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第3节
胚胎工程
第2章　细胞工程
SW-PWF
第1课时
胚胎工程的理论基础
良种荷斯坦奶牛
从社会中来
我国对奶类的总需求量很大，但与奶业发达的国家相比，我国奶牛的单产水平还存在一定差距。奶牛品种是影响产奶量的主要因素之一，而引进一头成年奶牛往往需要数万元，高昂的价格使得靠大量引进优良品种来提高产量不太可行。能不能让引进的良种奶牛快速、大量繁殖呢 遗憾的是，牛的生育率很低，一头母牛一胎一般只产一头犊牛，一生约生育四五次。如何解决这个难题呢
可以通过体外受精、胚胎分割等技术获得多个良种奶牛的胚胎，然后胚胎移植给其他品种代孕母牛生下后代。
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。
操作对象
胚胎工程的概念
技术手段
操作水平：
特点
主要集中在细胞水平上。
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。
哺乳动物体内受精和早期胚胎发育的规律。
理论基础：
工程实质：
为什么要进行胚胎工程？
哺乳动物自身繁殖率低
畜牧业上需要快速大量繁殖良种家畜
体外受精
早期胚胎培养
胚胎分割
胚胎移植
短时间内可产生大量后代
胚胎工程
知识回顾
曲细精管
(1)场所：在雄性动物的 内完成。
(2)时期：从 开始到 衰退。
精子的形成过程
睾丸的曲细精管
初情期
生殖机能
知识回顾
卵细胞
卵泡
卵细胞的形成过程
(1)场所：在雌性动物的 内完成。
(2)时期： 。
卵巢
输卵管
胎儿时期(性别分化以后)和初情期以后
_____________
_____________
受精是_____和____结合形成____的过程。
在自然条件下，哺乳动物的受精在________完成。
包括
受精
受精前准备阶段
受精阶段
准备阶段1—精子获能
准备阶段2—卵子的准备
一、
精子
卵子
合子
输卵管内
1.概念：
2.场所：
3.过程：
即受精卵
精子
直接利用________________使精子获能；
将精子培养在_______________中使其获能；
刚刚排出的精子_______与卵子受精，必须在______________发生____________后，才能获得________，这一生理现象称为“精子获能”
(1) 准备阶段1-精子获能
实现了各种哺乳动物在体外条件下的获能，为____________的建立奠定了基础。
不能立即
雌性动物的生殖道
相应的生理变化
受精能力
体外受精技术
雌性动物的生殖道
人工配制的获能液
①概念：
②使精子获能的方法：
*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；
③研究精子获能机制的意义:
精子获能实质是指精子获得受精“能力”，而不是获得能量。
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。
注意点：精液由精子和精浆组成，精浆中含有抑制精子获能的物质，只有精子进入雌性动物的生殖道后，由生殖道分泌产生相关物质解除对精子的抑制，才能使精子获得受精的能力。
(1) 准备阶段1-精子获能
*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
④成熟精子结构：
头
颈
线粒体鞘
尾巴
成熟精子含有的细胞质很少
---主要是细胞核——遗传物质的储存场所
---线粒体——为精子运动提供能量
---是精子代谢和运动的器官
⑤精子形成
②尾的发育
③精子头出现
④细胞质浓缩
①顶体的发生
精子的产生
细胞核：
高尔基体：
中心体:
线粒体：
其它物质：
精子头部的主要部分
头部的顶体
精子的尾
线粒体鞘
原生质滴
(2) 准备阶段2-卵子的准备
②不同动物排出的卵子成熟程度 ：
有的可能是____________，如马、犬等；
有的可能是____________，如猪、羊等；
初级卵母细胞
次级卵母细胞
③卵子成熟的场所：
①卵子一般在排出 后才能被精子穿入。
2-3h
不同
排出的卵子都要在______内进一步成熟。
输卵管
④卵子具备与精子受精能力的时期：_____期。
MⅡ
卵原细胞
初级卵母细胞
次级卵母细胞
马、犬排卵
猪、羊排卵
MⅡ(中)期卵母细胞
发育
透明带
卵细胞膜
核
纺锤体—染色体复合物
第一极体
原始卵泡
成熟卵泡
黄体
初级或次级卵母细胞
排卵是指卵子从卵泡中排出，还是指卵泡从卵巢中排出？
卵子从卵泡中排出
正常情况下，一个卵巢中有多个卵泡，一个卵泡只能形成一个成熟的卵子。
项目 精子的发生 卵子的发生
区 别 场所
时间
过程 特点
结果
相同点 原始生殖细胞的增殖方式为有丝分裂
生殖细胞的成熟过程为减数分裂
成熟过程中染色体均经过一次复制和细胞两次分裂，子细胞中染色体数目减半
睾丸的曲细精管
卵巢
初情期开始到生殖机能衰退
胎儿期到生殖机能衰退
①MⅠ分裂和MⅡ分裂是连续的
②需要变形
③细胞质均等分裂
①MⅠ分裂和MⅡ分裂是不连续的
②不需要变形
③细胞质不均等分裂
1个精原细胞形成4个精子细胞
1个卵原细胞形成1个卵细胞
精子和卵子发生的比较
精子穿越透明带
精子接触卵细胞膜
精子进入
卵细胞
雄原核
第一极体
雌原核
第二极体
雌、雌原核形成
雌、雄原核靠近
核膜消失，卵裂开始
雄原核
第一极体
雌原核
第二极体
(3) 受精阶段
(3) 受精阶段
第1步：精子穿越卵细胞膜外结构
获能后的精子与卵子在输卵管相遇
释放多种酶（顶体酶）
溶解卵细胞膜外的一些结构（如透明带）
借助精子自身运动
精子接触卵细胞膜
(3) 受精阶段
第2步：精子接触卵细胞膜
在精子触及卵细胞膜的瞬间，卵细胞膜外面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。
(透明带反应是阻止多精入卵的第一道屏障)
第3步：精子入卵
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。
(卵细胞膜反应是阻止多精入卵的第二道屏障)
(3) 受精阶段
雄原核
雌原核
第一极体
放出的
第二极体
第4步：雌雄原核的形成
雄原核的形成：
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，形成一个比原来精子的核还大的核，叫做雄原核。
雌原核的形成：
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。
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；
(3) 受精阶段
雌、雄原核靠近
核膜消失，卵裂即将开始
第5步：雌、雄原核融合，受精卵形成
雌、雄原核充分发育
相向移动，彼此靠近，核膜消失
形成含有两个染色体组的合子就是受精卵，受精过程结束。
(3) 受精阶段
放出的第二极体
第一极体
雄原核
雌原核
受精的标志:
观察到两个极体或者雌、雄原核。
受精完成的标志：
雌、雄原核融合形成合子(受精卵)
第1步：精子穿越卵细胞膜外结构
第2步：透明带发生生理反应
第3步：精子入卵
第4步：卵细胞膜发生生理反应
第5步：雌雄原核的形成
第6步：雌、雄原核融合，受精卵形成
阻止多精入卵的两道屏障
受精阶段总结
二、胚胎早期发育
_______和______。
输卵管
子宫
(1)场所：
(2)分裂方式：
有丝分裂
(3)过程：
_________。
卵裂
受精卵
桑葚胚
囊胚
原肠胚
二、胚胎早期发育
原肠胚
受精卵
2细胞
4细胞
8细胞
桑葚胚
囊胚
①卵裂：
细胞数量_____________
胚胎总体积_________
透明带
有丝分裂
不断增加
并不增加
场所：_________
分裂方式：_________
特点：
项目 变化
每个细胞体积
DNA总量
每个细胞内的DNA总量
有机物总量
有机物种类
不断减小
不断增加
不变
减少
增加
卵裂
当卵裂产生的子细胞逐渐形成____的细胞团，形似 时，这时的胚胎称为桑葚胚；
二、胚胎早期发育
原肠胚
受精卵
2细胞
4细胞
8细胞
桑葚胚
囊胚
②桑葚胚：
概念：
特点：
桑葚
致密
由32个全能细胞构成
这一阶段及之前的每一个细胞都具有发育成完整胚胎的潜能，属于全能细胞。
二、胚胎早期发育
原肠胚
受精卵
2细胞
4细胞
8细胞
桑葚胚
囊胚
③囊胚：
特点：
结构：
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
内细胞团
囊胚腔
滋养层
透明带
具有全能性，胚胎干细胞的来源
胚胎的进一步发育， 。
孵化：
囊胚进一步扩大，会导致 破裂，胚胎从其中伸展出来。
细胞逐渐分化
透明带
非常重要
二、胚胎早期发育
原肠胚
受精卵
2细胞
4细胞
8细胞
桑葚胚
囊胚
④原肠胚：
逐渐分化形成各
种组织、器官等
表面的细胞层
向内迁移的细胞
内外两个胚层之间
外胚层：
内胚层：
中胚层：
原肠胚
囊胚腔
外胚层
内胚层
中胚层
原肠腔
表皮及其附属结构
神经系统和感官
循环系统
脊索
真皮
消化道上皮
呼吸道上皮
腺体
肌肉
内脏细胞外膜
泌尿系统
生殖系统
各种组织器官系统
个体
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）
课堂小结
注意点：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子，终点是性成熟的个体。
特别提醒
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.桑椹胚及以前的细胞均未分化，细胞全能性高，是胚胎分割的最佳时期。
3.桑椹胚到囊胚的发育过程中，细胞开始分化，但其全能性仍很高，也可用于胚胎分割。
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。
②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。
不同动物受精卵发育的比较
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
几种动物受精卵发育及其进入子宫的时间
动物种类 受精卵发育的时间/h 进入子宫时受精卵的发育天数和发育阶段 2细胞 4细胞 8细胞 16细胞 桑葚胚 天 发育阶段
小鼠 24~38 38~50 50~60 60~70 68~80 3 桑葚胚
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
注：马牛为排卵后时间，其他动物为交配后时间
思考·讨论
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
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？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，在实践中通常发育到囊胚阶段的胚胎进行移植；
3.为什么说关于动物的体内受精和胚胎发育的而研究，会为胚胎工程提供理论基础？
思考·讨论
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。
获能精子
MⅡ期
卵母细胞
受精卵
精子
排出的
卵母细胞
2细胞
4细胞
8细胞
桑葚胚
囊胚
原肠胚
准备阶段
受精阶段
胚胎早期发育
受精
课堂总结
受精
胚胎早期发育
胚胎工程的理论基础
准备阶段1—精子获能
准备阶段2—卵子的准备
受精
卵裂
桑葚胚
囊胚
原肠胚
精子穿越卵细胞膜外的结构
精子接触卵细胞膜
精子入卵
雌、雄原核形成
雌、雄原核靠近
核膜消失，形成受精卵
课堂小结
1.判断下列有关哺乳动物受精的表述是否正确。
(1)在自然条件下，受精在子宫中完成。（ ）
(2)精子需要获能才能与卵子结合，而卵子一经排出就具备受精能力。（ ）
(3)精子入卵后，卵细胞膜会发生反应阻止其他精子入卵。（ ）
×
×
√
2.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
练习与应用
一、概念检测
二、拓展应用
1.精母细胞在变成精子的过程中，很多结构会消失，而细胞核与线粒体都保留了下来，请尝试用你所了解的哺乳动物受精的相关知识来解释这一现象。
细胞核和线粒体都是精子的重要结构。其中，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。
练习与应用
二、拓展应用
练习与应用
2.精子在雌性动物的生殖道内是如何获能的 除了教材中介绍的，防止多精入卵的机制还有哪些 感兴趣的话，请通过查阅相关资料或请教专家来进行了解。关于受精作用，你还能提出其他问题吗
提示：出题的目的不是让学生准确地答出精子获能的机制和防止多精入卵的具体机制，而是鼓励有兴趣的学生去查阅资料或请教专家，并引导他们去查阅相对专业的书籍，这是学习的深入过程。这里涉及的问题，在普通生物学或者一般的细胞工程专著中可能找不到答案，需要查阅生殖生物学相关书籍。通过查阅专业资料，学生能了解到，精子获能的机制很神奇，防止多精入卵的机制同样神奇而且非常复杂，这都是机体在长期进化的过程中形成的、用来保障本物种延续的机制。
感 谢 观 看
准备阶段2：卵子的准备

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