Mendelsche Experimente easy erklärt

Inhaltsverzeichnis

Der Augustinerpater Mendel machte Kreuzungsexperimente. Anders als andere verwendete er dazu viele Einzelpflanzen und nicht nur einige wenige wie andere Forscher.

Er arbeitete mit der Erbse (Pisum sativum) und wählte Sorten aus mit verschiedenen Merkmalen. Aus den Kreuzungen zwischen den Pflanzen gingen Tochterpflanzen hervor. Diese nannte er 1. Tochter- oder 1. Filialgeneration (F1). Die Eltern nannte er Eltern- oder Parentalgeneration (P).

Seine Ergebnisse zu den Pflanzenhybriden hat er 1965 in Brünn vorgetragen. In seiner Arbeit Versuche über Pflanzen-Hybriden formulierte er drei Regeln (heute als Mendelsche Regeln bekannt).

  1. Regel: Uniformitätsregel
  2. Regel: Spaltungsregel
  3. Regel: Unabhängigkeitsregel

Kapitel

Die Uniformitätsregel

Wir zeigen die Prinzipien der Forschungen von Mendel an einer Kreuzung von Mäusen (obwohl wir uns bewusst sind, dass Mendel nicht mit Mäusen gearbeitet hat).

Nehmen wir zwei Mäuserassen derselben Art. Die einen Mäuse sind grau und die anderen sind weiss. Es seien reine Rassen, d.h. die grauen bleiben grau, wenn wir sie mit grauen kreuzen und die weissen bleiben weiss, wenn wir sie mit weissen kreuzen. Dies sind sogenannte reinerbige Mäuse.

Wir kreuzen (x) nun graue reinerbige Mäuse mit weissen reinerbigen Mäusen. In anderen Worten: Wir lassen eine graue Vatermaus mit einer weissen Muttermaus (oder umgekehrt) Junge kriegen.

P graue maus mendel X weisse maus mendel
Phänotyp grau weiss
Genotyp GG WW
Keimzellen G W

Das Ergebnis dieser Kreuzung waren lauter graue Mäuse. Zu den Punkten Phänotyp und Genotyp und zu den Keimzellen kommen wir später.

F1
Erste Filialgeneration
graue maus mendel
Genotyp GW

Kapitel

Die Spaltungsregel

Nun wird der Versuch mit den grauen F1-Mäusen fortgesetzt. Schon jetzt vermuten wir, dass sich die weisse Farbe irgendwie im Inneren versteckt hat.

F1
Erste Filialgeneration
graue maus mendel X graue maus mendel
Phänotyp grau grau
Genotyp GW
mischerbig
GW
mischerbig
Keimzellen G und W G und W

Mendel machte sich die folgenden Überlegungen: In den Mäusen muss es Faktoren haben, die für das Merkmal Fellfarbe verantwortlich seien (diese nennen wir heute Gene!). Es muss aber in einem Organismus immer je zwei haben und sie müssen bei der Keimzellbildung in einzelne Faktoren trennen.

Phänotyp ist das, was wir sehen, nämlich die graue oder weisse Fellfarbe oder eine Blütenfarbe.

Genotyp ist die genetische Konstellation dahinter, das was an Faktoren vorhanden ist.
Man unterscheidet zwischen reinerbigem (homozygotem) und mischerbigem (heterozygotem) Genotyp.

Faktor ist der (genetische) Merkmalsverursacher.

Da in der 1. Tochtergeneration (F1) nur die graue Fellfarbe vorhanden ist, wird sie als stärker oder dominant bezeichnet. Der weisse Faktor als unterliegend oder rezessiv.

Das Ergebnis dieser Kreuzung mit den F1-Tieren nennen wir die F2-Generation (2. Tochter- oder 2. Filialgeneration) nun das folgende:

F2
Zweite Filialgeneration
graue maus mendel graue maus mendel  graue maus mendel weisse maus mendel
Phänotyp grau grau weiss
Genotyp GG
reinerbig
GW
mischerbig
WW
reinerbig

Mendel sah, dass in der 2. Tochtergeneration die Merkmale beider Eltern (P) wieder zum Vorschein kamen.

Das Verhältnis der Fellfarben der Mäuse war 3 : 1 (75% zu 25%).

Durch Untersuchung der F2 stellte er aber fest, dass ein Teil der grauen Mäuse reinerbig wie die Parentalgeneration (P) war. Zwei Teile aber waren mischerbig wie die 1. Filialgeneration (F1).

Durch die Kreuzung der F1-Tiere spalten sich also die Merkmale auf und es entstehen

  • 25% reinerbige graue Mäuse
  • 50% mischerbige graue Mäuse
  • 25% reinerbige weisse Mäuse.

Es entsteht also ein Verhältnis von 1 : 2 : 1 (GG : GW : WW).

Kapitel

Intermediärer Erbgang

Wenn wir eine rote reinerbige mit einer weissen reinerbigen Wunderblume kreuzen, erhalten wir das folgende Ergebnis:

P jalapa rot X jalapa weiss
Phänotyp rote Blüte weisse Blüte
Genotyp RR WW
Keimzellen R W

Erstaunlicherweise sind hier alle F1 Pflanzen rosé, also intermediär, zwischen den Elternfarben liegend.

jalapa rose

Bei den F2 spalten sich die Eltern (P) dann auch sichtbar wieder heraus, weil die mischerbigen Blüten alle sichtbar rosé sind:

jalapa rot   jalapa rose   jalapa rose   jalapa weiss

Kapitel

Die Unabhängigkeitsregel

Mit heutiger Kenntnis von den genetischen Vorgängen ist die dritte Mendelsche Regel, die Unabhängigkeitsregel nicht richtig. Trotzdem soll sie hier dargestellt werden, um den Erkenntnisfortschritt in der genetischen Forschung klar zu machen.

Mendel hat in seinen Experimenten im Klostergarten Erbsen verwendet, die die verschiedensten Merkmale aufwiesen. Beispielsweise

  • Samenform: rund oder gerunzelt
  • Samenfarbe: gelb oder grün
  • Blütenfarbe: weiss oder violett
  • Schotenform: voll oder verengt
  • Schotenfarbe: gelb oder grün
  • etc.

Wir schauen uns ein Experiment an mit Samenform und Samenfarbe. Weil bei diesem Kreuzungsexperiment zwei Merkmale gleichzeitig angeschaut werden, wird es als dihybrid bezeichnet.

 Samenfarbe  gelb glatt
gelb
A
 grün glatt
grün
a
Erbsenoberfläche samenform glatt
glatt
B
samenform runzlig
runzlig
b

Wir beginnen mit der folgenden Parentalgeneration und kreuzen sie:

P gelb glatt X grün runzlig
Phänotyp gelb, glatt grün, runzlig
Genotyp AABB aabb
Keimzellen AB ab

Das Ergebnis der F1 ist wie nach Mendel erstem Versuch erwartet: Alle Samen sind gelb und glatt, da die Merkmale gelb und glatt dominant sind. Doch wir wissen, dass F1 mischerbig ist.

F1 gelb glatt X gelb glatt
Phänotyp gelb-glatt gelb-glatt
Genotyp AaBb AaBb
Keimzellen AB, Ab, aB und ab AB, Ab, aB und ab

Nun kreuzen wir die F1 miteinander.

Pollen (männliche Keimzellen)
Eizellen
(weibliche
Keimzellen)
AB Ab aB ab
AB gelb glattAABB gelb glatt AABb gelb glatt AaBB gelb glatt AaBb
Ab gelb glatt AABb gelb runzlig AAbb gelb glatt AaBb gelb runzlig Aabb
aB gelb glatt AaBB gelb glatt AaBb grün glattaaBb grün glatt aaBb
ab gelb glatt AaBb gelb runzlig Aabb grün glatt aaBb grün runzligaabb

Es gibt insgesamt die folgenden Typen von Erbsen:

  • 9 glatte gelbe
  • 3 runzlige gelbe
  • 3 glatte grüne
  • 1 runzlige grüne

Das Verhältnis hier ist: 9 : 3 : 3 : 1

Auch in diesem Experiment ist die F1-Generation uniform. In der F2-Generation jedoch passiert etwas Wichtiges: Die vier Zustände „gelb“, „grün“, „glatt“ und „runzlig“ werden gemischt. Es können sich neue Typen kombinieren (Rekombination). Es entstehen neben den Parentaltypen gelbe runzlige Erbsen und grüne glatte. Die Erbfaktoren können in diesem Experiment frei kombinieren.

Kapitel

Die drei mendelschen Regeln

Aus den oben beschriebenen Experimenten und Erklärungen können die drei Regeln zusammengefasst werden, die als die Mendelschen Regeln bekannt sind.

1. Regel: Uniformitätsregel

Kreuzt man zwei reinerbige Individuen einer Art, die sich in einem Merkmalspaar unterscheiden, so sind alle F1-Mischlinge bezüglich dieses Merkmals untereinander gleich.

2. Regel: Spaltungsregel

In der zweiten Tochtergeneration (F2) spalten die Merkmale der Grosseltern rein wieder heraus. Auch die Merkmale der F1 treten wieder auf (im statistischen Zahlenverhältnis 1:2:1).

3. Regel: Unabhängigkeitsregel

Gehen zwei oder mehrere Merkmale gleichzeitig durch einen Erbgang, so können sie sich frei kombinieren.

Kommentar zur Unabhängigkeitsregel: Achtung: Diese Regel stimmt nur in Sonderfällen (siehe Kapitel Genkopplung und Crossover)

Kapitel

Methode der Rückkreuzung

Wie kann man von einer grauen Maus oder einer gelben oder glatten Erbse herausfinden, ob sie reinerbig (homozygot) oder mischerbig (heterozygot) ist?

Dazu hilft die Rückkreuzung. Dabei kreuzt man die fragliche graue Maus mit dem rezessiven Elter.

R graue maus mendel X weisse maus mendel
Phänotyp grau weiss
Genotyp GG oder GW ? WW

Wir müssen nun zwei Situationen durchspielen: Die fragliche Maus ist

a) reinerbig (Genotyp GG)

b) mischerbig (Genotyp GW)

Situation a)

W
G GW

Alle Rückkreuzungsmäuse sind grau!

Situation b)

W
G GW
W WW

50% der Rückkreuzungsmäuse sind grau, 50% sind weiss. 

 

Kapitel

Rückkreuzung mit zwei Merkmalen

Wir kreuzen eine fragliche Erbse (Phaenotyp gelb-glatt) mit einem doppelt rezessiven Elter (Phaenotyp grün-runzlig).

R gelb glatt X grün glatt
Phänotyp gelb, glatt grün, runzlig
Genotyp unbekannt aabb
Keimzellen ? ab

Annahme 1: die unbekannte gelb-glatte Erbse sei reinerbig (AABB)

Dann wird das Resultat zu 100% im Phänotyp wieder gelb und glatt sein.

Annahme 2: die unbekannte gelb-glatte Erbse sei mischerbig

das heisst: AaBb, AABb, AaBB

 

Kapitel

Hat Mendel seine Daten manipuliert?

Mendels Ergebnisse stimmen zu genau. Dies wurde durch verschiedene Kritiker festgestellt. Wie weit er abweichende Daten einfach weggelassen hat, oder ob ein Assistent von ihm diese Beschönigungen vorgenommen hat, ist heute kaum mehr herauszufinden. Fakt ist, dass die Ergebnisse zu genau sind, als ob er schon vorher wusste, was herauskommen muss.

Seine Bedeutung ist aber dadurch nicht geschmälert, denn seine Untersuchungen waren bahnbrechend und begründeten die Genetik selbst.

Trotzdem muss noch folgendes angefügt werden: Es ist merkwürdig, dass Mendel bei den sieben von ihm untersuchten Merkmalspaaren nicht auf das Phänomen der Genkopplung stiess, obwohl die Erbse nur sieben Chromosomenpaare besitzt und bei sieben zufällig ausgewählten Merkmalspaaren mit grosser Wahrscheinlichkeit einige Fälle von Koppelung hätten auftreten müssen.

Es muss angenommen werden, dass er bei seinen umfangreichen Vorversuchen Merkmale ausschied, die nicht seinen Erwartungen entsprachen.

Die Gene für die sieben Merkmale, die er auswählte, liegen zwar auf nur vier der sieben Chromosomen, jedoch liegen sie dort jeweils so weit auseinander, dass sie aufgrund des Crossing-overs praktisch ungekoppelt vererbt werden. Die Chromosomen und ihre Rolle bei der Vererbung waren 1866 noch nicht bekannt.