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12.3: Monohybrid-Kreuzungen
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Monohybrid Crosses
 
PROTOKOLLE

12.3: Monohybrid Crosses

12.3: Monohybrid-Kreuzungen

Overview

In the 1850s and 1860s, Gregor Mendel investigated inheritance by performing monohybrid crosses in pea plants. He crossed two plants that were true-breeding for different traits. Based on his observations, Mendel proposed that organisms inherit two copies of each trait, one from each parent, and that dominant traits can hide recessive traits. These results formed the basis of two fundamental principles in genetics: the Principle of Uniformity and the Law of Segregation.

Monohybrid Crosses Reveal Dominant and Recessive Traits

Over eight years spanning the 1850s and 1860s, an Austrian monk named Gregor Mendel carried out seminal breeding experiments with pea plants. These experiments demonstrated the fundamental principles of inheritance, earning him the moniker “the father of modern genetics.” Mendel’s experiments focused on seven pea plant characteristics, each manifesting as one of two traits that are determined by a single gene locus.

Mendel noticed that, when some of his pea plants reproduced by self-fertilization, their progeny always displayed the same trait. In other words, they were true-breeding. For example, some plants with yellow pods only produced offspring with yellow pods. When crossed with other plants that bred true for yellow pods, these plants also produced only progeny with yellow pods. Similarly, Mendel observed true-breeding pea plants that produced only offspring with green pods.

At the time, inherited traits were thought to be some mixture of parental features. Mendel instead observed discrete phenotypes, like green and yellow pods. He proposed that, rather than traits mixing in offspring, discrete factors (now known as genes) are inherited from parents and remain separate in the offspring. In cases where a trait skips a generation, Mendel proposed that the visible trait merely masks the presence of the other inherited trait. In other words, inheritance is particulate, and dominant traits hide recessive traits. To determine which trait was dominant, Mendel conducted monohybrid crosses. Monohybrid crosses combine two true-breeding organisms that differ by a single trait. All offspring of such crosses are monohybrids, or heterozygotes, and display the dominant trait.

For example, Mendel crossed pea plants that bred true for yellow pods with those that bred true for green pods to determine the dominant pod color. This parental generation (P0) produced offspring, the first filial generation (F1), that were all monohybrids with green pods. Repeatedly observing these findings established green pods as the dominant trait and demonstrated Mendel’s principle of uniformity: heterozygotes for a single gene trait display the same phenotype.

Parental Alleles Are Randomly Distributed to Gametes

Mendel then induced self-fertilization in the F1 plants, producing the F2 generation. F2 pea plants with green pods outnumbered those with yellow pods by a ratio of 3:1. Mendel repeatedly observed this 3:1 inheritance pattern for each of the seven pea plant characteristics.

Mendel’s law of segregation explains this recurring ratio. The law of segregation states that an organism distributes one of its two gene copies to each gamete (egg or sperm cell). Importantly, this distribution is random, such that a heterozygote (Gg) is equally likely to produce gametes with dominant (G) and recessive (g) alleles.

If a heterozygote self-fertilizes (Gg x Gg), the parental alleles can combine in four possible ways: paternal G with maternal G (GG), paternal G with maternal g (Gg), paternal g with maternal G (Gg), and paternal g with maternal g (gg). Three outcomes produce green pods (the GG and Gg genotypes) and one produces yellow pods (the gg genotype), a 3:1 ratio. Thus, if all outcomes are equally likely, self-fertilizing heterozygotes will produce three offspring with green pods for every one with yellow pods. This is remarkably close to the phenotypic ratio that Mendel observed, confirming his proposed law of segregation.

Dominant Traits Are Not Always Common

Unlike green pods, green peas are recessive, whereas yellow peas are dominant. Why, then, are the peas we regularly encounter green? In short, people prefer green peas over yellow ones. As Mendel’s experiments demonstrate, homozygotes produce offspring with the same trait, or phenotype, when self-fertilized or crossed with other homozygotes. If farmers continue to exclude yellow peas from their crop crosses, they will continue producing only green peas. This example illustrates another important point: dominant traits are not necessarily the most common traits. Harmful dominant traits, for example, may be selected against.

Überblick

In den 1850er und 1860er Jahren untersuchte Gregor Mendel die Vererbung, indem er monohybride Kreuzungen in Erbsenpflanzen durchführte. Er kreuzte zwei Pflanzen, die auf unterschiedliche Eigenschaften hin gezüchtet wurden. Basierend auf seinen Beobachtungen stellte Mendel die Vermutung auf, dass Organismen zwei Kopien jedes Merkmals erben. Außerdem schlug er vor, dass dominante Merkmale rezessive Merkmale verbergen können. Diese Ergebnisse bildeten die Grundlage für zwei grundlegende Prinzipien in der Genetik: das Prinzip der Einheitlichkeit und das Gesetz der Trennung.

Monohybridkreuze offenbaren dominante und rezessive Züge

In den 1850er und 1860er Jahren führte ein österreichischer Mönch namens Gregor Mendel über acht Jahre lang bahnbrechende Zuchtversuche mit Erbsenpflanzen durch. Diese Experimente demonstrierten die grundlegenden Prinzipien der Vererbung, was ihm den Spitznamen „Vater der modernen Genetik“ gab. Mendels Experimente konzentrierten sich auf sieben Merkmale von Erbsenpflanzen, die sich jeweils als eines von zwei Merkmalen manifestierten, die durch einen einzigen Genort bestimmt werden.

Mendel stellte fest, dass, wenn sich einige seiner Erbsenpflanzen durch Selbstbefruchtung fortpflanzten, ihre Nachkommen immer das gleiche Merkmal aufwiesen. Sie waren also eine echte Zucht. Zum Beispiel produzierten einige Pflanzen mit gelben Schoten nur Nachkommen mit gelben Schoten. Wenn sie mit anderen Pflanzen gekreuzt wurden, die für gelbe Schoten wahrhaftig gezüchtet wurden, produzierten auch diese Pflanzen nur Nachkommen mit gelben Schoten. In ähnlicher Weise beobachtete Mendel Erbsenpflanzen, die nur Nachkommen mit grünen Schoten produzierten.

Zu diesem Zeitpunkt dachte man, dass die vererbten Eigenschaften eine Mischung aus elterlichen Merkmalen sind. Mendel beobachtete stattdessen mit den grünen und gelben Schoten diskrete Phänotypen. Er schlug vor, dass sich die Merkmale nicht in den Nachkommen mischen, sondern dass diskrete Faktoren (heute als Gene bekannt) von den Eltern vererbt werden und in den Nachkommen getrennt bleiben. In Fällen, in denen ein Merkmal eine Generation überspringt, schlug Mendel vor, dass das sichtbare Merkmal lediglich das Vorhandensein des anderen geerbten Merkmals verdeckt. Mit anderen Worten ist die Vererbung partikulär, und dominante Merkmale verbergen rezessive Merkmale. Um festzustellen, welches Merkmal dominant ist, führte Mendel monohybride Kreuzungen durch. Monohybride Kreuzungen kombinieren zwei wirklich züchtende Organismen, die sich durch ein einziges Merkmal unterscheiden. Alle Nachkommen solcher Kreuzungen sind Monohybriden oder Heterozygoten und zeigen das dominante Merkmal.

Zum Beispiel kreuzte Mendel Erbsenpflanzen, die für gelbe Schoten gezüchtet wurden, mit solchen, die für grüne Schoten gezüchtet wurden, um die dominante Schotenfarbe zu bestimmen. Diese Elterngeneration (P0) brachte Nachkommen hervor, die erste Generation von Tochterpflanzen (F1), die alle Monohybriden mit grünen Schoten waren. Die wiederholte Beobachtung dieser Befunde etablierte grüne Hülsen als das dominante Merkmal und demonstrierte das s Prinzip der Homogenität: Heterozygoten für ein einzelnes Genmerkmal zeigen den gleichen Phänotyp.

Parentalallele sind zufällig auf die Gameten verteilt

Mendel induzierte dann die Selbstbefruchtung in den F1Pflanzen, wodurch die F2Generation erzeugt wurde. F2 Erbsenpflanzen mit grünen Hülsen waren im Verhältnis 3:1 zahlreicher als die mit gelben Hülsen. Mendel beobachtete wiederholt dieses 3:1 Vererbungsmuster für jedes der sieben Erbsenpflanzenmerkmale.

Mendels Gesetz der Trennung erklärt dieses wiederkehrende Verhältnis. Das Segregationsgesetz besagt, dass ein Organismus eine seiner beiden Genkopien auf jede Gametta (Ei-oder Samenzelle) verteilt. Wichtig ist, dass diese Verteilung zufällig ist, so dass eine Heterozygote (Gg) mit gleicher Wahrscheinlichkeit Gameten mit dominanten (G) und rezessiven (g) Allelen produziert.

Wenn eine Heterozygote sich selbst befruchtet (Gg x Gg), können sich die elterlichen Allele auf vier mögliche Arten kombinieren: väterlich G mit mütterlichen G (GG), väterlich G mit mütterlichen g (Gg), väterlicherseits g mit mütterlicher G (Gg), und väterlicherseits g mit mütterlicher g (gg). Drei Ergebnisse produzieren grüne Schoten (die Genotypen GG und Gg) und eines produziert gelbe Schoten (der Genotyp gg), ein Verhältnis von 3:1. Wenn also alle Ergebnisse gleich wahrscheinlich sind, werden selbstbefruchtende Heterozygote drei Nachkommen mit grünen Hülsen für jeden mit gelben Hülsen produzieren. Dies ist bemerkenswert nahe an dem phänotypischen Verhältnis, das Mendel beobachtete, was sein vorgeschlagenes Gesetz der Segregation bestätigt.

Dominante Merkmale sind nicht immer üblich

Im Gegensatz zu grünen Hülsen sind grüne Erbsen rezessiv, während gelbe Erbsen dominant sind. Warum sind dann die Erbsen, denen wir regelmäßig begegnen, grün? Um es kurz zu machen: Die Menschen bevorzugen grüne Erbsen gegenüber gelben Erbsen. Wie Mendels Experimente zeigen, produzieren Homozygoten Nachkommen mit dem gleichen Merkmal oder Phänotyp, wenn sie selbst befruchtet oder mit anderen Homozygoten gekreuzt werden. Wenn Landwirte weiterhin gelbe Erbsen aus ihren Kreuzungen ausschließen, werden sie weiterhin nur grüne Erbsen produzieren. Dieses Beispiel veranschaulicht einen weiteren wichtigen Punkt: Dominante Merkmale sind nicht unbedingt die häufigsten Merkmale.


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