Arbeitsblatt: Fortpflanzung Meiose

Fortpflanzung und Sexualität In den Versuchen dieses Tages werden die Unterschiede ungeschlechtlicher und geschlechtlicher Fortpflanzung behandelt. 1. Fragen für die Vorbereitung 1) Unterscheiden Sie geschlechtliche von ungeschlechtlicher Fortpflanzung An der ungeschlechtlichen Fortpflanzung ist nur ein Elternteil beteiligt. Die Nachkommen entstehen durch Sprossung, Knospung oder Teilung einzelner Zellen oder des gesamten Organismus in zwei oder mehr Teile. Bei den Einzellern kommt beispielsweise die Zweiteilung vor, alle entstandenen Nachkommen sind genetisch identisch. Im Gegensatz dazu sind bei der geschlechtlichen Fortpflanzung (sexuelle Fortpflanzung) die Nachkommen genetisch verschieden und werden von zwei Elterorganismen gezeugt (Bayrhuber Kull 1989; Campbell 2000; Hafner Hoff 1993). 2) Zu welchen Organismen gehört die Bäcker- oder Bierhefe und warum? Welche Fortpflanzungform ist zu beobachten? Die Bäckerhefe pflanzt sich ungeschlechtlich (Vermehrung durch Sprossung) fort und gehört zu den Einzellern. 3) Worin liegt die Aufgabe und die Bedeutung der Meiose? Der Begriff „Meiose (gr. Verminderung) gibt eigentlich schon über die Funktion der Meiose das Wichtigste preis. Während durch die Mitose Körperzellen für Wachstum und Gewebeteilung reproduziert werden, ist die Meiose für die Produktion von Gameten (Geschlechtszellen) verantwortlich. Ausgangszelle für die Gametenbildung ist eine Zelle, welche diploid ist. Dieser diploide Chromosomensatz ist beim Verschmelzen von Ei- und Spermazelle zur Zygote entstanden. Geschlechtszellen sind aber dagegen haploid, enthalten nur noch den einfachen Chromosomensatz. Um haploide Zellen zu erhalten, muss die Chromosomenanzahl auf den einfachen Satz reduziert werden. Dieser Vorgang wird als Meiose bezeichnet. Die Meiose besteht aus zwei Teilungsschritten, den Reifeteilungen. Am Ende der Meiose sind vier haploide Keimzellen entstanden. Diese Reduktion muss bei sexueller Fortpflanzung einmal im Generationszyklus stattfinden. Ansonsten entständen bei jeder Gametenverschmelzung Vielfache des ursprünglichen Chromosomensatzes. Bei den höheren Tieren erfolgt diese Reduktion bei der Keimzellbildung. Des Weiteren liegt die Bedeutung der Meiose darin, das Erbgut neu zu kombinieren (durch Zufallsverteilung der väterlichen und mütterlichen homologen Chromosomen und Crossing over) (Campbell 2000; Hafner Hoff 1993). 4) Welche Prozesse der Meiose sind im Lichtmikroskop erkennbar? Fertigen Sie eine knappe Skizze an! 2 Abb. 1.: Ablauf einer Meiose schematisch dargestellt1 Unter dem Lichtmikroskop können vier Stadien der Teilung unterschieden werden: Prophase, Metaphase, Anaphase und Telophase, dies ist in Abbildung 1 schematisch dargestellt. 1 3 5) In welchen Geweben würden Sie nach Meiosestadien zur Herstellung mikroskopischer Präparate suchen und warum? In den Staubbeuteln von z.B. Lilium würde ich nach Meiosestadien suchen, weil hier die Gameten entstehen und der diploide Chromosomensatz auf den haploiden Satz reduziert werden muss. 6) Beschreiben Sie die Prozesse der Befruchtung in/an der Blüte eines Bedecktsamers und fertigen Sie eine beschriftete Skizze an. Die Blüte der Sporophyten bildet Mikrosporen aus denen der männlich Gametophyt (Pollen) entsteht und Megasporen, die den weiblichen Gametophyten innerhalb der Samenanlage bilden. Die Bestäubung bringt den Gametophyten mit dem Fruchtknoten zusammen. Die Befruchtung findet nun statt. Abb. 2 Skizze einer Angiospermenblüte2 Die Zygote entwickelt sich zum Sporophyten-Embryo, der zusammen mit Nahrungsreserven als Samen verpackt wird. 2. Einleitung zu den Versuchen Die Fortpflanzung ist einer der entscheidenden Funktionen lebender Organismen. Sie ist ebenso Vorraussetzung für den Fortbestand einer Art, wie die Nahrungsaufnahme für die 2 4 Erhaltung des Individuums. Im Gegensatz zur ungeschlechtlichen Fortpflanzung, wo ein Elternteil einen neuen genetisch identischen Nachkommen hervorbringt, sind bei der geschlechtlichen Fortpflanzung zwei Elternteile an dem Zustandekommen von Nachkommen beteiligt. Dieses hat eine neue genetische Kombination der Nachkommen zur Folge. Diese Art der Fortpflanzung hat den Vorteil, dass sich beispielsweise eine Art an veränderte Umweltbedingungen anpassen kann ault.asp). Die meisten Lebewesen haben einen diploiden Chromosomensatz, um nun zu verhindern, dass es aufgrund der geschlechtlichen Fortpflanzung zu einer weiteren Verdoppelung des schon doppelten Chromosomensätze kommt, muss vor der geschlechtlichen Fortpflanzung sichergestellt werden, dass der Chromosomensatz zunächst halbiert wird. Diese Reduzierung des diploiden auf den haploiden Chromosomensatz geschieht bei der Meiose. Am Ende einer Meiose sind aus einer diploiden Zelle vier haploide Keimzellen (Gameten) entstanden. Bei der Befruchtung verschmelzen die haploiden Gameten miteinander und bilden dadurch die diploide Zygote. Diese teilt sich nun mitotisch und auf diese Weise entwickelt sich der Embryo. In unseren Versuchen sollen nun zum Einen die einzelnen Phasen der Meiose unter dem Lichtmikroskop erkannt und gezeichnet werden. Zum Anderen soll die ungeschlechtliche Fortpflanzung bei den Zellen der Frischhefe ebenfalls beobachtet und skizziert werden. 3 Objekt: Mikroskopische Beobachtung von Hefezellen (Zellsuspensionen) 3.1 Material Benötigte Reagenzien: Wasser, Zucker, Frischhefe Benötigte Materialien: Mikroskop, Objektträger, Deckgläser, Pinzette, Pasteur-Pipette 3.2 Versuchsanleitung und Aufgabe Eine Packung Frischhefe wird in handwarmem Wasser suspendiert und ein wenig Zucker dazugegeben. Nach ca. 20 Minuten zeigt Blasenbildung Stoffwechselaktivität der Zellen an. Nehmen Sie einen Tropfen der Hefezellensuspension und geben Sie diesen auf einen sauberen Objektträger zusätzlich einige Tropfen Wasser zur Verdünnung der Zellsuspension. 5 Beobachten Sie die Zellen bei 400-facher Vergrößerung und fertigen Sie eine Zeichnung sprossender Zellen an. 3.3 Ergebnis Bei einer 400-fachen Vergrößerung konnte sehr gut die Sprossung der Zellen beobachtet und skizziert werden (Zeichnungen siehe Anhang). 4 Objekt: Mikroskopische Untersuchung der MeioseStadien in Pollenmutterzellen von Lilium(Fertigpräparate) 4.1 Material Benötigte Materialien: Fertigpräparat der Meiose-Stadien in Pollenmutterzellen von Lilium 4.2 Versuchsanleitung und Aufgabe Betrachten Sie das Fertigpräparat mikroskopisch, fertigen Sie eine Übersichtszeichnung sowie Zeichnungen von mindestens zwei verschiedenen Meiose-Stadien an. 4.3 Ergebnis In dem mir vorliegendem Präparat konnte die Ana- und die Metaphase erkannt und skizziert werden (Skizzen siehe Anhang). Im allgemeinen müssten jedoch mehrere Phasen sichtbar sein. Man müsste noch die Telophase und die Prophase erkennen. 5 Ablauf einer Meiose: 6 5.1 Meiose. Pollenbildung bei Lilium longiflorum - C: Metaphase - : Anaphase - : Prophase II - : Metaphase II 7 - : Anaphase II - : Telophase Pollentetrade Meiose. Pollenbildung bei Lilium longiflorum3 5.2 Vereinfachtes Schema einer Meiose4 3 4 T. SUZUKI, N. IDE, I. TANAKA, 1997 aus 8 5.3 Beschreibung der Meiose Wie bereits erwähnt besteht die Meiose aus zwei Reifeteilungen. In der ersten Reifeteilung wird der diploide Chromosomensatz auf den haploiden Chromosomensatz reduziert, durch die Trennung der homologen Chromosomen. Es bleibt allerdings dem Zufall überlassen, welches der beiden homologen Chromosomen – das vom mütterlichen oder vom väterlichen Organismus stammende- zu welchem –Pol gelangt. In der zweiten Reifeteilung erfolgt die Trennung der Schwesterchromatiden, diese läuft ähnlich wie eine Mitose ab (mitotische Teilung). Durch die Meiose ist in jeder reifen Geschlechtszelle ein einfacher aber vollständiger Chromosomensatz vorhanden. Die Meiose besteht aus Prophase und II, Metaphase und II, Anaphase und II und Telophase und II. Während der Prophase liegt in der Zelle ein diploider Chromosomensatz vor. In dieser Phase kondensieren sich die Chromosomen, sie verkürzen sich und werden als lange, dünne Fäden sichtbar. Die homologen Chromosomen legen sich dann parallel aneinander –Cetromer an Centromer-.In dieser Phase kann es vorkommen, dass sich nicht-Schwesterchomatiden überkreuzen und dadurch Bruchstücke des einen Chromatids mit dem anderen NichtSchwesterchromatid ausgetauscht werden (intrachromosomale Rekombination) Dieses wird Chiasma genant und der Vorgang wird als crossing over bezeichnet. Des Weiteren bilden sich in dieser Phase die Spindelfasern aus und die Kernhülle sowie das Kernkörperchen lösen sich auf. In der Metaphase ordnen sich die Chromosomenpaare in der Mitte der Zelle zwischen den beiden Polen des Spindelapparates an. In dieser Phase ordnen sich die homologen Chromosomenpaare zufällig an der Äquatorialebene an. In der Anaphase kommt es zur Trennung der homologen Chromosomen, indem die homologen Chromosomenpaare jeweils zu den Polen hingezogen werden. Hierbei erfolgte die Anordnung und Verteilung der mütterlichen und väterlichen Chromosomen rein zufällig (interchromosomale Rekombination). Die Reduktion ist nun durchgeführt. In der Telophase findet die Zellteilung statt. Jedes Chromosom hat nun (im Gegensatz zur Mitose) noch immer zwei Chromatiden. Es sind nun zwei haploide Zellen vorhanden. Es folgt keine Interphase. Die Phasen der zweiten Reifeteilung entsprechen denen einer Mitose. Am Ende der zweiten Reifeteilung liegen vier haploide Zellen vor (Bayrhuber Kull 1989; Campbell 2000; Hafner Hoff 1993). 9 6 Literaturverzeichnis Bayrhuber, Horst und Kull, Ulrich (1989): Linder Biologie. Schroedel Schulbuchverlag, Hannover Campbell, Neil A. (2000): Biologie. Spektrum-Verlag, Heidelberg Hafner, Lutz und Hoff, Peter (2000): Genetik. Schroedel Schulbuchverlag, Hannover HU-Berlin (2006): „Skizze einer Angiospermenblüte: 23.06.2006 Uni-Hamburg (2006): Meiose. Pollenbildung bei Lilium longiflorum: 23.06.2006 Wikipedia (2006): Artikel zum Begriff „Meiose: 23.06.2006 Wikipedia (2006): Vereinfachtes Schema einer Meiose: 23.06.2006 10