1.2细胞的多样性和统一性课件-2025-2026学年高一上学期生物人教版必修1

第1章 走近细胞 第2节 细胞的多样性和统一性 学习目标： Ⅰ.学会使用高倍显微镜观察细胞 Ⅱ. 利用归纳法整理真核原核细胞的差异性和统一性，并能在具体实例中区分 复习提问: 细胞学说的主要建立者是？细胞学说的内容？意义？ 2.什么是归纳法？科学研究中经常运用的是？ 3.为什么说细胞是生命活动的基本单位、生命活动离不开细胞？ 4.从生命系统的结构来分析，下列结构属于哪个层次？ ①受精卵 ②树叶 ③心脏 ④东塔岭所有的松树 ⑤一个酵母菌 ⑥文化园中的所有大鱼 ⑦某山上的所有生物 ⑧一只小白鼠 ⑨市场上买的一个西瓜 ⑩泰山风景区 5.多细胞生物生长发育由于细胞发生了什么变化？亲子代间遗传物质的桥梁？ 6.光学显微镜的放大倍数指什么？成像特点是什么？ 【课前准备】必修一课本、NO.1学案 5.由精子和卵细胞两性生殖细胞结合的生殖方式叫有性生殖．染色体是细胞核中容易被碱性染料染成深色的物质，染色体是由DNA和蛋白质两种物质组成；DNA是遗传信息的载体，主要存在于细胞核中，DNA分子为双螺旋结构，像螺旋形的梯子；DNA上决定生物性状的小单位，叫基因．基因决定生物的性状．在生物的体细胞中，染色体是成对存在的，基因也是成对存在的，分别位于成对的染色体上；在形成生殖细胞的过程中，成对的染色体分开，每对染色体中的一条进入精子或卵细胞中，基因也随着染色体的分离而进入不同的生殖细胞中．生物体的各种性状都是由基因控制的，性状的遗传实质上是亲代通过生殖细胞把基因传递给了子代，在有性生殖过程中，生殖细胞就是基因在亲子代间传递遗传物质的桥梁． 2 探究点一：高倍显微镜的使用 显微镜下的世界什么样，物体放大的极限在哪里？ 洋葱表皮细胞 探究点一：高倍显微镜的使用 植物输导组织 探究点一：高倍显微镜的使用 沙粒 探究点一：高倍显微镜的使用 芯片 探究点一：高倍显微镜的使用 花粉 探究点一：高倍显微镜的使用 铜原子 探究点一：高倍显微镜的使用 回忆初中阶段的学习的相关知识，回答下列问题： 1.观察写有字母“A”的玻片，看到的物像是什么？ 2.若物像在视野的左下方，如何将物像移到视野中央？ 3.在低倍显微镜下看到了某细胞，想要用高倍显微镜继续观察，该如何操作？ 探究点一：高倍显微镜的使用 探究点一：高倍显微镜的使用 1 目镜 镜筒 转换器 4 物镜 5 载物台 7 反光镜 8 底座 9 粗准焦螺旋 ⑩ 细准焦螺旋 ⑪ 镜臂 ⑫ 压片夹 ⑭ 镜柱 通光孔 6 遮光器 2 3 ⑬ Ⅰ.显微镜的构造 放大物象 连接目镜与物镜 转换物镜 放大物象 放玻片 调节光线强弱 反射光线 支持 快速升降镜筒 缓慢升降镜筒，使物象更清晰 连接 固定玻片 通过光线 支持镜身 目镜越长，放大倍数越小，无螺纹 物镜越长，放大倍数越大，距装片距离越近，有螺纹 探究点一：高倍显微镜的使用 Ⅱ.目镜和物镜 目镜 物镜 下列有关显微镜操作的叙述，正确的有（ ） A．标本染色较深，观察时可选用凹面反光镜和调大光圈 B．显微镜的放大倍数是指物像的面积或体积的放大倍数 C．若要换用高倍物镜观察，需先升镜筒，以免镜头破坏玻片标本 D．从低倍镜转到高倍镜时，轻轻的转动物镜使高倍镜到位 探究点一：高倍显微镜的使用 Ⅱ.目镜和物镜 A 13 探究点一：高倍显微镜的使用 移 将目标移到视野中央。 转动转换器，换成高倍物镜。 调节细准焦螺旋，使物像更清晰。 转动反光镜，调节光圈，使视野明亮适宜。（PS:视野亮度，可以随时调节） 换 调 转 思考： 换成高倍物镜后，为了使物像更加清晰，为什么不能调节粗准焦螺旋？ Ⅲ.高倍镜的使用步骤 使用显微镜，先用低倍镜看，当用低倍镜看到有清晰的物象时，转换到高倍镜更细致观察，此时，只需用细准焦螺旋微调，就可在高倍镜下找到清晰物象，没有使用粗准焦螺旋的必要，且此时物镜离装片较近，因粗准焦螺旋使镜筒上升下降幅度较大，容易压碎装片或损坏物镜镜头，且容易错过清晰物象，导致重新观察 14 项目 物镜与玻片距离 视野中细胞数目 物像大小 视野亮度 视野范围 低倍镜 高倍镜 思考：在低倍镜下观察清楚后，为什么要把放大观察的物像移至视野中央？ 将物像移至视野中央，换用高倍镜后，便于快速准确地找到要观察的物像 探究点一：高倍显微镜的使用 Ⅳ.放大倍数与视野的关系 项目 物镜与玻片距离 视野中细胞数目 物像大小 视野亮度 视野范围 低倍镜 远 多 小 亮 大 高倍镜 近 少 大 暗 小 显微镜下所成的像是倒立的虚像，即显微镜成倒像(左右相反，上下颠倒)，相当于实物旋转180° 探究点一：高倍显微镜的使用 Ⅴ.显微镜成像特点及移动规律 上 实物 上 物象 视野中物像移动的方向与载玻片中实物的运动方向正好相反 移动装片时应按照同向原则，即物像往哪偏装片往哪移，就可将物像移至视野中央 显微观察时，有一草履虫在视野中顺时针转圈，则其实际运动方向是什么？ 若草履虫在视野右侧向右运动，想要在显微镜下持续观察草履虫，要如何移动装片？ 探究点一：高倍显微镜的使用 Ⅴ.显微镜成像特点及移动规律 如图，如何将红点移到视野中央？ 移动前 移动后 情景一： 现有目镜10×；物镜10×的显微镜，观察到视野中有12个细胞，排成一行。换成目镜10×；物镜20×后，在视野中可看到多个细胞？ 探究点一：高倍显微镜的使用 提示： 1.换成高倍物镜后，视野变小。 2.小圆半径是大圆半径的。 3.细胞排成一行，与面积无关。 细胞数目与扩大倍数成反比 Ⅵ.显微镜计算题 情景二： 现有目镜10×；物镜10×的显微镜，观察到整个视野有80个细胞。换成目镜10×；物镜20×后，在视野中可看到多个细胞？ 探究点一：高倍显微镜的使用 提示： 1.换成高倍物镜后，视野变小。 2.小圆半径是大圆半径的。 3.充满整个视野，取决于面积大小。 细胞数目与扩大倍数的平方成反比 Ⅵ.显微镜计算题 移动装片 污物移动 装片上 污物不移动 转动目镜 污物移动 污物不移动 在物镜上 在目镜上 探究点一：高倍显微镜的使用 Ⅶ.判断污点位置 污点可能存在的位置：目镜、物镜或装片 思考: ①若在低倍镜下观察的物象很小，看不清楚，你的建议是？ 换用高倍镜 ②若低倍镜下观察的物象不在视野中央，换用高倍镜观察应该如何操作？为什么？ 移动装片，使物象移动到视野中央；因为高倍镜比低倍镜视野小，若物象不在中央，直接换用后可能会在视野之外。 ③转动转换器换用高倍镜时需要防止镜头触碰装片升高镜筒吗？ 不需要再升高镜筒，防止丢失物象 ④换用高倍镜后，为了使物象更清晰，该怎么操作？视野会有何变化？ 调节细准焦螺旋；视野变小变暗，可以调节反光镜使视野明亮 探究点一：高倍显微镜的使用 (1)下降镜筒时双眼要从侧面平视物镜，使之接近载玻片，但不能接触，目的是防止损坏装片或镜头 (2)调成高倍镜前应将目标移至视野中央，换上高倍镜后只调节细准焦螺旋，而不调节粗准焦螺旋 (3)换高倍镜后，视野会变暗，可以放大光圈或将反光镜由平面换成凹面来调亮视野 (4)将观察目标移至视野中央时，移动的是装片，即实物，而不是物像 (5)由低倍镜换高倍镜时，无需提升镜筒，直接转动转换器即可 (6)观察颜色深的材料，视野应适当调亮，反之则应适当调暗；若视野中出现一半亮一半暗，则可能是反光镜的调节角度不对；若观察花生切片标本材料一半清晰一半模糊不清，则可能是花生切片厚薄不均造成的 探究点一：高倍显微镜的使用 显微镜操作的几点提醒 A D C B 1、图中共有几种细胞？它们的名称是什么？不同的细胞具有不同形态结构体现了什么？ 2、图中细胞有哪些共同的结构？体现了不同细胞的什么特点？ 回忆思考 A：血细胞； B：口腔上皮细胞； C：根尖分生区细胞； D：洋葱内表皮细胞 细胞具有多样性 都有细胞膜、细胞核、细胞质； 不同的细胞具有统一性 探究点二：细胞的多样性和统一性 23 Ⅰ.细胞的多样性 探究点二：细胞的多样性和统一性 原核细胞——无以核膜为界限的细胞核 由原核细胞构成的生物，为原核生物 细菌(各种细菌和蓝细菌<旧称蓝藻>)、放线菌、支原体、衣原体、立克次氏体等 据观察发现：地球上的细胞，有的有细胞核，有的没有。该如何分类？ 科学家，根据细胞内有无以核膜为界限的细胞核，将细胞分为原核细胞和真核细胞两大类 真核细胞——有以核膜为界限的细胞核 由真核细胞构成的生物，为真核生物 动物、植物、真菌等 如何理解真核细胞和原核细胞中的“原”和“真”？据此推测两者在进化上的联系。 真核（eukaryotic）一词源自希腊语，其中前缀 “eu”是“真正的”(true）意思，而“karyon”是内核的意思，这里指细胞核（nucleus）。 原核（prokaryotic）是指“在细胞核出现之前”，其中前缀“pro”是“在…之前”（before）的意思，引申为原始的。这映射了原核细胞是在真核细胞之前出现的事实。 生物界由两种细胞构成：原核细胞和真核细胞。生命最先演化成原核细胞；地球上存在生命的最初的15亿年间，原核细胞是唯一的生存形式。化石证据可推断出生命演化成真核细胞是在大约21亿年以前。真核细胞最大的特点是其内部包含了以膜封围的细胞核来存储DNA。 真核（eukaryotic）一词源自希腊语，其中前缀“eu”是“真正的”（true）意思，而“karyon”是内核的意思，这里指细胞核（nucleus）。原核（prokaryotic）是指“在细胞核出现之前”，其中前缀“pro”是“在…之前”（before）的意思，映射了原核细胞是在真核细胞之前出现的事实。 24 思考：如何区分自养生物和异养生物？ 能够独立利用无机物，制造成有机物的生物。 绿色植物、蓝细菌、硝化细菌、铁细菌、硫细菌、氢细菌等。 Ⅰ.细胞的多样性 探究点二：细胞的多样性和统一性 1.细菌 绝大多数是营腐生和寄生的异养生物，少数是自养生物 各种细菌、蓝细菌(旧称蓝藻) 蓝细菌，引起水华。常见的种类有色球蓝细菌(蓝球藻)、颤蓝细菌(颤藻)、念珠蓝细菌(念珠藻)、发菜等。 蓝细菌细胞内含有叶绿素和藻蓝素，能进行光合作用，是自养生物，代谢类行为自养需氧型。 水华的发生与蓝细菌的关系？ 淡水水域污染后水体富营养化(N、P含量增多)，蓝细菌和绿藻等大量繁殖 如何预防水华和赤潮的产生？ 减少工业废水的排放，使用不含磷的洗衣粉，减少农业化肥农药的使用等 色球蓝细菌 颤蓝细菌 念珠蓝细菌 发菜 （1）放线菌( Actinomycetes)是原核生物中一类能形成分枝菌丝和分生孢子的特殊类群，呈菌丝状生长，主要以孢子繁殖，因菌落呈放射状而得名。 放线菌细胞的结构与细菌相似，都具备细胞壁、细胞膜、细胞质、拟核等基本结构。 链霉菌（Streptomycetaceae）是最高等的放线菌。 （2）衣原体是一种比细菌小但比病毒大的生物，是专性细胞内寄生的、近似细菌与病毒的病原体，具有两相生活环。它没有合成高能化合物ATP、GTP的能力，必须由宿主细胞提供，因而成为能量寄生物，多呈球状、堆状，有细胞壁，有细胞膜，属原核细胞，一般寄生在动物细胞内。目前区分为沙眼、肺炎、鹦鹉与家畜等四种衣原体。 25 思考：如何区分自养生物和异养生物？ 能够独立利用无机物，制造成有机物的生物。 绿色植物、蓝细菌、硝化细菌、铁细菌、硫细菌、氢细菌等。 Ⅰ.细胞的多样性 探究点二：细胞的多样性和统一性 1.细菌 绝大多数是营腐生和寄生的异养生物，少数是自养生物 各种细菌、蓝细菌(旧称蓝藻) 蓝细菌，引起水华。常见的种类有色球蓝细菌(蓝球藻)、颤蓝细菌(颤藻)、念珠蓝细菌(念珠藻)、发菜等。 蓝细菌细胞内含有叶绿素和藻蓝素，能进行光合作用，是自养生物，代谢类行为自养需氧型。 水华的发生与蓝细菌的关系？ 淡水水域污染后水体富营养化(N、P含量增多)，蓝细菌和绿藻等大量繁殖 如何预防水华和赤潮的产生？ 减少工业废水的排放，使用不含磷的洗衣粉，减少农业化肥农药的使用等 3.支原体 4.衣原体 5.立克次氏体 2.放线菌 （1）放线菌( Actinomycetes)是原核生物中一类能形成分枝菌丝和分生孢子的特殊类群，呈菌丝状生长，主要以孢子繁殖，因菌落呈放射状而得名。 放线菌细胞的结构与细菌相似，都具备细胞壁、细胞膜、细胞质、拟核等基本结构。 链霉菌（Streptomycetaceae）是最高等的放线菌。 （2）衣原体是一种比细菌小但比病毒大的生物，是专性细胞内寄生的、近似细菌与病毒的病原体，具有两相生活环。它没有合成高能化合物ATP、GTP的能力，必须由宿主细胞提供，因而成为能量寄生物，多呈球状、堆状，有细胞壁，有细胞膜，属原核细胞，一般寄生在动物细胞内。目前区分为沙眼、肺炎、鹦鹉与家畜等四种衣原体。 26 Ⅰ.细胞的多样性 探究点二：细胞的多样性和统一性 水华 赤潮 一般来说，我们用肉眼是分辨不清蓝细菌的，但是当它们以细胞群体的形式存在时，就可以看见 淡水水域污染后富营养化，导致蓝细菌和绿藻等大量繁殖，会形成让人讨厌的水华； 咸水水域污染后富营养化，导致蓝细菌和红藻等大量繁殖，会形成让人讨厌的赤潮 27 Ⅰ.细胞的多样性 探究点二：细胞的多样性和统一性 4.衣原体：是一种比细菌小但比病毒大的生物，是专性细胞内寄生的、近似细菌与病毒的病原体，具有两相生活环。有细胞壁，有细胞膜，属原核细胞，一般寄生在动物细胞内 2.放线菌：是原核生物中一类能形成分枝菌丝和分生孢子的特殊类群，因菌落呈放射状而得名。与细菌相似，都具备细胞壁、细胞膜、细胞质、拟核等基本结构。 5.立克次氏体：是介于细菌与病毒之间，而接近于细菌的一类原核生物，没有核仁及核膜。是一类专性寄生于真核细胞内的原核生物。一般呈球状或杆状，有细胞壁。主要寄生于节肢动物，有的会通过蚤、虱、蜱、螨传入人体、引起斑疹伤寒、战壕热等疾病。 3.支原体：是一类没有细胞壁的最小原核细胞型微生物。由于能形成丝状与分枝形状，故称为支原体。支原体广泛存在于人和动物体内，大多不致病，对人致病的主要有肺炎支原体、溶脲脲原体、人型支原体等 （1）放线菌( Actinomycetes)是原核生物中一类能形成分枝菌丝和分生孢子的特殊类群，呈菌丝状生长，主要以孢子繁殖，因菌落呈放射状而得名。 放线菌细胞的结构与细菌相似，都具备细胞壁、细胞膜、细胞质、拟核等基本结构。 链霉菌（Streptomycetaceae）是最高等的放线菌。 （2）衣原体是一种比细菌小但比病毒大的生物，是专性细胞内寄生的、近似细菌与病毒的病原体，具有两相生活环。它没有合成高能化合物ATP、GTP的能力，必须由宿主细胞提供，因而成为能量寄生物，多呈球状、堆状，有细胞壁，有细胞膜，属原核细胞，一般寄生在动物细胞内。目前区分为沙眼、肺炎、鹦鹉与家畜等四种衣原体。 29 思考：酵母菌、大肠杆菌、霉菌、肺炎链球菌、醋酸(杆)菌、乳酸(杆)菌是不是原核细胞？ Ⅰ.细胞的多样性 探究点二：细胞的多样性和统一性 肺炎链球菌 葡萄球菌 霍乱弧菌 大肠杆菌 幽门螺杆菌 凡是菌字前带“链”“球” “弧” “杆”“螺旋”等形状的，都是细菌，都是原核生物。 生物界由两种细胞构成：原核细胞和真核细胞。生命最先演化成原核细胞；地球上存在生命的最初的15亿年间，原核细胞是唯一的生存形式。化石证据可推断出生命演化成真核细胞是在大约21亿年以前。真核细胞最大的特点是其内部包含了以膜封围的细胞核来存储DNA。 真核（eukaryotic）一词源自希腊语，其中前缀“eu”是“真正的”（true）意思，而“karyon”是内核的意思，这里指细胞核（nucleus）。原核（prokaryotic）是指“在细胞核出现之前”，其中前缀“pro”是“在…之前”（before）的意思，映射了原核细胞是在真核细胞之前出现的事实。 30 1.原核细胞的常见类型？ 主要是细菌（包括蓝细菌），还有放线菌、衣原体、支原体、立克次氏体 2.常见的蓝细菌（蓝藻）种类？（注意与藻类植物的区别） 色球蓝细菌（蓝球藻）、颤蓝细菌（颤藻）、念珠蓝细菌（念珠藻）、发菜 蓝细菌没有细胞核，是原核生物；藻类有细胞核，是真核生物 3.蓝细菌的代谢方式？蓝细菌能进行光合作用的原因？自养生物都含有叶绿体吗？请举例 自养需氧型；细胞中含有藻蓝素和叶绿素及光合作用相关的酶；不，蓝细菌不含有叶绿体但能进行光合作用。此外还有硝化细菌、铁细菌、硫细菌等 4.带“菌”字的一定是原核生物吗？举例说明 不一定；真菌如霉菌、酵母菌等属于真核生物 Ⅰ.细胞的多样性 探究点二：细胞的多样性和统一性 易错辨析 常见的原核生物（需要自学理解并记住）包括以下两大类： 二菌（细菌和放线菌），三体（支原体、衣原体和立克次氏体） 常考的易错点辨析： 【1】带有“菌”字的生物不一定是原核生物: ①凡是“菌”字前面有“杆” 、“球”、“螺旋”及“弧”等形状描述的都是细菌,都是原核生物。如破伤风杆菌、葡萄球菌、霍乱弧菌等都是细菌。乳酸菌和醋酸菌是特例,它本属杆菌，但往往把“杆”字省略 ②青霉菌、酵母菌、曲霉菌及根霉菌等属于真菌，是真核生物。 【2】带“藻”字的生物中不一定是原核生物： ①色球蓝细菌（旧称蓝球藻）、念珠蓝细菌（念珠藻）、颤蓝细菌（颤藻）、发菜等属于原核生物； ②绿藻（如衣藻、小球藻、团藻）、褐藻、黑藻等属于真核生物 【3】常见的单细胞生物如草履虫、变形虫、疟原虫等是原生动物，细胞中都有细胞核，是真核生物 Ⅰ.细胞的多样性 探究点二：细胞的多样性和统一性 仔细观察动植物细胞的模式图，找出动植物细胞共有的结构。 动植物细胞共同点：都有细胞膜、细胞质、线粒体、核糖体等，都有细胞核 Ⅱ.细胞的统一性 探究点二：细胞的多样性和统一性 细胞壁 细胞核 细胞膜 细胞质 仔细观察大肠杆菌和蓝细菌的模式图，找出两者共有的结构。参阅课本第11页，图1-6。 两者的共同点：都有细胞壁、细胞膜、细胞质、拟核、核糖体等，都没有细胞核。 PS:核糖体是合成蛋白质的机器。 Ⅱ.细胞的统一性 探究点二：细胞的多样性和统一性 细胞壁 细胞膜 细胞质 拟核 核糖体 鞭毛 纤毛 原核细胞与真核细胞具有相似的细胞膜、细胞质、核糖体。只是，原核细胞没有核膜包被的细胞核，也没有染色体，但有一个环状的裸露的DNA分子，位于细胞内特定的区域，这个区域叫做拟核。真核细胞的染色体由DNA和蛋白质组成。(PS：DNA与细胞的代谢和遗传密切相关) ∴两者共有的是：细胞膜、细胞质、核糖体、核酸(DNA和RNA)，都以DNA作为遗传物质 Ⅱ.细胞的统一性 探究点二：细胞的多样性和统一性 真核细胞统一性： 都有细胞膜、细胞质、线粒体、核糖体等多种细胞器，都有细胞核 原核核细胞统一性： 都有细胞壁、细胞膜、细胞质、拟核、核糖体等，都没有细胞核 类别 原核细胞 真核细胞 细胞大小 细胞核 细胞质 细胞壁 生物类群 Ⅲ.真核细胞与原核细胞的比较 探究点二：细胞的多样性和统一性 类别 原核细胞 真核细胞 细胞大小 较小 较大 细胞核 无成形的细胞核，无核膜，无核仁，无染色体，DNA裸露存在 有成形的真正的细胞核，有核膜，DNA与蛋白质结合成染色体(或染色质)。 细胞质 只有核糖体一种细胞器 具有多种细胞器 细胞壁 细菌：肽聚糖 支原体，无细胞壁 植物：纤维素和果胶 真菌：几丁质/壳多糖 动物：无细胞壁 生物类群 细菌、放线菌、支原体、衣原体、立克次氏体 动物、植物、真菌 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 原核生物：细菌、蓝细菌、放线菌；支原体、衣原体、立克次氏体 真核：各种虫；绿藻、红藻、黑藻；霉菌等 37 多样性：真核细胞多种多样、原核细胞多种多样，真核细胞和原核细胞又不一样，这体现了细胞的多样性 细胞之所以会有多样性， 是因为在生物进化的过程中，由于细胞和环境相互作用，通过自然选择等原因造成的；多细胞生物个体发育过程中细胞分化也会形成不同类型的细胞 统一性：原核细胞和真核细胞具有相似的细胞膜、细胞质、核糖体，都以DNA作为遗传物质，这体现了细胞的统一性 细胞之所以会有统一性，是因为细胞来源于细胞，即新细胞是从老细胞通过分裂而形成的，所有细胞都来自一类共同的祖先，所以具有统一性 从进化角度分析，真核细胞是由原核细胞进化来的 Ⅳ.思维提升 探究点二：细胞的多样性和统一性 值得注意的是：不同生物细胞不同的根本原因是基因不同；同一个体细胞不同的根本原因是基因的选择性表达；同一个体细胞不同的直接原因是蛋白质不同 38 Ⅳ.思维提升 探究点二：细胞的多样性和统一性 多样性： 统一性： 生物进化 自然选择 细胞分化 结构、功能多种多样 多样性 结构相似 物质相似 来源相似 具有共同的祖先 统一性 从进化角度分析，真核细胞是由原核细胞进化来的 细胞多样性和统一性形成的原因 值得注意的是：不同生物细胞不同的根本原因是基因不同；同一个体细胞不同的根本原因是基因的选择性表达；同一个体细胞不同的直接原因是蛋白质不同 39 一、细胞的多样性和统一性 1.多样性—不同的细胞，其形态、功能千差万别。 2.统一性—不同的细胞有共同的结构。 二、高倍显微镜的使用 1.使用步骤、注意事项 2.计算问题 三、原核细胞和真核细胞 1.本质区别 2.共同点 3.常见的原核生物种类 知识总结 生物科技进展 在生命的长河里，一个物种的染色体数目、大小或形态组成可能发生各种各样的变化，且不是一蹴而就的，可能需要百万年的时间。最新一项研究，研究人员报告了一种新技术，该技术能够实现可编程的染色体融合。这项技术已成功创造出具有遗传变化的小鼠，这些基因变化在实验室中以百万年的进化规模发生。这一结果可能为染色体的重排提供关键信息——有组织的基因包，数量相同，排列、交换或混合性状产生后代——如何影响进化？ 8月25日，国际学术期刊《Science》在线发表了中国科学院动物研究所、北京干细胞与再生医学研究院研究员李伟与周琪团队合作完成的研究论文“A sustainable mouse karyotype created by programmed chromosome fusion”。该研究在全球首次实现了哺乳动物完整染色体的可编程连接，并创建出具有全新核型（染色体组型）的小鼠。 这项工作意味着生物工程技术的再次突破，为深入认识哺乳动物染色体大规模重构等结构变异及其对生长发育、繁殖演化乃至物种形成等的分子机制，拓展了“建物致知”的合成生物学研究策略并奠定了相应的技术平台。 生物科技进展 研究进展 众所周知，染色体是遗传物质DNA的主要载体，其在细胞中的组成及形态特征被称为核型（染色体组型）。不同的物种具有不同的核型，但是同一物种的核型是高度保守的，以常用的实验动物小鼠为例，自人工繁育至今一百多年来所有的小鼠品系都维持了标准的40条染色体的核型。然而，在这项研究中，科学家们浓缩了百万年时间，人为编辑染色体，成功将实验小鼠标准的40条染色体改造为38条。 研究人员利用小鼠单倍体胚胎干细胞和CRISPR基因编辑工具，成功将最长的染色体1号和2号进行正反连接，以及将中等长度的5号和4号染色体进行首尾连接，同时发现染色体连接过程中可能会发生染色体的断裂和重新连接。通过染色体重排创造出三种新的融合染色体 结果表明，来自小鼠的两条独立存在的染色体在基因编辑后，可以以非同源末端连接修复的方式连接为一条染色体。这意味着我国科学家在全球首次实现了哺乳动物的完整染色体重排，取得了合成生物学领域新的突破。 生物科技进展 研究结果 为了解答特定染色体重排在动物表型层面上的影响，研究人员通过单倍体干细胞注射到卵母细胞的方式，成功得到染色体连接的小鼠。研究发现，不同的染色体连接对小鼠产生了不同的影响，其中最长的染色体连接（2号和1号染色体连接）使得胚胎发育不能正常进行，胚胎停滞于E12.5之前；1号和2号染色体连接后，1号染色体断裂重新连接17号染色体，产生的小鼠则表现出了生长曲线和行为学的异常；4号和5号染色体连接的小鼠则没有表现出明显的异常。连接后的染色体还能够传递到后代小鼠，且进一步交配可以产生纯合小鼠，也就证明了两条染色体的连接不会导致绝对的生殖隔离。但携带连接染色体的小鼠生殖力明显下降，进一步探索发现，连接后的染色体虽然仍然能够与两条分离的同源染色体进行正常联会，但是联会后的同源染色体分离会出现异常。 上述这些研究发现，解析了特定染色体连接会对动物发育、行为和生殖等产生多方面的影响。此外，研究人员还综合分析了染色体空间结构在胚胎干细胞、神经干细胞和脑内的变化趋势，发现随着分化的进行，染色体的空间结构变化随着分化而减弱。 生物科技进展 研究意义 综上所述，该研究首次建立了哺乳动物完整染色体可编程连接的新技术： ①实现了对于超大规模基因组的编辑，为哺乳动物合成生物学增添了新的研究工具； ②发现了染色体长度的限制，为哺乳动物合成生物学进行染色体设计合成提供了重要参考； ③通过在实验室小鼠模型中重构染色体重排事件，帮助理解进化衍生的染色体融合，也证明了染色体重排与生殖隔离的相关性，为进化生物学研究提供了新的思路； ④染色体精准重排技术为建立染色体重排疾病的动物模型，研究染色体重排导致的不孕不育和肿瘤等疾病的发病机制，探索疾病的治疗手段提供了新的技术手段。 $$