2.3 胚胎工程 课件 2024—2025学年高二下学期生物人教版选择性必修3

第3节：胚胎工程-1 选择性必修3 胚胎工程的理论基础 胚胎形成经过了哪些过程？ 受精和早期胚胎发育的节本过程是怎样的？ 我国对奶类的总需求量很大，但与奶业发达的国家相比，我国奶牛的单产水平还存在一定差距。奶牛品种是影响产奶量的主要因素之一，而引进一头成年奶牛往往需要数万元，高昂的价格使得靠大量引进优良品种来提高产量不太可行。能不能让引进的良种奶牛快速、大量繁殖呢?遗憾的是，牛的生育率很低，一头母牛一胎一般只产一头犊牛，一生约生育四五次。如何解决这个难题呢? 良种荷斯坦奶牛 从社会中来 可以通过体外受精、胚胎分割等技术获得多个良种奶牛的胚胎，然后移植给代孕母牛生下后代。 为什么进行要胚胎工程？ 哺乳动物自身繁殖率低 畜牧业上需要快速大量繁殖良种家畜 体外受精 早期胚胎培养 胚胎分割 胚胎移植 短内时间内可产生大量后代 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。 ①操作对象： ②技术手段： ③理论基础： 生殖细胞、受精卵或早期胚胎 体外受精、早期胚胎培养、胚胎分割、胚胎移植等。 哺乳动物体内受精和早期胚胎发育的规律。 ④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 一、胚胎工程的理论基础 哺乳动物体内受精和早期胚胎发育的规律。 1.受精 受精 定义 阶段 受精前的准备阶段 受精阶段 指精子和卵子结合形成合子(即受精卵)的过程。 准备阶段Ⅰ——精子获能 准备阶段Ⅱ——卵子的准备 定义 指精子和卵子结合形成合子(即受精卵)的过程。 精子 场所 输卵管 1.受精 刚刚排出的精子不能立即与卵子受精，必须在雌性动物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”。 准备阶段Ⅰ——精子获能 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墓础。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。 ①定义 ②体外精子获能 研究精子获能机制 找到精子在体外获能的方法 实现哺乳动物精子体外获能 为体外受精奠定了重要基础 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 获能液中的有效成分有：肝素、Ca2+载体等。 ③成熟精子的结构 头 颈 线粒体鞘 尾 成熟精子含有的细胞质很少。 思考：精细胞变成精子的过程中，细胞中很多结构会消失，而细胞核和线粒体都保留下来，对这一现象怎样理解？ ③成熟精子的结构 头 颈 线粒体鞘 尾 主要是细胞核 为精子的运动提供能量 细胞核是精子遗传物质储存和复制的场所，也是参与精、卵结合和后代遗传特性与细胞代谢活动的控制中心。而线粒体则是有氧呼吸产生运动能量的场所，为精子运动提供动力。 准备阶段Ⅱ——卵子的准备 ①不同动物排出的卵子成熟程度不同 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 准备阶段Ⅱ——卵子的准备 ②卵子的成熟 卵原细胞 初级卵母细胞 次级卵母细胞 排出的卵子要在输卵管内发育到MⅡ(中)期时，才具备与精子受精的能力。 马、犬排卵 猪、羊排卵 MⅡ(中)期卵母细胞 发育 准备阶段Ⅱ——卵子的准备 ②卵子的成熟 MⅡ(中)期卵母细胞 透明带 卵细胞膜 核 (纺锤体—染色体复合物) 第一极体 成熟卵母细胞 受精阶段 第1步：精子穿越卵细胞膜外结构 获能后的精子与卵子相遇 释放多种酶 溶解卵细胞膜外的一些结构 借助精子自身运动 精子接触卵细胞膜 第2步：透明带反应 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 第3步：精子入卵 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 阻止多精入卵的第二道屏障 第4步：卵细胞膜反应 精子外膜与卵细胞膜融合，精子入卵。 第5步：雌雄原核的形成 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Ⅱ，排出第二极体，形成雌原核。 雄原核 雌原核 第一极体 放出的第二极体 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 放出的第二极体 第一极体 多数哺乳动物的第一极体不进行减数分裂Ⅱ 雄原核 雌原核 观察到两个极体或者雌、雄原核作为受精的标志。 受精阶段总结 第1步：精子穿越卵细胞膜外结构 第2步：透明带反应 第3步：精子入卵 第4步：卵细胞膜反应 第5步：雌雄原核的形成 第6步：雌、雄原核融合，受精卵形成 阻止多精入卵的两道屏障 2.胚胎早期发育 ①场所 输卵管和子宫 ②分裂方式 有丝分裂 ③卵裂 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，但胚胎的总体积不增加，这种受精卵的早期分裂称为卵裂。 ③卵裂 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类称为卵裂。 卵裂期的特点 ①细胞分裂方式是__________ ②细胞数目_________________ ③胚胎总体积______________ ④每个细胞的体积__________ ⑤胚胎总有机物____________ ⑥胚胎总DNA数___________ 有丝分裂 增加 不增加 减小 减小 增加 ④早期胚胎发育的阶段 原肠胚 受精卵 2细胞 4细胞 8细胞 桑葚胚 囊胚 卵裂 (细胞未分化) 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 桑葚 囊胚 内细胞团的细胞未分化，可以作为胚胎干细胞的来源。 内细胞团 滋养层 囊胚腔 透明带 发育 胎盘和胎膜 发育 胎儿的各种组织 滋养层细胞已经分化，将来只能分化为胎盘和胎膜。 囊胚 孵化： 内细胞团 滋养层 囊胚腔 透明带 发育 胎盘和胎膜 发育 胎儿的各种组织 囊胚进一步扩大，会导致透明带破裂，胚胎从其中伸展出来，这一过程叫做孵化。 如果不能正常孵化，胚胎就无法继续发育。 原肠胚 囊胚腔 外胚层 内胚层 中胚层 原肠腔 表皮及其附属结构 神经系统的和感官 循环系统 脊索 真皮 消化道上皮 呼吸道上皮 腺体 肌肉 内脏细胞外膜 泌尿系统 生殖系统 各种组织器官系统 个体 获能精子 MⅡ期 卵母细胞 受精卵 精子 排出的 卵母细胞 2细胞 4细胞 8细胞 桑葚胚 囊胚 原肠胚 准备阶段 受精阶段 胚胎早期发育 受精 胚胎工程的理论基础总结 思考·讨论 不同动物受精卵发育的比较 动物种类 进入子宫时发育的天数 进入子宫时的发育阶段 小鼠 3 桑葚胚 山羊 4 10-16细胞 绵羊 3-4 16细胞 猪 2-2.5 4-6细胞 马 6 囊胚 牛 4-5 8-16细胞 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 思考·讨论 不同动物受精卵发育的比较 动物种类 进入子宫时发育的天数 进入子宫时的发育阶段 小鼠 3 桑葚胚 牛 4-5 8-16细胞 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细胞阶段进人子宫，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囊胚阶段的胚胎进行移植。 思考·讨论 不同动物受精卵发育的比较 3.为什么说有关动物体内受精和胚胎发育的研究，会为胚胎工程提供理论基础？ 胚胎工程的许多技术都是为了解了哺乳动物在自然条件下受精和胚胎早期发有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维续发育。 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精子人卵后，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 二、拓展应用 1.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。 细胞核和线粒体都是精子的重要结构。 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。 二、拓展应用 2.精子在雌性动物的生殖道内是如何获能的？除了教材中介绍的，防止多精入卵的机制还有哪些？ 精液由精子和精浆两部分组成。精浆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只有当交配后精液进人雌性动物的生殖道时。由生殖道分泌产生些物质解除对精子获能的抑制，才能引起精子获能。不同动物的精子在雌性动物生殖道内获能的部位可能会所有差异。精子的获能涉及以下变化： 雌性动物生殖道分部的一些物质使精子表面的物质发生变化(如某些酶将顶体表面的糖蛋白降解);精子表面膜结构一些物质的比例发生变化;膜的通透性发生变化等。这些变化可以暴露出精子表面与卵细胞相识别的受体。改变精子的活力。为后续受精做准备。 精子获能的机制 二、拓展应用 2.精子在雌性动物的生殖道内是如何获能的？除了教材中介绍的，防止多精入卵的机制还有哪些？ 生殖道对精子具有初步的筛选作用。在经雄性动物生殖道的一些屏障后，只有少数活动力强的精子能到达受精部位；在精子和卵细胞识别后会发生一些反应，如细胞表面的精子识别受体很快发生了修饰，使后来的精子表面的卵细胞结合蛋白不能识别受体。 防止多精入卵的其他机制 第3节：胚胎工程-2 选择性必修3 胚胎工程技术及其应用 胚胎工程技术主要包括哪些？它们的原理分别是什么？ 胚胎工程在生产实践中有哪些应用？ 二、 胚胎工程技术及其应用 应用较多的 胚胎工程技术 1.体外受精 2.胚胎移植 3.胚胎分割 进一步挖掘动物的繁殖潜力 1.体外受精 试管动物是如何产生的？ 体外受精 胚胎移植 试管动物 1.体外受精 卵母细胞 成熟培养 成熟卵母细胞 精子 获能处理 获能的精子 体外受精 受精卵 雌性哺乳动物 雄性哺乳动物 卵母细胞的采集 精子的获取 ①体外受精技术主要包括： a.卵母细胞的采集 b.精子的获取 c.(体外)受精 卵巢 a.卵母细胞的采集与培养 MⅡ期卵母细胞 采集并培养 ②体外受精技术过程 b.精子的获取与获能处理 新鲜或解冻的精液 精子离心处理 获能精子 精子离心处理的目的 精液由精子和精浆两部分组成。精浆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，目的是除去精浆以利于精子获能。 取沉淀进行获能处理 c.体外受精 体外受精 受精卵培养 获能精子 MⅡ期 卵母细胞 卵巢 MⅡ期 卵母细胞 获能精子 精子离心处理 新鲜或解冻的精液 体外受精 受精卵培养 哺乳动物体外受精过程示意图 ③体外受精技术的意义 a.提高动物繁殖能力 b.为胚胎移植提供可用的胚胎 卵巢 MⅡ期 卵母细胞 新鲜或解冻的精液 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 提高繁殖力 2.胚胎移植 ①定义 胚胎移植( embryo transfer)是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内，使之继续发育为新个体的技术。 思考：用于胚胎移植的胚胎有哪些来源？ 体外受精 体内受精(配种) 核移植 胚胎分割 早期胚胎 有性 生殖 无性 生殖 思考：用于胚胎移植的胚胎有哪些来源？ 早期胚胎 早期胚胎 早期胚胎 胚胎 移植 供体 受体 移植条件 实质 地位 胚胎移植( embryo transfer)是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内，使之继续发育为新个体的技术。 供体与受体为同种且生理状态相同 早期胚胎在相同生理环境条件下空间位置的转移 提供胚胎的个体 接受胚胎的个体 胚胎工程的最后一道“工序” ②过程 优良供体母牛 受体母牛 受体发情 同期发情处理 超数排卵处理 发情配种 或人工授精 胚胎移植 收集胚胎并检查 对受体进行妊娠检查 具有优良性状的后代 正常繁殖或两三个月后进行另一次移植 优良公牛 供体、受体的选择和处理 配种或进行 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 供体、受体的选择和处理 选择遗传性状优良，生产能力强的个体 用激素对供体母牛和受体母牛进行同期发情处理 优良供体母牛 受体母牛 选择有健康的体质和正常繁殖能力的个体 对供体母牛进行超数排卵处理 同期发情处理 优良供体母牛 受体母牛 思考：什么是同期发情处理？ 利用某些激素人为地控制并调整一群母畜发情周期的进程，使之在预定时间内集中发情。 同期发情处理 优良供体母牛 受体母牛 思考：同期发情处理的目的是什么？ 使胚胎在移植前后所处的生理环境保持一致，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。 供体、受体的选择和处理 对供体母牛进行超数排卵处理 优良供体母牛 思考：超数排卵的目的是什么？ 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。 思考：如何进行超数排卵？ 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。 配种或进行人工授精 超数排卵的母牛发情后，选择同种优良的公牛进行配种或人工授精。 体内受精 人工授精 配种(自然受精) 人工授精 胚胎的收集 用特制的冲卵装置，把供体母牛子宮内的胚胎冲洗出来(也叫冲卵)。 冲卵：是指用配制好的冲卵液，借助特制的冲卵装置，将供体母畜子宫或输卵管中的胚胎冲洗出来。 胚胎的检查、培养或保存 冲卵后，对胚胎进行质量检查。这时的胚胎应该发育到桑葚胚或囊胚阶段。 若没有发育到适合移植的阶段，还要进行胚胎的培养。 将收集的胚胎直接向受体移植或放入-196℃的液氮中保存。 胚胎冷冻保存(-196℃,液氮中） 对供体、受体母畜进行选择，并进行同期发情处理 对供体母畜进行超数排卵 配种或人工授精 收集胚胎 对胚胎检查、培养或保存 胚胎移植 对受体母畜进行妊娠检查 产生具有优良性状的后代 胚胎移植过程 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? 思考·讨论 胚胎移植的生理学基础 不一定能正常发育。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，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人受体提供相同的生理环境。 2.受体会不会对来自供体的胚胎发生免疫排斥反应? 思考·讨论 胚胎移植的生理学基础 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? 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? 思考·讨论 胚胎移植的生理学基础 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。 胚胎移入的基础 胚胎收集的基础 移入胚胎存活的基础 保留胚胎遗传特性基础 胚胎移植的生理学基础 排卵后，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。 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，其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，同时保障了供体优良遗传性状。 ③意义 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。 a.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 b.可在短期内大幅度增加优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。 3.胚胎分割 ①理论依据 早期胚胎细胞具有很强的分裂能力，并保持着细胞全能性。 ②概念 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。 ③特点： 后代具有相同的遗传物质，因此胚胎分割可以看做动物无性繁殖或克隆的方法之一。 ④主要仪器设备： 体视显微镜和显微操作仪 ⑤胚胎分割操作程序 a.选择发育良好、形态正常的桑葚胚或囊胚，移入盛有操作液的培养皿中。 b.在显微镜下用分割针或分割刀片对胚胎进行分割 c.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。 对囊胚阶段胚胎进行分割时一定要均分内细胞团。 还可用分割针分割滋养层，做DNA分析，鉴定性别。 做DNA分析 鉴定性别 ⑥胚胎分割的意义 a.提高胚胎利用率，促进优良动物品种的繁殖。 b.产生遗传性状相同的后代，作为遗传学研究的宝贵材料 c.胚胎移植前，进行性别鉴定、遗传病筛查，对于人工控制动物性别，繁育健康动物后代具有重要意义。 一、概念检测 1.判断下列表述是否正确。 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查，以防止发生免疫排斥反应。( ) × × × 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。 雌性杜泊羊 雄性杜泊羊 卵母细胞 精子 采集 采集 受精卵 体外受精 早期胚胎 当地普通绵阳 杜泊羊 分娩 （ ） （ ） ①请将图中的括号内的内容补充完整。 雌性杜泊羊 雄性杜泊羊 卵母细胞 精子 采集 采集 受精卵 体外受精 早期胚胎 当地普通绵阳 杜泊羊 分娩 （ ） （ ） 体外胚胎培养 胚胎移植 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。 二、拓展应用 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。 ②如果繁育成功，这样人工繁育的种群与野生种群相比，有什么区别? 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。 $$