Kernphasenwechsel und Lebenszyklustypen
Wo die Meiose im Lebenszyklus der Eukaryoten auftritt, wie Meiose und Befruchtung Haplophase und Diplophase verbinden und wie sich daraus Haplonten, Diplonten und Diplohaplonten ergeben.
Das Wichtigste in Kürze
- Der Kernphasenwechsel ist der Übergang zwischen Haplophase (\(n\)) und Diplophase (\(2n\)), bewirkt durch Meiose und Befruchtung.
- Meiose kommt bei allen sexuell fortpflanzenden Eukaryoten vor und bildet Gameten oder Meiosporen. Bakterien, Kambium, Parenchym, vegetative Vermehrung und Mitosporen arbeiten ohne Meiose.
- Mitose und S-Phase verändern die Zahl der Chromosomensätze nicht, die Diplophase entsteht nur durch Befruchtung.
- Bei Haplonten ist nur die Zygote diploid, der Phänotyp entspricht dem Genotyp wegen des einfachen Satzes. Bei Diplonten wie dem Menschen erfolgt die Meiose bei der Gametenbildung.
- Bei Farnen dominiert der Sporophyt, der Gametophyt heißt Prothallium. Bei Moosen ist die grüne Pflanze der Gametophyt.
Worum es geht
Jeder sexuelle Lebenszyklus pendelt zwischen einfachem und doppeltem Chromosomensatz. Ob ein Organismus überwiegend haploid oder diploid lebt, hängt davon ab, wann die Meiose stattfindet. Das brauchst du, um Pflanzen, Pilze und Algen der Arzneipflanzenkunde biologisch einzuordnen.
Vorkommen der Meiose
Die Meiose halbiert den Chromosomensatz (Ablauf der Meiose). Sie tritt bei allen Eukaryoten mit sexueller Fortpflanzung auf, also bei Tieren, Pflanzen, Pilzen und Algen. Sie ist damit nicht auf Samenpflanzen, Sporenbildner oder Organismen mit Generationswechsel beschränkt. Bakterien pflanzen sich nicht sexuell fort und besitzen keine Meiose.
Die Meiose liefert zwei Arten haploider Zellen:
- Gameten: Geschlechtszellen mit einfachem Chromosomensatz. Beim Menschen entstehen Ei- und Spermazellen direkt durch Meiose.
- Meiosporen: Sporen, die aus einer Meiose hervorgehen, typisch für Moose und Farne.
Die Meiose bildet Gameten, sie teilt aber keine Gameten. Bei Pflanzen entstehen die Gameten oft erst später durch Mitose im haploiden Gametophyten. Bei der Gametenbildung kann also eine Meiose ablaufen, sie muss es aber nicht.
Wachstum und ungeschlechtliche Vermehrung beruhen auf Mitose. Das gilt für das Kambium beim sekundären Dickenwachstum, für das Blattparenchym und für vegetative Vermehrung über Ausläufer oder Stecklinge. Auch Mitosporen wie die Konidien vieler Pilze entstehen mitotisch.
Meiose gehört zur sexuellen Fortpflanzung aller Eukaryoten und erzeugt Gameten oder Meiosporen. Das wird im Examen gerne gefragt. Achte darauf, dass Kambium, Parenchym, vegetative Vermehrung und Mitosporen ausschließlich auf Mitose beruhen.
Haplophase und Diplophase
Im Lebenszyklus wechseln sich zwei Kernphasen ab. In der Haplophase enthält jeder Kern einen Chromosomensatz (\(n\)), in der Diplophase zwei (\(2n\)).
Der Übergang zwischen Haplophase und Diplophase. Die Meiose führt von \(2n\) nach \(n\), die Befruchtung mit Bildung der Zygote von \(n\) nach \(2n\).
Die Mitose verändert die Zahl der Chromosomensätze nicht. Auch der Übergang vom Interphasenkern zum Mitosekern ist daher kein Kernphasenwechsel. Die Replikation in der S-Phase verdoppelt nur die Chromatiden je Chromosom. Ein diploider Kern bleibt dabei \(2n\). Die Diplophase entsteht allein durch Befruchtung.
Befruchtung bedeutet die Verschmelzung zweier haploider Gameten. Davon zu unterscheiden ist die somatische Hybridisierung, bei der man Körperzellen künstlich fusioniert, etwa Protoplasten.
Jede sexuelle Fortpflanzung ist so mit einem Kernphasenwechsel verbunden. Folgen dabei eine sporenbildende und eine gametenbildende Generation aufeinander, spricht man vom Generationswechsel. Ist er mit dem Kernphasenwechsel gekoppelt, heißt er heterophasisch.
Lebenszyklustypen
Welcher Lebenszyklustyp vorliegt, entscheidet der Zeitpunkt der Meiose relativ zur Befruchtung.
| Typ | Meiose | Diploid | Haploid | Beispiele |
|---|---|---|---|---|
| Haplont | direkt nach der Zygotenbildung | nur die Zygote | alle übrigen Stadien | Chlamydomonas, viele Pilze |
| Diplont | bei der Gametenbildung | alle Körperzellen | nur die Gameten | Mensch, Tiere, Fucus |
| Diplohaplont | intermediär, bei der Sporenbildung | Sporophyt | Gametophyt | Moose, Farne, Ulva |
Bei Haplonten liegt jedes Gen nur einmal vor. Jedes Allel prägt sich daher unmittelbar aus, der Phänotyp entspricht direkt dem Genotyp. Das beruht auf dem einfachen Chromosomensatz, nicht auf Homozygotie. Homozygot kann nur ein Organismus mit zwei Allelen je Gen sein.
Höhere Organismen sind meist Diplonten. Beim Menschen sind nur Ei- und Spermazellen haploid. Trotzdem findet auch hier ein Kernphasenwechsel statt, nur ist die Haplophase extrem kurz.
Bei Diplohaplonten wechseln diploide und haploide Generation. Beide können selbständige, unterschiedlich gestaltete Individuen sein.
Moose und Farne
Moose und Farne sind Diplohaplonten. Der diploide Sporophyt bildet in Sporangien durch Meiose die Meiosporen. Aus ihnen wächst der haploide Gametophyt, der seine Gameten mitotisch bildet. Die Meiose findet also nie im Gametophyten statt.
Bei Farnen dominiert der Sporophyt, die eigentliche Farnpflanze. Der kleine Gametophyt heißt Prothallium. Bei isosporen Farnen trägt er meist männliche und weibliche Organe, ist also bisexuell. Bei Moosen ist es umgekehrt: Die grüne Moospflanze ist der Gametophyt, die aufsitzende Sporenkapsel der Sporophyt.
Das Prothallium entspricht daher der Moospflanze und ist dem Moossporophyten nicht homolog. Staub- und Fruchtblätter der Samenpflanzen sind den Mikro- und Megasporophyllen heterosporer Farne homolog. Einzelheiten findest du beim Generationswechsel der Landpflanzen.
Quiz
Aussage 1
Die DNA-Replikation in der S-Phase macht aus einem haploiden Kern einen diploiden Kern.
Die S-Phase verdoppelt nur die Chromatiden je Chromosom, die Zahl der Chromosomensätze bleibt gleich. Die Diplophase entsteht durch Befruchtung.
Aussage 2
Das Prothallium der Farne ist der haploide Gametophyt.
Bei Farnen dominiert der diploide Sporophyt, der kleine haploide Gametophyt heißt Prothallium.
Aussage 3
Bei Haplonten entspricht der Phänotyp unmittelbar dem Genotyp, weil jedes Gen nur einmal vorliegt.
Haplonten sind außer der Zygote haploid. Jedes Allel prägt sich direkt aus, Homozygotie ist dafür nicht der Grund.
Aussage 4
Die Zellen des Kambiums teilen sich beim sekundären Dickenwachstum meiotisch.
Kambiumzellen teilen sich mitotisch. Meiose gehört zur sexuellen Fortpflanzung und bildet Gameten oder Meiosporen.
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