生物人教版选修3学案3-3胚胎工程的应用及前景

3．3胚胎工程的应用及前景知识点一胚胎移植1．胚胎移植的概念：将雌性动物的早期胚胎，或者通过体外受精及其他方式得到的胚胎，移植到同种的、生理状态相同的其他雌性动物的体内，使之继续发育为新个体的技术。(1)供体：提供胚胎的个体。(2)受体：同种的、生理状态相同的其他雌性动物。(3)本质：生产胚胎的供体和孕育胚胎的受体共同繁殖后代的过程。(4)地位：是胚胎工程技术的终端环节。说明：①胚胎分割移植为无性生殖。②胚胎移植是有性生殖还是无性生殖，取决于胚胎是由受精卵形成的，还是由核移植技术形成的重组细胞发育而成或胚胎分割形成的。2．胚胎移植的生理学基础3.下面的流程图表示胚胎移植的基本程序：注意问题：(1)同期发情：激素处理供体、受体母牛，使它们的生理条件达到同步或一致，这样才能使移植的胚胎移入受体后有相同或相似的生存条件，这是胚胎移植成功与否的关键。(2)各个受精卵的遗传物质可能不同，因为每个受精卵是由不同的精子与卵细胞结合形成的，在形成精子与卵子的过程中发生了基因重组。4．胚胎移植的意义：可以充分发挥雌性优良个体的繁殖潜力。(1)良种畜群迅速扩大，加速了育种工作和品种改良；(2)胚胎移植不受时间、地域限制，节省了购买种畜的费用；(3)在肉用家畜的生产中，一次给受体移入多个胚胎，可增加双胎和多胎的比例；(4)利用胚胎冷冻保存技术，建立胚胎库，保存品种资源和濒危物种。胚胎移植成功的两个条件1．胚胎移植一般应在同种的雌性供体和受体之间进行。这是因为，同种动物之间的生理特征相近，进行胚胎移植易于成功。在这里同“种”是指同“物种”。2．进行胚胎移植的供体和受体的生理状态要相同。【典题精练1】下列符合胚胎移植生理学基础的是()A．供、受体的发情时间要一致，才能使胚胎在移植前后所处的生理环境保持一致B．供体胚胎移入受体子宫的位置，应与在供体内的位置相同或相似C．受体子宫与外来胚胎发生排斥反应，是胚胎移植过程中很难克服的问题D．胚胎移植产下的个体在质基因控制上与受体母亲相似【解析】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。它能否成功，与供体和受体的生理状况有关。一，受体和供体的发情时间要一致，才能使胚胎在移植前后所处的生理环境保持一致，这样为供体的胚胎移入受体提供了相同的生理环境。二，受体对移入子宫的外来胚胎基本上不发生免疫排斥反应，这为胚胎在受体内的存活提供了可能。三，供体胚胎移入受体子宫的位置，可能与在供体内的位置相同或相似。四，供体胚胎与受体子宫建立正常的生理和组织联系是最关键的，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。【答案】A【典题精练2】自然情况下，牛的生育率很低，通过现代科技手段，可以实现良种牛的快速繁殖。请按照提示，回答下列问题。(1)使一头良种雄性黄牛，在一年内繁殖数百头后代，最简便的方法是________。(2)现有一头良种雌性黄牛，采用胚胎移植的方法，可使这头良种牛一年生下数十头自己的后代。其操作过程中需要用激素对该良种母牛(供体)和代孕母牛(受体)进行________处理；还要用激素使供体母牛________。胚胎收集的过程也叫做________。用于移植的胚胎应发育到________阶段。(3)采用试管动物技术还可以使普通雌性黄牛产下奶牛、良种肉牛等不同品种小牛。该技术中首先要做的是体外受精和________。体外受精主要包括________、________和________等几个主要步骤。【解析】使良种雄性黄牛扩大繁殖数量，可取其精子进行人工授精。使良种雌性黄牛扩大繁殖数量，可用胚胎移植。试管动物技术可将早期胚胎移植到普通雌性黄牛子宫内，所生小牛由胚胎决定，与受体普通雌性黄牛无关。该过程包括体外受精、早期胚胎培养、胚胎移植等过程。【答案】(1)人工授精(2)同期发情超数排卵冲卵桑椹胚或囊胚(3)早期胚胎培养卵母细胞的采集和培养精子的采集和获能受精知识点二胚胎分割1．胚胎分割的概念：是指采用机械方法将早期胚胎切割成2等份、4等份或8等份等，经移植获得同卵双胎或多胎的技术。注意：①同一胚胎经分割移植形成的后代具有相同的遗传物质，该过程中没有减数分裂、有性生殖细胞的形成、有性生殖细胞的结合，属于无性繁殖或克隆。②胚胎分割应选取桑椹胚或囊胚时期的胚胎。在对囊胚阶段的胚胎进行分割时，要将内细胞团均等分割，否则会影响分割后胚胎的恢复和进一步发育。2．胚胎分割的基本操作(1)主要仪器设备：实体显微镜和显微操作仪。(2)基本操作过程：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，用分割针或分割刀进行分割。3．胚胎分割的现状和意义(1)现状：已在多种动物如小鼠、家兔、绵羊等中取得成功，但仍存在一些问题，如刚出生的动物体重偏低，毛色和斑纹上还存在差异等。目前，最常见的是经分割产生的同卵双胎，而同卵多胎成功的比例都很小。(2)意义：提高了胚胎的利用率。注意：采用胚胎分割技术产生同卵多胎的可能性是有限的，分割的份数越多，技术的难度越大，移植后胚胎的恢复和发育的难度也越大，移植成功率自然会降低。(1)在胚胎分割时，要选择发育良好的、形态正常的桑椹胚或囊胚，并做到均等分割。(2)理论基础和物质基础：细胞的全能性和每个细胞核内具有相同的遗传物质。(3)胚胎分割的基本过程(牛胚胎性别鉴定和囊胚期分割实例)囊胚(初步分化)eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(滋养层单层扁平细胞→性别鉴定,内细胞团→已知性别的个体,↓,均分→多个胚胎→多个相同遗,传特性个体))将发育良好的胚胎移入盛有培养液的培养皿中，在显微镜下用分割针或分割刀把胚胎分割开，或者采用酶处理等方式将卵裂球中的细胞分散开；分割的胚胎或细胞直接移植给受体，或注入预先准备好的空透明带中，再移植到受体内。【典题精练3】关于胚胎分割，以下说法正确的是()A．胚胎分割移植可产生基因型完全相同的新个体B．胚胎分割次数越多，产生的新个体也越多C．胚胎分割移植属于有性生殖D．胚胎分割若在囊胚期，内细胞团要均等分割，滋养层也要均等分割，否则不易成功【解析】胚胎分割是将早期胚胎的内细胞团用机械方法均等分割成等份，但次数不能太多，否则由于切割时的损伤或营养物质过少，细胞不能发育；由于胚胎分割属于无性繁殖，故基因型不变。【答案】A解题归纳对个体进行早期性别鉴定的方法滋养层细胞与内细胞团细胞都是由受精卵发育而来的，因而二者的染色体与遗传物质相同，故通过滋养层可鉴别内细胞团细胞的染色体组成，从而知道个体的性别。【典题精练4】如图所示为经过体外受精和胚胎分割移植培育优良奶牛的过程，请回答下列问题：(1)A细胞是________，在进行体外受精前要对精子进行________处理。(2)进行胚胎分割时，应选择发育到________阶段的胚胎进行操作。(3)②指的是______________；操作1指的是______________。(4)通过胚胎分割产生的两个或多个个体具有相同遗传性状的根本原因是__________________________。胚胎分割提高了________。(5)在对囊胚阶段的胚胎进行分割时，应注意________。(6)受体母牛必须和供体牛属于________。移植后的胚胎能在受体子宫中存活的生理基础是__________________。【解析】将获能的精子与处于减数第二次分裂中期的次级卵母细胞融合可得到受精卵，受精卵经过体外培养形成早期胚胎。为了提高胚胎利用率可以采用胚胎分割技术，即选择发育良好、形态正常的桑椹胚或囊胚进行分割，分割后的胚胎发育成的个体所含的遗传物质相同，所以遗传性状表现相同。在对囊胚阶段的胚胎进行分割时，要注意将内细胞团均等分割，否则会影响分割后胚胎的恢复和进一步发育。同时，可取样滋养层(③)做DNA分析性别鉴定。大量的研究已经证明，受体对移入子宫的外来胚胎基本上不发生免疫排斥反应，这为胚胎在受体内的存活提供了可能。【答案】(1)(次级)卵母细胞获能(2)桑椹胚或囊胚(3)囊胚腔做DNA分析性别鉴定(4)具有相同的遗传物质胚胎的利用率(5)将内细胞团均等分割(6)同一物种受体对移入子宫的外来胚胎基本上不发生免疫排斥反应知识点三胚胎干细胞1．胚胎干细胞的来源从早期胚胎或原始性腺中分离而来，简称ES或EK细胞。2．胚胎干细胞的特点(1)形态上：体积小、细胞核大、核仁明显。(2)功能上：具有发育的全能性，可分化为成年动物体内任何一种组织细胞。(3)在体外培养的条件下，可以增殖而不发生分化。对它可进行冷冻保存，也可进行遗传改造。1．干细胞种类：类别特点来源或举例应用全能干细胞具有形成机体的任何组织或器官直至形成完整个体的潜能桑椹胚细胞或囊胚细胞及早期胚胎细胞，受精卵，胚胎干细胞用于病人的器官移植等多能干细胞具有分化成多种细胞或组织的潜能，但不能发育成完整的个体内细胞团细胞、原始性腺细胞、造血干细胞造血干细胞移植是治疗血液系统疾病、遗传性血液病等的有效手段专能干细胞只能分化成某一种类型或功能密切相关的两种类型的细胞骨髓干细胞、皮肤生发层细胞、神经干细胞通过神经干细胞移植治疗脑瘫、头颅外伤等病症2.胚胎发育过程中不同干细胞发育分化过程：受精卵→全能干细胞→多能干细胞→专能干细胞3．干细胞的获得途径：(1)从体外培养的早期胚胎获得；(2)从早期流产的胎儿获得；(3)从克隆的胚胎获得；(4)从成体获得。【典题精练5】下列关于胚胎干细胞的叙述，哪项是不正确的()A．动物胚胎的每一个细胞都是胚胎干细胞B．胚胎干细胞具有分化为动物各种组织的潜能C．胚胎干细胞的遗传物质在质和量上与受精卵相同D．胚胎干细胞在体外可被诱导分化为不同的组织类型【解析】本题考查胚胎干细胞的来源和特点，解题关键是明确胚胎干细胞的来源是早期胚胎或原始性腺。胚胎干细胞是从早期胚胎或原始性腺中分离出来的一类细胞；由于胚胎干细胞具有发育的全能性，可在体外培养时分化为不同的机体组织；胚胎干细胞是受精卵经有丝分裂形成的，其遗传物质与受精卵相同。【答案】A解题归纳胚胎发育过程中，随着细胞分化程度的提高，细胞的全能性逐渐受到限制，因此，胚胎干细胞的来源不是任何时期的胚胎，只能是早期胚胎。【典题精练6】科学家在人体皮肤细胞中移植了胚胎干细胞(ES细胞)中能高度表达并决定其“发育全能性”的多个基因，使其成为“万能细胞”。现将上述细胞植入小鼠身体内，植入的细胞便长成了“肿瘤”。请回答下列问题：(1)体外培养“万能细胞”需要配制营养液，通常要在合成培养基中添加________等一些天然成分。当细胞分裂生长到细胞表面相互接触时就停止分裂，这种现象称为细胞的________。研究发现，此类细胞进行体外培养不能获得动物器官，这是因为________________________。(2)小鼠的“肿瘤”中出现了多种功能的组织和器官，类似于“器官移植”。为保住“肿瘤”，需要用到去除________(器官)的小鼠，因为该类小鼠________________________。该过程研究的意义在于解决临床上________等问题。(3)基因工程中常采用ES细胞作为________细胞，因为ES细胞在加入分化诱导因子后可培养成________________________________。【解析】(1)在使用合成培养基培养动物细胞时，通常需加入血清、血浆等一些天然成分。培养液中的细胞分裂生长到细胞表面相互接触时就停止分裂，这种现象称为细胞的接触抑制。由于此类细胞在体外培养条件下只增殖而不发生分化，所以此类细胞在体外培养时不能获得动物器官。(2)由于“万能细胞”在植入的小鼠身体上长成了“肿瘤”，而“肿瘤”中出现了多种功能的组织和器官，这些组织和器官对小鼠来说是“异物”，可引发小鼠的免疫排斥反应。若要在小鼠体内获得这些组织和器官，需要降低小鼠的特异性免疫反应，故可以去除胸腺获得免疫缺陷小鼠。用这种技术获得的人体组织和器官，一方面解决了供体器官来源不足的问题，另一方面也避免了器官移植后的免疫排斥问题。(3)胚胎干细胞(ES细胞)可以从早期胚胎或原始性腺中分离出来，其在功能上具有发育的全能性，所以加入分化诱导因子后可以发育成各种组织器官。【答案】(1)动物血清(血浆)接触抑制此类细胞在体外培养条件下可以增殖而不发生分化(2)胸腺不能形成T细胞，不发生细胞免疫，不会对移植的组织或器官发生免疫排斥供体器官不足和器官移植后发生免疫排斥(3)受体各种组织器官一、选择题1．下列对于优良种畜的胚胎移植的说法，不正确的是(B)A．供体母牛必须是同一物种的良种B．受体母牛必须是同一物种的良种C．供体公牛必须是同一物种的良种D．受体母牛可以是同物种的一般健康牛解析：胚胎移植是繁殖优良种畜的最后一道工序，精子和卵子的供体必须是同一物种的良种，而受体牛只要求是同种健康牛即可，一般不必是良种。2．将雌性动物的早期胚胎，或者通过体外受精及其他方式得到的胚胎，移植到同种的、生理状态相同的其他雌性动物的体内。以下说法不正确的是(D)A．这里说的同“种”是指同一“物种”B．加拿大荷斯坦奶牛胚胎移植给我国黄牛，生出荷斯坦奶牛，可以移植成功C．同种动物之间的生理特征相近，进行胚胎移植易于成功D．不管是否妊娠，同种动物生殖器官的生理变化都是一样的解析：雌性哺乳动物发情排卵后，不管是否妊娠，在一段时间内，同种动物生殖器官的生理变化是一致的。3．下列过程在胚胎移植中没有必要进行的是(C)A．对供体、受体要进行选择B．要用激素对供体进行超数排卵处理C．供体和受体要进行免疫检查，防止发生免疫排斥反应D．胚胎移植常采用手术法和非手术法两种方法解析：胚胎移植的生理学基础之一是供体与受体有相同的生理环境。因此，在进行胚胎移植时没有必要进行免疫检查。在胚胎移植时应选择有健康的体质和正常繁殖能力的个体作为受体，选择遗传性能和生产性能优秀的个体作为供体。在用激素对供、受体进行同期发情处理的基础上，还要对供体用促性腺激素进行超数排卵处理，以得到更多的胚胎。胚胎移植方法有手术法和非手术法两种。4．下列有关动物胚胎移植的叙述中，错误的是(A)A．受孕母畜体内的受精卵或胚胎均能移植B．受体母畜必须处于与供体母畜同步发情的状态C．超数排卵技术要使用一定的激素D．试管婴儿只是受精及早期卵裂过程在试管中进行解析：胚胎移植其操作的对象是早期胚胎而不是受精卵；其生理基础是供、受体排卵后产生相同的生理变化，为移植提供相同的生理环境；超数排卵要对供体用促性腺激素进行处理；试管婴儿实质是“体外受精”和“胚胎移植”的共同产物。5．以下关于胚胎干细胞的叙述不正确的是(C)A．ES细胞的分离和培养可以应用于基础生物学、畜牧学和医学等方面B．ES细胞可用于治疗帕金森综合征、少年糖尿病和老年痴呆症等C．现在已经通过诱导ES细胞的定向分化成功治愈癌症、心脑血管疾病和某些组织器官的损伤D．ES细胞是研究体外细胞分化的理想材料解析：目前，对于ES细胞的研究已有了很大进展，在动物实验方面，用ES细胞诱导分化出某些组织细胞已经成功治愈糖尿病、肝衰竭、心衰竭和成骨不良等疑难病症，至于人类这方面的疾病治疗，还有待进一步研究。心脑血管疾病、艾滋病、癌症就不是ES细胞所能治疗的。6．下列有关干细胞的叙述，错误的是(B)A．自体干细胞移植通常不会引起免疫排斥反应B．胚胎干细胞在体外培养能增殖但不能被诱导分化C．组织的细胞更新包括细胞凋亡和干细胞增殖分化等过程D．造血干细胞具有分化出多种血细胞的能力，可用于治疗白血病解析：选项A，机体免疫系统对自身正常的细胞通常不会产生排斥反应。选项B，若给予适宜的环境条件，胚胎干细胞在体外也能被诱导分化。选项C，组织中的新细胞是由干细胞增殖分化形成的；同时组织中的细胞不断地发生凋亡。选项D，白血病是一类造血干细胞异常的恶性疾病，患者血液中的血细胞异常；用正常的造血干细胞取代异常的造血干细胞可治疗该病。7．下列有关说法错误的是(B)A．排卵是指卵子从卵泡中排出B．胚胎移植中冲卵是指用特制装置把母畜子宫内的卵子冲洗出来C．使用促性腺激素对供体进行超数排卵处理D．精子必须经过获能处理后才能与卵子进行体内受精或体外受精解析：排卵是指卵子从卵泡中排出。胚胎移植中冲卵是指用特制装置把母畜子宫内的胚胎冲洗出来。超数排卵处理的做法是使用促性腺激素对供体进行处理。成熟的精子必须经过获能处理后才能与成熟的卵子进行体内受精或体外受精。8．下列关于胚胎干细胞的叙述中正确的是(D)A．当受精卵发育到囊胚时，所有的细胞都是胚胎干细胞B．胚胎干细胞在形态上表现为体积大、细胞核小、核仁明显C．胚胎干细胞在体外培养时能增殖但不能被诱导分化D．胚胎干细胞在饲养层细胞上能维持不分化的状态解析：囊胚中的细胞已发生分化，并不是所有细胞都是胚胎干细胞；胚胎干细胞在形态上表现为体积小、细胞核大、核仁明显；胚胎干细胞在体外培养时能增殖，也能被诱导分化成不同的组织器官；胚胎干细胞在饲养层细胞上或在添加抑制因子的培养液中，能够维持不分化的状态。二、非选择题9．如下图为牛胚胎移植示意图，请据图回答：(1)胚胎移植对供体母牛、供体公牛、受体母牛的要求分别是优质母牛、优质公牛、普通母牛。(2)牛胚胎移植程序中，①通常是采用性激素进行同期发情处理，然后②用促性腺激素使供体母牛超数排卵。(3)③对胚胎进行质量检查时，胚胎应发育到桑椹胚或囊胚阶段。(4)④胚胎移植过程一般有手术法和非手术法两种方法。(5)冲卵的生理基础是早期胚胎形成后，处于游离状态，未与母体子宫建立组织上的联系。解析：本题考查胚胎移植的基本操作过程及其生理基础。胚胎移植时，所用的供体母牛、供体公牛均为优质牛，受体母牛为普通牛即可。胚胎移植时供、受体牛必须处在相同的发情期，通常用性激素进行处理，然后用促性腺激素对供体母牛做超数排卵处理。对胚胎进行质量检查时，胚胎应发育到桑椹胚或囊胚阶段。胚胎移植一般有手术法：引出受体子宫和卵巢，将胚胎注入子宫角，缝合创口；非手术法：将装有胚胎的移植管送入受体母牛子宫的相应部位，注入胚胎。10．科学家通过诱导黑鼠体细胞去分化获得诱导性多能干细胞(iPS)，继而利用iPS细胞培育出与黑鼠遗传特性相同的克隆鼠。流程如下图所示：(1)从黑鼠体内获得体细胞后，对其进行的初次培养称为原代培养，培养的细胞在贴壁生长至铺满培养皿底时停止分裂，这种现象称为接触抑制。(2)图中2－细胞胚胎可用人工方法从灰鼠输卵管内获得，该过程称为冲卵(或冲胚)；也可从灰鼠体内取出卵子，通过体外受精(或核移植)后进行早期胚胎培养获得。(3)图中重组囊胚通过胚胎移植技术移入白鼠子宫内继续发育，暂不移入的胚胎可使用冷冻(或低温)方法保存。(4)小鼠胚胎干细胞(ES)可由囊胚的内细胞团分离培养获得。iPS与ES细胞同样具有发育全能性，有望在对人类iPS细胞进行定向诱导分化后用于疾病的细胞治疗。解析：(1)原代培养指将动物组织用酶处理成单个细胞后进行的初次培养。接触抑制指贴壁的细胞分裂生长到表面相互接触时，细胞就会停止分裂增殖。(2)将早期胚胎从母体子宫中冲洗出来称为冲卵。(3)暂不进行胚胎移植的胚胎可放入－196℃[讨论]P761．在胚胎移植操作中，怎样才能使胚胎在移植前后所处的生理环境保持一致？例如，供、受体的发情时间要一致吗？供体胚胎移入受体子宫的位置，应与在供体内的位置相同或相似吗？[提示]应对供体和受体母畜进行同期发情处理，使它们的生理条件达到同步或一致，这样才能使供体的胚胎移入受体后有相同或相似的生存条件，这是胚胎移植成功与否的关键。因此，必须做到供、受体母畜的发情时间一致。同时还要做到移入受体子宫胚胎的位置应该与其在供体内的位置相同或相似，移入胚胎一侧的受体子宫角对应的卵巢必须有黄体存在。2．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？[答案]胚胎移植成功率的高低与供、受体生理环境条件一致性密切相关。只有