2.4.2 体外受精技术和胚胎移植、胚胎分割技术-【步步高】2023-2024学年高二生物学选择性必修3 生物技术与工程（苏教版）

第2课时　体外受精技术和胚胎移植、胚胎分割技术 [学习目标]　1.简述体外受精的主要操作步骤。2.简述胚胎移植的生理学基础和基本流程。 3.简述胚胎分割的概念。 一、体外受精技术 1．体外受精技术的概念：指哺乳动物的精子和卵子在体外人工控制的环境中完成受精过程的技术。 2．采集精子 (1)主要方法：假阴道法。 (2)操作：采精者可手持假阴道，利用假台畜让被采精动物在模拟交配时将精液射入假阴道内。 (3)采集后的处理：采集的精子可以立即使用或冷冻保存待用。 (4)分离并获取有活力的精子的原因：精液中含有精子获能的抑制因子，冷冻液中还含有防冻剂等成分，精液中含有一定量的死精子。 3．采集卵母细胞 (1)抽吸法 ①采集对象：采集较大型的动物如牛、猪的卵母细胞，是从活体卵巢中采集卵母细胞时的常用方法。 ②操作：借助超声波探测仪和内窥镜等进行。 ③优点：可以有目的地选择卵泡，分离得到适当成熟程度的卵母细胞。 ④意义：可以充分发挥优良母畜的繁殖潜力。 (2)机械破碎法 ①采集对象：采集较小型的动物如小鼠、兔的卵母细胞，是从宰杀后的雌性动物卵巢上采集卵母细胞的方法。 ②操作：用针头刺破卵巢和卵泡，再在显微镜下对卵母细胞进行筛选。 ③优缺点：优点是可以得到各种成熟程度的卵母细胞；缺点是在刺破卵巢和卵泡的过程中有可能刺伤卵母细胞。 (3)其他方法：对于较小型的动物，还可以采用促性腺激素处理的方法，使其超数排卵，这样获得的卵母细胞可以直接与获能后的精子进行体外受精。 4．体外受精 (1)精子获能 ①精子获能的方法 方法名称 方法内容 适用对象 培养法 放入人工配制的获能液中，经培养即可获能 家兔、猪等动物 化学诱导法 放入一定浓度的肝素或相应的Ca2＋载体溶液中，诱导精子获能 牛、羊等动物 ② ③精子获能的意义：增强了精子的代谢能力和运动能力。 (2)顶体反应：顶体破裂释放出的顶体酶溶解卵母细胞周围的放射冠和透明带。 (3)体外受精 ①条件：在人为控制的适宜条件下和专用的受精溶液中，获能的精子和培养成熟的卵母细胞放在一起培养一段时间，可以在体外完成受精过程。 ②过程 (4)体外受精的应用 ①可用于研究哺乳动物生殖细胞的发生、受精和早期胚胎发育机制等。 ②为胚胎生产提供了经济而高效的方法，对充分利用优良种质资源、缩短家畜繁殖周期、加快品种改良速度等具有重要价值。 判断正误 (1)精子获能指的是精子获得能量(　　) (2)从活体卵巢中采集的卵母细胞都可以直接与获能后的精子进行体外受精(　　) (3)获能后的精子的膜流动性增加，表面电荷降低(　　) (4)顶体反应可以阻止多精入卵(　　) 答案　(1)×　(2)×　(3)√　(4)× 任务一：体外受精过程的分析 如图是体外受精过程示意图，据图回答下列问题： (1)精子离心处理的目的是什么？ 提示　精液由精子和精清两部分组成。精清中含有一种能抑制精子获能的物质，因此在一般情况下，精液中的精子无法获能。精子获能前进行离心处理，目的是除去精清以利于精子获能。 (2)采用抽吸法和机械破碎法获得的卵母细胞一般要培养成熟才能与获能的精子受精，培养成熟一般指什么时期？ 提示　减数第二次分裂中期。 1．自然受精、人工授精和体外受精的异同点 项目 自然受精 人工授精 体外受精 不同点 过程不同 雌雄动物交配完成 用人工的方法将公畜的精液注入母畜生殖道内，完成受精 人工获取精子、卵子，在体外培养液中完成受精过程 场所不同 雌性动物输卵管中 雌性动物输卵管中 － 相同点 (1)精子获能、卵子成熟后才能完成受精过程；(2)都是有性生殖 2.试管动物和克隆动物的区别 项目 试管动物 克隆动物 生物学原理或生物技术 体外受精、胚胎移植 细胞核的全能性、核移植 生殖类型 有性生殖 无性生殖 后代遗传性状的继承特点 后代继承提供遗传物质的双亲的特性 几乎全部性状与提供细胞核的亲本的性状一样 1．下列关于体外受精技术的说法，错误的是(　　) A．进行体外受精技术前需对精子进行获能处理 B．体外受精是从初级卵母细胞和初级精母细胞开始的 C．体外受精技术已成为一项常规的动物繁殖生物技术 D．体外受精技术可用于研究动物生殖细胞的发生机制 答案　B 2．(多选)如图是哺乳动物体外受精过程简图，据图分析，下列叙述正确的是(　　) A．如果是大型动物，①是卵母细胞的培养 B．小鼠、兔等动物可以采用饲喂促性腺激素的方法使其超数排卵 C．②是精子获能处理，通常采用的体外方法有培养法和化学诱导法 D．③是在专用的受精溶液中完成的 答案　ACD 解析　小鼠、兔等动物可以采用注射促性腺激素进行超数排卵处理，B错误。 二、胚胎移植技术和胚胎分割技术 1．胚胎移植技术 (1)胚胎工程：指对动物的胚胎进行人为操作和处理以获得目标个体的技术，包括体外受精、胚胎移植和胚胎分割等现代生物技术。 (2)精子和卵母细胞结合后，将受精卵移入相应的培养液中培养。培养液的基本成分包括维生素、氨基酸、蛋白质、无机盐和糖类等。 (3)胚胎移植技术：将良种雌性动物配种后，从其生殖道取出早期胚胎或通过体外受精及其他方式(如转基因、核移植)得到的受精卵或胚胎，再移植到同种的同时发情排卵但未经配种的其他雌性动物的体内，使它们进一步发育为新个体的技术。 (4)胚胎移植的过程：一般分为供体和受体的选择、供体和受体同期发情处理、供体的超数排卵处理和受精、胚胎收集以及胚胎移植。 (5)胚胎移植的应用 ①能发挥优良母畜的繁殖能力，迅速扩大优良畜种的数量，加速优良畜种的推广应用；②能缩短世代间隔，提高家畜改良速度；③能长期保存冷冻胚胎，便于优良品种的种质运输和保存。 2．胚胎分割技术 (1)概念：用机械方法将早期胚胎平均分割成二分胚、四分胚甚至八分胚，经培养后植入受体，以得到同卵双生或同卵多生后代的技术。 (2)实质：胚胎克隆方法。 (3)仪器：利用显微操作仪进行操作。 (4)过程：①选择形态正常、发育良好的桑椹胚或囊胚，在盛有操作液(含有质量分数为10%～20%的血清)的培养皿中用分割针或分割刀片将胚胎切开。 ②如果切割的是囊胚，一定要均等分割内细胞团；然后再将吸出的半个胚胎注入一个已经清空的透明带中或直接将其移植到受体中。 (5)优势：胚胎分割技术不仅能使可供胚胎移植的胚胎数目成倍增加，而且可以产生遗传性能相同的后代。 判断正误 (1)经胚胎移植产生的后代，其遗传特性与受体保持一致(　　) (2)胚胎移植实质上是早期胚胎在相同生理环境下空间位置的转移(　　) (3)对桑椹胚进行分割时，应将内细胞团均等分割(　　) (4)胚胎移植技术中，提供精子的一方为供体，提供卵母细胞的一方为受体(　　) (5)对供体母牛和受体母牛不仅要做同期发情处理，还要做超数排卵处理(　　) 答案　(1)×　(2)√　(3)×　(4)×　(5)× 任务二：胚胎移植和胚胎分割过程的分析 1．请结合胚胎移植的过程图解，分析回答下列问题： (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？ 提示　不一定都能正常发育；一般情况下应移植到同种的、生理状态相同的受体子宫内，在移植前应对受体进行同期发情处理。 (2)受体会不会对来自供体的胚胎发生免疫排斥反应？ 提示　受体对来自供体的胚胎基本上不会发生免疫排斥反应。 (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？ 提示　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生理和组织上的联系，其遗传特性在孕育过程中不会发生任何变化。 2．如图为胚胎分割示意图，据图回答下列问题： (1)为什么不用桑椹胚之前和囊胚之后的细胞组织进行胚胎分割？ 提示　因为胚胎分割是采用机械分割的方式，会对细胞造成损伤，所以要求细胞团有足够的能力去修复其损伤，还要保持细胞的全能性。桑椹胚之前的细胞团细胞数量少，不足以修复胚胎分割所造成的创伤；囊胚期以后的细胞开始出现程度比较高的分化，全能性降低。 (2)胚胎分割可以使胚胎数目成倍增加，是不是分割次数越多越好？为什么？ 提示　不是；因为早期胚胎的体积很小，分割的次数越多，作为囊胚期的内细胞团所受的影响会更大；分割的次数越多，技术的难度会越大，移植后的恢复和发育的难度也会越大，移植成功率会降低。 　胚胎移植的生理学基础及相应意义 项目 生理学基础 意义 受体生理环境 同种动物的供、受体排卵后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 胚胎 收集 早期胚胎形成后，在一定时间内不会与母体子宫建立组织上的联系，而是处于游离状态 为胚胎的收集提供了可能 胚胎 存活 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 胚胎 发育 供体胚胎可与受体子宫建立正常的生理和组织联系，但其遗传特性不受任何影响 为移植后胚胎继续发育提供了营养等方面的保障 3．(多选)(2023·泰州高二期末)细胞工程和胚胎工程技术为优良种畜的快速繁殖带来了无限生机。通过胚胎移植等技术，可以实现良种牛的快速繁殖。如图是获得优质奶牛的几种操作技术示意图，下列有关叙述错误的是(　　) A．为使更多的胚胎移植成功，需对供体母牛与受体母牛进行同期发情处理和对供体母牛进行超数排卵处理 B．为了进一步扩大繁殖规模，可直接用亲代牛的体细胞进行克隆 C．卵裂时通过有丝分裂增殖，细胞的细胞核与细胞质两者的体积之比逐渐变大 D．早期囊胚a、b、c的基因型相同，d可直接移植给受体孕育成遗传物质相同的后代 答案　BD 解析　亲代牛的体细胞的全能性受到限制，不能直接用亲代牛的体细胞进行克隆，B错误；卵裂过程通过有丝分裂方式增殖，细胞卵裂过程中，细胞数量增加，胚胎总体积不增加，单个细胞体积减小，因此细胞的细胞核与细胞质两者的体积之比逐渐变大，C正确；据图可知，三种早期囊胚a、b、c是由不同受精卵发育而来的，故a、b、c细胞核中的遗传物质不一定相同，其基因型也不一定相同，d是经过胚胎分割形成的两个健康的胚胎，可直接移植给受体孕育成遗传物质相同的后代，D错误。 4．(2023·淮安高二检测)胚胎分割技术是一种现代生物技术，下列关于该技术的叙述，错误的是(　　) A．胚胎分割操作在动物的子宫内进行 B．用分割针或分割刀片对早期胚胎进行分割 C．分割后的胚胎可移植到受体子宫内进一步完成胚胎发育 D．对囊胚进行分割时要注意将内细胞团均等分割 答案　A 解析　胚胎分割是在体外进行的，A错误；为保证个体的成活率及发育的一致性，对囊胚进行分割时要注意将内细胞团均等分割，D正确。 题组一　体外受精技术 1．精子获能的常用化学物质可能是下列哪一种(　　) A．氯化钙溶液 B．肝脏提取液 C．肝素溶液 D．氨基酸营养液 答案　C 解析　精子体外获能的方法有培养法和化学诱导法两种。化学诱导法即将精子放在一定浓度的肝素或相应的Ca2＋载体溶液中，诱导精子获能。 2．哺乳动物体外受精的过程是(　　) ①卵母细胞的采集　②精子的采集　③卵母细胞的成熟培养　④精子的获能处理　⑤精子与成熟的卵子在适当的培养液中共同培养　⑥体外受精　⑦受精卵培养 答案　B 解析　体外受精技术主要包括卵母细胞的采集和培养、精子的采集和获能处理、受精三个阶段。 3．下列关于体外受精技术的说法，错误的是(　　) A．体外受精技术需要的温度大约为37 ℃ B．体外受精需要对采集的卵子进行成熟培养 C．体外受精技术可用于良种牛的快速大量繁殖 D．体外受精技术就是人工将获能的精子放入雌性动物的输卵管中以辅助受精 答案　D 解析　人工授精是人工将获能的精子放入雌性动物的输卵管中以辅助受精，D错误。 4．如图是体外受精技术培育试管动物的大致流程，下列叙述错误的是(　　) A．精子需要获能后才能进行受精 B．受精时顶体酶能协助精子穿过放射冠和透明带 C．胚胎发育的过程是受精卵→囊胚→桑椹胚→原肠胚 D．进行胚胎的早期培养的目的是检查受精状况和受精卵的发育能力 答案　C 解析　胚胎发育的过程是受精卵→桑椹胚→囊胚→原肠胚→胚层分化→胚体形成→胎儿，C错误。 题组二　胚胎移植技术和胚胎分割技术 5．(2023·淮安高二调研)下列过程在胚胎移植中不需要进行的是(　　) A．对供体、受体要进行选择 B．常用激素处理使供体超数排卵 C．需选择培养至桑椹胚或者囊胚期的胚胎进行移植 D．供体和受体要进行免疫检查，防止发生免疫排斥反应 答案　D 解析　胚胎移植过程中，为了获得更多的卵母细胞，往往需要用激素(促性腺激素)对供体进行超数排卵处理，B不符合题意；受体动物对植入子宫的外来胚胎一般不会产生免疫排斥反应，D符合题意。 6．如图表示通过体外受精培育试管牛的过程，下列叙述错误的是(　　) A．采集动物精子的方法主要是假阴道法 B．过程②只与细胞质膜的流动性有关 C．过程③的细胞增殖方式一定是有丝分裂 D．过程④属于胚胎移植过程 答案　B 7．下列关于利用胚胎工程培育高产荷斯坦奶牛的叙述，正确的是(　　) A．供体母牛和受体母牛需要用相同的激素处理 B．胚胎移植可以充分发挥优良母畜的繁殖潜力 C．胚胎移植或分割一般选择囊胚或原肠胚期的胚胎 D．注射性激素有助于供体母牛排出较多的次级卵母细胞 答案　B 解析　对受体母牛与供体母牛用同种激素进行同期发情处理，此外还要对供体母牛注射促性腺激素，促使其超数排卵，A、D错误；胚胎移植或分割一般选择桑椹胚或囊胚期的胚胎，C错误。 8．如图是利用胚胎工程技术培育优质奶牛的主要步骤。下列叙述正确的是(　　) A．胚胎移植可以定向改造动物遗传性状 B．A细胞不一定是受精卵细胞 C．①②两个胚胎具有不同的遗传物质 D．图中a过程包括卵裂、囊胚和原肠胚等阶段 答案　B 解析　胚胎移植发育形成的个体性状取决于供体，不能定向改造动物遗传性状，A错误；移植的胚胎可以由受精卵发育而成，或者通过克隆技术形成，B正确；由同一个胚胎分割形成的不同个体含有相同的遗传物质，C错误；图中a过程包括卵裂、桑椹胚、囊胚阶段，不包括原肠胚，D错误。 9．下列关于胚胎分割移植的说法，不正确的是(　　) A．显微针分割法适用于卵裂球阶段的胚胎 B．胚胎分割常需要利用显微操作仪进行操作 C．可在囊胚阶段将胚胎随机分割成两份或多份，然后移植 D．用分割针将桑椹胚均分成两部分，分割后的胚胎可直接移植给受体 答案　C 解析　在对囊胚阶段的胚胎进行分割时，一定要注意将内细胞团均等分割，C错误。 10．让羊产牛奶，科学家对此做了相关的构想，过程如图所示。据图判断，下列说法正确的是(　　) A．图中涉及的现代生物技术有动物细胞核移植、胚胎移植、胚胎分割和动物细胞培养等 B．小羊a、小羊b、小羊c的性状表现不同，小羊a与羊N的性状表现相同 C．若研究发现羊N细胞中线粒体基因的表达产物丰富，故而它的产奶率高，则小羊a会有这一优良性状 D．依据目前的生物技术和理论，能通过生物工程手段获得新物种“羊牛” 答案　A 解析　小羊a、小羊b、小羊c都是通过胚胎分割移植获得的，因此性状表现应相同，B错误；通过图解分析可知，小羊a只获得了羊N的细胞核，其细胞质中的线粒体基因不会遗传给小羊a，C错误；依据目前的生物技术和理论，还不能通过生物工程手段获得新物种“羊牛”，D错误。 11．(多选)(2023·盐城高二月考)下列关于卵母细胞采集及精子获能的说法，正确的是(　　) A．对于较大型的动物，一般采用抽吸法直接从活体动物的卵巢中吸取卵母细胞 B．对于较小型的动物，经超数排卵后获得的卵母细胞不能直接与获能的精子进行体外受精 C．牛、羊等动物的精子，可放入一定浓度的肝素或相应的Ca2＋载体溶液中，诱导获能 D．精子获能的意义在于增强了精子的代谢能力和运动能力 答案　ACD 解析　对于较小型的动物，经超数排卵后获得的卵母细胞能直接与获能的精子进行体外受精，B错误。 12．(多选)(2023·苏州高二期末)北方白犀牛曾经广泛分布于非洲中部，因盗猎和栖息地被破坏而濒临灭绝。2018年3月，北方白犀牛仅剩下最后两头雌性个体。此前，科学家保存了北方白犀牛的精子，并欲通过胚胎工程繁育北方白犀牛。下列说法正确的是(　　) A．需要从雌性体内取出卵母细胞进行体外受精 B．可以用雌性南方白犀牛作为受体，进行胚胎移植 C．此过程和克隆技术相同，将会得到遗传背景一致的后代 D．可以通过胚胎分割技术，得到更多遗传性状相同的后代 答案　ABD 解析　为了繁育北方白犀牛，由于已经保存了北方白犀牛的精子，因此需要从雌性体内取出卵母细胞进行体外受精，以便获得较多的胚胎，A正确；因为受体子宫对移入的胚胎基本无免疫排斥反应，因此，可以用雌性南方白犀牛作为受体，进行胚胎移植，B正确；此过程采用了体外受精、早期胚胎培养和胚胎移植等技术，属于有性生殖，而克隆技术为无性生殖，故此过程和克隆技术不同，不会得到遗传背景一致的后代，C错误。 13．(多选)(2021·江苏，11改编)下列关于哺乳动物胚胎工程和细胞工程的叙述，正确的是(　　) A．细胞培养和早期胚胎培养的培养液中通常需添加血清等物质 B．早期胚胎需移植到经同期发情处理的同种雌性动物体内发育成个体 C．人们用猴的核移植细胞通过胚胎工程成功地培育出了克隆猴 D．将骨髓瘤细胞和B淋巴细胞混合，经诱导后融合的细胞即杂交瘤细胞 答案　ABC 解析　将骨髓瘤细胞和B淋巴细胞混合，经诱导后融合的细胞包括骨髓瘤细胞自身融合细胞、B淋巴细胞自身融合细胞、骨髓瘤细胞和B淋巴细胞融合成的杂交瘤细胞，D错误。 14．(多选)如图所示，a表示现代生物工程技术，b表示其结果。下列说法正确的是(　　) A．如果a是核移植技术，b的产生说明了动物细胞核具有全能性 B．如果a是体外受精技术，b的产生过程中必须经过基因检测这一步骤 C．如果a是胚胎分割技术，b中个体的基因型和性别相同 D．上述三种生物工程技术中b的受体均需注射激素，以达到超数排卵和同期发情的目的 答案　AC 解析　分析题图可知，如果a是体外受精技术，b的产生过程中不一定经过基因检测这一步骤，B错误；上述三种生物工程技术中b的受体均需注射激素，以达到同期发情的目的，D错误。 15．(2022·全国甲，38节选)某牧场引进一只产肉性能优异的良种公羊，为了在短时间内获得具有该公羊优良性状的大量后代，该牧场利用胚胎工程技术进行了相关操作。回答下列问题： (1)为了实现体外受精需要采集良种公羊的精液，精液保存的方法是____________________。在体外受精前要对精子进行获能处理，其原因是刚排出的精子必须在雌性生殖道内发生相应生理变化后才能受精；精子体外获能可采用化学诱导法，诱导精子获能的药物是_________(答出1点即可)。 (2)体外受精获得的受精卵发育成囊胚需要在特定的培养液中进行，该培养液的成分除无机盐、激素、血清外，还含的营养成分有________________(答出3点即可)等。将培养好的良种囊胚保存备用。 (3)请以保存的囊胚和相应数量的非繁殖期受体母羊为材料进行操作，以获得具有该公羊优良性状的后代。主要的操作步骤是_________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________。 答案　(1)加入防冻剂冷冻保存　肝素或钙离子载体　(2)维生素、氨基酸、葡萄糖等　(3)对受体母羊进行同期发情处理，将保存的囊胚进行胚胎移植，对受体母羊进行是否妊娠的检查，一段时间后受体母羊产下具有该公羊优良性状的后代 解析　(1)精液可以加入防冻剂冷冻保存，使用前再将精液解冻离心分离。通常采用的精子体外获能方法有培养法和化学诱导法，化学诱导法是将精子放在一定浓度的肝素或钙离子载体溶液中，用化学药物诱导精子获能。 16．幼畜体外胚胎生产技术，即幼畜超排、胚胎体外生产和移植技术，是提高良种家畜繁殖效率的核心技术(注：超排指超数排卵)。科学家经过多年对某种绒山羊体外胚胎生产技术的研究总结，形成了如图所示的操作流程。请分析回答下列问题： (1)流程图中的A是指______________________，经过程A处理后的精子才能与发育至________________期的卵母细胞完成受精作用。 (2)在卵母细胞活体采集前，科学家利用两种方式对供体母羊进行了超排处理，记录的相关数据如表： 不同超排方法对超排效果、卵裂及胚胎发育的影响 组别 羊羔/只 卵泡/个 平均卵数/个 卵裂率/% 囊胚形成率/% 1组：先加PMSG，后加FSH 6 366 61.00±13.96 42.43(143/337) 47.59(69/145) 2组：先加FSH，后加PMSG 6 515 85.83±18.35 22.80(101/443) 25.74(26/101) ①推测PMSG和FSH的作用为__________________________________________________。 ②结果表明：超排方法不同不仅影响超排效果，而且对体外受精后卵裂及_________________有很大影响。 (3)已知产下的小羊羔具有优良的遗传特性，另外还可采用B处的细胞，通过__________(写一种)等技术加速该种绒山羊遗传性状改良进程，并促进优良畜群繁育。也可采用____________技术将B均等分割为几份，并进行胚胎移植，从而一次性获得多只羊羔。 答案　(1)精子的获能处理　减数第二次分裂中　(2)①促进供体超数排卵　②早期胚胎发育　(3)核移植　胚胎分割 学科网（北京）股份有限公司 $$