Aufgabe 2 - Evolutionsfaktoren und Artbildung · Abitur NRW Biologie LK · Haupttermin · Weiterbildungskolleg 2023

Thema: Die Südliche Seide und die Zeit zum Blühen

Material A: Blühen zur rechten Zeit

Die Südliche Seide ( Cuscuta australis) ernährt sich als Vollparasit von anderen Pflanzen, indem sie über spezielle Saugorgane bis zu den Leitungsbahnen der Wirte vordringt und die dort transportierten Nährstoffe nutzt. Die Pflanze bildet kleine weißliche Blüten, die bis zu 100 000 Samen pro Pflanze produzieren können. Die Samen können bis zu 20 Jahre überdauern.

Der junge Keimling der Südlichen Seide weist noch Wurzeln und auch etwas Chlorophyll in den Blättern auf. Die Wurzeln und auch das Chlorophyll werden aber innerhalb der ersten zehn Tage abgebaut. Durch Drehbewegung des Sprosses wird in dieser Zeit eine mögliche Wirtspflanze im Umfeld gesucht. Im Unterschied zu vielen anderen Parasiten ist die Südliche Seide nicht wirtsspezifisch, sondern findet sich zum Beispiel auf Kulturpflanzen wie Tomaten, Sojabohnen, Gurken und auch vielen anderen Wildpflanzen. Die meisten dieser Arten sind genau wie die Südliche Seide einjährig. Nach der Keimung im Frühjahr und einer Wachstumsphase beginnen die Wirtspflanzen bei guter Nährstoffversorgung zu blühen (Abbildung 1) und sterben nach der Samenbildung im Herbst ab.

Material B: Nachweis von mRNA mittels RT-PCR

Um die Expression eines Gens in einer Zelle zu untersuchen, verwendet man die Reverse Transkriptase-Polymerase-Kettenreaktion (RT-PCR). Die Reverse Transkriptase ist ein Enzym, das mRNA in die komplementäre DNA (cDNA) umschreibt (Abbildung 2).

Material C: Expression des FT -Gens der Südlichen Seide

Der Blühbeginn wird bei den Blütenpflanzen maßgeblich durch das FT-Protein (Flowering Locus T) gesteuert. Sobald die tägliche Belichtungsdauer für die jeweilige Art ausreichend ist, wird das FT -Gen in den Blattzellen exprimiert und das FT-Protein gebildet. Aus den Blättern wird das FT-Protein durch die Leitbündel innerhalb der Pflanze bis zu den Blütenknospen transportiert und steuert dort als ein beteiligter Transkriptionsfaktor die Blütenbildung. Die aus der genomischen DNA abgeleiteten Aminosäuresequenzen der FT-Proteine verschiedener Blütenpflanzen zeigen über die Artgrenzen hinweg eine hohe Übereinstimmung der Sequenz gerade in funktionell bedeutenden Abschnitten.

Mithilfe der RT-PCR wurde die Expression des FT -Gens der Südlichen Seide untersucht. Dazu wurden Sojabohnen mit der Südlichen Seide parasitiert. Bis zum Blühbeginn der Sojabohnen und der Südlichen Seide am 35. Tag wurden alle fünf Tage Zellen des Sprosses der Südlichen Seide auf mRNAs des FT -Gens mittels RT-PCR untersucht. Zur Kontrolle wurden zeitgleich die Zellen des Sprosses auf die Expression des EF -Gens untersucht. Das EF -Gen wird kontinuierlich in den Sprosszellen der Südlichen Seide exprimiert, sodass stets EF-mRNA vorhanden ist. Abbildung 3 zeigt das gelelektrophoretische Bild nach erfolgter RT-PCR.

Material D: Protein oder mRNA?

Zur Klärung der Fragestellung, ob artfremde FT-Proteine oder artfremde FT-mRNA für den Blühbeginn der Südlichen Seide verantwortlich sind, wurde ein Experiment durchgeführt. Abbildung 4 zeigt den experimentellen Ablauf sowie die beobachteten Ergebnisse.

Aufgabenstellung: Thema: Die Südliche Seide und die Zeit zum Blühen

1.

Stellen Sie dar, wie die Südliche Seide an eine parasitäre Lebensweise angepasst ist (Material A). Geben Sie an, wie der Begriff reproduktive Fitness definiert wird. Fassen Sie die Daten aus Abbildung 1 zusammen und erläutern Sie, welche Bedeutung der Zeitpunkt der Blütenbildung für die reproduktive Fitness der Südlichen Seide hat (Material A). [20 Punkte]

4.

Erläutern Sie, welche Bedeutung die artfremden FT -Genprodukte für die Südliche Seide haben (Materialien A, C und D). Entwickeln Sie eine evolutionsbiologisch begründete Hypothese dazu, wie der Blühbeginn der Südlichen Seide an die jeweiligen Wirtspflanzen angepasst werden konnte (Materialien A, C, und D). [13 Punkte]