Aufgabe 1 - Teilaufgaben 2 und 3: Genregulation · Abitur NRW Biologie LK · Haupttermin · Weiterbildungskolleg 2022

Material A: Die Funktion des Geweihs

Die Familie der Geweihträger (Cervidae) umfasst mehr als 80 Arten, von denen unter anderem Rothirsch, Reh, Rentier und Elch in Europa verbreitet sind. Markantestes Kennzeichen der Cervidae sind die meist nur von den Männchen getragenen Geweihe, die jährlich abgeworfen und erneuert werden.

Häufig leben männliche Cervidae einer Art in Gruppen, deren Größe abhängig vom Lebensraum variiert. Gemischte Verbände entstehen in der Regel nur während der Paarungszeit. Dann suchen die Männchen die weiblichen Rudel auf. Durch Drohen, Imponieren und Kämpfen wird das ranghöchste Männchen ermittelt. Dieses Männchen sammelt etwa zehn Weibchen um sich, verteidigt sie gegen Konkurrenten und paart sich in den folgenden Wochen mehrfach mit diesen Weibchen.

In einem Experiment wurde das Wahlverhalten von weiblichen Weißwedelhirschen ( Odocoileus virginianus) untersucht. Dazu wurden Geweihe von männlichen Weißwedelhirschen künstlich vergrößert. Den paarungsbereiten Weibchen wurden dann für 36 Stunden sowohl Männchen mit normal entwickelten Geweihen als auch Männchen mit vergrößertem Geweih präsentiert. Als Kriterien für das Wahlverhalten wurden jeweils die durchschnittliche Dauer von typischen Verhaltensweisen der paarungswilligen Weibchen wie unruhiges Laufen sowie Niederlegen in Nähe des Männchens ermittelt.

Material B: Regulation der Geweihbildung durch Testosteron

Die Geweihbildung bei den Männchen der Cervidae wird durch das Geschlechtshormon Testosteron im Frühjahr initiiert. Dieses Hormon findet sich in geringen Konzentrationen auch bei den weiblichen Tieren. An der Ausbildung des Geweihs ist unter anderem das CCND1 -Gen beteiligt. Das Genprodukt dieses Gens fördert die Geweihbildung in den Geweihspitzen.

Material C: Genetische Ursachen für die Geweihbildung bei Rentieren

Rentiere ( Rangifer tarandus) sind die einzigen Vertreter der Cervidae, bei denen beide Geschlechter ein Geweih tragen. Bezogen auf die Körpergröße erreicht das männliche Rentier das größte Geweihgewicht innerhalb der Cervidae. Rentierweibchen nutzen ihr Geweih unter anderem, um im Winter die wenigen Futterstellen gegenüber anderen Weibchen zu verteidigen und so ausreichend Nahrung für sich und ihr Kalb zu sichern.

Eine wichtige Funktion bei der Geweihausprägung spielen die Androgen-Rezeptoren (Abbildung 2, Material B). Sie binden an eine spezifische Erkennungssequenz der DNA. Diese Androgen-Rezeptor-Erkennungssequenz 5'…TGTTCT…3' tritt in der Promotorregion des CCND1 -Gens 1094 Basenpaare vor dem Transkriptionsstart auf. Mithilfe einer Sequenzanalyse verglich man die Promotorregion des CCND1 -Gens verschiedener Vertreter der Cervidae (Tabelle 1).

In einer weiteren Studie wurde die relative Bindungsaffinität der Androgen-Rezeptoren an die Erkennungssequenz im Promotorbereich des CCND1 -Gens sowohl bei Rentieren als auch Rehen untersucht (Abbildung 3).

Material D: Der Calciumionen-Haushalt bei Rentieren

Die Geweihe erhalten bei allen Vertretern der Cervidae im Laufe des Wachstums ihre Festigkeit durch die Einlagerung von Calcium- und Phosphationen. Die für die Ausbildung des Geweihs nötigen Calciumionen müssen mit der Nahrung aufgenommen werden oder sie werden zum Teil auch den Knochen entzogen. Rentiere sind große Pflanzenfresser im arktischen und subarktischen Lebensraum. Die kurzen Vegetationszeiten sowie die geringen Temperaturen begrenzen das Pflanzenwachstum und damit auch die Calciumionen-Aufnahme durch die Nahrung.

In einer Studie wurde bei mehreren Arten der Geweihträger die Aminosäuresequenz des Enzyms CYP27B1 untersucht, das einen wichtigen Schritt im Vitamin-D-Stoffwechsel katalysiert (Tabelle 2). Zusätzlich wurde die Aktivität des Enzyms CYP27B1 bei Rentieren und Rehen verglichen (Abbildung 4). Vitamin D fördert die Calciumionen-Aufnahme aus der Nahrung sowie die Rückgewinnung von Calciumionen aus dem Harn.

Material E: Codesonne und Tabelle zum genetischen Code

2.

Erklären Sie, welche Rolle Transkriptionsfaktoren spielen. Erläutern Sie anhand von Abbildung 2, wie die Bildung des Geweihs bei den Cervidae reguliert wird (Material B).

(15 Punkte)

3.

Werten Sie die Daten aus Tabelle 1 und Abbildung 3 im Hinblick auf die Bindungsaffinität der Androgen-Rezeptoren aus (Material C). Entwickeln Sie eine molekularbiologisch begründete Hypothese, die die Besonderheiten der Geweihbildung bei Rentieren erklärt (Materialien B und C).

(17 Punkte)