1.12
Umwelt und Genetik beeinflussen den Phänotyp
Obwohl die genetische Zusammensetzung eines Organismus eine wesentliche Rolle bei der Bestimmung des Phänotyps spielt, gibt es auch mehrere Umweltfakt…
Der Phänotyp eines Organismus kann von mehreren anderen Faktoren als dem Genotyp beeinflusst werden, einschließlich des genetischen Hintergrunds und der Umwelt. Manchmal können diese Effekte gleichzeitig auftreten.
Der "genetische Hintergrund" repräsentiert alle verwandten Gene in einem Genom, die mit dem interessierenden Gen interagieren können.
Die Umwelt hingegen umfasst viele äußere Faktoren, denen ein Organismus begegnen kann, darunter Temperatur, Ernährung und Lichtverhältnisse.
Mutationen in mehreren verwandten Genen können den Phänotyp eines Organismus beeinflussen. Zum Beispiel ist die ziegelrote Augenfarbe des Wildtyps Drosophila auf das Vorhandensein von zwei Pigmenten, Ommochrom und Drosopterin, zurückzuführen, die von drei Genen reguliert werden.
Das Zinnober-Gen ist der erste Schritt auf einem Weg, der das braune Ommochrom-Pigment produziert.
Das braune Gen kodiert für ein Membrantransportprotein, das für die Produktion des roten Pigments Drosopterin benötigt wird.
Das weiße Gen ist dafür verantwortlich, diese Pigmente zum Auge zu transportieren.
Mutationen im Zinnober-Gen erzeugen eine Fliege mit leuchtend roten Augen, während eine Mutation im braunen Gen eine Braunaugenfliege hervorbringt.
Eine Mutation im weißen Gen führt jedoch zu einer Weißaugenfliege, selbst wenn die beiden anderen Gene funktionsfähig sind.
Die Temperatur, einer von vielen Umweltfaktoren, spielt eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung des Geschlechts der sich entwickelnden Europäischen Sumpfschildkröten.
Wenn die Eier bei 25 °C bebrütet werden, entwickelt sich das Gonadengewebe zu Hoden und alle Nachkommen sind männlich. Wenn die Eier jedoch bei 30 °C bebrütet werden, entwickelt sich das Gonadengewebe zu Eierstöcken und alle Nachkommen sind weiblich.
Diese Periode, in der das Gonadengewebe auf die Temperatur reagiert, wird als thermosensitive Periode bezeichnet.
Eine Veränderung tritt im Gonadengewebe auf, weil sich die Expression des Sox9-Gens als Reaktion auf die Temperatur ändert.
Bei niedrigeren Temperaturen ist die Expression hoch, und bei höheren Temperaturen wird die Expression unterdrückt. Diese variable Expression führt zu beobachtbaren Veränderungen des Phänotyps - des Geschlechts der Nachkommen.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What is genetic background and how does it affect an organism's phenotype?
Genetic background represents all related genes in a genome that may interact with a gene of interest. Mutations in multiple related genes can significantly affect phenotype. For example, Drosophila eye color depends on three genes: vermilion produces ommochrome pigment, brown encodes a transport protein for drosopterin, and white carries these pigments to the eye. A mutation in any single gene alters the final phenotype.
Q2: How do environmental factors like temperature influence phenotype?
Environmental factors including temperature, diet, and light conditions can significantly alter phenotype independent of genotype. In European pond turtles, incubation temperature during the thermosensitive period determines offspring sex by controlling Sox9 gene expression. At 25°C, high Sox9 expression produces males; at 30°C, repressed expression produces females, demonstrating how temperature directly shapes observable traits.
Q3: What role does genetic background play in horse coat color?
In horses, the Extension gene determines base coat color, while the cream dilution modifier gene alters pigmentation. Horses with genotype eeCC produce reddish-brown coats, while eeCcrC horses display gold coats with white tails and manes. This demonstrates how multiple alleles interact within genetic background to produce distinct phenotypes from similar base genotypes.
Q4: How does temperature sensitivity affect coat color in Siamese cats?
Siamese cats carry a temperature-sensitive mutation affecting melanin-producing enzyme activity. The enzyme remains active in colder skin regions, producing darker pigmentation, while inactivity in warmer areas results in lighter coloring. This creates the breed's characteristic dark fur on the face and extremities, demonstrating how environmental temperature interacts with genotype to produce phenotypic variation.
Q5: Can chemical exposure in the environment alter phenotype?
Yes, chemicals and drugs in an organism's environment can influence gene expression and phenotype. C. R. Stockard demonstrated that Fundulus heteroclitus fish exposed to magnesium chloride solution during development produced offspring with a single eye instead of two. This shows how environmental chemical exposure can dramatically alter developmental phenotype regardless of normal genotype.
Q6: Why do mutations in different genes produce different eye colors in Drosophila?
Drosophila eye color results from a pigment pathway involving three genes. Vermilion mutations produce bright red eyes by disrupting ommochrome production. Brown mutations cause brown eyes by blocking drosopterin synthesis. White mutations produce white eyes by preventing pigment transport to the eye, even when other genes function normally, illustrating how different genes control distinct steps in phenotype development.
Q7: How do genotype and environment interact to produce variable phenotypes?
Phenotype results from complex interactions between genotype and environmental factors. An organism's genetic makeup establishes the potential phenotype, while environmental conditions like temperature, chemicals, diet, and light determine whether and how that potential is expressed. Both factors must be considered together to fully understand why organisms with identical genotypes can display different phenotypes.