Biologie-Kurs: Einführung in die klassische Genetik

 Der erste Wissenschaftler, der Gesetzmäßigkeiten bei der Vererbung fand und formulierte, war Johann Gregor Mendel . Mendel machte zur Erforschung der Vererbung Versuche und beschränkte sich dabei auf leicht und eindeutig zu entscheidende Merkmale wie Blütenfarbe, Samenform oder Samenfarbe. Als Versuchsobjekt benützte er z.B. die selbstbestäubenden Erbsen, bei denen er leicht und über wenige Generationen reine Linien nachweisen konnte. Wir wollen hier versuchen, seine Experimente und seine Erkenntnisse nachzuvollziehen.

z.B. kreuzte er Erbsen mit gelben und grünen Samen aus reinen Linien. Er betrachtete also das Merkmal Samenfarbe:

P: (Parentalgeneration)

und erhielt als Nachkommen in der 1. Tochtergeneration (=F₁):
 
 

F1: (1. Filialgeneration)

Bei allen seinen Versuchen kam Mendel zu einem ähnlichen Ergebnis. Hier bei einer Kreuzung reiner Linien mit runden Samen und kantigen Samen, mit der er das Merkmal Samenform untersuchte:
 
 

P: (Parentalgeneration)

F1: (1. Filialgeneration)

Und hier untersuchte er das Merkmal Blütenfarbe bei einer Kreuzung reiner Linien mit blauen und mit gelben Blüten
 
 

P: (Parentalgeneration)

F1: (1. Filialgeneration)

Was ist das gemeinsame Phänomen bei allen diesen Versuchen? Was konnte Mendel aus diesen Versuchen schließen?

Erste Vereinfachung des Schemas am Beispiel der Kreuzung mit gelben und grünen Samen:

P: (Parentalgeneration)
F1: (1. Filialgeneration)		.

 Erbanlagen für das gleiche Merkmal, hier z.B. Samenfarbe, bezeichnet man als Allele. Die Erbanlage für Samenfarbe kommt also in den Allelen gelb und grün vor. Es sind zwei Variationen der gleichen Erbanlage.

 Das Allel für Gelb sei : G
Das Allel für Grün sei: g

 Demnach müßte das Kreuzungsschema folgendermaßen aussehen:
 
 

P: (Parentalgeneration)
Erbanlage:	G	.	g
F1: (1. Filialgeneration)		.
Erbanlage:	G	.	G

P: (Parentalgeneration)	.				.
Erbanlage:	.	G	.	g	.
F1: (1. Filialgeneration)	.				.
Erbanlage:	.	G	.	G	.
F2: (2. Filialgeneration)			.

Im Schema finden wir in der F₂ -Generation 3 gelbe und 1 grünen Samen. Sie stehen stellvertretend für die 297 gelben und 102 grünen Samen, die man zum Beispiel im Kreuzungsversuch erhalten kann. Es wird somit nur das Verhältnis 3 : 1 der gelben zu den grünen Samen angegeben.

Mit diesem Kreuzungsergebnis hatte Mendel mehrere Probleme!

Welches könnten die Probleme sein, die Mendel jetzt hatte?
Wie kann man diese Probleme lösen?

P:	.	GG		gg	.
Keimzellen:	.	[G] [G]	.	[g] [g]	.
.	.				.
F1:	.	Gg		Gg	.
Keimzellen:	.	[G] [g]	.	[G] [g]	.
F2:			.

Wir finden in diesem Schema gelbe Erbsen in der Parentalgeneration, der F₁- und der F₂-Generation. Sie sehen äußerlich gleich aus, sie haben denselben Phänotyp. Allerdings können ihre Erbanlgen, ihr Genotyp, verschieden sein. Die Genotypen der gelben Samen können wir in der P-Generation mit GG und in der F₁-Generation mit Gg aus dem Schema herauslesen. Ebenso den Genotyp der grünen Erbse in der Parentalgeneration.
Genotypen, die zweimal den gleichen Erbfaktor haben, z.B. GG oder gg, bezeichnet man als reinerbig oder homozygot. Der Genotyp der Samen aus F₁ mit Gg heißt mischerbig oder heterozygot oder hybrid. Zellen, wie die Körperzellen, die für jedes Merkmal zwei Erbanlagen enthalten, heißen diploid. Die Geschlechtszellen, die nur ein Gen enthalten, nennt man haploid.

Welchen Genotyp hat die grüne Erbse in der Parentalgeneration?
Ist die grüne Erbse aus der Parentalgeneration haploid oder diploid?

Im Kreuzungsschema fehlen noch die Genotypen der F₂-Generation. Die grüne Erbse muß homozygot rezessiv, also gg sein.

 Wie sehen aber die Genotypen der gelben Samen aus? 

Nach dem Schema müßten zwei Drittel der gelben Erbsen heterozygot und ein Drittel homozygot dominant sein. Dem Phänotyp sieht man jedoch im dominant-rezessiven Fall den Genotyp nicht an. Wie kann man dennoch das im Kreuzungsschema kalkulierte Ergebnis verifizieren? Mendel benützte hierzu sogenannte

 Du sollst die beiden Rückkreuzungen selbst auf einem Blatt Papier durchführen und kannst anschließend dein Ergebnis auf einem "Mausbild" abtasten.

Im Beispiel der gelben und grünen Erbsen sehen die Kreuzungsansätze folgendermaßen aus:

1. Die gelbe Erbse ist heterozygot:

P:	.	Gg		gg	.
Keimzellen:	.	[G] [g]	.	[g] [g]	.
F1:	? ?	? ?	.	? ?	? ?

Vergleiche dein Ergebnis mit der Modelllösung.

 2. Die gelbe Erbse ist homozygot:

P:	.	GG		gg	.
Keimzellen:	.	[G] [G]	.	[g] [g]	.
F1:	? ?	? ?	.	? ?	? ?

Vergleiche dein Ergebnis mit der Modelllösung.

Wie könnte man die Erkenntnisse über Rückkreuzungen, die du eben gewonnen hast, formulieren?

Die F₂ -Generation im Kreuzungsschema kann man auch mit Hilfe eines Kombinationsquadrats darstellen:

• Für das Gen der dominanten blauen Blütenfarbe wählen wir das große B.
• Für das rezessive Gen nehmen wir entsprechend das kleine b

P:	.	BB		bb	.
Keimzellen:	.	[B] [B]	.	[b] [b]	.
.	.				.
F1:	.	Bb		Bb	.
Keimzellen:	.	[B] [b]	.	[B] [b]	.

Beim Kombinationsquadrat stehen in der ersten Zeile und der ersten Spalte die Keimzellen aus F₁ und werden im Quadrat miteinander kombiniert.

F2	[B]	[b]
[B]	BB	Bb
[b]	Bb	bb

Wir können nun die bisherigen Erkenntnisse zusammentragen und die Mendelschen Regeln formulieren:
 
 

1. Mendelsche Regel oder Uniformitätsregel: Kreuzt man zwei Individuen einer Art, die sich in einem Merkmal unterscheiden, das beide reinerbig aufweisen, so sind die Nachkommen in der F1-Generation im betrachteten Merkmal uniform. (Man nennt diese Regel auch Reziprozitätsregel, weil das gleiche Ergebnis auftritt, wenn man bei der Kreuzung das Geschlecht der Eltern vertauscht, man also eine reziproke Kreuzung durchführt.)

2. Mendelsche Regel oder Spaltungsregel: Kreuzt man die vorgenannten Mischlinge der F1 - Generation untereinander, so spalten im dominant rezessiven Fall in der F2-Generation die Merkmale im Zahlenverhältnis  3 : 1  wieder auf. (Da die Vererbung von Merkmalen statistischen Gesetzen gehorcht, wird dieses Zahlenverhältnis um so genauer erreicht, je größer die Zahl der Nachkommen ist.)

P:	.				.
.	.				.
F1:	.				.

F2	K1	K2
K1
K2:

Wir sehen, daß in der F₁ eine Merkmalsmischung entsteht. Kein Merkmal dominiert über das andere, wie bei der dominant-rezessiven Vererbung. Wenn die Erbfaktoren von beiden Eltern zur Ausprägung kommen, spricht man von intermediärer Vererbung. Als Symbole wählt man kleine Buchstaben, wie bei rezessiven Genen.
Damit können wir uns das Kreuzungschema komplet mit den Genen und Keimzellen anschauen:
 
 

• Die rote Blütenfarbe wird durch das Gen r hervorgerufen.
• Weiß wird durch das Gen w bewirkt.

P:	.	rr		ww	.
K:	.	[r] [r]	.	[w] [w]	.
.	.				.
F1:	.	rw		rw	.
K:	.	[r] [w]	.	[r] [w]	.

F2	[r]	[w]
[r]	rr	rw
[w]	rw	ww

Vergleiche die Phänotypen und Genotypen der F₂-Generation bei dominant-rezessiver und intermediärer Vererbung. Welchen Vorteil bietet hier der intermediäre Erbgang?

Formuliere die Spaltungsregel so, daß sie für dominant-rezessive und intermediäre Vererbung gilt.

Und hier noch ein paar Fragen, mit denen du überprüfen kannst, ob du gut gelernt hast.  Was heißt heterozygot ? Was meint man mit homozygot ? Was ist der Phänotyp ? Was ist der Genotyp? Nenne ein Synonym für homozygot ! Nenne ein Synonym für heterozygot ? Wozu führt man Rückkreuzungen durch ? Was meint man mit intermediär ? In welchem Verhältnis spalten die Nachkommen einer Mendelkreuzung in der F2 im dominant-rezessiven monohybriden Fall auf ? In welchem Verhältnis spalten die Nachkommen einer Mendelkreuzung in der F2 im intermediären monohybriden Fall auf ? In welchem Verhältnis spalten die Nachkommen einer Mendelkreuzung in der F1 im dominant-rezessiven monohybriden Fall auf ?

P:
F1:		.

Wie wird der Genotyp der gelben und runden Erbse lauten?

Wie lautet der Genotyp der grünen und kantigen Erbse?

 Damit kann man den Anfang des Kreuzungsschemas besser so schreiben:

 (Achtung!: Die Körperzellen haben für jedes Merkmal zwei Erbanlagen, die Geschlechtszellen nur eine Erbanlage für jedes Merkmal. Diese Aufteilung findet nach den Gesetzen der Wahrscheinlichkeit statt. In den Keimzellen muß also von jedem Merkmal genau eine Erbanlage sein.)
 
 

P:	GG RR		gg rr
K:	[GR] [GR]	.	[gr] [gr]	.
F1:	Gg Rr	.	Gg Rr

Welche verschiedenen Geschlechtszellen kann es von der F₁ geben?

 Damit kann man das folgende Kombinationsquadrat erstellen:
 
 

F2	[GR]	[Gr]	[gR]	[gr]
[GR]	GG RR	GG Rr	Gg RR	Gg Rr
[Gr]	GG rR	GG rr	Gg rR	Gg rr
[gR]	gG RR	gG Rr	gg RR	gg Rr
[gr]	gG rR	gG rr	gg rR	gg rr

Gilt die Uniformitätsregel auch für dihybride Kreuzungen? Begründe.

Gilt die Spaltungsregel auch für dihybride Kreuzungen? Begründe.

Muß man die Spaltungsregel für dihybride Kreuzungen neu formulieren oder kann man die bisherige Formulierung übernehmen? Begründe.

Außer, daß in der F₂ mehr verschiedene Phänotypen auftreten als bei den bisherigen Kreuzungen, ist hier noch etwas ganz besonderes geschehen. Welches Phänomen tritt hier zusätzlich auf? Begründe.

Wie kann man sich erklären, daß dieser neue Typ mit einer neuen Merkmalskombination auftreten kann? Begründe.

 Damit können wir die dritte Mendelsche Regel formulieren.
 
 

3. Mendelsche Regel oder Regel von der Unabhängigkeit der Erbanlagen: Die einzelnen Erbanlagen sind frei kombinierbar, d.h. sie werden unabhängig voneinander vererbt und bei der Keimzellenbildung neu kombiniert. (Diese Regel wird auch Regel von der Neukombination der Gene genannt.)

Erstelle ein Kreuzungsschema von der Parentalgeneration bis zur F₂ für die folgende Kreuzung: (Arbeitsblatt zum Ausdrucken)
 
 

P:
F1:		.

Du kannst das Kreuzungsschema aber auch am Bildschirm ausfüllen mit einem Auswahllückentext  oder dem schwierigeren Lückentext 

P:
K:		.		.
F1:		.

Vervollständige die obige Rinder-Kreuzung bis zur F₂.
(Arbeitsblatt zum Ausdrucken) oder (am Bildschim ausfüllen mit einem Auswahllückentextoder dem schwierigeren Lückentext )

Welche verschiedenen Genotypen können die schwarz einfarbigen Rinder haben? .

Überprüfe die verschiedenen Genotypen der schwarz einfarbigen Rinder mit Hilfe von Rückkreuzungen!

Welche Folgerungen bezüglich Rückkreuzungen bei dihybriden Kreuzungen kann man aus den vorstehenden Beispielen ziehen?  Für die oberen drei Fragen kann man  ein Arbeitsblatt ausdruckenoder sie auch am Bildschim ausfüllen mit einem Auswahllückentext oder dem schwierigeren Lückentext .

Welches ist die Bedeutung Mendels?

Klassische Genetik:

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