第2章细胞工程知识清单-2024-2025学年高二下学期生物人教版选择性必修3

第2章 细胞工程 第1节 植物细胞工程 54. 细胞经分裂和分化后，仍然具有产生完整生物体或分化成其他各种细胞 的潜能，即细胞具有全能性。但是， 在生物的生长发育过程中，并不是所有的细胞都表现出全能性。比如，芽原基的细胞只能发育为芽 ，叶原基的细胞只能发育为叶 。 这是因为在特定的时间 和空间 条件下，细胞中的基因会选择性地表达 。 55. 植物组织培养是指将离体的植物器官、组织或细胞等，培养在人工配制的培养基上，给予适宜的培养条件，诱导其形成完整植株的 技术 。这些离体培养的植物器官、组织或细胞被称为外植体 。 56. 植物细胞一般具有全能性。在一定的激素和营养等条件的诱导下，已经分化的细胞可以经过脱分化，即 失去其特有的结构和功能， 转变成未分化的细胞 ，进而形成不定形的薄壁组织团块，这称为 愈伤 组织。愈伤组织能重新 分化成芽、根等器官，该过程称为再分化 。植物激素中生长素 和细胞分裂素 是启动细胞分裂、脱分化和再分 化的关键激素，它们的浓度 、用量的比例 等都会影响植物细胞的发育方向。 57. 菊花的组织培养方法步骤： ①用酒精 擦拭双手和超净工作台台面。将流水充分冲洗后的外植体（幼嫩的茎段）用酒精 消毒 30s，然后立即用无菌水 清 洗 2～3 次；再用次氯酸钠 溶液处理 30min 后，立即用无菌水 清洗 2～3 次。 ②将消过毒的外植体置于无菌的培养皿中，用无菌 滤纸吸去表面的水分。用解剖刀将外植体切成 0.5～1cm 长的小段。 ③在酒精灯火焰 旁，将外植体的 1/3～1/2 插入诱导愈伤组织 的培养基中。用封口膜封盖瓶口，并在培养瓶上作好标记 。 ④将接种了外植体的锥形瓶置于 18～22℃的培养箱 中培养，定期观察和记录愈伤组织的生长情况。 ⑤培养 15～20d 后，将生长良好的愈伤组织转接到诱导生芽 的培养基上。长出芽后，再将其转接到诱导生根 的培养基上， 进一步诱导形成试管苗。 ⑥移栽前先打开封口膜或瓶盖，让试管苗在培养箱内生长几日。用流水清洗掉根部的培养基后，将幼苗移植到消过毒 的蛭石或 珍珠岩等环境中，待其长壮后再移栽入土。 58. 菊花的组织培养注意事项：①实验中使用的培养基和所有的器械都要灭菌 。接种操作必须在酒精灯火焰旁 进行，并且每 次使用后的器械都要灭菌。②接种时注意外植体的方向，不要倒插 。③诱导愈伤组织 期间一般不需要光照，在后续的培 养过程中，每日需要给予适当时间 和强度 的光照。 59. 用于植物组织培养的培养基同样适合某些微生物 的生长。培养物一旦受到微生物的污染，就会导致实验前功尽弃，因此要 进行严格的无菌 操作。导致外植体被污染的原因可能有：培养基、接种工具 灭菌不彻底；外植体 消毒不彻底； 操作过程不符合无菌操作 要求等。 60. 在进行体细胞杂交之前，必须先利用纤维素酶 和果胶酶 去除细胞壁，获得原生质体 。杂交过程中的一个关键环节， 是原生质体间的融合 。人工诱导原生质体融合的方法基本可以分为两大类：物理 法和化学法。物理法包括电融合 法、离心 法等；化学法包括聚乙二醇（PEG）融合 法、高 Ca2+—高 pH 融合 法等。融合后得到的杂种细胞 再经过诱导可形成愈伤组织 ，并可进一步发育成完整的杂种植株。 61. 植物体细胞杂交是指将不同来源的植物体细胞，在一定条件下融合成杂种细胞，并把杂种细胞培育成新植物体 的 技术。植物体细胞杂交技术在打破生殖隔离 ，实现远缘杂交育种，培育植物新品种等方面展示出独特的优势。 62. 快速繁殖优良品种的植物组织培养技术，被人们形象地称为植物的快速繁殖 技术，也叫作微型繁殖 技术。它不仅可以 高效、快速地实现种苗的大量繁殖，还可以保持优良品种的遗传特性 。 63. 马铃薯、草莓和香蕉等通常是用无性 繁殖的方式进行繁殖的，它们感染的病毒很容易传给后代。病毒在作物体内逐年积累，就 会导致作物产量降低，品质变差。早在 20 世纪 50 年代，科学家就发现植物顶端分生区 附近（如茎尖）的病毒极少，甚至无 病毒。因此，切取一定大小的茎尖 进行组织培养 ，再生的植株就有可能不带病毒，从而获得 脱毒苗 。 64. 单倍体育种可以先通过花药（或花粉） 培养获得单倍体 植株，然后经过诱导染色体加倍 ，当年就能培 育出遗传性状相对稳定的纯合二倍体植株，这极大地缩短了育种的年限 。此外，由于大多数单倍体植株的细胞中只含有 一套染色体，染色体加倍后得到的植株的隐性 性状容易显现，因此它也是进行体细胞诱变育种和研究遗传突变的理想材料。 65. 在植物的组织培养过程中，由于培养细胞一直处于不断增殖 的状态，因此它们容易受到培养条件和诱变因素（如射线、化学物 质等）的影响而产生突变 。从产生突变的个体中可以筛选出对人们有用的突变体，进而培育成新品种。 66. 植物代谢会产生一些一般认为不是植物基本的生命活动所必需的产物——次生代谢物 。次生代谢物是一类小分子有机化合物 （如酚类、萜类和含氮化合物等），在植物抗病、抗虫等方面发挥作用，也是很多药物、香料和色素等的重要来源。 67. 初生代谢是生物生长和生存所必需 的代谢活动，因此在整个生命过程中它一直进行着。初生代谢物有糖类、脂质、蛋白质和核 酸等。次生代谢不是 （是/不是）生物生长所必需的，一般在特定的组织或器官中，并在一定的环境和时间条件下才进行。 68. 由于植物细胞的次生代谢物含量很低，从植物组织提取会大量破坏植物资源，有些产物又不能或难以通过化学合成途径得到，因此 人们期望利用植物细胞培养来获得目标产物，这个过程就是细胞产物的工厂化 生产。植物细胞培养是指在离体条件下对单个 植物细胞或细胞团进行培养使其增殖的技术 。它不占用耕地 ，几乎不受 季节、天气 等 的限制，因此对于社会、经济、环境保护具有重要意义。 第2节 动物细胞工程 69. 动物细胞培养是指从动物体中取出相关的组织，将它分散成单个细胞 ，然后在适宜的培养条件下，让这些细胞 生长和增 殖 的技术。 70. 动物细胞培养的条件： ①营养：细胞在体外培养时，培养基中应含有细胞所需要的各种营养物质。将细胞所需的营养物质按种类和所需量严格配制而成的培 养基，称为合成培养基 。由于人们对细胞所需的营养物质尚未全部研究清楚，因此在使用合成培养基时，通常需要加入 血清 等 一些天然成分。培养动物细胞一般使用液体培养基，也称为培养液 。 ②无菌、无毒的环境：在体外培养细胞时，需要对培养液和所有培养用具进行灭菌 处理以及在无菌 环境下进行操作。培养液 还需要定期更换 ，以便清除代谢物 。 ③温度、pH 和渗透压：维持细胞生存必须有适宜的温度。哺乳动物细胞培养的温度多以 36.5±0.5℃为宜。多数动物细胞生存的适宜 pH 为 7.2～7.4 。此外，渗透压 也是动物细胞培养过程中需要考虑的一个重要环境参数。 ④气体环境：动物细胞培养所需气体主要有 O2 和 CO2。O2 是细胞代谢所必需的，CO2 的主要作用是维持培养液的 pH 。在进行细 胞培养时，通常采用培养皿或松盖 培养瓶，并将它们置于含有 95%空气和 5%CO2 的混合气体的 CO2 培养箱 中进行培养。 71. 在进行细胞培养时，首先要对新鲜取材的动物组织进行处理，或用机械的方法，或用胰蛋白 酶、胶原蛋白 酶等处理 一段时间，将组织分散成单个细胞 。 72. 体外培养的动物细胞可以分为两大类：一类细胞能够悬浮 在培养液中生长增殖；另一类则需要贴附于某些基质表面 才 能生长增殖，大多数细胞属于这种类型，这类细胞往往贴附在培养瓶的瓶壁上，这种现象称为细胞贴壁 。悬浮培养的细胞会 因细胞密度过大 、培养液中有害代谢物积累 和营养物质缺乏 等因素而分裂受阻。贴壁细胞在生长增 殖时，除受上述因素的影响外，还会发生接触抑制 现象，即当贴壁细胞分裂生长到表面相互接触 时，细胞通常会停止 分裂增殖 。这时就需要对细胞进行 分瓶 培养，让细胞继续增殖。人们通常将分瓶之前的细胞培养，即动物组织经 处理后的初次培养 称为原代培养，将分瓶后的细胞培养 称为传代培养。在进行传代培养时，悬 浮培养的细胞直接用离心 法收集；贴壁细胞需要重新用胰蛋白酶 等处理，使之分散成单个细胞，然后再用离心 法收集。之后，将收集的细胞制成细胞悬液，分瓶培养。 73. 进行动物细胞培养时常用胰蛋白酶分散细胞，这说明细胞间的物质主要蛋白质 。胃蛋白酶作用的适宜 pH 约为 2 ，当 pH 大于 6 时，胃蛋白酶就会失去活性 。多数动物细胞培养的适宜 pH 为 7.2～7.4 ，胃蛋白酶在此环境中没有活性。 74. 细胞的增殖能力与供体的年龄有关，幼龄动物的细胞增殖能力强 ，更容易培养，老龄动物的细胞则相反。细胞的增殖能力也与 供体细胞的分化程度 有关，分化程度越低 的细胞，増殖能力越强，更容易培养。 75. 干细胞包括胚胎 干细胞和成体 干细胞等。 76. 胚胎干细胞（简称 ES 细胞）存在于早期胚胎 中，具有分化为成年动物体内的任何一种类型的细胞，并进一步形成机体的所 有组织和器官甚至个体的潜能。成体干细胞是成体组织或器官内的干细胞， 包括骨髓中的造血 干细胞、神经系统中的神经 干 细胞和睾丸中的精原 干细胞等。一般认为，成体干细胞具有组织特异 性，只能分化成特定 的细胞或组织，不具有 发育成完整个体的能力。造血干细胞主要存在于成体的骨髓 、外周血 和脐带血 中。 77. 有着自我更新 能力及分化 潜能的干细胞，与组织、器官的发育、再生和修复等密切相关，因而在医学上有着广泛的应用。 78. 胚胎干细胞必须从胚胎中获取，这涉及伦理 问题，因而限制了它在医学上的应用。2006 年，科学家通过体外诱导小鼠成纤维细 胞，获得了类似胚胎干细胞的一种细胞，将它称为诱导多能 干细胞（简称 iPS 细胞）。因为诱导过程无需破坏胚胎，而且 iPS 细胞可以来源于病人自身的体细胞，将它移植回病人体内后，理论上可以避免免疫排斥反应 ，所以科学家普遍认为 iPS 细 胞的应用前景优于 胚胎干细胞。iPS 细胞最初是由成纤维细胞转化而来的，后来发现已分化 的 T 细胞、B 细胞等也能被诱 导为 iPS 细胞。 79. 动物细胞融合技术就是使两个或多个动物细胞结合形成一个细胞的技术 。融合后形成的杂交细胞具有原来两 个或多个细胞的遗传 信息。动物细胞融合与植物原生质体融合的基本原理相同。诱导动物细胞融合的常用方法有 PEG 融合法、 电融合法和灭活病毒诱导 法等。 80. 灭活是指用物理或化学手段使病毒或细菌失去感染 能力，但并不破坏它们的抗原结构 。灭活病毒诱导细胞融合的原理 是：病毒表面含有的糖蛋白 和一些酶 能够与细胞膜上的糖蛋白发生作用，使细胞互相凝聚，细胞膜上的蛋白质分子和脂质 分子重新排布 ，细胞膜打开，细胞发生融合。 81. 早期人们为了获得抗体，就向动物体内反复注射某种抗原 ，使动物产生 抗体 ，然后从动物血清 中分离所需抗体。 用这种方法制备的抗体不仅产量低 、纯度低 ，而且特异性差 。 82. 动物体内产生的特异性抗体的种类可多达百万种以上，但每一个 B 淋巴细胞只分泌一种特异性抗体 。因此，要想获 得大量的单一抗体，必须克隆 单一的 B 淋巴细胞，形成细胞群。遗憾的是，在体外培养条件下，一个 B 淋巴细胞不可能无限增殖 。 83. 制备单克隆抗体过程： ①用特定的抗原对小鼠进行免疫，并从该小鼠的脾 中得到能产生特定抗体的多 （一/多）种 B 淋巴细胞。 ②培养骨髓瘤细胞。 ③诱导骨髓瘤细胞与 B 淋巴细胞融合。 ④用特定的选择 培养基进行筛选：在该培养基上，未融合的亲本 细胞和融合的具有同种核 的细胞都会死亡， 只有融合的杂交瘤细胞（多 种）才能生长。 ⑤对上述经选择培养的杂交瘤细胞进行克隆化培养 和抗体检测 ，经多次筛选，就可获得足够数量的能分泌所需抗 体的细胞。具体做法是，用 96 孔板培养和筛选杂交瘤细胞（每一个孔中尽量只接种一 个杂交瘤细胞），得到抗体检测呈阳 性 的杂交瘤细胞（分泌的抗体能与特定抗原结合）。 ⑥将抗体检测呈阳性的杂交瘤细胞在体外条件下大规模培养，或注射到小鼠腹腔内增殖。从细胞培养液 或小鼠腹水 中 获取大量的单克隆抗体。 84. 用抗人绒毛膜促性腺激素单克隆 抗体做成的“早早孕诊断试剂盒”，在妊娠第 8 天就可以作出诊断，这比原来的诊断 方法提前了 10d 左右，可以避免孕妇在不知道妊娠的情况下因服用药物而对胎儿造成不利影响。 85. 抗体—药物偶联物(ADC )通过将细胞毒素 与能特异性识别肿瘤抗原的单克隆抗体 结合，实现了对肿瘤细胞的选择性 杀伤。ADC 通常由抗体 、接头 和药物 三部分组成。 86. 单克隆抗体能准确地识别抗原的细微差异，与特定抗原发生特异性结合 ，并且可以 大量制备 ，因此被广泛用作 诊断 试剂，在多种疾病的诊断和病原体鉴定中发挥重要的作用。例如，利用同位素或荧光标记的单克隆抗体在特定组织中 成 像 的技术，可定位诊断肿瘤、心血管畸形等疾病。 87. 动物细胞核移植技术是将动物一个细胞的细胞核移入去核的卵母细胞 中，使这个重新组合的细胞发育成新胚胎 ， 继而发育成动物个体 的技术。 88. 哺乳动物核移植可以分为胚胎细胞 核移植和体细胞 核移植。由于动物胚胎细胞分化程度低 ，表现全能性相对容易， 而动物体细胞分化程度高 ，表现全能性十分困难，因此动物体细胞核移植的难度明显 高于 （高于/低于）胚胎细胞核移植。 89. 体细胞核移植的大致过程： ①从供体高产奶牛身体的某一部位上取体 细胞，进行培养。 ②从屠宰场收集牛卵巢，采集卵母 细胞，在体外培养到 MII 期。MII 期卵母细胞中的“核"其实是纺锤体—染色体 复合物。 ③通过显微操作去核。目前动物细胞核移植技术中普遍使用的去核方法是显微操作 法。也有人采用梯度离心 、紫外线短 时间照射 和 17 化学物质处理 等方法。这些方法是在没有穿透卵母细胞透明带 的情况下去核或使其中的 DNA 变性 。 ④将供体细胞 注入去核的卵母细胞。 ⑤通过电融合法使两细胞融合 ，供体核进入卵母细胞。 ⑥用物理或化学方法（如电刺激、Ca2+载体、乙醇和蛋白酶合成抑制剂等）激活重构胚 ，使其完成细胞分裂和发育 进 程。重构胚是指人工重新构建的胚胎，具有发育成完整个体的能力。 ⑦将胚胎移入受体 （代孕）母牛体内 ，生出与供体 奶牛遗传物质 基本相同的犊牛。 90. 在医药卫生领域，通过建立转基因体细胞系，再利用体细胞核移植技术培育的转基因克隆动物可以作为生物反应器 ，生产许 多珍贵的医用蛋白；在治疗人类疾病时，转基因克隆动物的细胞、组织或器官可以作为异种移植的供体 ；以患者作为供体培育 的人核移植胚胎干细胞，经过诱导分化能形成相应的细胞、组织或器官，将它们移植给患者时可以避免 免疫排斥反应 。 克隆一批遗传背景 相同的动物，可以通过它们之间的对比来分析致病基因；克隆特定疾病模型 的动物，还能为研究该 疾病的致病机制和开发相应的药物提供帮助。 91. 尽管通过体细胞核移植技术已经获得了多种克隆动物，但该技术的成功率仍然非常低 ，各个技术环节也有待进一步改进。此 外，一些研究者指出，绝大多数克隆动物存在健康问题，许多克隆动物表现出遗传和生理缺陷。 第3节 胚胎工程 92. 胚胎工程是指对生殖细胞 、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。 93. 受精是精子与卵子结合形成合子 (即受精卵)的过程，包括受精前的准备阶段和受精阶段。在自然条件下，哺乳动物的受精在输 卵管内 完成。 94. 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 ”。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。 95. 动物排出的卵子成熟程度不同，有的可能是初级 卵母细胞，如马、 犬等；有的可能是次级 卵母细胞，如猪、羊等。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。 96. 获能后的精子与卵子相遇时，首先它释放出多种酶 ，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。 在精子触及卵细胞膜的瞬间，卵细胞膜外的透明带 会迅速发生生理反应，阻止后来的精子进入透明带。然后，精子入卵。精 子入卵后，卵细胞膜 也会立即发生生理反应，拒绝其他精子再进入卵内。 97. 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核，叫作雄原核 。与此 同时，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 。雄、雌原核充分发育后，相向移 动，彼此靠近，核膜消失。这个含有两 个染色体组的合子就是受精卵。 98. 多数哺乳动物的第一极体不进行减数分裂 II ，因而不会形成两个第二极体。在实际胚胎工程操作中， 常以观察到 两个极 体 或者雌、雄原核 作为受精的标志。 99. 受精卵形成后即在输卵管内进行有丝 分裂，开始发育。胚胎发育早期，有一段时间是在透明带 内进行分裂，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 。 100. 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。 101. 囊胚：胚胎进一步发育，细胞逐渐分化 。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 ； 而沿透明带内壁扩展和排列的细胞，称为滋养层 细胞，它们将来发育成胎膜和胎盘 。 102. 随着胚胎的进一步发育，胚胎的内部出现了含有液体的腔——囊胚腔 ，这个时期的胚胎叫作囊胚。囊胚进一步扩大，会导致透明带 破裂，胚胎从其中伸展出来，这一过程叫作孵化 。孵化非常重要，如果不能正常孵化，胚胎就无法继续发育。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。 103. 胚胎工程技术目前在医学和生产上应用较多的是体外受精 、胚胎移植 和胚胎分割 等，借助这些技术，可以 进一步挖掘动物的繁殖 潜力。 104. 哺乳动物的体外受精技术主要包括卵母细胞的采集 、精子的获取 和受精 等步骤。 105. 胚胎移植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。其中提供胚胎 的个体称为“供体”，接受胚胎 的个体叫“受体”。通过任何一项技术（如转基因 、 核移植 和体外受精 等）获得的胚胎，都必须移植给受体 才能获得后代。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。 106. 以家畜的胚胎移植为例，胚胎移植主要包括：供体、受体的选择和处理 →配种或人工授精 →胚胎的收集、检 查、培养或保存 →胚胎的移植 以及移植后的检查 等步骤。 ①对供、受体母牛进行选择，并用激素进行同期发情 处理（需使用多种激素）。对供体母牛的要求是生产和遗传性能优良 ； 对受体母牛的要求是健康、繁殖能力正常 。 ②用促性腺 激素对供体母牛做超数排卵 处理（用外源促性腺激素，诱发卵巢 排出比自然情况下更多的成熟卵子）。 ③超数排卵的母牛发情后，选择同种优秀的公牛进行配种或人工授精 。 ④胚胎的收集：配种或输精后第 7 天，用特制的冲卵装置，把供体母牛子宫内的胚胎 冲洗出来（也叫冲卵）。 ⑤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。 ⑥将收集的胚胎直接向受体移植或放入-196℃的液氮 中保存。 ⑦胚胎的移植； ⑧对受体母牛进行是否妊娠 检查。 ⑨受体母牛产下胚胎移植的犊牛。 107. 进行胚胎移植的优势是可以充分发挥雌性优良个体的繁殖 潜力。供体的主要职能变为产生具有优良遗传特性 的胚胎， 繁重而漫长的妊娠和育仔任务由受体 取代，这就大大缩短了供体本身的繁殖周期。 108. 早期胚胎细胞具有很强的分裂 能力，并保持着细胞全能性 。 109. 胚胎分割是指采用机械 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。来自同一胚胎的 后代具有相同的遗传物质 ，因此胚胎分割可以看作动物 无性 繁殖或克隆的方法之一。 110. 胚胎分割所需要的主要仪器设备为体视显微镜 和显微操作仪 。在进行胚胎分割时，应选择发育良好、形态正常的 桑 葚胚或囊胚 ，将它移入盛有操作液的培养皿中，然后在显微镜下用分割针 或分割刀 分割。在分割囊胚 阶段的胚胎时，要注意将内细胞团均等分割 。 1 学科网（北京）股份有限公司 $$