Aufgabe Vorschlag B - Aufgaben 1.5 und 1.6 · Abitur Hessen Biologietechnik LK 2021
Thema: Gentechnische Verfahren und transgene Organismen · Aus der Prüfung LK (2021)
Aufgabenstellung
Epigenetik, Gentransfer und Energie
Epigenetik ist ein aufstrebender Forschungszweig der Biologie. Der Begriff setzt sich aus den Wörtern „Genetik“ und „Epigenese“ zusammen, also der Vererbungslehre und der Entwicklung eines Lebewesens. Sie gilt also als Bindeglied zwischen Umwelteinflüssen und Genen. Mittels Epigenetik gelingt es dem Zellkern, unter dem Einfluss äußerer Faktoren, zu regulieren wann und in welchem Ausmaß Gene ein- und ausgeschaltet werden.
Material 4: Zucht einer transgenen Pflanze
1.5
Das Einbringen von Fremd-DNA in Pflanzenzellen ist wegen der Zellwand schwieriger als der Gentransfer in tierische Zellen. Da Pflanzenzellen selbst keine freien Plasmide aus der Umgebung aufnehmen können, verwendet man das Bodenbakterium Agrobacterium tumefaciens als Vektor.
Überführen Sie die einzelnen Bilder in Material 4 in ein Fließschema und erläutern Sie die einzelnen Schritte.
Hinweis: Schreiben Sie hierzu die Bildzahlen auf und verbinden Sie diese mit Pfeilen.
[8 BE]
Material 5: Gentransfer mit Hilfe eines Vektors
Agrobacterium tumefaciens besitzt bekanntlich die natürliche Fähigkeit die genetische Information für die Wurzelgallen-(Tumor-)Bildung in das Pflanzengenom einzufügen. Diese Transfer-DNA (T-DNA) liegt eingerahmt von zwei Grenzbereichen, der rechten und der linken Border (RB und LB), im Ti-Plasmid vor. An der RB beginnt der Transfer durch den Bruch eines Einzelstranges, durch einen weiteren Bruch an der LB entsteht die freie einzelsträngige T-DNA und dadurch kann das Bakterium die Pflanzenzelle infizieren. Diese beiden Sequenzen machen also die Nutzung des Ti-Plasmids als Vektor erst möglich.
Beim Gentransfer des Mannose-Gens wird dessen DNA, eingerahmt von RB- und LB-Sequenzen, in ein Plasmid eingebracht. Neben den Border-Sequenzen sind auch sogenannte Virulenzgene (vir-Gene) von Agrobacterium tumefaciens erforderlich, deren Aktivität normalerweise für die Übertragung der T-DNA ins Pflanzengenom erforderlich ist.
Der Vektor wird zwecks einfacherer Handhabung zunächst in Escherichia coli vermehrt und dann in einen Agrobakterien-Stamm transformiert, mit dem anschließend eine Pflanze infiziert wird.
1.6
Arabidopsis thaliana ist normalerweise nicht in der Lage den Zucker Mannose als Nahrung zu verwerten. In einem Experiment soll das Gen für die Verwendung von Mannose in das Erbgut von Arabidopsis thaliana übertragen werden.
Skizzieren Sie mithilfe von Material 5 ein geeignetes Plasmid und erklären Sie die Funktion der gewählten Abschnitte.
[18 BE]
Lösung
Nach den offiziellen Korrekturhinweisen
1.5 Fließschema zur Zucht einer transgenen Pflanze und 1.6 Skizze eines geeigneten Plasmids
Lösung: 1.5 Fließschema: 1.6 Skizze des Plasmids:
1.5 Erläutern Sie die einzelnen Schritte des Gentransfers anhand von Material 4.
Lösung: Aus Arabidopsis thaliana (1) werden Blattstücke entnommen (9). Agrobacterium tumefaciens ist ein Bodenbakterium, das mittels seines Ti-Plasmids (7) Teile seines Erbguts in das Genom von Pflanzen transferieren kann. Das Fremdgen und ein Markergen (6) werden in das Bakterium eingebaut (5). Mit dem Markergen können nach dem Gentransfer jene Pflanzenzellen aufgespürt werden, welche die zuvor ins Plasmid eingefügten Fremdgene ins Genom eingebaut haben. Die Agrobakterien mit den Zusatzgenen im Plasmid werden mit Blattstücken der Ackerschmalwand zusammen kultiviert (3). Die verletzten Pflanzenzellen locken die Bakterien an (8) und diese übertragen ihre DNA in die Pflanzenzelle (4). Einige der Pflanzenzellen bauen die gewünschten Gene in ihr Genom ein. Aus diesen Zellen werden ganze Pflanzen regeneriert, die aufgrund des eingebauten Fremdgens über eine neue Eigenschaft verfügen (2).
1.6 Erklären Sie die Funktion der gewählten Abschnitte des Plasmids.
Lösung: - Das Tumor induzierende (Ti)-Plasmid von Agrobacterium tumefaciens (A. tumefaciens) induziert Tumorwachstum, daher muss der entsprechende Teil der Erbinformation des Bakteriums, die T-DNA, herausgeschnitten und an dieser Stelle das gewünschte Gen, hier das Gen zur Verwertung von Mannose, an diese Stelle des Ti-Plasmids integriert werden. - Zur Vervielfältigung des gewünschten Gens in der Pflanzenzelle muss ein pflanzlicher (eukaryotischer) Promotor im Plasmid integriert sein. - Um die Pflanzen zu selektieren, in denen der Gentransfer erfolgreich war, ist ein Selektionsgen bzw. ein Marker erforderlich. Dies kann ein Antibiotika-Resistenzgen oder ein Herbizid-Resistenzgen sein. Auch hierfür ist ein Promotor notwendig. - Die Information, die wichtig ist zur Einschleusung von DNA in eine Zelle, muss erhalten bleiben. Folglich flankieren die LB- und RB-Sequenzen die oben aufgeführten Gene. Somit kann die Pflanze infiziert und die gewünschte DNA einzelsträngig in die Pflanze übertragen werden. - Da das rekombinante Plasmid zunächst in Escherichia coli (E. coli) vermehrt werden soll, muss es einen entsprechenden Replikationsursprung enthalten. - Zur Vermehrung des Plasmids in A. tumefaciens ist ein weiterer Replikationsursprung für dieses Bakterium erforderlich. - Ein bakterieller Promotor sorgt für die regulierte Expression der bakteriellen Gene. - Auch Resistenzgene (Marker) zur Selektion der transformierten Zellen in E. coli bzw. A. tumefaciens müssen vorhanden sein. Dies sind meist Gene, die Resistenzen gegen Antibiotika vermitteln. - Die vir-Gene werden benötigt, um die T-DNA-Region in das Pflanzengenom zu übertragen.
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