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1、本节聚焦:l胚胎工程技术主要包括哪些内容？它们的原理分别是什么？l胚胎工程在生产实践中有哪些应用？选择性必修3/第2章/细胞工程/第3节 胚胎工程 胚胎工程技术及其应用试管动物 荷斯坦牛是产奶量很高的奶牛品种，原产于荷兰，但是一头荷斯坦牛的售价高昂。某公司从国外引进了一对纯种的荷斯坦牛，如何快速、大量繁殖引进的荷斯坦牛呢？荷斯坦牛 3万5万元动物细胞核移植试管牛 胚胎分割 试管动物是通过人工操作使卵子在体外受精，经培育发育为早期胚胎后，再进行移植产生的个体。涉及的胚胎工程技术：体外受精、体外胚胎培养、胚胎移植体外受精受体母牛(代孕)精子卵子早期胚胎发育胚胎移植受精卵 早期胚胎试管牛一、体外受精
2、1.步骤：主要包括卵母细胞的采集、精子的获取和受精等步骤。卵巢MII期卵母细胞成熟培养新鲜或解冻的精液精子离心处理卵母细胞的采集目的是除去精清以利于精子获能。精子的获取获能精子获能处理体外受精受精卵培养培养液共同培养受精 一般情况下，可以将获能的精子和培养成熟的卵子置于适当的培养液中共同培养一段时间，来促使它们完成受精。一、体外受精2.意义：是提高动物繁殖能力的有效措施，可以为胚胎移植提供可用胚胎。新鲜或解冻的精液卵巢M 期卵母细胞精子离心处理获能精子体外受精受精卵培养早期胚胎产生很多胚胎胚胎移植二、胚胎移植1.概念：指将通过体外受精及其他方式得到的胚胎，移植到同种的、生理状态相同的雌性动物体
3、内，使之继续发育为新个体的技术。3.胚胎来源:体外受精(有性生殖)体内受精(有性生殖)动物细胞核移植技术(无性生殖)胚胎分割(无性生殖)转基因动物(有性或无性生殖)2.供体和受体:提供胚胎的个体遗传性状优良，生产能力强产生具有优良遗传特性的胚胎选择标准：职能：有健康体质和正常繁殖能力承担繁重而漫长的妊娠和育仔任务(1)供体：(2)受体：接受胚胎的个体选择标准：职能：二、胚胎移植4.步骤:供体、受体的选择和处理配种或人工授精胚胎的收集胚胎的检查培养或保存胚胎的移植移植后的检查 优良供体母牛(遗传性状优良，生产能力强)受体母牛(有健康体质和正常繁殖能力)进行同期发情处理超数排卵处理发情配种或人工授
4、精优良公牛收集胚胎并检查正常繁殖或两三个月后进行另一次移植受体发情移植胚胎对受体进行妊娠检查具有优良性状的后代二、胚胎移植什么是同期发情处理？目的是什么？一般用激素(孕激素)处理；使供体和受体生殖器官的生理变化同步，目的是为供体的胚胎移入受体提供相同的生理环境。超数排卵的目的是什么？如何进行超数排卵？使一头母畜一次排出比自然情况下多许多的成熟卵子，用于配种或者人工授精，可获得多枚胚胎，经胚胎移植可得到多个后代。用外源促性腺激素处理供体母牛，诱发卵巢排出比自然情况下更多的成熟卵子。胚胎移植中的几个问题胚胎移植的生理学基础 不一定；一般情况下检验合格的胚胎需要移植到同种的、生理状态相同的受体子宫内
5、，胚胎才能继续发育。在胚胎移植前要对受体进行同期发情处理，使供体和受体生殖器官的生理变化同步，这样才能为供体的胚胎移入受体提供相同的生理环境。二、胚胎移植 结合图2-23，思考与讨论以下问题。1.将检验合格的胚胎移植到任何一个受体的子宫内，胚胎都能正常发育吗?如果不能，在胚胎移植前应该对受体进行怎样的处理?2.受体会不会对来自供体的胚胎发生免疫排斥反应?受体对来自供体的胚胎基本上不会发生免疫排斥反应。胚胎移植的生理学基础二、胚胎移植 3.胚胎移植后，经受体孕育的后代，其遗传特性与供体还是受体保持一致?为什么?胚胎移植后，经受体孕育的后代的遗传特性与供体保持一致。因为供体胚胎与受体子宫建立的仅是
6、生理和组织上的联系。其遗传物质在孕育过程中不会发生任何变化。4.胚胎移植实质上是早期胚胎在相同生理环境条件下空间位置的转移。你认为这样的概括正确吗?为什么?正确。因为胚胎移植的成功率与供体、受体生理环境条件的一致性密切相关。只有供体、受体生理环境条件高度一致，移入受体的胚胎才能被接受，并能继续发育。所以，我们可以把胚胎移植简单概括为早期胚胎在相同生理环境条件下空间位置的转移。二、胚胎移植胚胎移植的生理学基础生理学基 础 意义哺乳动物发情排卵后，不管是否妊娠，同种动物的供、受体生殖器官的生理变化是相同的为供体的胚胎移入受体提供了相同的生理环境哺乳动物早期胚胎形成后，在一定时间内不会与母体子宫建立
7、组织上的联系，而是处于游离状态为胚胎的收集提供可能受体对移入子宫的外来胚胎基本上不发生免疫排斥反应为胚胎在受体内的存活提供了可能供体胚胎可与受体子宫建立正常的生理和组织联系，但移入受体的供体胚胎的遗传特性，在孕育过程中不受任何影响（即遗传物质不会发生改变）为移植后的胚胎继续发育提供了营养等方面的保障，同时保留了遗传特性二、胚胎移植5.实质：早期胚胎在相同生理环境条件下空间位置的转移充分发挥雌性优良个体的繁殖潜力，大大缩短了供体本身的繁殖周期，增加供体一生繁殖后代的数量。(1)缩短了供体本身的繁殖周期，同时通过超数排卵和胚胎移植可获得比自然繁殖多十几倍到几十倍的后代;(2)可在短期内大幅度增加优
8、良个体母畜和公畜的后代数量，迅速扩大良种畜群，加速育种和品种改良。胚胎移植是胚胎工程的最终技术环节，还将推动胚胎工程其他技术的研究和应用。7.地位：6.意义:三、胚胎分割 早期胚胎细胞具有很强的分裂能力，并保持着细胞全能性，能不能将一个胚胎分割成几份，从而提高胚胎的利用率？机械方法早期胚胎2等份、4等份或8等份同卵双胎或多胎分裂能力细胞全能性无性繁殖、克隆1.概念：4.繁殖方式(实质)：。5.主要仪器设备：。采用_将_切割成_等，经移植获得_的技术。2.理论基础：早期胚胎细胞具有很强的，并保持着。3.胚胎分割产生后代的特点:后代具有 的遗传物质。相同体视显微镜和显微操作仪体视显微镜显微操作仪三
9、、胚胎分割6.操作程序：(1)选择发育良好、形态正常的桑椹胚或囊胚，移入盛有操作液的培养皿中。(2)在显微镜下用分割针或分割刀分割，在分割囊胚阶段的胚胎时，要注意将内细胞团均等分割；注意：对囊胚阶段胚胎进行分割时一定要均分内细胞团，若分割不均，会出现含内细胞团多的部分正常发育的能力强，少的部分发育受阻或发育不良，甚至不能发育等问题。(3)分割后的胚胎可直接移植给受体，或经体外培养后，再移植给受体。7.意义(优势)：(1)可以促进优良动物品种的繁殖;(2)产生的遗传性状相同的后代是进行遗传学研究的宝贵材料;(3)胚胎移植前进行性别鉴定、遗传病筛查等，对于人工控制动物性别、动物繁育健康后代具有重要
10、意义。8.胚胎分割的局限性 采用胚胎分割技术产生同卵多胎的可能性是有限的，分割次数越多，分割后胚胎成活的概率越小，目前仍然以二分胚胎的分割和移植效率最高。另外，还存在刚出生动物体重偏低，毛色、斑纹可能存在差异等问题。三、胚胎分割三、胚胎分割胚胎分割的发展简史 1978年，科学家将小鼠的桑椹胚一分为二，获得了成功。1979年，科学家分割绵羊胚胎获得了同卵羔羊。20世纪80年代后，人们建立了系统的胚胎分割法，并相继得到1/4和1/8分割胚胎后代。我国的胚胎工程专家也进行了分割胚胎移植的实验研究，成功地对小鼠、家兔、绵羊、山羊和牛等动物进行了分割胚胎移植，并将二分胚胎分割技术应用到牛和羊的胚胎移植中
11、。胚胎分割动物和体细胞核克隆动物的异同项目 胚胎分割动物 体细胞核克隆动物相同点都属于 或克隆，最终技术是_。不同点胚胎的来源雌性动物的早期胚胎或 及其他方式得到的胚胎通过 技术获得的重构胚遗传物质胚胎分割动物具有相同的遗传物质，两个亲本提供的核遗传物质一样多克隆动物的核遗传物质主要由 提供起点经过 或其他方式形成的一个细胞（受精卵）经过 技术形成的一个细胞无性繁殖 胚胎移植体外受精核移植供体细胞核受精作用核移植练习与应用一、概念检测 1.体外受精和胚胎移植都是在医学和农业 生产上应用较多的胚胎工程技术。判断下列相关 表述是否正确。(1)采集来的卵母细胞和精子可以直接用于体外受精。（）(2)经
12、胚胎移植产生的后代，其遗传特性与受体保持一致。（）(3)进行胚胎移植前，要对供体和受体进行免疫检査，以防止发生免疫排斥反应。（）练习与应用练习与应用 2.杜泊羊以其生长速度快、肉质好等优点，成为受广大消费者喜欢的绵羊品种。科研工作者通过胚胎工程快速繁殖杜泊羊的流程如下图所示。体外胚胎培养 胚胎移植(1)请将图中括号内的内容补充完整。(2)为了获得数量较多的卵母细胞，可以对雌性杜泊羊进行怎样的处理？可以对雌性杜泊羊进行超数排卵处理。(3)在进行体外受精操作之前，还要对获得的卵母细胞和精子进行怎样的处理？要对采集到的卵母细胞进行成熟培养，对采集到的精子进行获能处理。练习与应用练习与应用二、拓展应用
13、 北方白犀牛曾经广泛分布于非洲中部等地,但由于猖獗的盗猎和自然栖息地的丧失，它们的数量不断减少。2018年3月，世界上最后一头雄性北方白犀牛去世，该物种仅剩下两头雌性。在此之前，研究人员设法保存了北方白犀牛的精子。请回答下列问题。(1)我们可以使用哪些现代生物技术来人工繁育北方白犀牛？运用这些技术一定能繁育成功吗？请说出你的理由。可以使用人工授精、体外受精、胚胎移植、体细胞核移植等技术来人工繁育北方白犀牛。运用这些技术不一定能成功繁育北方白犀牛，因为任何一项技术都不能保证百分之百的成功率，何况现存的北方白犀牛数量极少。练习与应用练习与应用(2)如果繁育成功，这样人工繁育的种群与野生种群相比，有
14、什么区别？这样人工繁育的种群与野生种群相比，遗传多样性会降低，野外生存能力也会下降。(3)如果繁育不成功，这一物种将永远从地球上消失，从中我们能得到怎样的教训？多种多样的生物是生态系统的重要成员，是一个个独特的基因库。任何一个物种的灭绝都可能产生多米诺效应，使其他相关物种受到影响，进而威胁到生态系统的平衡与稳定。保护濒危的野生动物，保护生物多样性刻不容缓。练习与应用复习与提高一、概念检测1.若下图表示细胞工程操作中的某些过程,请回答下列问题。(1)如果A、B分别是白菜和甘蓝的原生质体，则C细胞再生出细胞壁后需要通过什么技术才能发育成杂种植株“白菜-甘蓝”？若白菜和甘蓝杂交产生了子代，该子代是否
15、可育？为什么？植物组织培养技术 白菜和甘蓝杂交产生的子代没有同源染色体，进行减数分裂时联会发生紊乱，不能形成正常的配子，所以该子代一般不可育。复习与提高一、概念检测1.若下图表示细胞工程操作中的某些过程,请回答下列问题。(2)若该图表示抗丙肝病毒的单克隆抗体制备过程中的一环，A细胞是小鼠骨髓瘤细胞，则B细胞表示什么？符合要求的C细胞应具有哪些特点？B淋巴细胞 能大量增殖并能产生抗丙肝病毒的抗体。(3)如果A、B分别是取自优良奶牛的卵细胞和精子，在进行体外受精时，一般要把A细胞培养到什么时期？B细胞则要经过什么处理才能与A细胞结合为受精卵？减数分裂中期(M期)获能处理复习与提高 2.2015年1
16、0月，我国科学家屠呦呦因发现青蒿素可以有效降低疟疾患者的死亡率而获得了诺贝尔生理学或医学奖。青蒿素类药物的市场需求很大，请你根据所学内容及以下信息，提出一条提高青蒿素类药物产量的研究思路。（1）青蒿素的衍生物双氢青蒿素也是很好的抗疟疾药物，并且它的药物活性比青蒿素的高很多；（2）青蒿素是从黄花蒿中提取的，在黄花蒿产生青蒿素的代谢过程中，某些酶（如FPS酶）起决定性作用；（3）野生黄花蒿在生长过程中，处于花蕾期时体内青蒿素含量最高；（4）研究人员在对黄花蒿进行组织培养时，发现它的愈伤组织中没有青蒿素，但是由愈伤组织再分化形成的芽和苗中均有青蒿素；（5）四倍体黄花蒿体内青蒿素的含量比二倍体高38%
17、，但四倍体植株比二倍体植株矮小很多。复习与提高 2.2015年10月，我国科学家屠呦呦因发现青蒿素可以有效降低疟疾患者的死亡率而获得了诺贝尔生理学或医学奖。青蒿素类药物的市场需求很大，请你根据所学内容及以下信息，提出一条提高青蒿素类药物产量的研究思路。用基因工程技术将青蒿素基因或双氢青蒿素基因导入微生物，利用微生物合成青蒿素；用植物组织培养技术，将外植体脱分化形成愈伤组织，再诱导愈伤组织再分化成胚状体，获取青蒿素；将FPS酶基因作为目的基因插入农杆菌T-DNA中，用农杆菌转化法导入青蒿素细胞，整合到青蒿素染色体DNA上，再利用植物组织培养获得FPS酶基因表达能力强、青蒿素产量高的品种；用秋水仙
18、素处理黄花蒿种子或幼苗使之成为四倍体，获取青蒿素。或采用其他合理方法。复习与提高 3.在章首页中介绍的体细胞克隆猴的培育过程中，我国科学家经过多年的反复实验，可以在10s之内对卵母细胞进行去核操作，在15s之内将体细胞注入去核的卵母细胞里。有评论者认为：该研究的研究者利用“聪明的化学方法和操作技巧”，攻克了多年来导致体细胞克隆猴失败的障碍。培育克隆猴的流程如下图所示，请结合图回答问题。(1)研究人员在将胎猴的体细胞注入去核的卵母细胞前，用灭活的仙台病毒进行了短暂处理。在此过程中，灭活的仙台病毒所起的作用是什么？诱导细胞融合(2)为了调节相关基因的表达，提高胚胎的发育率和妊娠率，研究人员将组蛋白
19、去甲基化酶 Kdm4d的mRNA注入了重构胚，同时用组蛋白脱乙酰酶抑制剂TSA处理了它。这两种物质发挥作用的机制是什么？这两种物质都是通过改变组蛋白的表观遗传修饰来调控基因表达。组蛋白去甲基化酶Kdm4d的mRNA可以表达组蛋白去甲基化酶，该酶能降低组蛋白的甲基化水平；组蛋白脱乙酰酶抑制剂TSA可以抑制组蛋白脱乙酰酶的作用，提高组蛋白的乙酰化水平。复习与提高 3.培育克隆猴的流程如下图所示，请结合图回答问题。(3)评论者所说的培育过程中用到的“聪明的化学方法和操作技巧”，你认为具体体现在什么地方？“聪明的化学方法”是指对重构胚的处理用了TSA以及将组蛋白去甲基化酶Kdm4d的mRNA注人了重构
20、胚，这可以促进囊胚的发育和提高代孕母猴的妊娠率。“操作技巧”是指科学家经过大量的训练，能在10s内完成对卵母细胞的去核操作，能在15s内将体细胞注入去核的卵母细胞，这样迅速的操作大大减少了对卵母细胞的损伤。复习与提高 3.培育克隆猴的流程如下图所示，请结合图回答问题。(4)你认为体细胞克隆猴的成功培育有什么意义？由于猴与人的亲缘关系极近，培育大批具有相同遗传背景的克隆猴，对人类疾病致病机制的研究和新药的研发等具有重要意义。特别是在脑研究方面，克隆猴的培育将大大促进人类脑疾病的研究和治疗。克隆猴的成功培育标志着我国在非人灵长类疾病动物模型研究方面处于国际领先水平。复习与提高 3.培育克隆猴的流程如下图所示，请结合图回答问题。