntnis A: Im Gewebe der Kontaktstellen zwischen Parasit und Wirt werden spezifische microRNAs vermehrt gebildet.

B

Erkenntnis B: Zu diesen microRNAs lassen sich komplementäre Sequenzen in mRNAs der Wirtspflanze finden, nicht jedoch in mRNAs von Hexenseide.

C

Erkenntnis C: Die microRNAs des Parasiten blockieren besonders die Gene von Verteidigungsmechanismen der Wirtspflanze.

D

Erkenntnis D: Die Manipulation des Verteidigungsmechanismus des Wirts bewirkt einen Wachstumsvorteil für den Parasiten.

E

Erkenntnis E: Die Voraussetzung zur Ausbildung der spezifischen microRNAs in Hexenseide ist der Kontakt zu lebenden Wirtspflanzen.

F

Erkenntnis F: Die microRNAs von Hexenseide wirken in gleichem Maße auf verschiedene Wirtspflanzenarten.