Aufgabe 2 - Teilaufgaben 1 und 3: DNA, Proteinbio… · Abitur NRW Biologie LK · Haupttermin · Weiterbildungskolleg 2022

Thema: Genetik der Blütenfarben des Gewöhnlichen Kohlröschens

Material A: Blütenfarben beim Gewöhnlichen Kohlröschen

Das Gewöhnliche Kohlröschen ( Gymnadenia rhellicani) ist eine Orchidee, die in Bergregionen der Alpen bis in den Balkan vorkommt. Die mehrjährige Art besitzt einen Blütenstand mit zahlreichen, in der Regel dunkelroten Einzelblüten, die von Insekten wie Fliegen und Bienen bestäubt werden. Ohne Bestäubung entwickeln sich bei dieser Art keine Samen.

Am Puflatsch, einer Erhebung in Norditalien, findet man beim Gewöhnlichen Kohlröschen neben Pflanzen mit dunkelroten Blüten auch Pflanzen mit hellroter und weißer Blütenfarbe. Innerhalb der Population bestehen keine Unterschiede in der räumlichen Verteilung, verschiedene Farbvarianten kommen oft in unmittelbarer Nähe vor.

Die Färbung der Blüten beim Gewöhnlichen Kohlröschen ändert sich im Laufe des Lebens einer Pflanze nicht.

Beim Gewöhnlichen Kohlröschen ist der wichtigste Blütenfarbstoff das rote Cyanidin-3-glucosid. Der Farbstoff wird in den Blütenzellen mithilfe von Enzymen synthetisiert (Abbildung 2).

Material B: Regulation des ANS-Gens

Im Gewöhnlichen Kohlröschen wird die Synthese von Cyanidin-3-glucosid aus Leukocyanidin durch das Enzym Anthocyanidin-Synthase (ANS) katalysiert. Die Anthocyanidin-Synthase wird vom ANS -Gen codiert.

Die Regulation des ANS -Gens ist in anderen Pflanzenarten gut untersucht. Dort sind unter anderem MYB-Transkriptionsfaktoren an der Regulation beteiligt. Im Gewöhnlichen Kohlröschen wurde der MYB1-Transkriptionsfaktor identifiziert. Weil MYB1 große Aminosäuresequenz-Übereinstimmungen mit bekannten MYB-Transkriptionsfaktoren anderer Pflanzenarten zeigt, wird der in Abbildung 3 dargestellte Mechanismus auch beim Gewöhnlichen Kohlröschen vermutet.

Material C: MYB1 -Allele und Blütenphänotyp

In der Population am Puflatsch wurden unterschiedliche Allele des MYB1 -Gens gefunden, die im Gewöhnlichen Kohlröschen in unterschiedlichen Kombinationen vorkommen. Das MYB1-Protein besteht aus 262 Aminosäuren. DNA-Sequenzen der Allele und der Zusammenhang zwischen Allelkombination und Blütenfarbe des Gewöhnlichen Kohlröschens am Puflatsch wurden näher untersucht (Tabellen 1 und 2).

Tabelle 1: Ausschnitt aus dem nicht-codogenen Strang des MYB1 -Gens des Gewöhnlichen Kohlröschens

Triplett-Nummer

218

219

220

221

222

223

Allel 1

TCG

GCA

GAT

TAC

GAC

CTC

Allel 2

TCG

GCA

GAT

TAG

GAC

CTC

Allel 3

TCG

GCA

GAT

TAA

GAC

CTC

$5' \rightarrow 3'$

Tabelle 2: Blütenphänotypen bei verschiedenen MYB1 -Allelkombinationen

Allel 1

Allel 2

Allel 3

Allel 1

dunkelrot

hellrot

hellrot

Allel 2

hellrot

weiß

weiß

Allel 3

hellrot

weiß

weiß

Material D: Entwicklung der Population am Puflatsch

Der prozentuale Anteil der Farbvarianten am Puflatsch wird seit 1997 wissenschaftlich erfasst und ausgewertet. In einer Studie wurden darüber hinaus Daten zum Besuch von Bestäubern und zur Anzahl der Samen pro Pflanze bei den verschiedenen Phänotypen erhoben. Untersuchungen von Bienen und Fliegen zeigten außerdem, dass an Bienen dreimal häufiger Blütenpollen zu finden waren als an Fliegen.

Material E: Codesonne und Tabelle zum genetischen Code

Teilaufgabe 1 [12 Punkte]

Fassen Sie anhand von Material A zusammen, was über die Blütenfärbung des Gewöhnlichen Kohlröschens bekannt ist. Leiten Sie daraus denkbare genetische Gründe für die Entstehung der verschiedenen Blütenfarben ab (Material A).

Teilaufgabe 3 [22 Punkte]

3.1. Ermitteln Sie zu den in Tabelle 1 aufgeführten Nukleotidsequenzen (nicht-codogener Strang des MYB1 -Gens, 5' → 3') jeweils die mRNA-Sequenz und die Aminosäuresequenz (Materialien C und E).

Allel

mRNA-Sequenz (5' → 3')

Aminosäuresequenz

Allel 1

Allel 2

Allel 3

3.2. Bestimmen Sie für Allel 2 und Allel 3 jeweils den molekularen Mutationstyp (Art der Basenveränderung sowie funktionelle Folge für die Translation):

3.3. Werten Sie die Daten aus Material C aus (Zusammenhang zwischen Allelkombinationen und Blütenphänotypen) und entwickeln Sie eine Hypothese, wie sich die Mutationen auf molekularer wie auch auf phänotypischer Ebene auswirken (Materialien A bis C).