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第4讲　胚胎工程及其应用
选择性必修3 生物技术与工程
第十单元　生物技术与工程
1．精子的产生和结构
(1)精子的产生
初级精母细胞
考点1　哺乳动物胚胎发育的基本过程
(2)精子的结构
中心体
线粒体
2．卵细胞的产生
卵巢
提醒：(1)减数第二次分裂、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。
(2)不同动物排出的卵子成熟程度不同，有的可能是初级卵母细胞，如马、犬等；有的可能是次级卵母细胞，如猪、羊等。但它们都要在输卵管内进一步成熟，当达到减数第二次分裂中期时，才具备与精子受精的能力。
3．受精作用
输卵管
受精卵
两个极体
提醒：受精作用前精子需要获能，精子获能是指精子获得受精“能力”，而不是获得能量；排卵是指卵子从卵泡中排出，而不是卵泡从卵巢中排出。
4．胚胎发育
(1)概念
受精卵发育成____的过程，包括桑椹胚、____、原肠胚等主要发育阶段。
幼体
囊胚
(2)过程
①胚卵期
囊胚
②胚胎期
滋养层
胚盘
原肠胚
中胚层
胚体
心脏
神经系统
③胎儿期
头部
1．将精子培养在人工配制的获能液中可使其获能。 ( ) 2．动物排出的卵子成熟程度不同，如猪、羊排出的是初级卵母细胞。 ( )
提示：马、犬等排出的是初级卵母细胞，猪、羊排出的卵子是次级卵母细胞。
3．多数哺乳动物的第一极体不进行减数分裂Ⅱ。 ( )
4．受精时，精子入卵后，卵细胞质膜会立即发生生理反应，拒绝其他精子再进入卵内。 ( )
√
×
√
√
5．卵裂时，细胞的数量不断增加，胚胎的总体积也不断增加。 ( )
提示：卵裂时，细胞的数量不断增加，胚胎的总体积并不增加。
6．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。 ( )
7．聚集在囊胚一端的细胞形成内细胞团，将来发育成胎儿的各种组织。 ( )
×
√
√
1．通常哺乳动物射出的精子数以万计，却只有一个精子与卵子结合，怎样理解这种现象？(选择性必修3　P72“积极思维”)
提示：这是动物为繁衍后代、延续物种的一种生理保障，能筛选出高质量的精子，提高后代的质量。
2．要对移植的早期胚胎进行性别鉴定，通常取滋养层的细胞，尝试解释其中的原因。(选择性必修3　P74“正文信息”)
提示：滋养层细胞与内细胞团细胞染色体组成相同，且不损伤胚胎。
1．实际胚胎工程操作中，受精的标志为_______________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
提示：观察到两个极体或者雌、雄原核
2．若将外源基因导入小鼠受精卵，则外源基因可能随机插入到小鼠受精卵DNA中。这种受精卵有的可发育成转基因小鼠，有的却死亡。请分析因外源基因插入导致受精卵死亡的最可能的原因______ ____________________________________________________________________________________________________________________。
提示：外源基因的插入使受精卵内生命活动必需的某些基因不能正常表达
1．受精作用
(1)刚排出的卵子尚未完全成熟，仅完成减数分裂Ⅰ，需要进一步成熟，直到减数分裂Ⅱ的中期才能与精子结合完成受精过程，这一过程是在输卵管内完成的。
(2)受精的标志是在透明带和卵细胞质膜之间观察到两个极体，而受精过程完成的标志是雌、雄原核的融合。
2．卵裂期胚胎发育过程中物质和体积变化的规律
(1)有机物：胚胎没有和母体建立联系，没有从母体获取有机物，而胚胎一直呼吸消耗，有机物总量减少。
(2)细胞数目和体积：胚胎总体积并不增加，但细胞数目增多，每个细胞体积减小。
(3)细胞中DNA含量：伴随细胞分裂，细胞数目增多，总DNA含量增多，但每个细胞中核DNA含量保持相对稳定。
1．若没有阻止多精入卵的机制，可能会出现什么结果？
提示：可能出现多个精子与卵细胞结合的现象，造成受精卵含有多个染色体组，而这样的受精卵难以正常发育。
2．科学家利用白色品系小鼠a与黑色品系小鼠b培育出了嵌合体小鼠c，流程如图所示。
若产下的嵌合体小鼠c的大部分皮肤是白色，试推测可能的原因。
提示：来源于白色品系小鼠a的胚胎细胞比来源于黑色品系小鼠b的胚胎细胞更多地发育为皮肤细胞(大部分皮肤细胞由白色品系小鼠a的胚胎细胞分化而来)。
考向考查体内受精和胚胎发育
1．(2022·江苏南通模拟预测)如图是小鼠孤雌单倍体胚胎干细胞系获得过程，相关叙述错误的是(　　)
1
2
A．过程①中，精子需要用ATP培养，卵母细胞应处于减数第二次分裂中期
B．卵母细胞只有在受精后才能完成减数分裂，因此不能直接用卵母细胞培养
C．过程②中，经历了有丝分裂和分化，不同阶段表达的基因存在差异
D．“早期胚胎”最可能是囊胚，其中的内细胞团细胞具有全能性
1
2
A　[过程①中，精子需要用获能液培养，卵母细胞应处于减数第二次分裂中期，A错误；卵母细胞只有在受精后才能完成减数分裂，所以需要用精子刺激卵母细胞，然后移除雄原核再进行培养，B正确；过程②是早期胚胎发育，此过程经历了有丝分裂和分化，分化的实质是基因的选择性表达，C正确；“早期胚胎”最可能是囊胚，囊胚的内细胞团细胞具有发育的全能性，D正确。故选A。]
1
2
2．(多选)(2022·江苏南京模拟预测)下图是我国科学家制备小鼠孤雄单倍体胚胎干细胞的相关研究流程，其中Oct4基因在维持胚胎干细胞全能性和自我更新中发挥极其重要的作用。下列相关叙述错误的是(　　)
1
2
A．过程①选取的卵子应该是处于减数第二次分裂中期的卵母细胞
B．Oct4转基因小鼠可通过向小鼠受精卵中直接注入Oct4基因片段而获得
C．过程②胚胎发育依次经历桑椹胚、原肠胚和囊胚等不同发育阶段
D．过程③胚胎干细胞取自囊胚内细胞团，这类细胞的细胞核大、核仁发达
1
2
BC　[次级卵母细胞培养到减数第二次分裂的中期才具备受精的能力，在受精作用过程中完成减数第二次分裂，所以过程①选取的卵子应该是处于减数第二次分裂中期的卵母细胞，A正确；目的基因转入受体细胞之前需要先构建基因表达载体，然后将重组DNA再导入受体细胞内，而不能将目的基因(Oct4基因)直接导入受体细胞，B错误；胚胎发育的过程为受精卵→桑椹胚→囊胚→原肠胚→幼体，所以过程②胚胎发育依次经历桑椹胚、囊胚、原肠胚等不同发育阶段，C错误；胚胎干细胞可来自早期胚胎(桑椹胚、囊胚的内细胞团)和原始性腺，胚胎干细胞具有胚胎细胞的特性，体积较小，细胞核大，核仁明显，D正确。故选BC。]
1
2
1．体外受精技术
体外人工控制
受精过程
温度
卵母细胞
精子获能
受精作用
假阴道法
人
工配制的获能液中
肝素
钙离
子载体
抽吸法
卵泡
机械破
碎法
卵
母细胞
顶体反应
某种糖蛋白
透明带
顶体外膜
细胞质膜
顶体酶
放
射冠
透明带
雄
原核
雌原核
考点2　胚胎工程技术及应用
2．胚胎工程
人为操作和
处理
体外受精
胚胎分割
维生素
无机盐
3．胚胎移植
早期
胚胎
同时发情排卵
选择
同期发情
超数排卵
收集
繁殖能力
改良速度
冷冻胚胎
4．胚胎分割技术
机械方法
早期胚胎
显微操作仪
分割针
发育良好
囊胚
成倍增加
相同
1．体外受精前需对采集到的卵母细胞和精子分别在体外进行成熟培养和获能处理。 ( )
2．移植给受体的胚胎仅通过体外受精技术获得。 ( )
提示：移植给受体的胚胎可通过转基因技术、核移植技术及体外受精技术等获得。
3．胚胎移植后，经受体孕育的后代，其遗传特性与供体保持一致。 ( )
√
×
√
4．在分割囊胚阶段的胚胎时，要注意将内细胞团均等分割。 ( )
5．超数排卵是应用外源雌性激素，诱发卵巢排出比自然情况下更多的成熟卵子。 ( )
提示：超数排卵应用的外源激素为促性腺激素。
6．实践证明，胚胎分割次数越多，分割后胚胎成活的概率越小。
( )
×
√
√
1．若一次给受体母牛移入多个体外受精的多个胚胎，产生的后代基因型相同吗？并说明理由。(选择性必修3　P79“正文信息”)
提示：不一定相同，因为这些胚胎可能由不同的受精卵发育而来。
2．对发育到囊胚期的牛胚胎进行二分胚分割时，要将内细胞团均等分割，原因是什么？(选择性必修3　P80“正文信息”)
提示：内细胞团一般到囊胚阶段才出现，它是发育为胚胎本身的基础细胞，其他细胞为滋养层细胞，为胚胎和胎儿发育提供营养。若分割时不能将内细胞团均等分割，会出现含内细胞团多的部分发育能力强，少的部分发育受阻或不良，甚至不能发育等问题。
1．胚胎移植的实质是_______________________________________ _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
提示：早期胚胎在相同生理环境条件下空间位置的转移
2．进行胚胎移植的优势是____________________________________ ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
提示：可以充分发挥雌性优良个体的繁殖潜力
1．列表比较试管动物与克隆动物
项目 试管动物 克隆动物
技术基础 体外受精、胚胎移植 核移植技术
生殖方式 有性生殖 无性生殖
遗传特性 具有双亲的遗传特性 主要与供体个体相同
意义 充分发挥雌性优良个体的繁殖潜力，缩短供体本身的繁殖周期 加速家畜遗传改良进程、挽救濒危物种等
相同点 二者均涉及早期胚胎培养、胚胎移植技术，其移植所选胚胎一般是桑椹胚或囊胚 2．胚胎移植的三个关键环节
(1)移植胚胎必须在原肠胚之前进行，但不能直接移植受精卵。
(3)胚胎移植的供体和受体必须是同种生物，同一物种的动物才有可能具有相同的生理特征。
1．比较利用胚胎分割和体细胞核移植技术得到的克隆生物的异同点。
提示：相同点：都能获得遗传性状几乎完全相同的个体。不同点：胚胎分割适用于早期胚胎细胞，这些细胞很容易实现全能性，因此取材时间有限。体细胞核移植理论上可使用任何时期、各种类型的体细胞，但全能性较难实现。
2．目前我国第三代试管婴儿技术已获突破，不但能解决部分不孕不育问题，还能在胚胎移植前对部分遗传病进行筛查，从而实现优生优育。若要从分子水平对胚胎进行性别鉴定，请写出鉴定的实验设计思路。
提示：若要对胚胎进行性别鉴定，可以从待测囊胚中取出滋养层细胞，提取DNA；然后用位于Y染色体上的性别决定基因(SRY基因)的一段碱基作引物，以提取得到的DNA(或滋养层细胞的DNA)为模板进行PCR扩增；最后与SRY特异性探针杂交，出现阳性反应者，胚胎为男性。
考向1考查体外受精
1．(多选)(2022·江苏南通阶段练习)研究人员仿照制备乳腺生物反应器的思路，制备了一种膀胱生物反应器，用其获得人体特殊功能蛋白A的基本过程如下图所示。下列有关叙述错误的是(　　)
3
4
1
2
A．步骤①和②所代表的操作分别是显微注射、体外受精
B．诱导雌性动物超数排卵所饲喂的激素只能作用于特定细胞
C．通过超数排卵获得的卵子可直接与获能的精子进行体外受精
D．早期胚胎培养过程中通常在培养液中通入5%的CO2刺激细胞呼吸
3
4
1
2
ABD　[受精卵的全能性最大，利用受精卵作为重组表达载体的宿主细胞常采用显微注射(①)的方法将载体注入，继而对受精卵进行早期胚胎的培养(②)，A错误；诱导雌性动物超数排卵的激素是促性腺激素，该激素是由垂体分泌的，属于蛋白质(多肽类)激素，不能饲喂，只能注射，否则会被分解，B错误；通过超数排卵获得的卵子可直接与获能的精子进行体外受精，原因是卵子已在输卵管中发育至MⅡ中期(卵子已获能)，C正确；早期胚胎培养过程中通常在培养液中通入5%的CO2的作用是维持培养液的pH，D错误。故选ABD。]
3
4
1
2
2．(多选)(2022·江苏盐城模拟预测)甲图为牛胚胎移植示意图，乙图为胚胎发育某时期示意图，下列叙述错误的是(　　)
3
4
1
2
甲　　　　　　　　乙
A．对供体母牛和受体母牛注射性激素，进行同期发情处理
B．甲图中冲卵的目的是获取受精卵
C．可选择发育至乙图阶段的胚胎进行移植
D．性别鉴定时需将乙图②处细胞均等分裂并对其做DNA分析
3
4
1
2
ABD　[对供体母牛和受体母牛注射孕激素，进行同期发情处理，使其处于相同的生理状态，A错误；冲卵中的“卵”是指胚胎，因此冲卵的实质是获得早期胚胎，B错误；乙开始出现细胞分化，是囊胚期，可选择发育至乙图阶段的胚胎进行移植，C正确；性别鉴定时需将乙图②内细胞团处细胞均等分裂，但做DNA分析应选择①滋养层细胞，D错误。故选ABD。]
3
4
1
2
考向2考查胚胎工程技术及其应用
3．(2022·江苏淮安模拟预测)黄牛属于单胎动物，季节性发情，育种工作者希望通过胚胎工程技术对优良品种进行扩大繁殖。下列叙述正确的是(　　)
A．在黄牛的饲料中添加一定量的促性腺激素能促使其超数排卵
B．黄牛的胚胎在早期处于游离状态，为胚胎收集提供可能
C．当受体数量有限时，可对早期胚胎进行无限次分割以获得更多的后代
D．胚胎分割技术可取桑椹胚时期的滋养层进行DNA分析，鉴定性别
3
4
1
2
B　[促性腺激素属于多肽类物质，不能口服，否则会被分解而不能发挥作用，所以不能添加在饲料中，A错误；黄牛的胚胎形成后，早期处于游离状态，为胚胎收集提供可能，B正确；当供体数量有限时，可采用胚胎分割技术以获得更多的后代，但不能无限次分割，C错误；胚胎分割技术可取样囊胚时期的滋养层进行DNA分析，鉴定性别，D错误。故选B。]
3
4
1
2
4．(多选)(2022·江苏连云港阶段练习)下列关于胚胎工程理论及应用的叙述，错误的是(　　)
A．胚胎移植是胚胎工程中最不成熟的技术
B．理论上胚胎干细胞能被诱导分化为机体内所有的细胞
C．若对囊胚进行胚胎分割，滋养层和内细胞团都需要均等分割
D．移植的胚胎只能来自体内受精或者体外受精直接产生的胚胎
3
4
1
2
ACD　[转基因、核移植或体外受精等任何一项胚胎工程技术所得到的胚胎，都必须经过胚胎移植技术才能获得后代，是胚胎工程的最后一道“工序”，技术已经很成熟，A错误；胚胎干细胞是全能干细胞，具有无限分化潜能，故理论上胚胎干细胞能被诱导分化为机体内所有的细胞，B正确；对囊胚进行胚胎分割时要注意将内细胞团均等分割，而对滋养层的分割要求并不严格，C错误；移植的胚胎可来自体内受精、体外受精或核移植产生的胚胎，D错误。故选ACD。]
3
4
1
2
1．核心概念
(1)胚胎发育：指受精卵发育成幼体的过程，包括桑椹胚、囊胚、原肠胚等主要发育阶段。
(2)体外受精技术：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。
(3)胚胎工程：指对动物的胚胎进行人为操作和处理以获得目标个体的技术，包括体外受精、胚胎移植和胚胎分割等现代生物技术。
(4)胚胎移植技术：将良种雌性动物配种后，从其生殖道取出早期胚胎或通过体外受精及其他方式(如转基因、核移植)得到的受精卵或胚胎，再移植到同种的同时发情排卵但未经配种的其他雌性动物的体内，使它们进一步发育为新个体的技术，称为胚胎移植技术。
(5)胚胎分割：用机械方法将早期胚胎平均分割成二分胚、四分胚甚至八分胚，经培养后植入受体，以得到同卵双生或同卵多生后代的技术称为胚胎分割技术。
2．结论语句
(1)采集的卵母细胞要培养成熟后才能与获能后的精子受精。采集动物精子的方法常用的是假阴道法。
(2)胚胎移植需要的早期胚胎来自动物体内或通过体外受精及其他方式获得。
(3)胚胎移植实际上是产生胚胎的供体和孕育胚胎的受体共同繁殖后代的过程，其优势是充分发挥雌性优良个体的繁殖潜能。
(4)胚胎分割一般将早期胚胎切割成2等份、4等份或8等份，经过移植获得同卵双胎或多胎。胚胎分割一般采用桑椹胚或囊胚，如果切割的是囊胚，一定要均等分割内细胞团。

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