Die Vererbungslehre (Genetik) untersucht, wie Merkmale von einer Generation zur nächsten weitergegeben werden. Monohybride Erbgänge betrachten dabei die Vererbung eines einzigen Merkmals, während dihybride Erbgänge die gleichzeitige Vererbung zweier Merkmale untersuchen. Die Grundlage beider Erbgänge bilden die Mendelschen Regeln, die Gregor Mendel im 19. Jahrhundert durch Kreuzungsversuche mit Erbsenpflanzen aufstellte.
Für das Verständnis sind einige Grundbegriffe wichtig: Ein Gen ist ein Abschnitt auf der DNA, der die Information für ein bestimmtes Merkmal trägt. Verschiedene Ausprägungen eines Gens heißen Allele. Da diploid organisierte Organismen zwei Kopien jedes Gens besitzen (eine von jedem Elternteil), kann ein Individuum homozygot (reinerbig, z. B. AA oder aa) oder heterozygot (mischerbig, z. B. Aa) sein. Der Genotyp beschreibt die Allelkombination, der Phänotyp das äußerlich sichtbare Merkmal.
Beim monohybriden Erbgang wird nur ein Merkmal betrachtet. Mendel kreuzte z. B. reinerbig gelbe (GG) mit reinerbig grünen (gg) Erbsen.
Parentalgeneration (P): Zwei homozygote Eltern werden gekreuzt, die sich in einem Merkmal unterscheiden, z. B. Samenfarbe gelb (GG) × grün (gg).
F1-Generation (1. Filialgeneration): Alle Nachkommen der F1 sind genotypisch heterozygot (Gg) und zeigen bei dominant-rezessivem Erbgang ausschließlich den dominanten Phänotyp (gelb). Dies entspricht der 1. Mendelschen Regel (Uniformitätsregel): Kreuzt man zwei homozygote Individuen, die sich in einem Merkmal unterscheiden, so sind alle Nachkommen der F1 untereinander gleich (uniform).
F2-Generation (2. Filialgeneration): Kreuzt man die F1-Individuen (Gg × Gg) untereinander, spalten sich die Nachkommen im Phänotyp im Verhältnis 3 : 1 auf (drei gelbe : ein grüner). Im Genotyp ergibt sich das Verhältnis 1 GG : 2 Gg : 1 gg. Dies ist die 2. Mendelsche Regel (Spaltungsregel).
Das Punnett-Quadrat (Kreuzungsschema) ist ein einfaches Werkzeug, um alle möglichen Allelkombinationen bei einer Kreuzung übersichtlich darzustellen. Für den monohybriden Erbgang (Gg × Gg) ergibt sich ein 2×2-Quadrat:
Kreuzung Gg × Gg:
| G | g
-----+------+------
G | GG | Gg
-----+------+------
g | Gg | gg
Ergebnis: 1 GG (homozygot dominant) : 2 Gg (heterozygot) : 1 gg (homozygot rezessiv). Phänotypisch zeigen drei von vier Nachkommen das dominante Merkmal, einer das rezessive – das klassische 3 : 1-Verhältnis.
Tipp: Das Punnett-Quadrat ist das zentrale Werkzeug in Genetik-Klausuren. Übe es so lange, bis du es sicher und schnell aufstellen kannst – es kommt in nahezu jeder Abituraufgabe zur Vererbung vor.
Nicht immer ist ein Allel vollständig dominant über das andere. Beim intermediären Erbgang zeigt das heterozygote Individuum eine Mischform beider elterlichen Phänotypen.
Beispiel: Kreuzt man eine reinerbig rotblühende Wunderblume (RR) mit einer reinerbig weißblühenden (WW), sind alle F1-Nachkommen rosablühend (RW). Keines der Allele dominiert, stattdessen entsteht ein intermediärer Phänotyp.
In der F2-Generation ergibt sich bei Kreuzung RW × RW das Verhältnis:
1 RR (rot) : 2 RW (rosa) : 1 WW (weiß)
Hier stimmen Genotypen- und Phänotypenverhältnis überein, da der heterozygote Genotyp einen eigenen, unterscheidbaren Phänotyp ausprägt. Das Verhältnis ist 1 : 2 : 1 (statt 3 : 1).
Tipp: Wenn in einer Klausur alle drei Phänotypen in der F2 auftreten und kein Merkmal „verschwindet“, handelt es sich um einen intermediären Erbgang. Achte auf die Formulierung „Mischform“ oder „Zwischenform“.
Bei der Kodominanz werden beide Allele im heterozygoten Zustand gleichzeitig und vollständig exprimiert – es entsteht keine Mischform, sondern beide Merkmale sind nebeneinander sichtbar.
Das bekannteste Beispiel ist das AB0-Blutgruppensystem des Menschen. Hier gibt es drei Allele: IA, IB und i. Die Allele IA und IB sind kodominant zueinander, d. h. ein Mensch mit dem Genotyp IAIB hat die Blutgruppe AB – beide Antigene (A und B) werden auf der Erythrozytenoberfläche gebildet. Gegenüber dem Allel i sind sowohl IA als auch IB dominant.
Übersicht der Genotypen und Phänotypen:
Blutgruppe A: Genotyp IAIA oder IAi
Blutgruppe B: Genotyp IBIB oder IBi
Blutgruppe AB: Genotyp IAIB (Kodominanz)
Blutgruppe 0: Genotyp ii
Tipp: Kodominanz und intermediärer Erbgang werden häufig verwechselt. Merke: Bei Kodominanz sind beide Merkmale voll ausgeprägt (z. B. Antigen A und B), bei Intermediärität entsteht eine Mischform (z. B. Rosa aus Rot und Weiß).
Beim dihybriden Erbgang werden zwei Merkmale gleichzeitig betrachtet. Voraussetzung ist, dass die zugehörigen Gene auf verschiedenen Chromosomen liegen (oder weit genug voneinander entfernt auf demselben Chromosom), sodass sie unabhängig voneinander vererbt werden (3. Mendelsche Regel, Unabhängigkeitsregel bzw. Regel der Neukombination).
Beispiel (Erbsen): Samenfarbe (gelb G dominant über grün g) und Samenform (rund R dominant über runzlig r).
Parentalgeneration (P): GGRR (gelb, rund) × ggrr (grün, runzlig).
F1-Generation: Alle Nachkommen sind GgRr (gelb, rund) – uniform gemäß der 1. Mendelschen Regel.
F2-Generation: Kreuzung GgRr × GgRr. Jeder Elternteil bildet vier verschiedene Gametentypen: GR, Gr, gR, gr. Die Kombination aller Gameten ergibt 16 mögliche Kombinationen, die im 4×4-Punnett-Quadrat dargestellt werden.
Kreuzung GgRr × GgRr – die vier Gametentypen jedes Elternteils werden kombiniert:
| GR | Gr | gR | gr
------+--------+--------+--------+--------
GR | GGRR | GGRr | GgRR | GgRr
------+--------+--------+--------+--------
Gr | GGRr | GGrr | GgRr | Ggrr
------+--------+--------+--------+--------
gR | GgRR | GgRr | ggRR | ggRr
------+--------+--------+--------+--------
gr | GgRr | Ggrr | ggRr | ggrr
Auswertung der 16 Felder:
9 gelb, rund (G_R_): GGRR, 2×GGRr, 2×GgRR, 4×GgRr
3 gelb, runzlig (G_rr): GGrr, 2×Ggrr
3 grün, rund (ggR_): ggRR, 2×ggRr
1 grün, runzlig (ggrr): ggrr
Das phänotypische Verhältnis in der F2 bei einem dihybriden Erbgang mit vollständiger Dominanz beträgt somit 9 : 3 : 3 : 1.
Tipp: Im Abitur wird häufig verlangt, das 4×4-Punnett-Quadrat aufzustellen und die Verhältnisse abzuzählen. Notiere dir zuerst die vier Gametentypen beider Eltern sorgfältig, bevor du das Quadrat füllst – so vermeidest du Flüchtigkeitsfehler.
Das 4×4-Punnett-Quadrat für einen dihybriden Erbgang. Bei AaBb × AaBb ergeben sich 16 Genotyp-Kombinationen mit dem phänotypischen Verhältnis 9:3:3:1.
Je nach Erbgang und Dominanzverhältnissen ergeben sich in der F2 unterschiedliche Aufspaltungsverhältnisse:
Monohybrid, dominant-rezessiv: Phänotyp 3 : 1, Genotyp 1 : 2 : 1.
Monohybrid, intermediär: Phänotyp 1 : 2 : 1, Genotyp 1 : 2 : 1.
Dihybrid, dominant-rezessiv: Phänotyp 9 : 3 : 3 : 1.
Diese Verhältnisse gelten als Erwartungswerte und setzen ideale Bedingungen voraus (große Nachkommenzahl, vollständige Dominanz bzw. Intermediärität, keine Kopplung, keine Selektion). In der Praxis können die tatsächlichen Zahlen aufgrund statistischer Schwankungen leicht abweichen.
Die Rückkreuzung (auch Testkreuzung) ist eine wichtige Methode, um den Genotyp eines Individuums mit dominantem Phänotyp zu bestimmen. Das Problem: Ein Organismus mit dominantem Phänotyp kann sowohl homozygot (AA) als auch heterozygot (Aa) sein – äußerlich ist kein Unterschied erkennbar.
Vorgehen: Das Individuum mit unbekanntem Genotyp wird mit einem homozygot rezessiven Individuum (aa) gekreuzt.
Auswertung:
Ist das Testindividuum homozygot dominant (AA): AA × aa → alle Nachkommen Aa (100 % dominanter Phänotyp).
Ist das Testindividuum heterozygot (Aa): Aa × aa → 50 % Aa (dominanter Phänotyp) und 50 % aa (rezessiver Phänotyp) – Verhältnis 1 : 1.
Treten in den Nachkommen also Individuen mit rezessivem Phänotyp auf, muss das Testindividuum heterozygot gewesen sein. Treten keine rezessiven Phänotypen auf (bei ausreichend großer Stichprobe), ist es sehr wahrscheinlich homozygot dominant.
Tipp: Die Testkreuzung wird im Abitur oft als Aufgabenstellung formuliert: „Beschreibe ein Experiment, mit dem du herausfinden kannst, ob das Individuum reinerbig oder mischerbig ist.“ Denke dann immer an die Kreuzung mit dem homozygot rezessiven Partner.
Aufgabe 1 (monohybrid): Bei einer Tomatensorte ist runde Fruchtform (R) dominant über ovale Fruchtform (r). Kreuze zwei heterozygote Pflanzen (Rr × Rr). Stelle das Punnett-Quadrat auf und gib die Genotypen- und Phänotypenverhältnisse in der F2 an.
Lösung:
| R | r
----+------+------
R | RR | Rr
----+------+------
r | Rr | rr
Genotyp: 1 RR : 2 Rr : 1 rr. Phänotyp: 3 rund : 1 oval.
Aufgabe 2 (dihybrid): Bei Meerschweinchen ist schwarzes Fell (S) dominant über weißes Fell (s) und kurzes Fell (K) dominant über langes Fell (k). Zwei doppelt heterozygote Tiere (SsKk × SsKk) werden gekreuzt. Welche phänotypischen Klassen treten in der F2 auf und in welchem Verhältnis?
Lösung: Die vier Gametentypen sind SK, Sk, sK, sk. Aus dem 4×4-Punnett-Quadrat ergeben sich:
9 schwarz, kurz (S_K_)
3 schwarz, lang (S_kk)
3 weiß, kurz (ssK_)
1 weiß, lang (sskk)
Verhältnis: 9 : 3 : 3 : 1.
Aufgabe 3 (Testkreuzung): Ein schwarzes Meerschweinchen soll daraufhin getestet werden, ob es homozygot (SS) oder heterozygot (Ss) ist. Beschreibe das Vorgehen und die erwarteten Ergebnisse.
Lösung: Das schwarze Meerschweinchen wird mit einem homozygot rezessiven weißen Tier (ss) gekreuzt.
Fall 1 (SS × ss): Alle Nachkommen sind Ss → alle schwarz.
Fall 2 (Ss × ss): 50 % Ss (schwarz), 50 % ss (weiß) → Verhältnis 1 : 1.
Treten weiße Nachkommen auf, war das Elterntier heterozygot (Ss).
Tipp: Arbeite bei Genetik-Aufgaben immer systematisch: (1) Definiere die Allele und ihre Dominanzverhältnisse, (2) bestimme die Genotypen der Eltern, (3) leite die Gameten ab, (4) erstelle das Punnett-Quadrat, (5) werte die Genotypen und Phänotypen aus. Mit dieser Vorgehensweise vermeidest du Fehler und erhältst die maximale Punktzahl.