Abitur NRW Biologie 2023 · LK · Haupttermin

Thema: Das Weißnasen-Syndrom bei Fledermäusen

Material A: Zwei nordamerikanische Fledermausarten

Fledermäuse verbringen die kalte Jahreszeit in frostfreien Winterquartieren, vor allem in Höhlen. Die Absenkung von Herzschlag, Atemfrequenz und Körpertemperatur verringert ihre Stoffwechselaktivität, sodass die Fledermäuse ohne Nahrungsaufnahme mithilfe ihrer Fettreserven bis zum Frühjahr überdauern können. Nur gelegentlich erwachen die Fledermäuse aus diesem Überwinterungszustand und betreiben Fellpflege. Nach Verlassen des Winterquartiers verbringen Fledermäuse den Tag in einem Sommerquartier. In der Dämmerung und in der Nacht jagen sie fliegende Insekten durch Echoortung mit Ultraschall.

Das Nördliche Mausohr ( Myotis septentrionalis) und die Große Braune Fledermaus ( Eptesicus fuscus) kommen in Gebieten der USA und Kanadas vor, in denen die Winter häufig lang und kalt sind. In Tabelle 1 werden die beiden Arten miteinander verglichen.

Tabelle 1: Merkmale des Nördlichen Mausohrs und der Großen Braunen Fledermaus

Art · Nördliches Mausohr · Große Braune Fledermaus

Masse · $5\text{–}8\text{ g}$ · $11\text{–}23\text{ g}$

Ultraschallfrequenz · $59\text{ kHz}$ · $28\text{ kHz}$

Beuteinsekten · vor allem Schmetterlinge,

außerdem Käfer, Fliegen und Hautflügler · vor allem Käfer,

außerdem Fliegen, Hautflügler und Schmetterlinge

Jagdgebiet · vor allem in dichtem Bewuchs,

über Gewässern,

am Waldrand · offenes Land,

über Gewässern,

in dichtem Bewuchs,

am Waldrand

Sommerquartier · meistens auf lebenden Laubbäumen · meistens auf toten Nadelbäumen

Winterquartier · Höhlenbereiche mit einer Durchschnittstemperatur von $7\text{ }^\circ\text{C}$ · Höhlenbereiche mit einer Durchschnittstemperatur von $2\text{ }^\circ\text{C}$

Material B: Das Weißnasen-Syndrom

Das Weißnasen-Syndrom (WNS) bei Fledermäusen bezeichnet eine Erkrankung von Fledermäusen in ihren Überwinterungsquartieren, die zu Gewichtsverlust und oft zum Tod führt. Namensgebendes Kennzeichen des Syndroms sind kleine weiße Polster an Nase, Ohren und Flughäuten überwinternder Fledermäuse. Seit der ersten Beobachtung 2006 in einer Höhle im Bundesstaat New York hat sich WNS rasch in Nordamerika verbreitet und wird mit einem drastischen Rückgang der Populationsgrößen verschiedener Fledermausarten in Verbindung gebracht.

Verursacht wird WNS durch den schimmelartigen Pilz Pseudogymnoascus destructans, der erst nach dem Jahr 2000 aus Europa nach Nordamerika gelangt ist. P. destructans überdauert den Sommer an den Wänden von Höhlen. Im Herbst infiziert der Pilz Fledermäuse, bei denen er Nährstoffe aus haarlosen Hautbereichen enzymatisch herauslöst. Dabei verursacht der Pilz eine Reaktion des Immunsystems und kleinere, abgegrenzte Hautverletzungen, die äußerlich sichtbar sind und als Läsionen bezeichnet werden.

Die Fledermausarten Nordamerikas, die in Höhlen mit P. destructans überwintern, sind unterschiedlich stark von WNS betroffen. Das zuvor nicht seltene Nördliche Mausohr wurde durch WNS an den Rand des Aussterbens gebracht, während die Bestände der Großen Braunen Fledermaus stabil blieben. Der oft tödliche Verlauf von WNS wurde an der Kleinen Braunen Fledermaus ( Myotis lucifugus) erforscht. Dazu wurden Individuen dieser stark von WNS betroffenen Fledermausart im Freiland während der Überwinterung mit Temperaturmessfühlern versehen und die Hauttemperatur protokolliert (Abbildung 1).

Material C: Wachstum von Pseudogymnoascus destructans

Um den Einfluss der Temperatur auf das Wachstum von P. destructans zu untersuchen, wurden Kulturen des Pilzes auf einem Nährmedium angelegt und bei verschiedenen Temperaturen gehalten. Nach fünf Wochen wurde die vom Pilz bewachsene Fläche gemessen. Abbildung 2 zeigt das Ergebnis der Untersuchung.

Material D: Pseudogymnoascus destructans in Europa

Schon seit Jahrtausenden lebt P. destructans in Höhlen in Europa und infiziert hier überwinternde Fledermäuse, ohne Massensterben wie in Nordamerika auszulösen. Genetisch sind sich die Pilzpopulationen in Europa und Nordamerika sehr ähnlich.

Das Große Mausohr ( Myotis myotis) ist eine mittel- und südeuropäische Fledermausart, die in Höhlen überwintert, in denen auch P. destructans vorkommt. Zur Aufklärung eines möglichen Zusammenhangs zwischen dem Ausmaß der Infektion mit P. destructans und der Häufigkeit des Erwachens wurden überwinternde Große Mausohren in mitteleuropäischen Höhlen untersucht. Die Häufigkeit des Erwachens während der Überwinterungsperiode wurde mit Temperaturmessfühlern registriert. Alle untersuchten Individuen überstanden die Überwinterung lebend. Die Anzahl der Läsionen gibt Aufschluss über das Ausmaß der Infektion (Abbildung 3).

Thema: Das Weißnasen-Syndrom bei Fledermäusen

1.

Nennen Sie eine Definition für den Begriff ökologische Nische und werten Sie Material A hinsichtlich der ökologischen Nische des Nördlichen Mausohrs aus. Beurteilen Sie, inwieweit das Nördliche Mausohr und die Große Braune Fledermaus in einem gemeinsamen Verbreitungsgebiet koexistieren können (Material A). [18 Punkte]

3.

Werten Sie Abbildung 2 hinsichtlich der Temperaturtoleranz von P. destructans aus (Material C). Stellen Sie eine Hypothese auf, die erklärt, warum das Weißnasen-Syndrom beim Nördlichen Mausohr und bei der Großen Braunen Fledermaus unterschiedlich stark ausgeprägt ist (Materialien A bis C). [12 Punkte]

Thema: Das Weißnasen-Syndrom bei Fledermäusen

Material A: Zwei nordamerikanische Fledermausarten

Fledermäuse verbringen die kalte Jahreszeit in frostfreien Winterquartieren, vor allem in Höhlen. Die Absenkung von Herzschlag, Atemfrequenz und Körpertemperatur verringert ihre Stoffwechselaktivität, sodass die Fledermäuse ohne Nahrungsaufnahme mithilfe ihrer Fettreserven bis zum Frühjahr überdauern können. Nur gelegentlich erwachen die Fledermäuse aus diesem Überwinterungszustand und betreiben Fellpflege. Nach Verlassen des Winterquartiers verbringen Fledermäuse den Tag in einem Sommerquartier. In der Dämmerung und in der Nacht jagen sie fliegende Insekten durch Echoortung mit Ultraschall.

Das Nördliche Mausohr ( Myotis septentrionalis) und die Große Braune Fledermaus ( Eptesicus fuscus) kommen in Gebieten der USA und Kanadas vor, in denen die Winter häufig lang und kalt sind. In Tabelle 1 werden die beiden Arten miteinander verglichen.

Tabelle 1: Merkmale des Nördlichen Mausohrs und der Großen Braunen Fledermaus

Art · Nördliches Mausohr · Große Braune Fledermaus

Masse · $5\text{–}8\text{ g}$ · $11\text{–}23\text{ g}$

Ultraschallfrequenz · $59\text{ kHz}$ · $28\text{ kHz}$

Beuteinsekten · vor allem Schmetterlinge,

außerdem Käfer, Fliegen und Hautflügler · vor allem Käfer,

außerdem Fliegen, Hautflügler und Schmetterlinge

Jagdgebiet · vor allem in dichtem Bewuchs,

über Gewässern,

am Waldrand · offenes Land,

über Gewässern,

in dichtem Bewuchs,

am Waldrand

Sommerquartier · meistens auf lebenden Laubbäumen · meistens auf toten Nadelbäumen

Winterquartier · Höhlenbereiche mit einer Durchschnittstemperatur von $7\text{ }^\circ\text{C}$ · Höhlenbereiche mit einer Durchschnittstemperatur von $2\text{ }^\circ\text{C}$

Material B: Das Weißnasen-Syndrom

Das Weißnasen-Syndrom (WNS) bei Fledermäusen bezeichnet eine Erkrankung von Fledermäusen in ihren Überwinterungsquartieren, die zu Gewichtsverlust und oft zum Tod führt. Namensgebendes Kennzeichen des Syndroms sind kleine weiße Polster an Nase, Ohren und Flughäuten überwinternder Fledermäuse. Seit der ersten Beobachtung 2006 in einer Höhle im Bundesstaat New York hat sich WNS rasch in Nordamerika verbreitet und wird mit einem drastischen Rückgang der Populationsgrößen verschiedener Fledermausarten in Verbindung gebracht.

Verursacht wird WNS durch den schimmelartigen Pilz Pseudogymnoascus destructans, der erst nach dem Jahr 2000 aus Europa nach Nordamerika gelangt ist. P. destructans überdauert den Sommer an den Wänden von Höhlen. Im Herbst infiziert der Pilz Fledermäuse, bei denen er Nährstoffe aus haarlosen Hautbereichen enzymatisch herauslöst. Dabei verursacht der Pilz eine Reaktion des Immunsystems und kleinere, abgegrenzte Hautverletzungen, die äußerlich sichtbar sind und als Läsionen bezeichnet werden.

Die Fledermausarten Nordamerikas, die in Höhlen mit P. destructans überwintern, sind unterschiedlich stark von WNS betroffen. Das zuvor nicht seltene Nördliche Mausohr wurde durch WNS an den Rand des Aussterbens gebracht, während die Bestände der Großen Braunen Fledermaus stabil blieben. Der oft tödliche Verlauf von WNS wurde an der Kleinen Braunen Fledermaus ( Myotis lucifugus) erforscht. Dazu wurden Individuen dieser stark von WNS betroffenen Fledermausart im Freiland während der Überwinterung mit Temperaturmessfühlern versehen und die Hauttemperatur protokolliert (Abbildung 1).

Material C: Wachstum von Pseudogymnoascus destructans

Um den Einfluss der Temperatur auf das Wachstum von P. destructans zu untersuchen, wurden Kulturen des Pilzes auf einem Nährmedium angelegt und bei verschiedenen Temperaturen gehalten. Nach fünf Wochen wurde die vom Pilz bewachsene Fläche gemessen. Abbildung 2 zeigt das Ergebnis der Untersuchung.

Material D: Pseudogymnoascus destructans in Europa

Schon seit Jahrtausenden lebt P. destructans in Höhlen in Europa und infiziert hier überwinternde Fledermäuse, ohne Massensterben wie in Nordamerika auszulösen. Genetisch sind sich die Pilzpopulationen in Europa und Nordamerika sehr ähnlich.

Das Große Mausohr ( Myotis myotis) ist eine mittel- und südeuropäische Fledermausart, die in Höhlen überwintert, in denen auch P. destructans vorkommt. Zur Aufklärung eines möglichen Zusammenhangs zwischen dem Ausmaß der Infektion mit P. destructans und der Häufigkeit des Erwachens wurden überwinternde Große Mausohren in mitteleuropäischen Höhlen untersucht. Die Häufigkeit des Erwachens während der Überwinterungsperiode wurde mit Temperaturmessfühlern registriert. Alle untersuchten Individuen überstanden die Überwinterung lebend. Die Anzahl der Läsionen gibt Aufschluss über das Ausmaß der Infektion (Abbildung 3).

2. Erläutern Sie, in welchem Verhältnis Fledermäuse und der Pilz Pseudogymnoascus destructans zueinander stehen (Material B). Vergleichen Sie die Daten, die in Abbildung 1 A und 1 B gezeigt werden, und analysieren Sie diese Daten hinsichtlich der Todesursache von Fledermäusen in Nordamerika, die von dem Pilz befallen sind (Materialien A und B). [20 Punkte]

a)

b)

c)

Thema: Das Weißnasen-Syndrom bei Fledermäusen

Material A: Zwei nordamerikanische Fledermausarten

Fledermäuse verbringen die kalte Jahreszeit in frostfreien Winterquartieren, vor allem in Höhlen. Die Absenkung von Herzschlag, Atemfrequenz und Körpertemperatur verringert ihre Stoffwechselaktivität, sodass die Fledermäuse ohne Nahrungsaufnahme mithilfe ihrer Fettreserven bis zum Frühjahr überdauern können. Nur gelegentlich erwachen die Fledermäuse aus diesem Überwinterungszustand und betreiben Fellpflege. Nach Verlassen des Winterquartiers verbringen Fledermäuse den Tag in einem Sommerquartier. In der Dämmerung und in der Nacht jagen sie fliegende Insekten durch Echoortung mit Ultraschall.

Das Nördliche Mausohr ( Myotis septentrionalis) und die Große Braune Fledermaus ( Eptesicus fuscus) kommen in Gebieten der USA und Kanadas vor, in denen die Winter häufig lang und kalt sind. In Tabelle 1 werden die beiden Arten miteinander verglichen.

Tabelle 1: Merkmale des Nördlichen Mausohrs und der Großen Braunen Fledermaus

Art · Nördliches Mausohr · Große Braune Fledermaus

Masse · $5\text{–}8\text{ g}$ · $11\text{–}23\text{ g}$

Ultraschallfrequenz · $59\text{ kHz}$ · $28\text{ kHz}$

Beuteinsekten · vor allem Schmetterlinge,

außerdem Käfer, Fliegen und Hautflügler · vor allem Käfer,

außerdem Fliegen, Hautflügler und Schmetterlinge

Jagdgebiet · vor allem in dichtem Bewuchs,

über Gewässern,

am Waldrand · offenes Land,

über Gewässern,

in dichtem Bewuchs,

am Waldrand

Sommerquartier · meistens auf lebenden Laubbäumen · meistens auf toten Nadelbäumen

Winterquartier · Höhlenbereiche mit einer Durchschnittstemperatur von $7\text{ }^\circ\text{C}$ · Höhlenbereiche mit einer Durchschnittstemperatur von $2\text{ }^\circ\text{C}$

Material B: Das Weißnasen-Syndrom

Das Weißnasen-Syndrom (WNS) bei Fledermäusen bezeichnet eine Erkrankung von Fledermäusen in ihren Überwinterungsquartieren, die zu Gewichtsverlust und oft zum Tod führt. Namensgebendes Kennzeichen des Syndroms sind kleine weiße Polster an Nase, Ohren und Flughäuten überwinternder Fledermäuse. Seit der ersten Beobachtung 2006 in einer Höhle im Bundesstaat New York hat sich WNS rasch in Nordamerika verbreitet und wird mit einem drastischen Rückgang der Populationsgrößen verschiedener Fledermausarten in Verbindung gebracht.

Verursacht wird WNS durch den schimmelartigen Pilz Pseudogymnoascus destructans, der erst nach dem Jahr 2000 aus Europa nach Nordamerika gelangt ist. P. destructans überdauert den Sommer an den Wänden von Höhlen. Im Herbst infiziert der Pilz Fledermäuse, bei denen er Nährstoffe aus haarlosen Hautbereichen enzymatisch herauslöst. Dabei verursacht der Pilz eine Reaktion des Immunsystems und kleinere, abgegrenzte Hautverletzungen, die äußerlich sichtbar sind und als Läsionen bezeichnet werden.

Die Fledermausarten Nordamerikas, die in Höhlen mit P. destructans überwintern, sind unterschiedlich stark von WNS betroffen. Das zuvor nicht seltene Nördliche Mausohr wurde durch WNS an den Rand des Aussterbens gebracht, während die Bestände der Großen Braunen Fledermaus stabil blieben. Der oft tödliche Verlauf von WNS wurde an der Kleinen Braunen Fledermaus ( Myotis lucifugus) erforscht. Dazu wurden Individuen dieser stark von WNS betroffenen Fledermausart im Freiland während der Überwinterung mit Temperaturmessfühlern versehen und die Hauttemperatur protokolliert (Abbildung 1).

Material C: Wachstum von Pseudogymnoascus destructans

Um den Einfluss der Temperatur auf das Wachstum von P. destructans zu untersuchen, wurden Kulturen des Pilzes auf einem Nährmedium angelegt und bei verschiedenen Temperaturen gehalten. Nach fünf Wochen wurde die vom Pilz bewachsene Fläche gemessen. Abbildung 2 zeigt das Ergebnis der Untersuchung.

Material D: Pseudogymnoascus destructans in Europa

Schon seit Jahrtausenden lebt P. destructans in Höhlen in Europa und infiziert hier überwinternde Fledermäuse, ohne Massensterben wie in Nordamerika auszulösen. Genetisch sind sich die Pilzpopulationen in Europa und Nordamerika sehr ähnlich.

Das Große Mausohr ( Myotis myotis) ist eine mittel- und südeuropäische Fledermausart, die in Höhlen überwintert, in denen auch P. destructans vorkommt. Zur Aufklärung eines möglichen Zusammenhangs zwischen dem Ausmaß der Infektion mit P. destructans und der Häufigkeit des Erwachens wurden überwinternde Große Mausohren in mitteleuropäischen Höhlen untersucht. Die Häufigkeit des Erwachens während der Überwinterungsperiode wurde mit Temperaturmessfühlern registriert. Alle untersuchten Individuen überstanden die Überwinterung lebend. Die Anzahl der Läsionen gibt Aufschluss über das Ausmaß der Infektion (Abbildung 3).

Thema: Das Weißnasen-Syndrom bei Fledermäusen

4.

Fassen Sie die Daten aus Abbildung 3 zusammen und erläutern Sie unter evolutionsbiologischem Blickwinkel, in welchem Verhältnis europäische Fledermäuse und P. destructans zueinander stehen (Materialien A bis D). Nehmen Sie darauf aufbauend Stellung zu der Frage, ob das Weißnasen-Syndrom das Nördliche Mausohr aussterben lassen wird (Materialien A bis D). [16 Punkte]

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.

Die Expression des FT -Gens der Südlichen Seide wurde mittels RT-PCR untersucht. Hierfür wurden Sojabohnen von der Südlichen Seide befallen. 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?

Um zu klären, ob artfremde FT-Proteine oder artfremde FT-mRNA den Blühbeginn der Südlichen Seide auslösen, wurde ein Experiment durchgeführt. Der Versuchsablauf und die beobachteten Ergebnisse sind in Abbildung 4 dargestellt.

Thema: Die Südliche Seide und die Zeit zum Blühen

1.

Stellen Sie dar, wie die Südliche Seide an ihre parasitäre Lebensweise angepasst ist (Material A). Geben Sie eine Definition für den Begriff reproduktive Fitness an. 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 sich der Blühbeginn der Südlichen Seide an die jeweiligen Wirtspflanzen angepasst haben könnte (Materialien A, C, und D). (13 Punkte)

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.

Die Expression des FT -Gens der Südlichen Seide wurde mittels RT-PCR untersucht. Hierfür wurden Sojabohnen von der Südlichen Seide befallen. 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?

Um zu klären, ob artfremde FT-Proteine oder artfremde FT-mRNA den Blühbeginn der Südlichen Seide auslösen, wurde ein Experiment durchgeführt. Der Versuchsablauf und die beobachteten Ergebnisse sind in Abbildung 4 dargestellt.

2. Stellen Sie dar, welche zentralen Schritte die Prozessierung der mRNA in eukaryotischen Zellen umfasst. [6 Punkte]

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.

Die Expression des FT -Gens der Südlichen Seide wurde mittels RT-PCR untersucht. Hierfür wurden Sojabohnen von der Südlichen Seide befallen. 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?

Um zu klären, ob artfremde FT-Proteine oder artfremde FT-mRNA den Blühbeginn der Südlichen Seide auslösen, wurde ein Experiment durchgeführt. Der Versuchsablauf und die beobachteten Ergebnisse sind in Abbildung 4 dargestellt.

2. Beschreiben Sie unter Heranziehung von Abbildung 2 den Ablauf der Reversen Transkriptase-PCR und erläutern Sie, welche Funktionen die verwendeten Primer haben (Material B). [9 Punkte]

a)

b)

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.

Die Expression des FT -Gens der Südlichen Seide wurde mittels RT-PCR untersucht. Hierfür wurden Sojabohnen von der Südlichen Seide befallen. 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?

Um zu klären, ob artfremde FT-Proteine oder artfremde FT-mRNA den Blühbeginn der Südlichen Seide auslösen, wurde ein Experiment durchgeführt. Der Versuchsablauf und die beobachteten Ergebnisse sind in Abbildung 4 dargestellt.

Teilaufgabe 3

Werten Sie die Resultate aus Abbildung 3 hinsichtlich der Expression des artspezifischen FT -Gens der Südlichen Seide aus (Material C). Erläutern Sie die einzelnen Schritte des Experiments (Material D). Werten Sie die Versuchsergebnisse im Hinblick auf die zugrunde liegende Fragestellung aus (Abbildung 4, Materialien A bis D).

[18 Punkte]

a)

b)

c)

Thema: Das angeborene Usher-Syndrom (USH1)

Material A: Symptome und Vererbung des angeborenen Usher-Syndroms Typ 1 (USH1)

Das Usher-Syndrom ist gekennzeichnet durch früh einsetzende Schwerhörigkeit oder Gehörlosigkeit. Je nach Zeitpunkt des Gehörverlustes unterscheidet man unterschiedliche Formen des Usher-Syndroms. Patienten mit einem angeborenen Usher-Syndrom Typ 1 (USH1) leiden unter dem schwersten Verlauf der Krankheit und sind von Geburt an taub. Abbildung 1 zeigt den Stammbaum einer vom USH1 betroffenen Familie.

Material B: Aufbau und Funktion der Haarzellen im Innenohr

Der Hörprozess beginnt damit, dass die Schallwellen eines akustischen Reizes aus der Luft aufgefangen werden. Im weiteren Verlauf wird über verschiedene Zwischenschritte die Lymphflüssigkeit im Innenohr zum Schwingen gebracht. Im Innenohr befinden sich Hörsinneszellen, die aufgrund ihrer haarähnlichen Stereozilien als Haarzellen bezeichnet werden (Abbildung 2). Es handelt sich um Mechanorezeptorzellen, deren Stereozilien durch die Bewegungen der Flüssigkeit ausgelenkt werden können. Die Endolymphe in der Hörschnecke hat eine höhere Kaliumionen-Konzentration als das Innere der Haarzelle. Die Stereozilien sind der Größe nach aufsteigend angeordnet und durch elastische Proteinfäden – die Tip-Links – miteinander verbunden. An der Spitze der Stereozilien befinden sich mechanisch gesteuerte Kaliumionen-Kanäle, an denen die Tip-Links verankert sind. Die Signaltransduktion an Haarzellen ist in Abbildung 2 vereinfacht dargestellt. Der Hörnerv leitet die ausgebildeten Aktionspotentiale ans Gehirn.

Material C: Neurophysiologische Experimente

In verschiedenen Experimenten wurde der Ionenfluss durch die mechanisch gesteuerten Kaliumionen-Kanäle der Stereozilien bei unterschiedlich starker, künstlicher Auslenkung gemessen (Abbildung 3).

Material D: Genetische Ursachen des USH1

Bei der genetischen Analyse verschiedener, an USH1 erkrankter Personen konnte das in Tabelle 1 gezeigte mutierte Allel des Sans -Gens ermittelt werden. Das Sans -Gen codiert das aus 461 Aminosäuren bestehende Sans-Protein. Dieses Protein ist unter anderem an der Verankerung der Tip-Links an den mechanisch gesteuerten Kaliumionen-Kanälen der Stereozilien beteiligt.

Material E: Codesonne und Tabelle zum genetischen Code

Kürzel · Aminosäure

Ala · Alanin

Arg · Arginin

Asn · Asparagin

Asp · Asparaginsäure

Cys · Cystein

Gln · Glutamin

Glu · Glutaminsäure

Gly · Glycin

His · Histidin

Ile · Isoleucin

Leu · Leucin

Lys · Lysin

Met · Methionin

Phe · Phenylalanin

Pro · Prolin

Ser · Serin

Thr · Threonin

Trp · Tryptophan

Tyr · Tyrosin

Val · Valin

1. Ermitteln Sie anhand von Material A den Erbgang des angeborenen Usher-Syndroms (USH1) und schließen Sie dabei andere Erbgänge mit Begründung aus. Geben Sie für die Personen 8, 9, 12 und 17 jeweils den Genotyp an (Material A). Ermitteln Sie die Wahrscheinlichkeit, mit der ein Kind der Person 12 und einer heterozygoten Partnerin von USH1 betroffen sein wird (Material A). [12 Punkte]

a)

b)

Genotypen der Personen 8, 9, 12 und 17 (Nutzen Sie z. B. $A$ für das dominante Normalallel und $a$ für das rezessive mutierte Allel):

c)

Material A: Symptome und Vererbung des angeborenen Usher-Syndroms Typ 1 (USH1)

Das Usher-Syndrom ist gekennzeichnet durch früh einsetzende Schwerhörigkeit oder Gehörlosigkeit. Je nach Zeitpunkt des Gehörverlustes unterscheidet man unterschiedliche Formen des Usher-Syndroms. Patienten mit einem angeborenen Usher-Syndrom Typ 1 (USH1) leiden unter dem schwersten Verlauf der Krankheit und sind von Geburt an taub. Abbildung 1 zeigt den Stammbaum einer vom USH1 betroffenen Familie.

Material B: Aufbau und Funktion der Haarzellen im Innenohr

Der Hörprozess beginnt damit, dass die Schallwellen eines akustischen Reizes aus der Luft aufgefangen werden. Im weiteren Verlauf wird über verschiedene Zwischenschritte die Lymphflüssigkeit im Innenohr zum Schwingen gebracht. Im Innenohr befinden sich Hörsinneszellen, die aufgrund ihrer haarähnlichen Stereozilien als Haarzellen bezeichnet werden (Abbildung 2). Es handelt sich um Mechanorezeptorzellen, deren Stereozilien durch die Bewegungen der Flüssigkeit ausgelenkt werden können. Die Endolymphe in der Hörschnecke hat eine höhere Kaliumionen-Konzentration als das Innere der Haarzelle. Die Stereozilien sind der Größe nach aufsteigend angeordnet und durch elastische Proteinfäden – die Tip-Links – miteinander verbunden. An der Spitze der Stereozilien befinden sich mechanisch gesteuerte Kaliumionen-Kanäle, an denen die Tip-Links verankert sind. Die Signaltransduktion an Haarzellen ist in Abbildung 2 vereinfacht dargestellt. Der Hörnerv leitet die ausgebildeten Aktionspotentiale ans Gehirn.

Material C: Neurophysiologische Experimente

In verschiedenen Experimenten wurde der Ionenfluss durch die mechanisch gesteuerten Kaliumionen-Kanäle der Stereozilien bei unterschiedlich starker, künstlicher Auslenkung gemessen (Abbildung 3).

Material D: Genetische Ursachen des USH1

Bei der genetischen Analyse verschiedener, an USH1 erkrankter Personen konnte das in Tabelle 1 gezeigte mutierte Allel des Sans -Gens ermittelt werden. Das Sans -Gen codiert das aus 461 Aminosäuren bestehende Sans-Protein. Dieses Protein ist unter anderem an der Verankerung der Tip-Links an den mechanisch gesteuerten Kaliumionen-Kanälen der Stereozilien beteiligt.

Material E: Codesonne und Tabelle zum genetischen Code

Kürzel · Aminosäure

Ala · Alanin

Arg · Arginin

Asn · Asparagin

Asp · Asparaginsäure

Cys · Cystein

Gln · Glutamin

Glu · Glutaminsäure

Gly · Glycin

His · Histidin

Ile · Isoleucin

Leu · Leucin

Lys · Lysin

Met · Methionin

Phe · Phenylalanin

Pro · Prolin

Ser · Serin

Thr · Threonin

Trp · Tryptophan

Tyr · Tyrosin

Val · Valin

Teilaufgabe 2

2. Erläutern Sie, wie die Signaltransduktion an der Haarzelle abläuft (Material B). Stellen Sie ein Verfahren dar, mit dem sich Ionenströme durch Ionenkanäle untersuchen lassen. Fassen Sie die Ergebnisse aus Abbildung 3 zusammen und skizzieren Sie jeweils ein Rezeptorpotential der Haarzelle für eine geringe und eine starke Auslenkung der Stereozilien (Materialien B und C). [21 Punkte]

2.1

2.2

2.3

Teilaufgabe 3

3. Erklären Sie, wie die Erregung an die nachgeschaltete Nervenzelle weitergegeben wird (Material B). Stellen Sie den zeitlichen Ablauf eines Aktionspotentials in Form eines Fließschemas dar. Begründen Sie, warum die Frequenz der Aktionspotentiale von der Reizstärke abhängt (Materialien B und C). [18 Punkte]

3.1

3.2

3.3

Material A: Symptome und Vererbung des angeborenen Usher-Syndroms Typ 1 (USH1)

Das Usher-Syndrom ist gekennzeichnet durch früh einsetzende Schwerhörigkeit oder Gehörlosigkeit. Je nach Zeitpunkt des Gehörverlustes unterscheidet man unterschiedliche Formen des Usher-Syndroms. Patienten mit einem angeborenen Usher-Syndrom Typ 1 (USH1) leiden unter dem schwersten Verlauf der Krankheit und sind von Geburt an taub. Abbildung 1 zeigt den Stammbaum einer vom USH1 betroffenen Familie.

Material B: Aufbau und Funktion der Haarzellen im Innenohr

Der Hörprozess beginnt damit, dass die Schallwellen eines akustischen Reizes aus der Luft aufgefangen werden. Im weiteren Verlauf wird über verschiedene Zwischenschritte die Lymphflüssigkeit im Innenohr zum Schwingen gebracht. Im Innenohr befinden sich Hörsinneszellen, die aufgrund ihrer haarähnlichen Stereozilien als Haarzellen bezeichnet werden (Abbildung 2). Es handelt sich um Mechanorezeptorzellen, deren Stereozilien durch die Bewegungen der Flüssigkeit ausgelenkt werden können. Die Endolymphe in der Hörschnecke hat eine höhere Kaliumionen-Konzentration als das Innere der Haarzelle. Die Stereozilien sind der Größe nach aufsteigend angeordnet und durch elastische Proteinfäden – die Tip-Links – miteinander verbunden. An der Spitze der Stereozilien befinden sich mechanisch gesteuerte Kaliumionen-Kanäle, an denen die Tip-Links verankert sind. Die Signaltransduktion an Haarzellen ist in Abbildung 2 vereinfacht dargestellt. Der Hörnerv leitet die ausgebildeten Aktionspotentiale ans Gehirn.

Material C: Neurophysiologische Experimente

In verschiedenen Experimenten wurde der Ionenfluss durch die mechanisch gesteuerten Kaliumionen-Kanäle der Stereozilien bei unterschiedlich starker, künstlicher Auslenkung gemessen (Abbildung 3).

Material D: Genetische Ursachen des USH1

Bei der genetischen Analyse verschiedener, an USH1 erkrankter Personen konnte das in Tabelle 1 gezeigte mutierte Allel des Sans -Gens ermittelt werden. Das Sans -Gen codiert das aus 461 Aminosäuren bestehende Sans-Protein. Dieses Protein ist unter anderem an der Verankerung der Tip-Links an den mechanisch gesteuerten Kaliumionen-Kanälen der Stereozilien beteiligt.

Material E: Codesonne und Tabelle zum genetischen Code

Kürzel · Aminosäure

Ala · Alanin

Arg · Arginin

Asn · Asparagin

Asp · Asparaginsäure

Cys · Cystein

Gln · Glutamin

Glu · Glutaminsäure

Gly · Glycin

His · Histidin

Ile · Isoleucin

Leu · Leucin

Lys · Lysin

Met · Methionin

Phe · Phenylalanin

Pro · Prolin

Ser · Serin

Thr · Threonin

Trp · Tryptophan

Tyr · Tyrosin

Val · Valin

4. Ermitteln Sie zu den Sequenzausschnitten aus Tabelle 1 jeweils die Aminosäuresequenz und den Mutationstyp und erläutern Sie, wie sich die Mutation auf das Protein auswirkt (Materialien D und E). Entwickeln Sie eine Hypothese, die erklärt, weshalb Patienten mit USH1 gehörlos sind (Materialien A bis D).

[15 Punkte]

a)

b)

c)

d)