Aufgabe 2 – Schmetterlinge
Schmetterlinge sind mit knapp 160.000 beschriebenen Arten eine der artenreichsten Insektenordnungen. Die Variabilität zwischen den Arten, aber auch innerhalb der Individuen einer Art hat sich im Evolutionsprozess herausgebildet. Schmetterlinge sind wichtige Modellorganismen für vielfältige evolutionsbiologische Fragestellungen.
Beschreibe ein Verfahren zur DNA-Sequenzierung. Begründe, dass dieses zur Analyse verwandtschaftlicher Beziehungen zwischen Schmetterlingsarten eingesetzt werden kann.
Nenne vier Evolutionsfaktoren der Synthetischen Evolutionstheorie. Erkläre anhand von zwei Evolutionsfaktoren die Herausbildung der Fähigkeit zur Bildung von Cyanoglykosiden bei der Gattung Zygaena (M 1).
Stelle die in Material 1 beschriebene Kreuzung von unterschiedlichen Farbvarianten der Schmetterlingsart Zygaena ephialtes von der Parentalgeneration bis zur 2. Tochtergeneration anhand geeigneter Kreuzungsschemata dar.
Gib die Phänotypenverteilung der F2-Generation an (M 1). Benenne den vorliegenden Erbgang.
Beschreibe die in Abbildung 2 dargestellten Ergebnisse einer Laborstudie.
Ziehe vier Schlussfolgerungen bezüglich der Entstehung des saisonalen Dimorphismus bei Bicyclus anynana (M 2).
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monatlich kündbarSchulLV-PLUS-Vorteile im ÜberblickDu hast bereits einen Account?Material 1: Die Gattung Zygaena
Zur Gattung Zygaena gehören Schmetterlinge mit sehr auffallenden Zeichnungsmustern. Trotz ihrer auffälligen Gestalt ruhen sie auf blütenreichen Wiesen und fliegen selbst bei leichter Berührung selten davon. Grund dafür ist, dass sie sehr giftig sind. Sie synthetisieren in ihrem Körper Cyanoglykoside, die bei Gefahr sehr schnell in extrem giftigen Cyanwasserstoff zersetzt und in Form eines farblosen Flüssigkeitstropfen nach außen abgegeben werden. Die negative Erfahrung von Feinden mit diesen Flüssigkeitstropfen in Verbindung mit den Zeichnungsmustern führt zur Meidung dieser Schmetterlinge.
Innerhalb der Gattung, aber auch innerhalb einer Art, existieren viele verschiedene Varianten des Zeichnungsmusters. Beispielsweise variiert die Art Zygaena ephialtes sehr stark in der Farbe, der Ausdehnung der Pigmentierung sowie der Anzahl, Größe und Umränderung der Augenflecken auf den Flügeln. In Kreuzungsversuchen konnte nachgewiesen werden, dass die Farbvariationen an zwei Erbfaktoren gebunden sind, die unabhängig voneinander vererbt werden. Das eine Gen bestimmt die rote oder gelbe Pigmentierung, das andere die Ausdehnung (peucedanoides Merkmal) oder Reduktion (ephialtoides Merkmal) dieses Pigments. Es wurden beispielsweise homozygote rote peucedanoide Individuen mit homozygoten gelben ephialtoiden Individuen gekreuzt. Alle Individuen der ersten Tochtergeneration waren rot und peucedanoid.
Abb. 1: Phänotypen von Zygaena ephialtes – A: rot, peucedanoid, B: gelb, ephialtoid
Material 2: Augenflecken bei Bicyclus anynana
Viele Schmetterlingsarten besitzen auf ihren Flügeln unterschiedlich große, sogenannte Augenflecken. Die ostafrikanische Art Bicyclus anynana zeichnet sich durch zwei verschiedene Formen, eine Regenzeitform (WS) mit deutlich ausgeprägten Augenflecken am Rand ihrer Flügel und eine Trockenzeitform (DS) mit nur gering ausgeprägten Augenflecken, aus.
In einer Laborstudie wurde das Verhalten eines wirbellosen Fressfeindes von Bicyclus anynana untersucht. Die Fangschrecke Tenodera sinensis tritt besonders in der Regenzeit im Lebensraum der Schmetterlinge auf.
Abb. 2: Ergebnisse einer Laborstudie
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monatlich kündbarSchulLV-PLUS-Vorteile im ÜberblickDu hast bereits einen Account?Verfahren zur DNA-Sequenzierung:
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DNA-Sequenzanalyse nach Sanger:
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Herstellung von vier Reaktionsmischungen aus DNA-Fragmenten, Primern, dNTPs, DNA-Polymerase und Abbruchnucleotiden (ddNTPs)
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DNA-Polymerase katalysiert die Kettenverlängerung, bei Anlagerung eines ddNTPs erfolgt ein Abbruch der DNA-Synthese
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Trennung der entstandenen DNA-Fragmente durch Gelelektrophorese und Ablesen der DNA-Sequenz aus dem Bandenmuster
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Begründung:
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Vergleich von DNA-Sequenzen verschiedener Arten
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Unterschiede lassen sich auf Mutationen im Evolutionsprozess zurückführen
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je mehr Mutationen aufgetreten sind, desto geringer ist die stammesgeschichtliche Verwandtschaft der Arten
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Evolutionsfaktoren der Synthetischen Evolutionstheorie:
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Mutation
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Rekombination
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Selektion
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Isolation
Erklärung:
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Mutation: Sprunghafte Veränderung des genetischen Materials → infolgedessen zufällige Entstehung von Zygaena, die Cyanoglykoside bilden können
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Rekombination: Neuverteilung des vorhandenen genetischen Materials bei der Fortpflanzung, wodurch die Fähigkeit Cyanoglykoside zu bilden entstanden sein könnte.
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Selektion: Natürliche Auslese besser an herrschende Umweltfaktoren angepasster Organismen → Schmetterlinge mit der Fähigkeit zur Bildung von Cyanoglykosiden sind besser gegen Fressfeinde geschützt
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Isolation: Die Trennung der Ursprungspopulation in Teilpopulationen durch Barrieren ( wie z. B. geografische Barrieren) könnte dazu geführt haben, dass zufällig die Individuen stärker in der neuen Population vertreten waren, die zur Bildung von Cyanoglykosiden fähig waren, wodurch sich das Merkmal festigte (Gendrift).
Schematische Darstellung der beschriebenen Kreuzung:
Legende:
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Farbe: rot – R, gelb – r
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Farbverteilung: peucedanoid – P, ephialtoid – p
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Gen.: PT: rot, peucedanoid gelb, ephialtoid
GT: RRPP x rrpp
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♀/♂ |
rp |
rp |
|---|---|---|
|
RP |
RrPp |
RrPp |
|
RP |
RrPp |
RrPp |
PT: alle rot und peucedanoid, GT: alle heterozygot
F1- Gen.: PT: rot, peucedanoid rot, peucedanoid
GT: RrPp X RrPp
F2- Gen.:
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♀/♂ |
RP |
Rp |
rP |
rp |
|---|---|---|---|---|
|
RP |
RRPP |
RRPp |
RrPP |
RrPp |
|
Rp |
RRPp |
RRpp |
RrPp |
Rrpp |
|
rP |
RrPP |
RrPp |
rrPP |
rrPp |
|
rp |
RrPp |
Rrpp |
rrPp |
rrpp |
Phänotypenverteilung der F2-Generation:
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In der F2-Generation ergibt sich das phänotypische Verhältnis: 9 : 3 : 3 : 1
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Mit rot, peucedanoid : gelb, peucedanoid : rot, ephialtoid : gelb, ephialtoid
Vorliegender Erbgang:
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Es handelt sich um einen dihybrid, dominant-rezessiven Erbgang.
Ergebnisse der Laborstudie:
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WS-Formen werden durch die Fangschrecke in der Hälfte der Zeit erkannt
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nur ca. 20 % der DS-Formen gelingt Flucht, WS-Formen gelingt es zu 65 %
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DS-Formen werden zu 80 % an zentralen Stellen wie Kopf, Brust oder Hinterleib erfasst und nur zu 20 % an den Flügeln, hauptsächlich an den Vorderflügeln
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bei WS-Formen sind Hauptziel Flügel (85 %), dabei hauptsächlich die Hinterflügel
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Ziel der Attacken an den Flügeln der WS-Formen sind besonders häufig die Bereiche mit den großen Augenflecken
Schlussfolgerungen:
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DS-Formen unauffälliger und dadurch besser getarnt, Attackierung jedoch an zentralen Körperstellen, Tod
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WS-Formen früher erkannt, große Augenflecken lenken Aufmerksamkeit des Feindes auf Flügel, Folge: vermehrte Flügelschäden, jedoch häufiger Flucht möglich
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Unter dem hohen Selektionsdruck, den die Räuber ausüben, erhöhen die auffälligen Augenflecken die Fitness der Schmetterlinge. Fangschrecken treten vermehrt in der Regenzeit auf, deshalb hat sich die WS-Form in dieser Zeit durchgesetzt.
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Ohne den Selektionsdruck durch die Fangschrecken (in der Trockenzeit) hat die unauffällige DS-Form die besseren Überlebenschancen. DS-Formen haben sich deshalb in der Trockenzeit durchgesetzt.