2024-2025学年高二生物人教版选择性必修3 第2章 第3节 第1课时 胚胎工程的理论基础

第3节胚胎工程第1课时胚胎工程的理论基础[学习目标]1.简述受精前精子和卵子的准备以及受精的过程。2.简述胚胎早期发育的过程及其主要特点。一、受精1．胚胎工程的概念(1)操作对象：动物生殖细胞、受精卵或早期胚胎细胞。(2)技术基础：如体外受精、胚胎移植、胚胎分割等。(3)特点：经过多种显微操作和处理后获得的胚胎，还需移植到雌性动物体内生产后代，以满足人类的各种需求。(4)理论基础：哺乳动物受精和早期胚胎发育的规律。(5)实质：在体外条件下，对动物自然受精和早期胚胎发育条件进行的模拟操作。2．受精(1)概念：精子与卵子结合形成合子(即受精卵)的过程。(2)场所：哺乳动物的输卵管内。(3)过程①准备阶段eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(精子获能：在雌性动物的生殖道内完成,卵子的准备：发育到MⅡ期才具备与精子受精的能力))特别提醒使精子获能的方法有直接利用雌性动物的生殖道使精子获能；将精子培养在人工配制的获能液中使其获能等。获能液的成分因动物种类不同而有所差异，常见的有效成分有肝素、Ca2＋载体等。②eq\a\vs4\al\co1(受,精,阶,段)eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(\a\vs4\al\co1(获能后的精子与卵子相遇精子释放出多种酶，以溶解,卵细胞膜外的一些结构),↓,精子的细胞膜与卵细胞膜融合透明带发生生理反应，,阻止后来的精子进入透明带,↓,精子入卵卵细胞膜发生生理反应，拒绝其他精子,再进入卵内,\b\lc\(\a\vs4\al\co1(雌、雄原核形成,))\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(a.精子入卵后，尾部脱离，,原有核膜破裂并形成一,个新的核膜，最后形成,雄原核,b.精子入卵后被激活的卵子,完成减数分裂Ⅱ，排出,第二极体后，形成雌原核)),↓,雌、雄原核结合受精完成的标志,↓,受精卵,))判断正误(1)精子和卵子相遇结合形成受精卵的部位是输卵管()(2)精子和卵子都需要经过获能才能进行受精作用()(3)受精的标志是观察到两个极体；受精完成的标志是雌、雄原核融合形成合子()(4)动物排出的卵子成熟程度不同，都要在卵巢中进一步发育到MⅡ期才具备受精能力()答案(1)√(2)×(3)√(4)×提示(2)精子需要经过获能处理才能完成受精过程，而卵子需要在输卵管中经过进一步发育才能与获能的精子完成受精作用。(4)动物排出的卵子成熟程度不同，都要在输卵管中进一步发育到MⅡ期，才具备与精子受精的能力。任务一：受精过程1．受精过程中，阻止多精入卵有两道屏障：第一道屏障是透明带发生生理反应，第二道屏障是卵细胞膜发生生理反应。其意义是防止多个精子进入卵子，导致胚胎染色体数目变异，从而引起发育异常等现象。2．如何判断卵子是否受精？提示观察到两个极体或雌、雄原核。3．精子与卵子的结合，体现了细胞膜具有进行细胞间信息交流的功能。关于体内受精应注意的几个问题(1)精子获能是指精子获得受精能力，而不是获得能量。(2)动物排出的卵子成熟程度不同，有的可能是次级卵母细胞，如猪、羊等；有的可能是初级卵母细胞，如马、犬等。但它们都要在输卵管内进一步成熟，到MⅡ期时，才具备与精子受精的能力。(3)受精的标志≠受精完成的标志：受精的标志是在透明带和卵细胞膜之间观察到两个极体；而受精完成的标志是雌、雄原核的融合。(4)受精卵遗传物质的来源：核遗传物质来自精子的细胞核与卵细胞的细胞核(即精卵各提供1/2)，而细胞质的遗传物质几乎全部来自卵细胞。1．下列关于体内受精过程的排序，正确的是()①受精卵第一次分裂开始②释放第二极体③获能后的精子与卵子相遇并释放多种酶④精子穿越卵细胞膜外的结构⑤雌、雄原核的形成⑥两个原核靠近，核膜消失A．①②③④⑤⑥ B．③②④⑤⑥①C．④⑤②①③⑥ D．③④②⑤⑥①答案D解析体内受精的具体过程为③获能后的精子与卵子相遇并释放多种酶→④精子穿越卵细胞膜外的结构→精子入卵→②卵子完成减数分裂Ⅱ并排出第二极体→⑤雌、雄原核的形成→⑥雌、雄原核靠近，核膜消失→①受精卵第一次分裂开始，D正确。2．(多选)下列有关受精过程的说法，正确的是()A．精子的细胞膜和卵细胞膜相互融合依赖于细胞膜的流动性B．精子在雌性动物的生殖道中获能后才能参与受精C．受精过程中透明带和卵细胞膜都会发生相应生理反应来防止多精入卵D．精子入卵后，保留原有的核膜，细胞核体积增大成为雄原核答案ABC解析精子入卵后，尾部脱离，原有核膜破裂并形成一个新的核膜，最后形成一个比原来精子的核还大的雄原核，D错误。二、胚胎早期发育1．开始发育场所：输卵管。2．分裂方式：有丝分裂。3．卵裂(1)场所：透明带。(2)特点①细胞的数量不断增加。②胚胎的总体积并不增加。4．主要阶段及特点(1)桑葚胚：卵裂产生的子细胞逐渐形成致密的细胞团，形似桑葚。(2)囊胚①胚胎进一步发育，细胞逐渐分化。②聚集在胚胎一端的细胞形成内细胞团，将来发育成胎儿的各种组织。③滋养层细胞将来发育成胎膜和胎盘。④胚胎的内部出现了含有液体的腔——囊胚腔。⑤孵化：囊胚进一步扩大，透明带破裂，胚胎从其中伸展出来。(3)原肠胚：形成外胚层、中胚层、内胚层三个胚层，这三个胚层将逐渐分化形成各种组织、器官等。判断正误(1)胚胎发育早期的细胞分裂方式包括有丝分裂和减数分裂()(2)囊胚的滋养层细胞具有全能性()(3)胚胎发育过程中开始分化的阶段是原肠胚期()(4)胚胎发育的场所是输卵管()答案(1)×(2)×(3)×(4)×提示(1)胚胎发育早期的细胞分裂方式是有丝分裂。(2)囊胚期的内细胞团细胞具有全能性，而滋养层细胞没有。(3)胚胎发育过程中开始分化的阶段是囊胚期。(4)胚胎发育的初期在输卵管，着床后到分娩前的一段时间是在母体的子宫内。任务二：胚胎早期发育过程中的相关变化1．请分析受精卵早期分裂时，胚胎中细胞或物质的变化规律，完成表格：项目变化细胞数目增多每个细胞体积减小DNA总量增多每个细胞内的DNA总量不变有机物总量减少物质种类增多2.结合受精过程中精子和卵细胞的特点，分析早期胚胎发育过程中营养物质的来源是什么？提示早期胚胎发育消耗卵细胞提供的营养物质，囊胚期细胞开始分化，透明带破裂，滋养层细胞从母体吸收营养物质，使胚胎继续发育。3．不同动物受精卵的发育及其进入子宫的时间有明显差异。请结合教材“思考·讨论：不同动物受精卵发育的比较”中的表格回答以下问题：(1)表中马(填动物种类)的胚胎在进入子宫时发育程度最高。(2)将体外培养的小鼠胚胎移植到母鼠子宫时，应选择至少发育到桑葚胚阶段的胚胎。牛在自然条件下，胚胎虽然最早可在8～16细胞阶段进入子宫，但为了提高移植后胚胎的发育率和妊娠率，在实践中通常用发育到桑葚胚或囊胚阶段的胚胎进行移植。(3)不同动物胚胎进入子宫所处的时期不同，这给胚胎工程提供了什么启示？提示体外受精形成的胚胎，发育到一定阶段才可移植到子宫中。胚胎发育的场所胚胎发育的起点是受精卵，受精卵形成后即在输卵管内进行有丝分裂，此时胚胎开始发育，即胚胎发育的最初场所是输卵管，逐步向子宫移动，最后在子宫内着床，直至发育成为成熟的胎儿。3．如图为受精卵发育至囊胚的过程中的某一变化，若横坐标表示时间，则纵坐标可表示()A．有机物总量B．每个细胞DNA的含量C．所有细胞体积之和D．所有细胞表面积总和与体积总和的比值答案D解析由受精卵发育至囊胚的过程中，细胞不断分裂消耗有机物，所以胚胎中的有机物总量有所减少，A不符合题意；受精卵发育至囊胚过程中的细胞分裂方式是有丝分裂，每个细胞中DNA含量基本不变，但胚胎中DNA总含量增加，B不符合题意；受精卵发育至囊胚过程中细胞数目不断增加，胚胎总体积并不增加，所有细胞的表面积总和越来越大，因此所有细胞表面积总和与体积总和的比值越来越大，C不符合题意，D符合题意。4．(2024·扬州高二质检)某实验室通过提高小鼠胚胎干细胞pSTAT3基因的表达水平，体外制备出桑葚胚样全能细胞。该细胞在分子水平及发育潜能上均具有自然胚胎桑葚胚期细胞特性，并在体外成功模拟了小鼠胚胎发育至原肠胚阶段。下列有关叙述正确的是()注：pSTAT3是调控胚胎发育的关键基因。A．桑葚胚发育成囊胚的过程中，pSTAT3的表达上升B．诱导桑葚胚样细胞时，基因的碱基序列和表达的情况都发生改变C．囊胚期细胞重置至桑葚胚样细胞的过程类似于脱分化D．桑葚胚样细胞不可诱导发育至囊胚期答案C解析由题意可知，通过提高小鼠胚胎干细胞pSTAT3基因的表达水平，体外制备出桑葚胚样全能细胞，因此推断桑葚胚发育成囊胚的过程中，pSTAT3的表达下降，A错误；诱导桑葚胚样细胞时，基因的碱基序列未发生改变，B错误；胚胎发育至囊胚期即开始了细胞分化，因此囊胚期细胞重置至桑葚胚样细胞的过程类似于脱分化，C正确；桑葚胚样全能细胞在体外成功模拟了小鼠胚胎发育至原肠胚阶段，因此桑葚胚样细胞可诱导发育至囊胚期，D错误。课时对点练[分值：100分]第1～10题，每题5分；第11～12题，每题6分，共62分。题组一受精1．下列关于高等动物受精作用的叙述，错误的是()A．常以观察到两个极体作为受精的重要标志B．精子和卵子结合的过程中，卵子完成减数分裂ⅡC．精子细胞膜与卵子细胞膜的融合依靠了细胞膜的结构特点D．精子获能后与刚排出的卵子在子宫内受精答案D2．(2024·南通高二期中)下列有关受精的说法错误的是()A．可直接利用雌性动物的生殖道使精子获能B．精子入卵后有核膜破裂和再生的现象C．精子能释放多种酶以溶解卵细胞膜外的一些结构，同时借助自身的运动接触卵细胞膜D．受精的实质是精子的头部进入卵子答案D题组二胚胎早期发育3．下列关于卵裂的叙述，正确的是()A．卵裂期细胞不断分裂，胚胎体积不断增大B．卵裂处于囊胚形成的过程中，每个细胞的体积不断增大C．卵裂过程进行有丝分裂，胚胎中DNA总量不断增加D．卵裂需要消耗能量，有机物总量和种类都不断减少答案C解析卵裂期细胞不断分裂，而胚胎总体积并不增加，每个细胞体积减小，A、B错误；卵裂期的细胞进行有丝分裂，细胞数目增加，但每个细胞的DNA含量不变，胚胎中DNA的总量增加，C正确；卵裂需要消耗能量，有机物总量不断减少，但有机物种类增加，D错误。4．(2024·衡水高二期末)嵌合体是指同一个生物体中同时存在两种或两种以上染色体组成不同的细胞，且这些细胞相互间处于嵌合状态。下列相关叙述错误的是()A．两个8细胞胚合并为16细胞胚的形成过程存在细胞的融合B．桑葚胚阶段及此前的每个细胞都属于全能细胞C．囊胚期细胞逐渐分化，出现内细胞团、囊胚腔和滋养层等结构D．由该嵌合体发育而来的小鼠可能表现为黑白相间答案A解析两个8细胞胚合并为16细胞胚的过程中细胞相互间处于嵌合状态，不存在细胞的融合，A错误。5．如图为受精作用及胚胎发育示意图，a、b代表两个发育时期。下列叙述正确的是()A．受精卵的DNA一半来自精子B．a、b分别是原肠胚和囊胚时期C．①～④过程细胞只分裂不分化D．a时期可分离获得内细胞团细胞答案D解析受精卵的细胞质DNA几乎全部来自卵子，而细胞核DNA一半来自精子，一半来自卵子，故来自精子的DNA不到一半，A错误；a、b分别是囊胚和原肠胚时期，B错误；④过程表示囊胚发育为原肠胚，该时期发生了细胞分化，C错误；a时期为囊胚，囊胚期可分离获得内细胞团细胞，D正确。6.如图为早期胚胎发育过程中的某一时期示意图。下列有关叙述不正确的是()A．图中①②③依次为透明带、滋养层、内细胞团B．高等哺乳动物胚胎发育中的细胞分化开始于图示时期，终止于生命结束C．胚胎从①中伸展出来的过程叫作孵化D．②将来发育成胎儿，③将来发育成胎盘和胎膜答案D解析图示时期为囊胚期，其中①为透明带；②为滋养层，将来发育成胎盘和胎膜；③为内细胞团，将来发育成胎儿的各种组织，D错误。7．下列有关哺乳动物早期胚胎发育的叙述，正确的是()A．受精完成并开始发育的标志是在卵细胞膜和透明带之间观察到两个极体B．在囊胚阶段胚胎的内部开始出现含有液体的腔C．受精卵发育为桑葚胚的过程是在透明带内完成的，孵化后进入囊胚阶段D．胚胎发育至原肠胚时期即开始了细胞分化，随后发育形成三个胚层答案B解析在卵细胞膜和透明带之间观察到两个极体，说明卵细胞已经完成了受精，这是判断卵细胞是否受精的重要标志，不是判断受精卵开始发育的标志，A错误；囊胚内部会出现一个含有液体的囊胚腔，B正确；孵化是指囊胚从透明带出来，孵化后进入原肠胚阶段，C错误；细胞分化开始于囊胚时期，D错误。8．如图为受精作用及早期胚胎发育示意图，下列叙述不正确的是()A．①过程的完成需要依赖细胞表面糖蛋白的识别，精子会释放出特殊的水解酶B．②过程通过有丝分裂增殖，细胞的细胞核与细胞质两者的体积之比逐渐变小C．③过程除了存在细胞的分裂，还存在细胞的分化D．囊胚在④过程中需发生孵化，否则将无法继续发育答案B解析①为受精过程，该过程需要依赖细胞表面糖蛋白的识别，精子会释放出水解酶，A正确；②为卵裂过程，该过程通过有丝分裂方式增殖，细胞卵裂过程中，单个细胞体积减小，因此核质比增大，B错误；③过程除了存在细胞的分裂，还存在细胞的分化，才能形成囊胚，C正确；囊胚进一步扩大会导致透明带的破裂，胚胎伸展出来，这一过程叫孵化，故囊胚在④过程中需发生孵化，才能继续发育为原肠胚，D正确。9．(2024·盐城高二期末)目前发现的双胞胎有同卵双胞胎、异卵双胞胎和“半同卵双胞胎”。1对“半同卵小姐弟双胞胎”形成过程如图所示，图中染色单体分离后分别移向细胞的三个不同方向，从而分裂成a、b、c三个细胞，染色体全部来自父系的“合子”致死。其中两个细胞发育成姐弟二人。下列说法正确的是()A．精子入卵后，精子的核体积直接变大发育成雄原核B．卵子在子宫内发育成熟并完成受精过程C．若细胞a的染色体组成为MP1，则细胞b的染色体组成为MP2D．这对双胞胎来源于母亲的染色体相同，来源于父亲的染色体也相同答案C解析精子入卵后，尾部脱离，原有的核膜破裂并形成一个新的核膜，最后形成一个比原来精子的核还大的雄原核，A错误；卵子在输卵管内发育成熟并完成受精过程，B错误；来自母系的染色体为M，来自父系的染色体为P1、P2，经过复制后，染色体进行组合，若细胞a的染色体组成为MP1，细胞c的染色体均来自父亲，其染色体组成为P1P2，则细胞b的染色体组成为MP2，C正确；细胞a的染色体组成为MP1，细胞b的染色体组成为MP2，且这对双胞胎为龙凤胎，来源于父亲的染色体不同，D错误。10．(多选)胎牛血清(FBS)是天然的培养基，能够在多种动物卵母细胞的成熟过程中提供足够的营养物质，起到非常好的促进效果。如表是后期胚胎培养液(CR2后液)中添加不同浓度FBS对牛核移植胚胎发育的影响情况，下列叙述错误的是()组别培养液卵裂率/%囊胚率/%对照组CR2后液59.17±1.3413.53±2.04实验组110%FBS＋CR2后液62.14±1.7813.78±2.77实验组220%FBS＋CR2后液68.95±4.1526.09±2.20实验组330%FBS＋CR2后液62.02±8.648.78±3.20A.若统计每组实验的桑葚胚率，其数值应小于囊胚率B．添加20%FBS是促进牛核移植胚胎发育的最适浓度C．胚胎培养过程要在CO2培养箱中进行D．添加不同浓度的FBS对卵裂率和囊胚率均有促进作用答案ABD解析该实验只研究了添加不同浓度FBS对牛核移植胚胎发育的影响，从表中数据无法得出桑葚胚率小于囊胚率的结论，A错误；表中信息显示，添加20%FBS的实验组2，其卵裂率和囊胚率都高于对照组和其他实验组，说明添加20%FBS对促进牛核移植胚胎发育有较好的作用，但不能据此确定该浓度即为最适浓度，应在该浓度两侧缩小浓度范围继续进行实验，B错误；通常将胚胎置于含95%空气和5%CO2的培养箱中进行培养，C正确；表中信息显示，各实验组的卵裂率均高于对照组，说明添加不同浓度的FBS对卵裂率均有促进作用，实验组1、2的囊胚率高于对照组，实验组3的囊胚率低于对照组，说明在一定浓度范围内，添加的FBS对囊胚率有促进作用，但超过该浓度范围却起抑制作用，D错误。11．(多选)(2024·唐山高二期中)胚胎工程为优良牲畜的大量繁殖和稀有动物的种族延续提供了有效的解决办法，在畜牧业和制药业等领域发挥重要的作用，具有光明的应用前景。哺乳动物受精和早期胚胎发育的规律是研究胚胎工程重要的理论基础。下列说法正确的是()A．卵裂期，胚胎中细胞数目和所含的有机物总量不断增加B．胚胎发育过程中，囊胚的滋养层细胞将来发育形成胎盘和胎膜C．卵子排出后需要在输卵管进一步成熟，到MⅡ期才具备受精能力D．哺乳动物排出的卵子有的可能是次级卵母细胞，有的可能已经完成减数分裂Ⅱ答案BC解析卵裂期，胚胎中细胞数目不断增加，但所含的有机物总量减少，A错误；动物排出的卵子成熟程度不同，有的可能是初级卵母细胞，有的可能是次级卵母细胞，它们都要在输卵管内进一步成熟，到MⅡ期时，才具备与精子受精的能力，精子入卵后被激活的卵子才能完减数分裂Ⅱ，D错误。12．(多选)如图为获得小鼠孤雌单倍体胚胎干细胞系的流程图。下列叙述正确的是()A．过程①中，用于受精的卵母细胞应处于MⅡ期B．过程②中，胚胎中细胞数目不断增加，但胚胎的总体积并不增加C．通过直接培养图中的卵母细胞也能获得小鼠孤雌单倍体胚胎干细胞系D．“早期胚胎”最可能是囊胚，其中的内细胞团细胞具有发育的全能性答案ABD解析卵母细胞只有在受精后才能完成减数分裂，所以需要用精子刺激卵母细胞，然后移除