Hessisches Kultusministerium Landesabitur 2019 
Biologie Thema und Aufgabenstellung 
Leistungskurs Vorschlag B1 
Seite 1 von 6Hinweise für den Prüfling 
 
Bearbeitungszeit (insgesamt): 300 Minuten 
 
 
Auswahlverfahren 
Wählen Sie aus den Aufgabengruppen A und B jeweils einen der beiden vorliegenden Vorschläge zur 
Bearbeitung aus. Die nicht ausgewählten Vorschläge werden 60 Minuten nach Beginn der Bearbei-
tungszeit von der Aufsicht führenden Lehrkraft eingesammelt. 
 
 
Erlaubte Hilfsmittel 
1. ein Wörterbuch der deutschen Rechtschreibung 
2. ein eingeführter Taschenrechner (Bei grafikfähigen Rechnern und Computeralgebrasystemen ist 
ein Reset durchzuführen.) 
3. eine Liste der fachspezifischen Operatoren 
 
 
Sonstige Hinweise 
keine 
  
In jedem Fall vom Prüfling auszufüllen 
 
 
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Prüferin/Prüfer:   Datum:

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Biologie Thema und Aufgabenstellung 
Leistungskurs Vorschlag B1 
Seite 2 von 6Genetik und Gentechnik 
Genome-Editing in der Pflanzenzucht 
 
Aufgabe 
 
1 Beschreiben Sie das Prinzip der Vermehrung eines DNA-Virus. 
(6 BE) 
 
 
2 Beschreiben und erläutern Sie die einzelnen Phasen des Wirkmechanismus des prokaryotischen 
Abwehrsystems CRISPR/Cas9. (Material 1) 
(20 BE) 
 
 
3 Erklären Sie, wodurch verhindert wird, dass in der Interferenzphase (Abbildung 1.2, Phase C) 
auch das bakterielle Genom selbst zerstört wird. (Material 1) 
(6 BE) 
 
 
4 Erklären Sie anhand der Materialien 1 und 2.2, wie der CRISPR/Cas9-Komplex (Abbil- 
dung 1.3) aufgebaut sein muss, sodass er als gentechnisches Werkzeug Sequenzen auch in ande-
rer DNA gezielt schneiden kann. (Material 1 und 2)  
(6 BE) 
 
 
5 Beurteilen Sie anhand des dargestellten Beispiels das Verfahren des Genome-Editing im Ver-
gleich zur Mutagenesezüchtung. (Material 2) 
(12 BE)

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Leistungskurs Vorschlag B1 
Seite 3 von 6Material 1 
Abwehrmechanismus von Bakterienzellen gegenüber Phageninfektionen 
Viele Lebewesen sind den Angriffen von Parasiten ausgesetzt. Im einfachsten Fall handelt es sich da-
bei um Viren, die Bakterien befallen (Bakteriophagen). Die Wirte sind solchen Angreifern jedoch 
nicht schutzlos ausgeliefert, sondern haben im Laufe der Evolution mitunter hochwirksame Gegen-
maßnahmen zu ihrer Verteidigung entwickelt. So verfügen bereits Bakterien über ein zelluläres Ab-
wehrsystem, das sogenannte CRISPR/Cas9-System.  
Der CRISPR-Bereich in bakterieller DNA wurde bereits in den 80er Jahren aufgrund seiner auffälli-
gen Sequenzen entdeckt (Abbildung 1.1): Zwischen Repeats (kurzen Sequenz-Wiederholungen) liegen 
sogenannte Spacer (Abstandshalter). Diese Spacer enthalten bemerkenswerterweise DNA-Sequenzen, 
wie sie in Phagen vorkommen, und ihre Anzahl steht offensichtlich mit der Häufigkeit überstandener 
viraler Attacken in Zusammenhang. Sie stellen daher eine Art Archiv parasitärer Phagen-DNA im 
Wirtsgenom dar. Das abgebildete Beispiel (Abbildung 1.2) zeigt die Infektion durch einen vierten 
Phagentyp, sodass am Ende der Phase A vier verschiedene Spacer vorliegen. 
In unmittelbarer Nähe der CRISPR-Sequenzen liegen weitere DNA-Bereiche, die für den Abwehrme-
chanismus von entscheidender Bedeutung sind, darunter mehrere Cas-Gene, die in Cas-Proteine über-
setzt werden. Diese Proteine sind u.a. für die Erkennung fremder DNA verantwortlich oder können als 
Endonukleasen DNA-Stränge schneiden. In der viralen DNA wurde außerdem vor dem sogenannten 
Protospacer immer ein charakteristisches Basen-Triplett gefunden, das als PAM bezeichnet wird. 
 
 
Abbildung 1.1 
Bakterielles CRISPR/Cas9-DNA-System (vor Infektion mit Phagentyp 4) 
 
 
Fortsetzung Material 1 siehe nächste Seiten

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Leistungskurs Vorschlag B1 
Seite 4 von 6Abbildung 1.2 
Details der drei Phasen der prokaryotischen Abwehrreaktion 
 
Erläuterungen: 
A Immunisierungsphase: Nach der Phageninfektion wird in den CRISPR-DNA-Bereich ein neuer 
Spacer eingefügt. 
B Expressions- und Prozessierungsphase: Bildung eines funktionsfähigen  
CRISPR-Cas9-Komplexes. 
C Interferenzphase: Die eingedrungene Phagen-DNA wird zerstört. 
 
 
Fortsetzung Material 1 siehe nächste Seite

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Leistungskurs Vorschlag B1 
Seite 5 von 6Abbildung 1.3 
Detailansicht des bakteriellen CRISPR/Cas9-Komplexes 
 
 
 
Material 2 
Züchtung von Gurken auf Virus-Resistenz 
2.1 Mutagenesezüchtung 
Die klassische Züchtung beruht in der Regel darauf, dass aus natürlich vorkommenden Varianten einer 
Pflanzensorte A diejenigen Individuen mit der gewünschten Eigenschaft ausgewählt werden (hier z.B. 
Pflanzen mit Virus-Resistenz, die aber nur kleine Früchte tragen) und durch mehrfach wiederholtes 
kontrolliertes Kreuzen versucht wird, die gewünschte Eigenschaft auf eine bestehende Kulturpflanze B 
(hier z.B. eine Pflanze mit besonders großen und schmackhaften Früchten, aber ohne Virus-Resistenz) 
zu übertragen und diese weiter zu kultivieren. 
Um allgemein die Mutationsrate und damit gleichzeitig die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass die 
gewünschte Genvariation auftritt, werden die Pflanzen der Sorte A außerdem radioaktiver Strahlung 
oder Mutationen auslösenden Chemikalien ausgesetzt (Mutagenese). 
Bei der Kreuzung der Sorten A und B wird aber nicht nur das gewünschte Gen der Sorte A auf Sorte B 
übertragen, sondern zusätzlich weitere DNA-Bereiche. Durch weiteres Kreuzen dieser Hybriden 
(Mischformen) mit den gewünschten Eigenschaften untereinander verringert sich typischerweise über 
Generationen nach und nach der DNA-Anteil der Sorte A für unerwünschte Eigenschaften. Allerdings 
ist der verbleibende DNA-Bereich noch deutlich größer als das für die gewünschte Eigenschaft verant-
wortliche Gen und kann auch unerwünschte weitere Gene enthalten.

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Leistungskurs Vorschlag B1 
Seite 6 von 62.2 Genome-Editing mit dem CRISPR/CAS9-System 
2012 fanden die Wissenschaftlerinnen Charpentier und Doudna heraus, dass im CRISPR/Cas9-Kom-
plex die crRNA durch eine beliebige andere RNA-Sequenz ersetzt und direkt mit der tracr-RNA zu 
einem einzigen Molekül verbunden werden kann, was als Leit-RNA bezeichnet wird. Ein solcher ver-
änderter CRIPSR/Cas9-Komplex entwickelt dann in jedem beliebigen Zelltyp, auch in Eukaryoten, 
eine entsprechende Nuklease-Aktivität, sofern die Zielsequenz in der Nähe eines PAM-Tripletts liegt. 
Wenn die Zelle diesen Doppelstrangschnitt repariert, kommt es häufig zu zufälligen Veränderungen in 
der Basenabfolge, wodurch ein dort vorhandenes Gen funktionslos werden kann („knock out“). Auf 
diese Weise können daher gezielt Gene außer Funktion gesetzt werden. Obwohl diese Methode sehr 
spezifisch ist, schneidet die Endonuklease Cas9 gelegentlich aber auch an anderen Stellen. 
 
Genome-Editing am Beispiel der Entwicklung einer virusresistenten Gurkensorte