Aufgabe 1 - 2 · Abitur NRW Biologie LK · Haupttermin · Weiterbildungskolleg 2021

Material A: Rotfeuerfische im Westatlantik

Rotfeuerfische stammen ursprünglich aus dem Indopazifik, der aus dem Indischen Ozean und dem zentralen Pazifik besteht. Die beiden Rotfeuerfisch-Arten Pterois miles und Pterois volitans wurden wahrscheinlich unabsichtlich durch den Menschen von dort in den Westatlantik eingeführt.

Rotfeuerfische leben in Korallenriffen. P. miles und P. volitans sehen nahezu identisch aus und sind durch ihre Form und Farbe den Korallen im Riff ähnlich. Dort lauern sie ihrer Beute wie kleinen Fischen und Krebstieren auf. Feinde haben sie im Atlantik nur wenige. Die Weibchen der Rotfeuerfische legen im Jahr bis zu zwei Millionen Eier. Die Rotfeuerfischjungen schlüpfen etwa 36 Stunden nach dem Ablaichen und leben frei schwebend in oberflächennahen Wasserschichten. Oftmals werden sie durch Strömungen weit von ihrem Laichort fortgetragen.

Die Populationsentwicklung der Rotfeuerfische wurde im Westatlantik zwischen 2004 und 2010 an mehreren ausgewählten Riffabschnitten im Rahmen von Tauchgängen untersucht (Abbildung 1). Aufgrund ihrer Ähnlichkeit konnte man nicht zwischen den beiden Rotfeuerfischarten unterscheiden.

Zusätzlich wurde die Veränderung der Biomasse von Fischarten, die entweder zum Beutespektrum der Rotfeuerfische oder zu den Nahrungskonkurrenten zählen, erfasst (Abbildung 2). Magenuntersuchungen der Rotfeuerfische ergaben, dass ihre Nahrung zu 90 % aus kleinen Rifffischen vieler verschiedener Arten besteht. Diese ernähren sich ihrerseits von Algen, die Produzenten im empfindlichen Ökosystem Korallenriff sind. Algen können Korallen überwuchern, wodurch diese dann absterben.

Material B: Genetischer Fingerabdruck der Rotfeuerfischarten

Lange Zeit war unklar, zu welchen Arten die gesichteten Rotfeuerfische im Westatlantik gehören, weil die morphologische Unterscheidung schwierig ist. Im Jahr 2017 wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem man genetische Fingerabdrücke beider Arten erstellen kann. Dazu wird das 1160 bp lange mitochondriale cytb -Gen der Rotfeuerfische mittels PCR vervielfältigt. Ausschnitte aus der Sequenz des cytb -PCR-Produkts von P. volitans und P. miles sind in Tabelle 1 dargestellt. Das cytb -PCR-Produkt wird anschließend mit den Restriktionsenzymen EcoRV bzw. Cac8I behandelt. EcoRV hat die Erkennungssequenz 5'-GATATC-3' und Cac8I die Erkennungssequenz 5'-GCNNGC-3', wobei N für ein beliebiges Nukleotid steht. Nach der Behandlung mit den Restriktionsenzymen wurden die PCR-Produkte mittels Gelelektrophorese analysiert. Abbildung 3A zeigt die Bandenmuster nach Behandlung mit dem Restriktionsenzym EcoRV. Neben Vertretern von P. miles und P. volitans aus dem Westatlantik wurden auch Individuen von P. miles aus dem Indopazifik untersucht.

Material C: Ausbreitung der Rotfeuerfische

Es wird vermutet, dass die Ausbreitung von Pterois volitans und Pterois miles im Westatlantik auf eine einmalige Einführung von wenigen Tieren beider Arten durch den Menschen zurückzuführen ist. Zur Überprüfung dieser Hypothese wurde eine mitochondriale DNA-Sequenz mit einer Größe von 680 Basenpaaren von im Westatlantik gefangenen Rotfeuerfischen beider Arten mit denen von Rotfeuerfischen aus dem ursprünglichen Lebensraum der jeweiligen Art verglichen (Tabelle 2).

Tabelle 2 Vergleich von mitochondrialer DNA

· P. volitans · P. miles

Ursprünglicher Lebensraum · Westatlantik · Ursprünglicher Lebensraum · Westatlantik

Anzahl der untersuchten Individuen · 70 · 734 · 94 · 21

Anzahl der Varianten des untersuchten mitochondrialen DNA-Abschnitts · 36 · 9 · 38 · 1

Material D: Eindämmung der invasiven Rotfeuerfischarten

Bei P. volitans und P. miles wird das genotypische Geschlecht über Geschlechtschromosomen bestimmt: Weibchen haben den Genotyp XX und Männchen XY. Allerdings kann sich das phänotypische Geschlecht bei den beiden Rotfeuerfischarten nach dem Schlüpfen noch ändern. So können Männchen mit dem Genotyp XY durch künstliche Hormonanreicherung von Östrogenen in der Nahrung oder im umgebenden Wasser zu fortpflanzungsfähigen funktionalen Weibchen werden.

Zur Regulation der Feuerfischpopulationen im Westatlantik wurde ein Zuchtprogramm geplant, das in ähnlicher Form auch schon bei anderen Fischarten eingesetzt wurde. Dabei wurde ein Kreuzungsschema zur Züchtung von Männchen mit dem Genotyp YY entworfen (Abbildung 4) und deren Aussetzung ins Freiland als mögliche Methode zur Eindämmung der invasiven Rotfeuerfischarten diskutiert. Männchen mit dem Genotyp YY zeugen fruchtbare Nachkommen.

2. Erklären Sie, nach welchem Grundprinzip eine DNA-Gelelektrophorese funktioniert. Zeichnen Sie in die abgebildeten Sequenzausschnitte (Tabelle 1, Material B) die Erkennungssequenzen von EcoRV und Cac8I ein. Erklären Sie die Bandenmuster in Abbildung 3A und skizzieren Sie in die Vorlage (Abbildung 3B, Material B) die Bandenmuster, die bei den Cac8I-Restriktionsansätzen zu erwarten sind. Beurteilen Sie, inwiefern EcoRV und Cac8I bei den aufgeführten Rotfeuerfischen einen eindeutigen Nachweis erlauben (Material B). [26 Punkte]

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Zeichnen Sie in Tabelle 1 die Schnittstellen bzw. Erkennungssequenzen ein und skizzieren Sie die Banden in der Gelvorlage (Abbildung 3B). Laden Sie anschließend ein Foto Ihrer Zeichnungen/Skizzen hoch:

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