2025届高三生物二轮复习讲义胚胎工程

胚胎工程 同学你好，掌握了植物细胞工程和动物细胞工程，细胞工程还剩最后一种技术，叫做胚胎工程。 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的技术手段。胚胎工程技术包括体外受精、胚胎移植和胚胎分割三个主要的技术。显然，胚胎工程的层次是要比植物细胞工程和动物细胞工程更大一些的，它更多的是研究胚胎这样一个个体水平的结构。但是胚胎的研究主要集中于早期阶段，主要是精子、卵细胞、受精卵和早期胚胎细胞的研究，所以还是归入细胞工程来进行学习。 想要知道如何对胚胎进行操作，首先需要掌握胚胎形成和胚胎发育的基本原理，也就是胚胎工程的理论基础。理论基础包括两个方 面：①受精；②胚胎的早期发育。受精是受精卵的来源，是胚胎的来源。它指的就是精子和卵子结合形成合子，也就是受精卵的过程。受精的过程包括两个主要阶段：①受精前的准备阶段；②受精的阶段。在自然条件下，哺乳动物的受精在输卵管中进行。在受精前，精子和卵细胞都需要进行准备。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”。要注意，获能的目的不是获得能量，而是获得受精的能力。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；也可以将精子培养在人工配制的获能液中使其获能等等。获能液的成分因动物的种类不同而有所差异，常见的有效成分有肝素、Ca2+载体等等。受精前卵细胞也需要准备。卵子一般在排出 2~3h 后才能被精子穿入。动物排出的卵子成熟程度不同，有的可能是初级卵母细胞，有的可能是次级卵母细胞。但它们都要在输卵管中进一步成熟，到 MⅡ期（减数分裂Ⅱ的中期）才具备和精子受精的能力。 精子和卵细胞各自准备好之后，如果它们相遇了，就可以进行受精的过程了。获能后的精子和发育成熟的卵子相遇时，首先精子会释放很多酶，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。透明带的反应和卵细胞膜的反应都是为了防止多精入卵，保证后代是 - 1 - 细节深挖 知识拓展——卵巢、卵泡、卵子和排卵 （1） 卵巢：雌性动物的主要生殖器官，含 处于不同发育时期的卵泡。 （2） 卵泡：由卵母细胞和周围的卵泡细胞组成。 （3） 卵子：一般指雌性动物的生殖细胞。 （4） 排卵：指卵子从卵泡中排出的过程，正常情况下，一个卵泡只能形成一个成熟的卵子。 关于输卵管的作用总结 卵子成熟、受 精作用和受 精卵的早期细胞分裂都是在雌性动物的输卵管中进行的。 阻止多精入卵的两道屏障及意义 （1） 两道屏障 ①第一道屏障：精子触及卵细胞膜的瞬间，透明带发生反应，阻止后来的精子进入透明带。②第二道屏障：精子入卵后，卵细胞膜立即发生生理反应，拒绝其他精子再进入卵内。 （2） 意义 维持各种生物前后代体细胞染色体数目的恒定，是保障本物种延续的重要机制。 心之所向 素履以往 生如逆旅 一苇以航 正常的二倍体。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，叫做雄原核。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。因为多数哺乳动物的第一极体不会进行减数分裂 Ⅱ，因而不会形成两个第二极体。所以实际在胚胎工程操作中，常以观察到两个极体或者雌、雄原核作为受精的标志。雌、雄原核充分发育后，相互移动，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。受精过程结束后，受精卵的发育也就开始了。 受精卵的有丝分裂一开始在输卵管中进行，胚胎开始发育。在发育早期，有一段时间是在透明带内进行分裂的，细胞的数量不断增 加，但胚胎的总体积并不增加，因为它无法从外界获得营养物质。这种受精卵的早期分裂称为卵裂。卵裂过程有两个主要阶段。①桑葚 胚：桑葚胚是当卵裂产生的子细胞逐渐形成致密的细胞团，形似桑葚时，称之为桑葚胚。这时的细胞尚未分化，每一个细胞都具有相似的结构，也都具有全能性。②桑葚胚的胚胎进一步发育，细胞继续分化。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。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，这个时期的胚胎就叫做囊胚。在囊胚的形成过程中，胚胎也不断转移，从输卵管逐渐转移到子宫中。这时的胚胎进一步扩大，透明带破裂，胚胎从其中伸展出来，这一过程叫做孵化。孵化非常重要，如果不能正常孵化，胚胎就无法继续发育。 孵化之后的胚胎就会嵌入子宫的子宫内膜，从子宫中获得营养物质，这时的胚胎就可以继续分裂、分化，进行发育。发育之后的一个阶段叫做原肠胚。原肠胚表面的细胞层为外胚层，向内迁移的细胞为内胚层。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为各种组织和器官，但这时细胞就失去了全能性。如果需要对胚胎做某些操作，比如说胚胎移植或者胚胎分割，那一定要在原肠胚之前来进行操作，因为胚胎的孵化和胚胎与子宫内膜的结合都在原肠胚之前就已经完成了。 有了胚胎形成和胚胎发育的知识基础，我们可以对胚胎做三个主要操作。 第一个，体外受精：体外受精的逻辑非常简单，就是在体外获得精子和卵细胞，基于适当的受精条件，就可以让精子和卵细胞在体外受精，获得早期胚胎。具体操作：①需要采集精子和卵母细胞。②精子需要做获能处理，卵母细胞需要培养成熟。一般情况下，将获能的精子和培养成熟的卵子置于适当的培养液中共同培养一段时间，就可以促使它们完成受精的过程。体外受精技术是提高动物繁殖能力的有效措施，还可以为胚胎移植提供可用的胚胎。我国体外受精技术的研 究起步于 20 世纪 80 年代后期，进展很快。目前已经在羊、牛、猪和 受精卵遗传物质分析 受精卵的遗传物质中，核遗传物质一半来自精子（父本），一半来自卵子（母本），细胞质中的遗传物质几乎全来自卵子。精细胞的线粒体聚集在尾的基部形成线粒体鞘，卵细胞的线粒体在细胞质中，受精时，精子的尾部脱落，只有头部进入卵子，因此，受精卵中的线粒体主要由卵子提 供。 受精的标志和受精完成的标志 （1） 受精的标志：观察到雌、雄原核，或透明带和卵细胞膜之间有两个极体。因为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，观察到的两 个极体为一个第一极体和一个第二极体。 （2） 受精完 成的标志：雌、雄原核结合。 为什么卵裂期细胞体积不断变小？胚胎总体积基本不变？ 提示：因为卵裂期细胞分 裂速度快，胚胎细胞来不及长大，下一次分裂就已经开始，所以每个细胞越来越小，但胚胎 总体积基本不变。 卵裂发生的时间 从受精卵开始到囊胚早期结束，在透明带内（透明带破裂之前）进行的分裂都属于卵裂。 胚胎发育过程中开始出现细胞分化的阶段和细胞分化最显著的阶段分别是哪些时期？细胞分化的原因是什么？ 提示：开始出现细胞分化的阶段是囊 胚期，滋养层细胞已分化。细胞分化最显著的阶段是原肠胚的三个胚层分化形成各种组织、器官。细胞分化的原因是 细胞内基因的选择性表达。 细胞全能性与早期胚胎发育各阶段的关系 （1） 一般来说，桑葚胚期及以前的细胞具有全能性，即每一个细胞都有发育成完整胚胎的潜能。 （2） 囊胚期开始出现细胞分化，其中内 细胞团细胞具有全能性。 - 2 - 人等生物中取得成功，特别是人和牛的体外受精技术已达到国际先进水平。 第二个，胚胎移植：光有了体外受精的胚胎，如果不能有一个良好的培养条件，胚胎还是不能发育成完整个体，所以往往需要配合胚胎移植技术，促使体外获得的胚胎发育成完整的个体。胚胎移植就是指将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，使之继续发育成新个体的技术。其中，提供胚胎的个体称为“供体”，接受胚胎的个体叫做“受体”。通过任何一项技术获得的胚胎，都必须移植给受体才能获得后代。以牛的胚胎移植为例，胚胎移植主要包括供体、受体的选择和处理，配种或人工受精，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。具体来说：①首先选取优良的供体母牛和具备正常生育能力的受体母牛进行同期发情处理，这样可以使供体和受体的生理状态保持一致。②对供体母牛做超数排卵处理。超数排卵是指应用外源促性腺激素，诱发卵巢排出比自然情况下更多的成熟卵子，这样可以产生更多的后代。③对供体母牛进行发情配种或人工授精，这样可以收集得到很多胚胎。④对收集到的胚胎进行检查，取性状优良、发育健康的胚胎移植到受体的子宫内。⑤对受体进行妊娠检查。⑥在胚胎正常发育之后，就可以获得具有优良性状的后代了。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能。在这项技术中，供体的主要职能变为产生具有优良遗传性状的胚胎，繁重而漫长的妊娠和育仔任务由受体取代，这样就大大缩短了供体本身的繁殖周期。同时，在对供体施行超数排卵处理后，可以获得多枚胚胎，经移植可以得到多个后代，这使供体的后代数是自然繁殖的十几倍到几十倍，大大提高了优良个体的繁殖潜能。 第三个，胚胎分割：除了胚胎移植可以增加后代的数量之外，最后一个技术叫做胚胎分割，也能增加后代的数量。胚胎分割是指采用机械方法将早期胚胎分割成二等份、四等份或者八等份等，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。它的本质和同卵双胞胎是一样的，相当于一个受精卵发育成多个相同的个 体。胚胎分割所需要的主要仪器设备为体式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进行分割。在分割囊胚阶段的胚胎时，要注意将内细胞团均等分割。对于不同发育阶段的胚胎，分割的具体操作不完全相同。分割后的胚胎可以直接移植给受体，或经体外培养后，再移植给受体。胚胎分割技术可以促进优良动物品种的繁殖，产生的遗传性状相同的后代也是进行遗传学研究的宝贵材料。此外，在胚胎移植前，进行性别鉴定、遗传病筛查等，对于人工控制动物性别、促进动物繁殖健康的后代具有重 知识拓展——胚胎移植的方法 （1） 手术法，在腹部适当部位切口，并迅速找到输卵管和子宫，引出受体子宫和卵巢，将胚胎注入子宫角，缝合创口。 （2） 非手术法，将装有胚胎的移植管送入受体母牛子宫的相应部位，注入胚胎。 胚胎移植的生理学基础 项目 内容 胚胎移入的 基础 哺乳动物发情排卵后，不管是否妊娠，在一段时间内，同种动物的供、受体生殖器官的生理变化是相同的 胚胎收集的 基础 哺乳动物的早期胚胎形成后，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 移入胚胎存 活的基础 受体对移入子宫的外来胚胎基 本上不发生免疫排斥反应 胚胎正常发育和保留 遗传特 性的基础 供体胚胎可与受体子宫建立正常的生理和组织联系，但移 入受体的供体胚胎的遗传特性在孕育过程中不受影响 胚胎分割的对象应处于什么时期？选择此时期的胚胎进行分割的原因是什么？ 桑葚胚或囊胚阶段的胚胎。桑葚胚阶段尚未出现细胞分化，都具有发育的全能性；囊胚阶段的内细胞团细胞具有发育的全能性。 关于胚胎分割注意事项 （1） 对囊胚阶段的胚胎进行分割时一定要均分内细胞团，若分割不均，会出现含内细胞团多的胚胎正常发育，含内细胞团少的胚胎发育受阻或发育不良，甚至不能发育等问题。 （2） 分割的份数越多，每一份的细 胞数 会越少，不但难以做到均等分割，而且囊胚的内细胞团细胞所受的影响会更大。因此，分割的份数越 多，技术难度会越大，移植后的恢复和发育的难度 - 3 - 要的意义。不过，尽管胚胎分割技术已经在多种动物中取得成功，但仍存在一些问题，如刚出生的动物体重偏低、毛色和斑纹可能存在差异等等。实践证明，采用胚胎分割技术产生同卵多胎的可能性是有限的，分割次数越多，分割后胚胎成活的概率越小。目前，仍然以二分胚胎的分割和移植效率最高，这成为提高家畜胚胎利用率的手段之 一。 以上就是胚胎工程的知识原理和具体操作。胚胎工程同样难度不大，但技术手段比较多，操作比较细节，大家同样需要构建体系，梳理细节，适当掌握，并且通过题目查缺补漏。那么胚胎工程讲完，高中生物还剩最后一个模块——基因工程，我们下节详细梳理。我们下节再见。 会越大，移植成功率自然会越低。 - 4 - 学科网（北京）股份有限公司 $$