2.3.1胚胎工程的理论基础课件-2023-2024学年高二下学期生物人教版选择性必修3

第三节 胚胎工程 第一课时 胚胎工程的理论基础 从社会中来 牛的生育率很低。一头母牛每年只能产一胎,每胎生一个牛仔,每胎产2个牛仔的情况比较少见(一般占怀孕总数的1~2.3%),一头母牛一生大约生育四五次。 我国奶牛单产水平低。高产奶牛的引进价格昂贵,靠大量引进优良品种来提高产量不太可行 我国奶业现状分析 问题:你有什么方案可以实现荷斯坦奶牛的快速大量繁殖呢? ①核移植技术进行克隆 ②可以通过体外受精、胚胎分割等胚胎工程技术获得多个良种奶牛胚胎,然后移植给代孕母牛生下后代。 什么是胚胎工程呢 目的 生产后代,以满足人类的各种需求。 技术手段 体外受精、胚胎移植、胚胎分割等 理论基础 哺乳动物受精和早期胚胎发育的规律 操作水平 主要集中在细胞水平上 操作对象 生殖细胞、受精卵或早期胚胎细胞 工程实质 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 胚胎工程 指对生殖细胞、受精卵或早期胚胎细胞进行多种显微操作和处理,然后将获得的胚胎移植到雌性动物体内生产后代,以满足人类的各种需求。胚胎工程技术包括体外受精、胚胎移植和胚胎分割等。 受精 定义 阶段 指精子和卵子结合形成合子(即受精卵)的过程。 受精前的准备阶段 受精阶段 准备阶段 ——精子获能 准备阶段 ——卵子的准备 场所 输卵管内 一、受精 一、受精 回顾:精子的发生 2. 时期: 初情期(相当于人的青春期) 生殖机能衰退 1. 场所:睾丸(曲细精管) 精原细胞 大量精原细胞 初级精母细胞 次级精母细胞 精细胞 精子 有丝分裂 染色体复制 变形 第一阶段 第二阶段 第三阶段 减数分裂 减数分裂 *不同种动物精子的形态相似,大小略有不同,与动物的体型大小无关 ⑤精子形成 ②尾的发育 ③精子头出现 ④细胞质浓缩 ①顶体的发生 细胞核: 高尔基体: 中心体: 线粒体: 其它物质: 【补充】精子变形的过程和结构 精子头部的主要部分 头部的顶体 精子的尾 线粒体鞘 原生质滴,最后脱落 一、受精 思考:精母细胞在变成精子的过程中,很多结构会消失,而细胞核与线粒体都保留了下来,请尝试用你所了解的哺乳动物受精的相关知识来解释这一现象。 其中,细胞核是遗传物质储存的场所,决定后代的遗传特性,它参与受精过程。线粒体是精子进行有氧呼吸的主要场所,为精子的生存和运动提供能量。 细胞核和线粒体都是精子的重要结构。 头 颈 线粒体鞘 顶体 (高尔基体) (细胞核) (中心体) 变形 准备阶段1——精子获能 科学研究发现,刚刚排出的精子不能立即与卵子受精,必须在雌性动物的生殖道发生相应的生理变化后,才能获得受精能力,这一生理现象称为“精子获能” (1)精子获能的方法 ①直接利用雌性动物的生殖道 ②培养在人工配置的获能液 肝素 Ca2+载体 注:精子获能实质是指精子获得受精“能力”,而不是获得能量。 张明觉,美籍华人,生殖生物学家、育种学家和避孕药的创始人。1951年发现“精子获能”现象,为哺乳动物体外受精奠定了理论基础。由于他在体外受精和胚胎移植研究中作出的重大贡献,被人们誉为“试管婴儿”的先驱。 注意点:精液由精子和精浆组成,精浆中含有抑制精子获能的物质,只有精子进入雌性动物的生殖道后,由生殖道分泌产生相关物质解除对精子的抑制,才能使精子获得受精的能力。 准备阶段1——精子获能 卵子的发生 1.场所:在雌性动物的 内完成。 2.时期:动物的胚胎在 以后。 卵巢 性别分化 原始卵泡 成熟卵泡 黄体 次级卵母细胞 正常情况下,一个卵巢中有多个卵泡,一个卵泡只能形成一个成熟的卵子。 排卵是指卵子从卵泡中排出。 准备阶段2——卵子的准备 准备阶段2——卵子的准备 卵子一般在排出_后才能被精子穿入。一些实验证据表明,卵子在受精前也要经历类似精子获能的过程。 2-3h 卵原细胞 初级卵母细胞 次级卵母细胞 马、犬等少数哺乳动物排出的卵子是初级卵母细胞 猪、羊等多数哺乳动物排出的卵子是次级卵母细胞 马、犬排卵 猪、羊排卵 排出的卵子要在输卵管内发育到M (中)期时,才具备与精子受精的能力。 发育 受精阶段 获能后的精子与卵子在输卵管相遇 释放多种酶(顶体酶) 溶解卵细胞膜外的一些结构(如透明带) 借助精子自身运动 精子接触卵细胞膜 顶体反应 第1步:精子穿越卵细胞膜外结构 在精子触及卵细胞膜的瞬间,卵细胞膜外面的透明带会迅速发生生理反应,阻止后来的精子进入透明带。 阻止多精入卵的第一道屏障 精子入卵后,卵细胞膜会立即发生生理反应,拒绝其他精子再进入卵内。 精子外膜与卵细胞膜融合,精子入卵。 阻止多精入卵的第二道屏障 受精阶段 第2步:透明带反应 第3步:精子入卵 第4步:卵细胞膜发生生理反应 雄原核的形成: 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,形成一个比原来精子的核还大的核,叫做雄原核。 雌原核的形成: 精子入卵后被激活的卵子完成减数分裂 ,排出第二极体,形成雌原核。 雄原核 第一极体 放出的 第二极体 卵子完成减数分裂 输卵管 精子入卵激活后 发生场所 发生时间 第5步:雌雄原核的形成 受精阶段 第6步:雌、雄原核融合,受精卵形成 雌、雄原核充分发育 相向移动,彼此靠近 核膜消失,形成含有两个染色体组的合子,受精卵形成 雌、雄原核靠近 核膜消失,第一次卵裂即将开始 受精的标志: 观察到两个极体或雌、雄原核。 受精完成的标志: 雌、雄原核融合形成合子 多数哺乳动物的第一极体不进行减数分裂 ,因而不会形成两个第二极体。 观察到的两个极体为一个是第一极体,一个是第二极体。 受精阶段 一、受精 思考1:受精过程中卵子的哪些结构发生生理反应可以防止多精入卵?这有什么意义? 阻止多精入卵有两道屏障:第一道屏障是 ,第二道屏障 是 ;其意义是保证受精卵中 与亲代体细胞一致,从而保证遗传的稳定性。 思考2:如何判断卵子是否受精? 思考3:精子与卵细胞的结合,体现了细胞膜具有什么功能? 受精完成的标志是? 体现了细胞膜具有 的功能。 透明带反应 卵细胞膜反应 遗传物质 观察到两个极体或雌、雄原核。 雌、雄原核融合形成合子 雌、雄原核不能理解成卵子、精子原来的核,而是在原来细胞核的基础上形成的新核,原核膜已破裂。 细胞间进行信息交流 一、受精 透明带 卵细胞膜 核 第一极体 精子穿越卵细胞膜外的结构(如透明带等) 释放出多种酶,以溶解这些结构 精子接触卵细胞膜 雄原核 雌原核 第一极体 放出的第二极体 精子入卵后形成雄原核;卵子完成减数分裂 ,释放第二极体,形成雌原核 雌、雄原核靠近 雌、雄原核结合形成合子(受精卵) 注意: 受精卵的核基因是精子和卵子各占一半; 受精卵的质基因几乎全部来自卵子。 二、胚胎早期发育 次级卵母细胞 受精 2细胞期 4细胞期 8细胞期 桑葚胚 囊胚 受精卵形成后即在输卵管内进行有丝分裂,开始发育。 原肠胚 场所: 输卵管、子宫 二、胚胎早期发育 胚胎发育早期,有一段时间在透明带内进行,细胞的数量不断增加,但胚胎的总体积并不增加,这种受精卵的早期分裂称为卵裂。 1.卵裂(期) 受精卵 2细胞 4细胞 8细胞 桑葚胚 囊胚 项目 变化 细胞数目 每个细胞体积 DNA总量 每个细胞内的DNA总量 有机物总量 物质种类 增多 减小 增多 不变 减少 增多 卵裂期 二、胚胎早期发育 桑葚胚 2、桑葚胚: 当卵裂产生的子细胞逐渐形成致密的细胞团,形似桑葚时,这时的胚胎称为桑葚胚。桑葚胚通常有32个细胞左右。 这一阶段及之前的每一个细胞都具有发育成完整胚胎的潜能,属于全能细胞。 (1)概念 (2)特点 桑葚 3、囊胚 ①胚胎进一步发育,细胞逐渐 。 ②聚集在胚胎一端的细胞形成 ,将来发育成 。 ③沿透明带内壁扩展和排列的细胞,称为 细胞,它们将来发育 成 。 ④胚胎内部出现了含有液体的腔—— ,这个时期的胚胎叫做囊胚。 ⑤孵化:囊胚进一步扩大,会导致 破裂,胚胎从其中伸展出来。 分化 内细胞团 滋养层 透明带 胎儿的各种组织 胎膜和胎盘 囊胚腔 孵化的意义:孵化非常重要,如果不能正常孵化,胚胎就无法继续发育。 4、原肠胚 囊胚孵化后,将发育形成原肠胚。 原肠胚表面的细胞层为外胚层,向内迁移的细胞形成内胚层。 随着发育的进行,一部分细胞还会在内、外两个胚层之间形成中胚层。 这三个胚层将逐渐分化形成各种组织、器官等,最终形成胎儿。 滋养层 内胚层 外胚层 原肠腔 ——出现胚层分化 特别提醒 1.胚胎发育中的细胞分裂均为有丝分裂,原肠胚阶段是个体发育中分化限度最大的阶段,但细胞分化贯穿于生物体整个生命历程中。 2.桑葚胚及以前的细胞均未分化,细胞全能性高,是胚胎分割的最佳时期。 3.桑葚胚到囊胚的发育过程中,细胞开始分化,但其全能性仍很高,也可用于胚胎分割。 4.卵裂期和桑葚胚时期,只进行细胞分裂,不需要从外界获取营养物质,胚胎发育所需营养主要来自卵黄。 囊胚期细胞开始分化,透明带破裂,滋养层细胞(以后发育成胎盘、胎膜,与母体建立联系)从外界吸收营养物质,使胚胎继续发育。 我能判一判! (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)囊胚内的内细胞团将来发育成胎盘和胎膜( ) (5)胚胎发育的场所是输卵管( ) 思考∙讨论 不同动物受精卵发育的比较 不同动物受精卵发育及其进入子宫的时间有明显的差异。请分析下表,讨论相关问题。 (注:马牛为排卵后时间,其他动物为交配后时间) 动物种类 受精卵发育的时间/h 进入子宫时受精卵的发育天数和发育阶段 2细胞 4细胞 8细胞 16细胞 桑葚胚 天 发育阶段 小鼠 24~38 38~50 50~60 60~70 68~80 3 桑葚胚 绵羊 36~38 42 48 67~72 96 3~4 16细胞 猪 21~51 51~66 66~72 90~110 110~114 2~2.5 4~6细胞 马 24 30~36 50~60 72 98~106 6 囊胚 牛 27~42 44~65 46~90 96~120 120~144 4~5 8~16细胞 讨论1. 表中哪种动物的胚胎在进入子宫时发育程度最高? 马的胚胎进入子宫时,发育程度最高,它处于囊胚阶段。 讨论2. 将体外培养的小鼠胚胎移植到母鼠子宫时,应选择至少发育到什么阶段的胚胎?如果换成牛又该怎样处理? 小鼠应选择至少发育到桑葚胚阶段的胚胎进行移植; 牛在自然情况下,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,在实践中通常发育到囊胚阶段的胚胎进行移植。 讨论3. 为什么说关于动物的体内受精和胚胎发育的研究,会为胚胎工程提供理论基础?请结合所学习的内容举例说明。 胚胎工程的许多技术都是在了解了哺乳动物在自然条件下受精和胚胎早期发育规律的基础上实现的。人们正是在认识了这些自然规律的基础上,在体外进行有效的模拟,才使卵母细胞能在体外成熟,精子能在体外完成获能,获能的精子和培养成熟的卵子能在试管内完成受精,获得的受精卵能在人工培养条件下继续发育等。 受精 精子获能 受精前的准备 卵子准备 M 期具备受精能力 雌性动物的生殖道或培养到获能液(肝素或Ca2+载体)中 精子穿过卵细胞外结构 精子接触卵细胞膜 精子入卵称为雄原核;卵子释放第二极体,形成雌原核 雌雄原核靠近 核膜消失 桑葚胚 受精卵 每个细胞能发育成组成个体的任何细胞类型及胚外组织 囊胚 原肠胚 卵裂 细胞在透明带内分裂,胚胎总体积并不增加 孵化 内细胞团 滋养层 组成胎儿的各种组织细胞 胎盘、胎膜等胚外组织细胞 外胚层内胚层中胚层 课堂小结 练习与应用 一、概念检测 1.判断下列有关哺乳动物受精的表述是否正确。 (1)在自然条件下,受精在子宫中完成。( ) (2)精子需要获能才能与卵子结合,而卵子一经排出就具备受精能力( ) (3)精子入卵后,卵细胞膜会发生反应阻止其他精子入卵。( ) √ 2.下列有关哺乳动物早期胚胎发育的叙述,错误的是( ) A.在桑葚胚阶段,胚胎的内部开始出现含有液体的腔 B.胚胎干细胞是一类未分化的细胞,可以从早期胚胎中分离获得 C.桑葚胚的细胞一般都具有全能性,囊胚的细胞逐渐分化 D.受精卵早期分裂时,胚胎中细胞数目不断增加,但胚胎的总体积并不增加 A $$