2.3.2胚胎工程技术及其应用教学设计-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3节　胚胎工程 二 胚胎工程技术及其应用教学分析 · 教学目标 1.通过播放胚胎工程的相关视频，引导学生分析体外受精、胚胎移植和胚胎分割等技术的操作流程和原理。（科学思维、生命观念） 2.通过设计胚胎工程的实施方案，培养学生筛选合适技术、整合信息并形成完整方案的能力。（科学探究） 3.通过案例分析，理解胚胎工程在生物繁殖、育种和拯救濒危物种等方面的重要意义，并能运用所学知识评价其社会价值。（科学思维、社会责任） · 教学重难点 重点:1.胚胎工程的主要技术及其原理。 2.胚胎工程在生产实践中的应用。 难点: 胚胎工程中胚胎移植的生理学基础和基本操作步骤。 · 教学方法 讲授法、案例分析法、讨论法、问题引导法 · 课时安排 1课时 · 教学准备 多媒体，学案，PPT等。 教学设计 导入新课 牛的生育率虽然很低，但是一头母牛一生排出的卵细胞约200个左右，卵巢中卵母细胞的数量是它的1000倍（20万）；公牛平均每次射精5ml,精子数50亿。 母牛其实是有很强的生殖潜能的，只是没有激发出来。如何实现良种牛的快速繁殖呢? (设计意图：提出问题，引入试管动物的内容，同时激发学生对解决问题的兴趣。) 探究一、体外受精流程及分析 教学任务：建构体外受精流程并对几种受精方式进行辨析。 教学活动实施： 教师指导学生观看视频并结合教材P60相关内容，并完成体外受精流程图，学生展示回答。 教师指导学生完成学案中的表格，区分自然受精、人工授精和体外受精。 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 体外培养液中 相同点 (1)精子获能、卵子成熟后方能完成受精过程； (2)都是有性生殖 评价设计： 设计跟踪训练，对相关知识进行应用，学生独立完成，教师公布答案，统计正答率，反馈做题效果并对班级同学做出评价。 【跟踪训练】下列有关哺乳动物体外受精的叙述，正确的是(　　) A.给实验动物注射促性腺激素，使其产生更多的精子 B.从输卵管中采集的卵母细胞经培养后才能与获能的精子受精 C.获能的精子和成熟的卵子，要在相应的培养液中完成受精 D.试管动物的培育就是利用人工授精技术实现的 (设计意图：通过观看视频，让学生直观感受试管动物的相关操作过程，提高学生的生命观念；通过列表比较，激发学生的批判性思维，提高其归纳概括能力。) 探究二、胚胎移植流程建构及其生理学基础分析 教学任务：通过设计快速繁殖和牛的育种方案，建构胚胎移植的流程，并对胚胎移植实施的生理学基础进行分析。强调妊娠检查的必要性，并设置问题：“如果不进行妊娠检查，会带来哪些问题？”引导学生思考。 教学活动实施： 教师出示如下资料：和牛是品质优良的良种肉牛，其饱和脂肪酸含量很低，营养价值很高。现有多头供体公牛和母牛以及受体母牛，利用胚胎工程的相关知识，设计培育方案，实现和牛的快速繁殖。 学生分小组进行如下操作： 1.结合前面所学知识和自己的认知，尝试初步设计一个培育方案。完成后，小组展示，教师不要过多补充，让学生通过步骤2发现自己方案中的问题 2.教师播放胚胎移植视频，学生观看视频，并阅读教材P61内容 3．学生结合步骤2视频和教材内容，对步骤1构建的方案进一步完善和补充。 小组完成后展示，小组间进行补充，教师适时评价，最后出示课件，师生共同梳理胚胎移植的基本环节并强调相关问题：对供、受体如何选择？对供、受体怎样处理？超数排卵的处理方法？ 过渡：在胚胎移植过程中，供体子宫内的胚胎为什么能够被收集起来？移入受体的胚胎为什么能正常发育和存活？受体孕育的个体遗传特性为什么与供体一致而与受体无关呢？ 这些问题都涉及到胚胎移植的生理学基础。 教师引导学生进一步思考： 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？ 2．受体会不会对来自供体的胚胎发生免疫排斥反应？为什么？ 3．胚胎移植后，经受体孕育的后代，遗传特性与供体还是受体保持一致？为什么？ 学生小组讨论并展示，在此基础上，师生共同总结如下： 1.胚胎移植的实质是早期胚胎在相同生理环境条件下空间位置的转移 2.胚胎移植过程中的两次处理和两次检查 两次处理：对供、受体进行同期发情处理；用促性腺激素激素使供体超数排卵。 两次检查：对收集的胚胎进行质量检查；对受体是否妊娠进行检查。 3.胚胎移植的生理学基础及意义（学案表格） 小组评价设计： 评价内容及标准（0-10分） 小组1 小组2 小组3 小组4 育种方案是否合理、技术环节是否考虑周到 语言表述是否符合逻辑，且关键点突出 小组成员是否认真交流，协调配合 （设计意图：通过设计育种方案的活动，让学生深入到解决问题的情境中，通过三个递进的步骤，让学生感悟知识的形成过程，同时也提高了学生的观察能力和语言表达能力，有利于提升科学探究能力和发展科学思维。） 探究三、胚胎分割的原理和应用 教学任务：分析胚胎分割过程，总结其操作细节及原理。 教学活动实施： 早期胚胎细胞具有很强的分裂能力，并保持着细胞全能性，可将一个胚胎分割成几份，从而提高胚胎的利用率。请观看胚胎分割的相关视频，结合教材第P62～63“胚胎分割”的相关内容，回答下列问题。 1．胚胎分割的对象是什么?选择此时期的胚胎进行分割的原因是什么? 2．分割囊胚期的胚胎时为什么将内细胞团均等分割? 3. 鉴定胚胎的性别做DNA分析时为什么取样的是滋养层? 学生观看视频并结合教材，讨论回答上述问题。教师总结如下： 1. 桑葚胚或囊胚阶段的胚胎。桑葚胚阶段尚未出现细胞分化，具有全能性,囊胚阶段的内细胞团具有全能性。 2. 囊胚的内细胞团将来发育成胚胎的各种组织，滋养层发育为胎盘、胎膜。囊胚的内细胞团要均等分割，否则会影响分割后胚胎的恢复和进一步发育。 3. 取滋养层细胞做DNA分析鉴定性别，不会影响胎儿的发育。 教师引导学生辨析胚胎移植与胚胎分割，进一步总结本节两个重点内容 项目 胚胎移植 胚胎分割 概念 移植前的处理 生殖方式 作用及意义 教师出示下面资料，让学生理解胚胎工程在拯救濒危物种方面的应用。 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。我们可以采用哪些现代生物技术繁育北方白犀牛？运用这些技术一定能繁育成功吗？请说出你的理由。 评价设计： 设计跟踪训练，对相关知识进行反馈，学生独立完成，教师公布答案，统计正答率，反馈做题效果并对班级同学做出评价。 【跟踪训练】 下图为经过体外受精和胚胎分割、移植培育优质奶牛的过程。下列叙述正确的是(　　) A.采用胚胎分割技术产生同卵多胚的数量是有限的 B.进行胚胎分割时，应选择发育到原肠胚时期的胚胎进行操作 C.通过胚胎分割产生的两个或多个个体具有不同的遗传物质 D.胚胎分割是一种有性繁殖 （设计意图：通过观看视频，将抽象的内容可视化，便于学生理解。通过设计思考题，引导学生回顾前面所学知识，提高了其应用所学解决问题的能力。） 评价反馈 完成学案中的当堂训练。 课堂小结 布置作业 完成课后作业（30分钟）。 教学反思 在教学过程中，通过创设情境问题，引导学生积极参与课堂探究，学生积极投入到问题的解决中，能够较好的理解胚胎工程的主要技术及其应用。对于胚胎工程技术综合应用的探究，部分学生在知识整合和实际应用方面存在一定困难，例如，在胚胎移植方案设计时，部分学生对供、受体处理的流程不够清晰等。在今后的教学中应多提供类似的案例分析，帮助学生提升知识应用能力。另外，在教学时间的把控上还需要更加精准，确保每个教学环节都能得到充分的展开和落实。 板书设计 备课资源 1.胚胎Willadsen分割法 进入20世纪80年代后，Willadsen在总结前人经验的基础上，对胚胎分割方法进行了系统的研究，创造出一套独具特色的毛细管分割法，其主要步骤为： 1．先将固定管吸住胚胎，用玻璃针在透明带上作一切口，再用一移植管把分裂球细胞从透明带中移出。 2．用一支直径只能勉强通过细胞团的分离管吸住细胞团使细胞间的联结变松，然后用另一支只允许一个细胞通过的分离管将细胞分开。 3．将分离完毕的细胞装入原透明带和备用透明带中。 4．将装入透明带的胚胎细胞用琼脂包埋后移入中间受体。 5．回收琼脂筒，去掉琼脂层，将胚胎移入同期发情的受体。 Willadsen用此法对绵羊2、4、8细胞胚胎18个二分胚的发育能力进行了研究，从中间受体回收后有92%的半胚发育正常，将30个发育良好的半胚移植于受体后，有24个发育为小羊羔。1981年，他进一步研究了绵羊4、8细胞四分胚的发育能力，成功地获得同胚四羔和同胚三羔。他还对8细胞奶牛四分胚的发育能力进行了研究，从中间受体回收后，91%以上的四分胚以正常速度发育，成功地获得同卵三犊。 Willadsen法具有较高的同胚多生的特点，但缺点是操作程序复杂，又需琼脂包埋和中间受体寄养，胚胎操作环节多，出现意外的机会也就多，其应用受到了很大限制。 Ozil在进行牛桑椹胚二分割时对Willadsen的方法进行了简化。他在分割胚胎并装透明带后，不进行琼脂包埋和中间受体培养，立即移植给受体。在一次实验中，14对半胚移植给14头受体母牛，有9头妊娠，其中6头怀双胎，结果非常令人满意。但是，在具体操作上，Ozil分割法要求显微操作仪要同时控制5支显微操作玻璃针管，难度仍大。 Gatica等进一步简化了分割方法，在用移植管将细胞团移出透明带后，用玻璃针切割，再用同一移植管装入透明带，减少了显微操作仪控制的玻璃管数量，实验结果也令人满意。在一次实验中，用该法分割17枚胚胎，移植17对半胚于17只受体，有9只妊娠，其中7只怀双胎。 Nagashima等先用链霉蛋白酶软化透明带后再用玻璃针分割小鼠胚胎，也获得令人满意的结果。 2.体外受精技术的研究进展 体外受精（In Vitro Fertilization，IVF）是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。1982年，美国学者Brackett等培养出世界第一胎体外受精牛，此后，多种动物的体外受精都在不断研究并相继取得一定的成果。近年来，研究者在不断改良培养液、培养条件等，尽量模拟体内受精和发育环境, 以提高胚胎体外生产效率。但到目前为止，体外受精技术还存在一定的局限性，在完全体外化的条件下生产胚胎还有很多问题尚待解决。体外受精技术的完善可以实现胚胎移植技术在生产上的广泛应用；加快良种进化；为胚胎工程技术提供研究材料和技术支持，具有广阔的发展和应用前景。 不同季节母畜的卵巢机能活动不同。卵母细胞的采集应在母畜的繁殖季节，此时卵巢机能活动最活跃，卵泡生长发育较好，卵母细胞质量好，体外成活率高。卵母细胞的采集方法通常有三种。 一是从屠宰的母畜卵巢上采集卵母细胞。该方法是从刚屠宰的母畜体内摘取卵巢，洗涤后经30～37℃保温快速运回实验室，在无菌条件下用真空泵或注射器吸取卵巢表面一定直径卵泡中的卵母细胞，或卵巢切片收集卵母细胞。此方法获得的卵母细胞多处于生发泡期，需经成熟培养后才能与精子受精。这种方法的优点是材料来源丰富，成本低廉，但确定母畜系谱困难，卵巢质量难以保证，且受季节影响较大。 二是从活体卵巢中采集母畜卵母细胞。该方法是借助超声波探测仪、内窥镜或腹腔镜直接从活体动物的卵巢中吸取卵母细胞。此方法在间隔一定时间后重复取卵，不影响母畜的繁殖性能，为充分利用良种母畜和珍惜动物提供了新途径。但是，活体采集的卵母细胞一般要经成熟培养后才能与精子受精。 三是进行超数排卵处理。该方法用促卵泡素和促黄体素处理母畜后，从输卵管中冲取成熟卵子并可以与获能精子受精。该方法关键是要掌握卵子进入输卵管和卵子在输卵管维持受精能力的时间，在其具有旺盛受精能力前进行；优点是可以提高家畜的利用率，并可控制体外受精的卵子发育阶段，进而提高体外受精效率。 根据卵丘的完整程度及形态将卵子分为4种类型：A类：有致密卵丘细胞层完全包裹着的卵子；B类：卵丘细胞层不完全包裹的卵子；C类：完全裸露的卵子；D类：卵丘细胞层呈现蜘蛛网状地附着在卵子上的卵子。研究表明，A、B类卵子体外的成熟率明显高于C、D类卵子。 未成熟的卵母细胞需在体外进行成熟培养方可与精子受精。卵母细胞成熟培养液为基础成熟液+血清+激素。目前常用的培养液有TCM 199、Ham’sF10 和Ham’sF12，其中TCM 199应用比较广泛。资料显示，用TCM 199对牛、绵羊、山羊和猪的卵母细胞进行体外培养，成熟率达80%以上。有研究证明，培养条件与受精率和囊胚发生率有较强相关性，因此，家畜卵母细胞成熟培养液的研制是胚胎体外生产的重要内容之一。近期卵子培养液主要进行了以下改进：（1）在培养液中加入母畜生殖道液或细胞成分等人工试剂无法完全模拟的成分；（2）在培养液中加入激素如FSH、HCG、LH等促进卵子体外成熟；（3）成熟培养液中血清用发情牛血清（ECS）取代胎牛血清（FCS）。添加成分对卵母细胞体外成熟的影响。 卵母细胞成熟培养的外部条件包括：气态、温度、湿度、空气和覆盖油等。气态条件一般分为两种：5%CO2的空气和5%CO2、5%O2和90%的N2。温度根据动物种类的不同而不同。卵母细胞成熟培养时要求饱和湿度以维持培养液的渗透压恒定。在使用5%CO2的空气为成熟培养气态条件时，空气的质量比较重要。紫外线消毒时空气中的O3含量升高会影响培养效果。进行微滴培养时，覆盖油通常有矿物油和石蜡油，效果无明显差异，且使用前都需要脱毒和孵育处理。 表1 不同动物培养条件一览表 动物种类 成熟温度 成熟时间 成熟液 培养方法 绵羊 38.5 24-26 M-199 微滴培养 牛 38.5 22-24 M-199 山羊 38.5 24 M-199 猪 37 48 F10 常量培养 动物的种类不同，其卵母细胞体外成熟时间、所需温度及培养基条件也不相同，成熟能力也有差异，如表1所示。 精子体外获能是体外受精技术中的关键环节之一。体外获能包括两个步骤：（1）精子的洗涤；（2）使用某些特定成分诱导精子获能和顶体反应。 表2 不同动物精子洗涤液/受精液一览表 动物种类 精子洗涤液/受精液 绵羊 BO SOF 牛 BO TALP TL 山羊 BO 猪 mTBM 由表2可以得到，不同种类动物，使用的精子洗涤液是不同的；而精子的洗涤方法常用的有4种：悬浮法、玻璃棉过滤法、 Percoll密度梯度离心法和直接离心洗涤法。 成熟的卵母细胞是体外受精能否成功的首要条件，精子获能是体外受精技术的核心环节，它同样影响着卵母细胞的受精、卵裂和受精卵的进一步发育。精子获能的意义在于使精子准备发生顶体反应和超激化，促使精子穿透卵子。为了与卵子受精，精子必须要有很强的活力，还要具备顶体反应的能力以及穿过卵子卵丘细胞和透明带、最后与卵膜融合的能力。精子不经获能是不会发生AR的。精子获能结果直接影响到体外受精的成功与否。 精子体外获能的主要方法有：（1）高离子强度溶液处理法；（2）钙离子载体法；（3）使用氨基多糖诱导获能；（4）与含血清蛋白的溶液长时间孵育。 卵子和精子相遇，精子进入卵子内部，激活卵子，精原核与卵原核融合而形成合子，这种生物学现象称为受精。体外受精, 即获能精子与成熟卵子的共培养, 除钙离子载体诱导获能外, 精子和卵子一般在获能液中完成受精过程。 早期胚胎的体外培养是体外受精技术的最后一个环节，也是卵母细胞体外成熟和体外受精两个技术环节最终效果的体现和检验。IVF后，受精卵在向囊胚发育过程中将要经历一系列的变化。这个过程包括（1）合子的形成；（2）第一次卵裂；（3）胚胎基因组的激活；（4）致密化；（5）囊胚的形成。这一过程中，外界环境的变化会导致基因表达发生改变，从而影响胚胎的正常发育及质量[22]。目前，哺乳动物早期胚胎的体外培养研究主要集中在改善培养液成分以满足不同发育阶段的胚胎的营养需求，以及克服体外培养引起的体外发育阻滞。体外培养法主要有5种方法中间受体法、共培养、序贯培养、简单培养液培养和胚胎培养密度法等应用比较多。 许多研究者发现取自屠宰场卵巢的卵母细胞可用于IVF的比例高于90%，活体采集卵母细胞可用率约为73%；前者囊胚率为28%，而后者仅为19.6%。然而多数情况下，为了充分利用良种或珍稀物种，活体采卵是生产良种胚胎的主要途径。但是活体采卵也存在一定的问题：（1）操作技术较难掌握；（2）体外受精的囊胚率仍较低；（3）供体母畜每次采集的卵母细胞数有限；（4）长期采卵对卵巢有无损伤尚需实验观察。 在卵母细胞成熟这一环节，还存在着体外成熟培养后的卵母细胞成熟质量较差，特别是胞质成熟不完善的问题，这严重制约了体外受精胚胎的发育率。 受精的关键在于精子的获能处理，常用的获能处理方法有四种：（1） BO+咖啡因+BSA预培养；（2）BO液+咖啡因+IA →BO+BSA；（3）BO+咖啡因+BSA+肝素；（4）上游法+肝素。上述四种方法处理效果不尽相同，第一种方法的受精率为63.0%～89.7%，第二种为91.1%，第三种为91.8%，第四种方法为75.3%。由于肝素价格低，处理方法简单，近年来各国的研究都趋向于采用肝素和咖啡因结合的获能处理方法。 早期胚胎的体外培养过程中，有50%～60%的卵裂卵在2～16细胞期退化，原因尚不清楚。另外，胚胎体外培养导致胚胎质量降低的问题仍制约着IVF技术在生产上的应用。 近年来对哺乳动物体外受精的研究已经取得了巨大的成绩，但是卵母细胞体外成熟、体外受精、体外发育的机制还存在很多问题没有搞清，需要经过进一步的研究使体外生产胚胎技术日臻完善。通过IVF技术可为这些高新技术及畜牧业生产提供数量更多、成本更低的胚胎。 胚胎的体外生产是对优良公、母畜的综合充分利用，对家畜育种学有着重大的意义。此项技术在育种的其他领域应用也很有价值。如珍稀动物的挽救和优良基因库的冷冻保存，遗传病的诊断，公畜精液受精力的测定等。可以预测，随着生物科学技术的不断进步，利用体外受精技术生产体外胚胎的应用前景将十分广阔。 第 11 页 共 11 页 学科网（北京）股份有限公司 $$