2.3.1 胚胎工程的理论基础课件-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 2.3.1 胚胎工程的理论基础 1 1、简述受精和胚胎早期发育的基本过程。 2、说明胚胎的形成经过了受精及早期发育等过程。 一、学习目标 二、重点 1、精子和卵子受精前需要具备的条件 2、哺乳动物的受精过程。 3、哺乳动物的胚胎发育过程。 三、难点 1、哺乳动物的受精过程。 2、哺乳动物的胚胎发育过程。 问题:自然繁殖速度太慢，实现至少 5 年。若你是牧场技术员，会怎么做？ ①核移植技术进行克隆 从社会中来 问题：遗传多样性低。存在健康问题（异常肥胖、发育困难、脏器缺陷和免疫失调等） ②可以通过体外受精、胚胎分割等胚胎工程技术获得多个良种奶牛胚胎，然后移植给代孕母牛生下后代。 什么是胚胎工程呢 牧场引入一批高产奶牛，希望3年内让奶牛数量翻倍，但牛的生育率很低。一头母牛一生大约生育四五次。一次只能生一个牛仔 我国奶类总需求量很大，普通奶牛产奶量年平均水平仅为3～4t，国外高产奶牛年产奶量为8.5t， 某牧场现状分析 胚胎工程: 体外受精、胚胎移植、胚胎分割等 操作对象： 技术手段： 生殖细胞、受精卵或早期胚胎细胞 工程实质： 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 理论基础： 哺乳动物体内受精和早期胚胎发育的规律 从社会中来 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。 例．下列关于胚胎工程的说法，错误的是(　 　) A．胚胎工程是指对动物早期胚胎进行多种显微操作和处理的技术 B．胚胎工程主要有体外受精、胚胎移植、胚胎分割、胚胎干细胞培养等技术 C．经处理后获得的胚胎，需要移植到雌性动物体内生产后代，以满足人类的需求 D．胚胎工程实际上是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 A 阅读教材P56-57内容，回答以下问题： 1. 什么是受精？受精的场所在哪？受精包括几个阶段？ 2.刚刚排出的精子能立即与卵子受精吗？什么是精子获能？精子获能是指精子获得能量吗？获能的方法？ 3. 排出的卵子是成熟的卵细胞吗？卵子成熟的场所？卵子发育至哪个时期才具备受精的能力？ 4. 受精时，多个精子能同时进入同一个卵细胞吗？为什么？ 这有什么意义？ 5. 受精的标志和受精完成的标志分别是什么？ 一、受精 01 精子和卵子相互识别，融合成合子（受精卵）的过程。 1.概念： 3.过程: 2.场所： 受精前的准备阶段和受精阶段 输卵管 精卵相互识别的基础： 精卵融合的结构基础： 细胞膜具有一定的流动性 进行细胞间的信息交流 一、受精 受精前的准备阶段 受精阶段: 准备阶段Ⅰ:精子获能 准备阶段Ⅱ:卵子的准备 哺乳动物的输卵管内。 一、受精 1.场所： 2.时期： 3.精子的结构： 睾丸（曲细精管） 细胞内其他物质——原生质滴（球状，最后脱落） 初情期（青春期）→生殖机能衰退 顶体 （高尔基体） 头 颈 线粒体鞘 尾巴 （主要是细胞核） (中心体) (线粒体聚集缠绕) (中心体微管延长) 大鼠的精子190μm长而大象的精子却只有50μm长。 这说明什么？ 不同种动物精子的形态相似，大小略有不同，与动物的体型大小无关。 精子的形成过程： ⑤精子形成 ④细胞质浓缩 ①顶体的发生 ②尾的发育 ③精子头出现 精细胞变成精子的过程中，细胞中很多结构会消失，为什么细胞核和线粒体都保留下来？ 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。 【补充】精子变形的过程和结构 思考： 刚刚排出的精子能立即与卵子受精吗？ 9 精子获能的概念? 让精子获能方法? 自然：直接利用 使精子获能； 胚胎工程：将精子培养在 中 雌性动物生殖道 人工配制的获能液 *获能液的成分因动物种类不同而有所差异； *获能液常见有效成分有肝素、Ca2+载体等； “获能”是获得受精“能力” 一、受精 准备阶段Ⅰ：精子获能 “能”是指“能量”？ 思考：排出的卵子就是成熟的卵细胞吗？ 精子获能的机制：精液由精子和精浆组成，精浆中含有抑制精子获能的物质，只有交配后精液进入雌性动物的生殖道后，生殖道分泌产生某些物质解除对精子获能的抑制，才能使精子获得受精的能力。 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。 10 卵子的形成过程 （1）场所： （2）时期： 在雌性动物的 内完成。 动物的胚胎在 以后。 卵巢 性别分化 卵泡中的卵母细胞在排卵前后完成减数分裂Ⅰ 分裂过程不连续，有两次暂停。 一、受精p57 排卵指卵子从卵泡中排放到输卵管中。 11 卵子一般排出2-3小时后才能被精子穿入,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 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。 发育 具备受精能力的卵子结构 准备阶段Ⅱ——卵子的准备 一、受精p57 12 3.受精的具体过程 透明带是包裹在卵母细胞外的一层基质，就像蛋壳，化学本质是糖蛋白，由卵细胞或其他细胞分泌。 1、可保护卵母细胞和早期胚胎； 2、保护人类卵子和精子间的识别，防止其他物种精子进入； 3、当精子与透明带结合后，可以发生反应更利于精子钻入卵子； 4、当一个精子进入后，透明带会阻止其他精子再进入。 透明带变薄或者缺失，会表现为不孕，可以采用显微注射方式来改善卵子的正常受精率，获得更多可利用胚胎，提高妊娠几率。 一、受精补充知识： 15 3.受精的具体阶段 精子穿越卵细胞膜外的结构，如透明带 精子释放多种酶（顶体酶）溶解膜外结构 精子接触卵细胞膜 透明带反应 精子触及卵细胞的瞬间，透明带会迅速发生生理反应，阻止后来的精子进入透明带 精子入卵 精子形成雄原核、卵子完成减数分裂Ⅱ，释放第二极体，形成雌原核 卵细胞膜反应 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 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 防止多精入卵的两个屏障 雄原核 雌原核 第一极体 第二极体 ? 思考：为什么受精后，只观察到两个极体？ 注意：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,一个第二极体。 16 雌、雄原核靠近 核膜消失形成合子 受精过程结束后,受精卵的分裂也就开始了 雄原核 雌原核 第一极体 第二极体 形成含有两个染色体组的合子,受精卵形成 两个极体 雌雄原核 受精的标志 受精的标志：透明带和卵细胞膜的间隙有两个极体或者雌、雄原核 受精完成的标志：雌雄原核的融合 受精的标志≠受精完成的标志 注意：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，一个第二极体。 17 [思考]受精过程中卵子的哪些结构发生生理反应可以防止多精入卵？除此之外，防止多精入卵的机制还有哪些？（P59拓展应用2） 防止多精入卵有两道屏障：第一道屏障是_____________________，第二道屏障是___________________；其意义是保证受精卵中______________与亲代体细胞一致，从而保证遗传的稳定性。 透明带反应 【拓展】 ①生殖道对精子有初步的筛选作用，精子经过雌性生殖道的一些屏障后，只有少数活动能力强的精子能到达受精部位； ②在精子与卵细胞识别后会发生一些反应，如卵细胞表面的精子识别受体很快发生分子修饰，使后来的精子表面的卵细胞结合蛋白不能识别它等。 卵细胞膜反应 遗传物质 01 受精的具体阶段: 例．受精是精子与卵子结合形成合子(即受精卵)的过程。下列关于哺乳动物受精的叙述，正确的是(　 　) A．精子和卵子结合形成合子与细胞膜的选择透过性密切相关 B．初级卵母细胞与获能的精子在雌性动物的输卵管内完成受精 C．透明带反应和卵细胞膜反应是防止多精入卵的两道屏障 D．判断受精完成的标志是观察到两个极体或者雌、雄原核 C 例．如图表示精子入卵后，发生(或引起的)一系列变化形成受精卵的过程，下列叙述错误的是(　　 ) A．图中X指卵细胞膜发生生理反应，Y指卵子完成减数分裂Ⅱ B．精子触及卵细胞膜的瞬间便发生了X，防止多精入卵 C．精子入卵主要指精子的头部外膜与卵细胞膜融合 D．雌、雄原核充分发育后相向移动，彼此靠近，核膜消失 B B是透明带反应，X是卵细胞膜反应 20 例.(不定项)体外受精技术实际上是在体外条件下，对自然受精条件进行的模拟操作。右图表示人体内一个精子受精的部分过程，有关分析错误的是(　　 ) A.排出的精子经“精子获能”过程才可与发育至减数分裂Ⅰ的卵子完成受精 B.①②过程卵子会通过透明带生理反应和卵细胞膜生理反应，拒绝其他精子再进入卵内 C.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 D.受精卵形成后即进行有丝分裂，在输卵管内完成胚胎发育的过程 AD D，在输卵管和子宫中发育 21 (1)图中a、b、c表示细胞分裂，依次为 ，在精子与卵子结合过程中完成的分裂是 (填“a”“b”或“c”)。c过程发生的场所为 。 例.观察家畜卵子的发生和成熟示意图，思考并回答下面的问题： 有丝分裂、减数分裂Ⅰ、减数分裂Ⅱ c 输卵管 (2)卵子成熟后，即可进行受精，判断卵子受精的标志是________________ _____________________________。 可以观察到两个 极体(或观察到雌、雄原核) (3)在精卵相遇之前,精子在雌性动物生殖道内发生相应的生理变化,具有了受精能力,这个过程叫　　　　 。当卵子达到　 　　　　　　 时,才具备与精子受精的能力。 精子获能　 减数分裂Ⅱ中期(或MⅡ期) 二、胚胎早期发育 阅读教材P58和图2-21内容，回答以下问题： 1.胚胎发育的起点、开始分化阶段和细胞分化最显著的阶段分别是哪个时期？细胞分化的原因是什么？ 2.卵裂期细胞数量、胚胎总体积、细胞体积、DNA的含量、有机物总量、有机物种类的变化？ 3.结合受精过程中精子和卵细胞的特点，分析胚胎早期发育过程中营养物质的来源哪里？ 4.囊胚阶段内细胞团会发育成什么？滋养层呢？ 5.孵化发生在什么时期？孵化这个过程有什么意义？ 次级卵母细胞 受精卵 2细胞期 4细胞期 8细胞期 桑葚胚 囊胚 （1）场所： （2）分裂方式： 受精卵 卵裂 桑葚胚 囊胚 原肠胚 输卵管和子宫 有丝分裂 输卵管（透明带） 子宫 1、胚胎的早期发育 二、胚胎早期发育 （3）过程 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裂称为卵裂。 受精卵 2细胞 4细胞 8细胞 桑葚胚 囊胚 2、卵裂 (2)分裂方式： 有丝分裂 (卵裂期) (1)场所： 透明带内 (3)卵裂的特点： 项目 变化 细胞数目 每个细胞体积 DNA总量 每个细胞内的DNA总量 有机物总量 物质种类 增多 减小 增多 不变 减少 增多 (细胞未分化) 二、胚胎早期发育 26 当卵裂产生的子细胞数目达到32个，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。 3、桑葚胚： 二、胚胎早期发育 ②特点： ①概念： 这一阶段及之前的每个细胞都具有发育成完整胚胎的潜能，属于全能细胞（胚胎干细胞） 桑葚胚 27 4.囊胚: 胚胎进一步发育，细胞开始分化，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。 内细胞团 滋养层 囊胚腔 透明带 内细胞团 滋养层细胞 囊胚腔 ——发育成胎儿的各种组织 ——发育成胎膜和胎盘 ——胚胎内部含有液体的腔。 （作为胎儿的可进行性别鉴定、DNA分析等） （聚集在胚胎一端的细胞） （沿透明带内壁扩展和排列的细胞） ②内细胞团的细胞还未分化，具有全能性， 属于全能细胞，可以作为胚胎干细胞的来源。 ①滋养层细胞已经分化。 特点： 二、胚胎早期发育 S z L w h 4.囊胚 孵化 囊胚进一步扩大，会导致________破裂，胚胎从其中伸展出来，这一过程叫做孵化。 透明带 胚胎从透明带中出来后就会形成胎盘与胎膜，与母体建立联系，如果不能正常孵化，胚胎就无法继续发育。 胚胎早期发育过程中消耗卵细胞提供的营养物质。 二、胚胎早期发育 S z L w h 二、胚胎早期发育 5、原肠胚： ——出现胚层分化 囊胚孵化后，将发育形成原肠胚。 由内胚层包围的空腔叫做原肠腔 结构： 逐渐分化形成各种组织、器官等 内胚层： 外胚层： 中胚层： 原肠胚表面的细胞层 向内迁移的细胞 内外两个胚层之间 滋养层 内胚层 外胚层 原肠腔 消化道、呼吸道上皮、肝胰等腺体。 外胚层： 表皮及其附属结构、神经系统、感觉器官。 中胚层： 皮肤真皮、脊索、肌肉、 骨骼、内脏器官外膜、循环系统、排泄系统、生殖系统。 内胚层： 二、胚胎早期发育p58 31 小结and拓展：胚胎发育 vs 个体发育 全能细胞 细胞分化 幼体 继续分化 出生发育 性成熟个体 孵化 卵裂期 胚胎发育 胚后发育 个体发育 内细胞团 滋养层细胞 囊胚腔 外胚层 中胚层 内胚层 （原肠腔） 二、胚胎早期发育 高等动物的个体发育过程 包括胚胎发育和胚后发育； 胚胎发育的起点是受精卵， 终点是成熟的胎儿； 胎儿出生后的发育过程属于胚后发育。 因此，高等动物个体发育的起点是受精卵，终点是性成熟的个体。 二、胚胎早期发育 33 1.胚胎发育中的细胞分裂均为有丝分裂，原肠胚阶段是个体发育中分化限度最大的阶段，但细胞分化贯穿于生物体整个生命历程中。 2.桑葚胚及以前的细胞均未分化，细胞全能性高 3.桑葚胚到囊胚的发育过程中，细胞开始分化，但其全能性仍很高 4.卵裂期和桑葚胚时期，只进行细胞分裂，不需要从外界获取营养物质，胚胎发育所需营养主要来自卵黄。 5.囊胚期细胞开始分化，透明带破裂，滋养层细胞（以后发育成胎盘、胎膜，与母体建立联系）从外界吸收营养物质，使胚胎继续发育。 有关早期胚胎发育特别提醒 二、胚胎早期发育 误认为子宫是唯一的发育场所。 受精卵形成后即在输卵管内开始进行有丝分裂，输卵管为受精卵发育的最初场所。 34 例．以下关于桑葚胚、囊胚、原肠胚的说法，不正确的是(　 　) A.胚胎发育的顺序是受精卵→桑葚胚→囊胚→原肠胚 B．囊胚期的细胞出现了细胞分化，其原因是细胞中的遗传物质发生了变化 C．桑葚胚期之前的细胞均未出现细胞分化 D．原肠胚表面的细胞层为外胚层 B 二、胚胎早期发育 思考·讨论：不同动物受精卵发育的比较 动物 种类 受精卵发育/h 进入子宫时发育 天数和发育阶段 2细胞 4细胞 8细胞 16细胞 桑棋胚 天 发育阶段 小鼠 24~38 38~50 50~60 60~70 68~80 3 桑棋胚 山羊 24~38 48~60 72 72~96 96~120 4 10~16细胞 绵羊 36~38 42 48 67~72 96 3~4 16细胞 猪 21~51 51~66 66~72 90~110 110~114 2~2.5 4~6细胞 马 24 30~36 50~60 72 98~106 6 囊胚 牛 27~42 44~65 46~90 96~120 120~144 4~5 8~16细胞 不同动物受精卵发育及其进入子宫的时间有明显的差异。请分析下表，讨论相关问题(注：马牛为排卵后时间，其他动物为交配后时间) 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 36 二、胚胎早期发育 思考·讨论：不同动物受精卵发育的比较 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细胞阶段进入子宫，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。 动物 种类 受精卵发育/h 进入子宫时发育 天数和发育阶段 2细胞 4细胞 8细胞 16细胞 桑棋胚 天 发育阶段 小鼠 24~38 38~50 50~60 60~70 68~80 3 桑棋胚 山羊 24~38 48~60 72 72~96 96~120 4 10~16细胞 绵羊 36~38 42 48 67~72 96 3~4 16细胞 猪 21~51 51~66 66~72 90~110 110~114 2~2.5 4~6细胞 马 24 30~36 50~60 72 98~106 6 囊胚 牛 27~42 44~65 46~90 96~120 120~144 4~5 8~16细胞 37 二、胚胎早期发育 胚胎工程的许多技术都是在了解了哺乳动物在自然条件下受精和胚胎早期发育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继续发育等。 3. 为什么说关于动物的体内受精和胚胎发育的研究，会为胚胎工程提供理论基础?请结合所学习的内容举例说明。 38 例.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 例、下图为哺乳动物早期胚胎发育的过程示意图,下列有关叙述错误的是 ( ) A.过程a和b使胚胎中有机物的含量减少 B.Ⅰ时期胚胎中的细胞具有全能性 C.细胞分化开始于Ⅲ时期 D.图示过程中,部分细胞中的遗传物质可能发生改变 C 细胞分化开始于囊胚期 40 例.下图是胚胎发育过程中某阶段示意图，下列有关叙述错误的是(　 　) A．图中②将发育为胎膜和胎盘等结构 B．图中③可发育成胎儿的各种组织 C．高等哺乳动物细胞分化开始于桑葚胚期 D．胚胎从①中伸展出来的过程叫作孵化 C　 C　 解析：图中②是滋养层，将发育为胎膜和胎盘，A正确；图中③处的细胞为内细胞团细胞，可发育成胎儿的各种组织，B正确；高等哺乳动物细胞分化开始于囊胚期，C错误；胚胎从①透明带中伸展出来的过程叫作孵化，D正确。 41 受精 精子获能 受精前的准备 卵子准备 MⅡ期具备受精能力 雌性动物的生殖道或培养到获能液(肝素或Ca2+载体)中 精子穿过卵细胞外结构 精子接触卵细胞膜 精子入卵称为雄原核；卵子释放第二极体，形成雌原核 雌雄原核靠近 核膜消失 桑葚胚 受精卵 每个细胞能发育成组成个体的任何细胞类型及胚外组织 囊胚 原肠胚 卵裂 细胞在透明带内分裂，胚胎总体积并不增加 孵化 内细胞团 滋养层 组成胎儿的各种组织细胞 胎盘、胎膜等胚外组织细胞 外胚层内胚层中胚层 课堂小结 $$