Aufgabe 3 - Evolutionsfaktoren und Artbildung · Abitur NRW Biologie LK · Nachtermin 2022

Thema: Die Vielfalt der Schaumkräuter

Material A: Ökologie der Schaumkräuter

Zur Gattung der Schaumkräuter ( Cardamine) gehören mehr als 200 verschiedene krautige Pflanzenarten, die in weiten Teilen der Welt vorkommen. In Europa sind unter anderem das Behaarte Schaumkraut ( Cardamine hirsuta), das Bittere Schaumkraut ( Cardamine amara) und das Wald-Schaumkraut ( Cardamine flexuosa) verbreitet. C. hirsuta kommt vor allem in Wiesen, Wegrändern und offenen Feldern vor. C. amara wächst in Feuchtgebieten mit nassen Böden und C. flexuosa ist vor allem an feuchten, beschatteten Standorten zu finden. Alle drei Arten können in näherer Nachbarschaft zueinander vorkommen.

Das Wachstum der drei Cardamine -Arten wurde unter verschiedenen Bewässerungsbedingungen untersucht. Dazu wurden Jungpflanzen der drei Arten in Töpfe gepflanzt und jeweils unter einer von drei Versuchsbedingungen angezogen. Im ersten Ansatz wurden die Töpfe nur wenig gegossen („trocken“). Im zweiten Ansatz standen die Töpfe bis zur Oberkante vollständig im Wasser („überflutet“). Und im dritten Ansatz wurden die Töpfe abwechselnd jeweils zwei Wochen überflutet und trocken gehalten („wechselnd“). Nach zehn Wochen Versuchsdauer wurde als Maß für das Pflanzenwachstum die Anzahl der Blätter gezählt und jeweils ein Mittelwert gebildet (Abbildung 1).

Material B: Veränderung der Genexpression bei Überflutung

Die meisten Pflanzen reagieren empfindlich auf Überflutung, denn durch Überflutung wird zum Beispiel der Sauerstoffhaushalt verändert und dadurch oxidativer Stress verursacht. Als Folge können zelluläre Moleküle wie Membranbestandteile und DNA geschädigt werden. Pflanzen reagieren auf diesen Stress unter anderem durch Veränderung der Genexpression.

In einem Experiment wurden die drei Arten C. hirsuta, C. amara und C. flexuosa plötzlicher Überflutung ausgesetzt. Nach zwei Stunden wurde die Häufigkeit verschiedener mRNAs gemessen. Zum Vergleich wurde die Häufigkeit der gleichen mRNAs unter normalen Bedingungen ermittelt. Anhand dieser Werte wurde die relative Häufigkeit der mRNAs nach Überflutung bestimmt (Abbildung 2). Ist eine mRNA unter normalen Bedingungen und nach Überflutung gleich häufig, so liegt deren relative Häufigkeit bei 1. Eine relative Häufigkeit von 2 bedeutet eine Verdopplung der mRNA-Menge nach Überflutung.

Ein dauerhaft exprimiertes Gen, das act2 -Gen, diente als Kontrolle, da unter allen Bedingungen eine ungefähr gleiche mRNA-Menge zu erwarten war. Die anderen untersuchten Gene codieren für Transkriptionsfaktoren, die bei verschiedenen Arten von Stress eine Rolle spielen, insbesondere bei oxidativem Stress. Für das erf2 -Gen wurde außerdem nachgewiesen, dass eine starke Expression dieses Gens die Toleranz der Pflanze gegen Überflutung erhöht.

Material C: Genom- und Chromosomenanalysen

C. hirsuta und C. amara sind diploid und besitzen beide jeweils 8 Chromosomenpaare ($n = 8$, $2n = 16$). C. flexuosa hat doppelt so viele Chromosomen ($n = 16$, $2n = 32$). Mithilfe von Chromosomenstrukturanalysen wurde die Verwandtschaft von C. flexuosa mit den anderen Cardamine -Arten untersucht (Abbildung 3).

Material D: Ein neues Schaumkraut am Bodensee

Am Ufer des Bodensees im Süden Deutschlands lebt eine Pflanzengemeinschaft mit vielen Arten, die an stark wechselnde Wasserstände angepasst sind. Auch einige einheimische Cardamine -Arten wie etwa C. flexuosa und C. hirsuta kommen hier vor. 2004 wurden erstmals in Deutschland Exemplare einer unbekannten Cardamine -Art an den Ufern des Bodensees entdeckt, die sich in den folgenden Jahren dort stark ausbreitete. Mittlerweile findet sich diese Art auch in Nordrhein-Westfalen an einem Fluss- und einem Seeufer mit wechselnden Wasserständen.

Die Samen der Pflanze können bis zu vier Monate in überfluteten Böden überleben. Sie keimen bevorzugt unter feuchten Bedingungen. Die Ausbreitung wird durch milde Winter und niedrige Wasserstände begünstigt.

Zum Ursprung der neuen Art am Bodensee gab es zwei Erklärungsansätze. Zum einen könnte sie durch Hybridisierung, also Kreuzung, zweier einheimischer Arten entstanden sein. Zum anderen könnte es sich um eine aus anderen geographischen Regionen eingeschleppte Art handeln. Zur Überprüfung dieser Erklärungsansätze wurde die DNA der neuen Art und verschiedener anderer Cardamine -Arten mittels DNA-Sequenzanalysen untersucht. Hierfür wurde ein DNA-Bereich verwendet, der zur Unterscheidung von morphologisch ähnlichen Arten gut geeignet ist, der ITS-Bereich. Tabelle 1 zeigt den Vergleich der Nukleotidsequenzen an ausgewählten Positionen des ITS-Bereichs verschiedener Cardamine -Arten.

Material E: Vorlage zur Skizze des regulären Ablaufs der Meiose

3. Skizzieren Sie in Material E, welche Produkte die Reifeteilungen bei einer regulär verlaufenden Meiose liefern, und erläutern Sie, auf welche Weise der Chromosomensatz von C. flexuosa entstanden sein kann (Material C). Entwickeln Sie unter Einbeziehung genetischer Gesichtspunkte eine Hypothese, die den breiten Toleranzbereich von C. flexuosa erklärt (Materialien A bis C).

[20 Punkte]

a)

b)

c)