Die klassische Genetik nach Gregor Mendel: Monohybride Erbgänge · 2021. 2. 23. ·...
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Illustrierende Aufgaben zum LehrplanPLUS
Fachoberschule/Berufsoberschule, Biologie, Vorklasse
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Die klassische Genetik nach Gregor Mendel: Monohybride Erbgänge
Stand: 10.01.2018
Jahrgangsstufen Vorklasse
Fach/Fächer Biologie (Ausbildungsrichtungen Sozialwesen, Gesundheit)
Übergreifende Bildungs-
und Erziehungsziele
Zeitrahmen ca. 90 Minuten
Benötigtes Material je 16 gelb und grün lackierte Holzkügelchen; blickdichter Beutel
Kompetenzerwartungen
Diese Aufgabe unterstützt den Erwerb folgender Kompetenzen:
Die Schülerinnen und Schüler…
geben biologische Sachverhalte vorwiegend beschreibend wieder, wenden dabei Fachsprache an und nutzen verschiedene Darstellungsformen, um diese zu veranschaulichen. (B10 1)
unterscheiden und nutzen verschiedene Arten von Modellen, begründen die Verwendung von Modellen zur Veranschaulichung bzw. Vereinfachung komplexer biologischer Phänomene und Erläutern die Möglichkeiten und Grenzen von Modellen. (B10 1)
nutzen bereitgestellte und zum Teil selbst recherchierte Fachtexte sowie Abbildungen zur Klärung biologischer Fragestellungen und präsentieren ihre Ergebnisse in Vorträgen und Schriftform. (B10 1)
bestimmen die Geno- und Phänotypenverteilung bei Kreuzungen, indem sie die Gesetzmäßigkeiten der Vererbung nach Mendel auf mono- und dihybride Erbgänge in Symbolschreibweise anwenden und diese auf chromosomaler Ebene begründen. (B10 3)
wenden statistische Methoden zur Auswertung von Kreuzungsexperimenten an, um Vorhersagen von Merkmalsausprägungen in verschiedenen Generationen zu treffen. (B10 3)
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Aufgabe
Lesen Sie den folgenden Infotext aufmerksam durch.
Altbrünn, im August 1862
Forschungsschrift verfasst von Bruder Gregorius
Ich, Bruder Gregorius, der Zuständige für den Klostergarten zu Altbrünn, führe seit geraumer
Zeit zahlreiche Kreuzungsexperimente mit der Gartenerbse (Pisum sativum) durch. Zum
Ziele habe ich mir gemacht, mehr über die Vererbung von Merkmalen bei Erbsen
herauszufinden. So hoffe ich voraussagen zu können, welcher Erbsensamen aus der
Kreuzung resultiert und was mich beim Öffnen der Hülsen erwartet.
In diesem Dokument möchte ich nun meine Vorgehensweise und die Ergebnisse
niederschreiben, da ich denke, bei meinen Experimenten auf eine schier bahnbrechende
Entdeckung gestoßen zu sein, aus der sich Gesetzmäßigkeiten für die Vererbung von
Merkmalen aller Lebewesen ableiten lassen.
Als Grundlage für meine Versuche wählte ich ausschließlich Pflanzen, die durch
Vorversuche gesichert wieder Erbsen ihrer eigenen Samenfarbe hervorbringen. Solche
Pflanzen bezeichne ich als reinerbig. In meinem Klostergarten standen mir hierfür zweierlei
Arten – gelbe und grüne Erbsen – zur Verfügung.
Von Folgendem kann ich ausgehen:
Die Blüten der Gartenerbse enthalten sowohl männliche Staubblätter als auch weibliche
Samenanlagen im Fruchtknoten und die Befruchtung geschieht durch Insekten- sowie
Selbstbestäubung.
Für meine Kreuzungsexperimente übernahm ich die Rolle des Bestäubers:
Dazu entnahm ich den Pollen aus den männlichen Staubblättern der Pflanze mit gelben
Früchten und brachte ihn mittels eines Pinsels auf die weibliche Narbe der Pflanze, welche
grüne Früchte trägt. Um eine Selbstbestäubung zu verhindern, entfernte ich vorher bei
dieser zweiten Pflanze die männlichen Staubblätter. Zur Gewährleistung, dass ich auch der
einzige Bestäuber blieb, stülpte ich anschließend Tüten über die Blüten und wartete das
Ergebnis ab.
Als die Erntezeit der Erbsen gekommen war, öffnete ich alle Hülsen der zahlreichen
Pflänzchen. Was ich dann sah, konnte ich selbst fast nicht glauben, alle Erbsen waren gelb.
Diese sich gegenüber der zweiten Merkmalsform durchsetzende Eigenschaft nenne ich
dominant.
Im Frühjahr des nächsten Jahres säte ich nun die entnommenen gelben Erbsensamen der
ersten Versuchsreihe aus, um die resultierenden Pflänzchen untereinander in der oben
beschriebenen Weise zu kreuzen. Das Ergebnis überraschte mich dermaßen, dass ich
dieses Kreuzungsexperiment mehrfach wiederholte. Ich dachte einen Fehler gemacht zu
haben. Nach Auszählung aller in den geernteten Hülsen enthaltenen Erbsen kam ich zu
folgendem Ergebnis: 293 gelbe Erbsen und 107 grüne Erbsen.
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Die klassische Genetik nach Gregor Mendel: die Erbgänge I
Betrachtung eines unterschiedlichen Merkmals: monohybrid
Eines der Merkmale setzt sich im Erbgang zur 1. Generation an Nachkommen durch:
dominant-rezessiv
Stellen Sie die Beobachtungen von Gregor Mendel in nachfolgendem Schema dar, indem Sie:
die dargestellten Erbsen entsprechend der Beschreibung des Experiments im Punkt Merkmalsebene farbig kennzeichnen.
für die beiden Allele geeignete Buchstabensymbole wählen und im Punkt Betrachtung auf genetischer Ebene eintragen. Beachten Sie, dass das dominante Allel mit einem Großbuchstaben dargestellt wird.
die genetische Information der Parentalgeneration (= Elterngeneration) P mittels der zuvor festgelegten Symbole darstellen (diploide Individuen!)
die genetische Information, die von den Individuen der Parentalgeneration P in die Keimzellen GP gelangt, an der entsprechenden Stelle in die symbolhaften Keimzellen eintragen.
aus den Keimzellen durch Verschmelzung die befruchtete Zygote der 1. Generation an Nachkommen („F1“) kombinieren.
diesen Vorgang gemäß der schrittweisen Anleitung in das Kombinationsquadrat übertragen.
Betrachtung auf Merkmalsebene (= Phänotyp):
P:
X
F1:
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Betrachtung auf genetischer Ebene (= Genotyp):
P:
X
Genotyp:
………….……
………….……
↓ ↓
Allelsymbol
für
Merkmal
GP:
gelb grün
F1:
Genotyp:
………….……
Übertrag in ein Kombinationsquadrat:
1. Schritt:
Eintragen: Allel aus Keimzelle
von Individuum 1
↓
2. Schritt:
Eintragen: Allel
aus Keimzelle
von Individuum 2
→
↑
3. Schritt:
Kombination der Allele zu einem
neuen diploiden Organismus
4. Schritt:
Angabe des resultierenden Genotyps und Zuordnung des entsprechenden Phänotyps:
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Wiederholen Sie die detaillierte Betrachtung für die Kreuzung der Nachkommen der F1-Generation untereinander, indem Sie: für die beiden Allele die identischen Buchstabensymbole des vorangegangenen
Kombinationsquadrats wählen. die genetische Information der Einzelindividuen der F1-Generation mittels der
zuvor festgelegten Symbole darstellen (diploide Individuen!). die genetische Information, die von den Individuen aus F1 in die Keimzellen GF1
gelangt, an der entsprechenden Stelle in die symbolhaften Keimzellen eintragen.
aus den Keimzellen durch Verschmelzung die befruchtete Zygote der 2. Generation an Nachkommen („F2“) kombinieren.
diesen Vorgang in das Kombinationsquadrat übertragen.
Betrachtung auf Ebene der Phänotypen:
F1:
X
↓ ↓ ↓ ↓
F2:
Betrachtung auf Ebene der Genotypen:
F1:
X
Genotyp:
………….……
………….……
↓ ↓ Allelsymbol
für Merkmal
GF1:
gelb grün
F2:
Genotyp:
………….……
………….……
………….……
………….……
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Übertrag in ein Kombinationsquadrat:
1. Schritt:
Eintragen: Allel 1
aus Keimzelle von
Individuum 1
2. Schritt:
Eintragen: Allel 2
aus Keimzelle von
Individuum 1
↓ ↓
3. Schritt:
Eintragen: Allel 1
aus Keimzelle
von Individuum 2
→
4. Schritt:
Eintragen: Allel 2
aus Keimzelle
von Individuum 2
→
5. Schritt:
Kombination der Allele zu je einem
neuen diploiden Organismus pro
Quadrat
6. Schritt:
Angabe der resultierenden Genotypen und Zuordnung der entsprechenden Phänotypen:
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Weiterführende Aufgaben:
Mit Hilfe des folgenden Modellexperiments soll die Vermischung und
Kombination des Erbgutes bei der Zygotenbildung verdeutlicht werden. Gehen
Sie hierzu wie folgt vor:
Mischen Sie die 16 gelben und 16 grünen Kugeln (die Farben stehen für die jeweiligen Allele der Farbe der Erbse) gut durch.
Ziehen Sie im Anschluss blind aus dem Sack jeweils 2 Kugeln. Diese Kugeln bilden immer ein Allel-Pärchen. Die Farbkombinationen
werden gezählt und in die Liste eingetragen. Geben Sie an, wofür die Kugeln modellhaft stehen.
# Allel-
Pärchen
Genotyp Phänotyp
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
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Setzten Sie die jeweiligen Phänotypen der gezogenen F2-Generation ins
Verhältnis zueinander.
Erklären Sie, warum Sie ein ggf. von Ihren Erwartungen abweichendes Verhältnis erhalten haben und ob dies in der Natur auch auftreten könnte.
Erstellen Sie eine Hypothese auf chromosomaler Ebene, durch die sich die eventuelle Abweichung vom theoretischen Idealverhältnis erklären lassen könnte.
Versuchen Sie aus den Erkenntnissen des zuvor behandelten Erbgangs Gemeinsamkeiten abzuleiten und formulieren Sie daraus Ihre persönlichen Vererbungsregeln. Tauschen Sie sich anschließend untereinander bezüglich Ihrer Regeln aus und einigen Sie sich gemeinsam auf die jeweils passendste Variante. Vergleichen Sie Ihre Ergebnisse abschließend mit den von Gregor Mendel gefundenen Regeln zur Vererbung. Als Hilfestellung dient die jeweilige Überschrift.
Die Vererbungsregeln
Regel 1: Die Uniformitätsregel
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
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Regel 2: Die Spaltungsregel
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Beispiele für Produkte und Lösungen der Schülerinnen und Schüler
Betrachtung auf Merkmalsebene (= Phänotyp):
P:
X
F1:
Betrachtung auf genetischer Ebene (= Genotyp):
P:
X
Genotyp: gg GG
↓ ↓ Allelsymbol
für Merkmal
GP: g G gelb grün
G g
F1:
Genotyp: Gg
Übertrag in ein Kombinationsquadrat:
g
G Gg
4. Schritt:
Angabe des resultierenden Genotyps und Zuordnung des entsprechenden Phänotyps:
Gg = gelb
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Wiederholen Sie die detaillierte Betrachtung für die Kreuzung der Nachkommen der
F1-Generation untereinander:
Betrachtung auf Ebene der Phänotypen:
F1:
X
↓ ↓ ↓ ↓
F2:
Betrachtung auf Ebene der Genotypen:
F1:
X
Genotyp: Gg Gg
↓ ↓ Allelsymbol
für Merkmal
GF1: G g G G gelb grün
G g
F2:
Genotyp: GG Gg Gg gg
Übertrag in ein Kombinationsquadrat:
G g
G GG Gg
g Gg gg
6. Schritt:
Angabe der resultierenden Genotypen und Zuordnung der entsprechenden Phänotypen:
GG = gelb, Gg = gelb, gg = grün
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Weiterführende Aufgaben:
Die 16 gelben und 16 grünen Kugeln werden in dem Sack gut gemischt und im Anschluss jeweils 2 Kugeln blind gezogen. Diese Kugeln bilden immer ein Allel-Pärchen. Die Farbkombinationen werden gezählt und in die Liste eingetragen. Überlegen Sie sich auch, wofür die Kugeln modellhaft stehen.
Tabelle = Zufallsexperiment der Schüler Kugeln = Modell für die miteinander verschmelzenden Keimzellen
Bestimmen Sie die jeweiligen Phänotypen der gezogenen F2- Generation und setzen Sie diese dann ins Verhältnis zueinander.
Entsprechend der Ergebnisse des Zufallsexperiments
Überlegen Sie, warum Sie ein ggf. stärker abweichendes Verhältnis erhalten haben und ob dies in der Natur auch auftreten könnte.
Zufall bei der Ziehung der Holzkügelchen führt zu ggf. stärkerer Abweichung. In der Natur ist dies wegen des Zufalls bei der Befruchtung (es müssen nicht zwangsläufig die Keimzellen im stochastischen Verhältnis verschmelzen) ebenfalls möglich.
Erstellen Sie eine Hypothese auf chromosomaler Ebene, durch die sich die eventuelle Abweichung vom theoretischen Idealverhältnis erklären lassen könnte.
Zufall bei der Trennung der homologen Chromosomen in der Anaphase I der Meiose in den heterozygoten Individuen.
Die Vererbungsregeln
Regel 1: Die Uniformitätsregel
Kreuzt man zwei reinerbige Eltern, die sich in nur einem Merkmal
voneinander unterscheiden, so sind alle Individuen der F1-Generation
genotypisch und phänotypisch gleich.
Regel 2: Die Spaltungsregel
Kreuzt man die Individuen der F1-Generation untereinander, so gehen
daraus Nachkommen (F2-Generation) hervor, deren Merkmalsformen
sich in einem bestimmten Zahlenverhältnis aufspalten.
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Hinweise zum Unterricht
Zur Aufgabenbearbeitung notwendiges Vorwissen:
Fachbegriffe der klassischen Genetik