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12.4: Dihybride Kreuzungen
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Dihybrid Crosses
 
PROTOKOLLE

12.4: Dihybrid Crosses

12.4: Dihybride Kreuzungen

Overview

To determine whether traits are inherited together or separately, Gregor Mendel crossed pea plants that differed in two traits. These parental plants were homozygous for both traits but displayed different phenotypes. The first generation of offspring were all dihybrids, heterozygotes exhibiting the two dominant phenotypes. When self-fertilized, the dihybrids consistently produced progeny with a 9:3:3:1 ratio of four possible phenotype combinations. This ratio suggested that inheriting one trait did not affect the likelihood of inheriting the other, establishing Mendel’s law of independent assortment.

Mendel’s Dihybrid Crosses Demonstrate the Principle of Independent Assortment

Gregor Mendel’s monohybrid crosses, between pea plants that differed in a single trait, demonstrated that (1) organisms randomly inherit one of two copies of each gene from each parent (Mendel’s first law, segregation), and (2) the dominant allele can mask the recessive allele’s effects on phenotype (the principle of uniformity).

To determine whether two traits were inherited separately or together, Mendel also performed crosses with pea plants that differed in two traits, such as pea color and pea shape. For these dihybrid crosses, Mendel first mated plants that were true breeding (i.e., homozygous) for different traits of the same two characteristics. For example, he crossed plants that bred true for round, yellow peas (RRYY genotype) with those that bred true for wrinkled, green peas (rryy genotype). This parental (P0) generation produced offspring (F1 generation) that were all heterozygous with dominant phenotypes. These dihybrids had RrYy genotypes and round, yellow peas.

Mendel then induced self-pollination in the F1 dihybrids. Of the sixteen possible parental allele combinations, nine produce offspring with both dominant traits, yellow and round peas. Six fertilization events confer one dominant trait, with three producing yellow (dominant), wrinkled peas, and three creating green, round (dominant) peas. The one remaining possibility results in green, wrinkled peas, the two recessive phenotypes.

The proportion of phenotypes that Mendel observed in F2 plants was consistently similar to this 9:3:3:1 ratio, which is expected only if each fertilization event is equally probable. Thus, observing this phenotypic ratio suggests that inheriting one of these traits (e.g., yellow or green pea color) does not influence the likelihood of inheriting one of the others (e.g., round or wrinkled peas). This finding is the crux of Mendel’s second law, the principle (or law) of independent assortment.

Linkage and Recombination Influence Trait Co-inheritance

Genes on separate, non-homologous chromosomes are independently assorted into gametes during meiosis. However, genes close to one another on the same chromosome are more likely to be distributed into the same gametes; a phenomenon called linkage. Thus, inheriting one trait can be linked to the likelihood of inheriting another. Mendel never reported linkage, although not all of the traits he studied are determined by loci on different chromosomes.

The alleles determining pod color and pea shape are on chromosomes 5 and 7, respectively, and are thus unlinked. For most of the other traits, the lack of linkage can be accounted for by recombination, which can cause the inheritance patterns of genes on the same chromosome to mimic independent assortment. During prophase I of meiosis, chromosome pairs line up, cross over, and swap homologous genetic segments, a process known as recombination. The closer two loci are to each other on a chromosome, the more likely they are to be on the same recombined segment and thus inherited together. Likewise, loci that are far apart are more likely to be inherited separately due to more recombination events dividing them.

Returning to Mendel’s traits, pea and flower color are determined by two chromosome 1 loci that are far apart. Similarly, the locus for flower position is far from the other chromosome 4 loci, pod shape and plant height. Due to recombination, it is unsurprising that linkage never manifested in these crosses. Loci for pod shape and plant height, however, are close enough to each other on chromosome 4 that some linkage is likely. Mendel never published the results of this particular crossing, so it is possible that he simply never carried out these experiments, making him one cross short of discovering linkage.

Überblick

Um festzustellen, ob Merkmale zusammen oder getrennt vererbt werden, kreuzte Gregor Mendel Erbsenpflanzen, welche sich in zwei Merkmalen unterschieden. Diese Elternpflanzen waren für beide Merkmale homozygot, wiesen aber unterschiedliche Phänotypen auf. Die erste Generation von Nachkommen waren alle Dihybriden, Heterozygoten, welche die beiden dominanten Phänotypen aufwiesen. Bei Selbstbefruchtung erzeugten die Dihybriden durchweg Nachkommen im Verhältnis 9:3:3:1 von vier möglichen Phänotypkombinationen. Dieses Verhältnis deutete darauf hin, dass die Vererbung eines Merkmals keinen Einfluss auf die Wahrscheinlichkeit der Vererbung des anderen Merkmals hatte, wodurch das Mendels Gesetz der unabhängigen Sortierung etabliert wurde.

Mendels Dihybride Kreuzungen demonstrieren das Prinzip der Unabhängigkeit bzw. der Neukombinationsregel

Gregor Mendels monohybride Kreuzungen, zwischen Erbsenpflanzen, die sich in einem einzigen Merkmal unterschieden, zeigten, dass (1) Organismen zufällig eine von zwei Kopien jedes Gens von jedem Elternteil erben (Mendels erstes Gesetz, Segregation), und (2) das dominante Allel kann die Auswirkungen auf den Phänotyp des rezessiven Allels „verbergen“ (das Prinzip der Uniformität).

Um festzustellen, ob zwei Merkmale getrennt oder zusammen vererbt werden, führte Mendel auch Kreuzungen mit Erbsenpflanzen durch, die sich in zwei Merkmalen wie Farbe und Form unterschieden. Für diese dihybriden Kreuzungen verpaarte Mendel zunächst Pflanzen, die für verschiedene Merkmale derselben beiden Merkmale echt gezüchtet wurden (d.h. homozygot). Zum Beispiel kreuzte er Pflanzen, die für runde, gelbe Erbsen (RRYY Genotyp) geeignet waren, mit solchen, die für runzelige, grüne Erbsen geeignet waren (rryy Genotyp). Diese Elterngeneration (P0) brachte Nachkommen (F1Generation) hervor, die alle heterozygot mit dominanten Phänotypen waren. Diese Dihybriden hatten RrYy Genotypen und waren runde, gelbe Erbsen.

Mendel induzierte dann die Selbstbestäubung in den F1 Dihybriden. Von den sechzehn möglichen Eltern-Allelkombinationen produzierten neun Nachkommen mit beiden dominanten Merkmalen, gelbe und runde Erbsen. Sechs Bestäubungen führten zu einem dominante Merkmal, wobei drei gelbe (dominante), runzelige Erbsen und drei grüne, runde (dominante) Erbsen produziert worden sind. Die eine verbleibende Möglichkeit führt zu grünen, runzeligen Erbsen, die beiden rezessiven Phänotypen.

Das Verhältnis der Phänotypen, die Mendel in F2 Pflanzen beobachtete, war durchweg ähnlich des Verhältnisses von 9:3:3:1. Dieses kann nur erwartet werden, wenn jedes Befruchtungsereignis gleich wahrscheinlich ist. Die Beobachtung dieses phänotypischen Verhältnisses legt daher nahe, dass die Vererbung eines dieser Merkmale (z.B. gelbe oder grüne Erbsenfarbe) keinen Einfluss auf die Wahrscheinlichkeit der Vererbung eines der anderen Merkmale (z.B. runde oder runzelige Erbsen) hat. Dieser Befund ist der Kern von Mendels zweitem Gesetz, dem Prinzip (oder Gesetz) der unabhängigen Sortierung bzw. des Spaltungsregel.

Verknüpfung und Rekombination beeinflussen die Co-Eigenschaft Vererbung

Gene auf getrennten, nicht homologen Chromosomen werden während der Meiose unabhängig voneinander in Keimzellen assembliert. Gene, die sich auf demselben Chromosom nahe beieinander liegen, sind jedoch mit größerer Wahrscheinlichkeit in denselben Gameten verteilt. Man bezeichnet dieses Phänomen als Kopplung. So kann die Vererbung eines Merkmals mit der Wahrscheinlichkeit der Vererbung eines anderen verknüpft sein. Mendel berichtete nie über eine Verknüpfung, obwohl nicht alle Merkmale, die er untersucht hat, durch Loci auf verschiedenen Chromosomen bestimmt wurden.

Die Allele, die die Schotenfarbe und die Erbsenform bestimmen, befinden sich auf den Chromosomen 5 und 7 und sind daher nicht miteinander verknüpft. Bei den meisten anderen Merkmalen kann die fehlende Verknüpfung durch Rekombination erklärt werden, was dazu führen kann, dass die Vererbungsmuster von Genen auf dem gleichen Chromosom eine unabhängige Sortierung nachahmen. Während der Prophase I der Meiose reihen sich die Chromosomenpaare aneinander, kreuzen sich und tauschen homologe genetische Abschnitte aus, ein Prozess, der als Rekombination bezeichnet wird. Je näher zwei Loci auf einem Chromosom beieinander liegen, desto wahrscheinlicher ist es, dass sie sich auf demselben rekombinierten Segment befinden und somit gemeinsam vererbt werden. Ebenso werden Loci, die weit voneinander entfernt sind, aufgrund von mehr Rekombinationsereignissen, die sie trennen, mit größerer Wahrscheinlichkeit getrennt vererbt.

Um zu den von Mendel untersuchten Merkmalen zurückzukommen kann man sagen, dass Erbsen -und Blütenfarbe durch zwei Loci des Chromosoms 1 bestimmt werden, die weit voneinander entfernt sind. Ebenso ist der Locus für die Blütenposition weit von den anderen Loci des Chromosoms 4, der Schotenform und der Pflanzenhöhe entfernt. Aufgrund der Rekombination ist es nicht verwunderlich, dass sich die Verknüpfung bei diesen Kreuzungen nie manifestiert hat. Die Loci für die Schotenform und die Pflanzenhöhe liegen jedoch auf Chromosom 4 nahe genug beieinander, dass eine Verbindung wahrscheinlich ist. Mendel hat die Ergebnisse dieser speziellen Kreuzung nie veröffentlicht, so dass es möglich ist, dass er diese Experimente einfach nie durchgeführt hat, was ihn eine Kreuzung zu kurz kommen lässt, um die Verknüpfung zu entdecken.


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