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3.4 对动物早期胚胎或配子进行
处理可获得目标个体
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，然后移植给代孕母牛生下后代。这个工程就是胚胎工程。
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。能不能让引进的优良奶牛快速、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？
主要限定于高等脊椎动物，特别是哺乳动物。技术操作的主要对象是生殖细胞、受精卵和早期胚胎。
胚胎工程：
通常指各种胚胎操作技术。主要包括体外受精、胚胎体外培养、胚胎移植、胚胎分割等。
2.研究对象：
1.概念：
3.工程实质：
4.理论基础：
哺乳动物受精和早期胚胎发育的规律
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。
讨论：
每个生命的诞生，都始于一颗精子和一颗卵子的相遇。精卵结合的过程是什么？
一、胚胎形成经过了受精及早期胚胎发育等过程
受精
1.受精作用
指精子和卵子结合形成合子（即受精卵）的过程。
（1）概念
（3）过程
（2）场所
输卵管
一、胚胎形成经过了受精及早期胚胎发育等过程
1.受精作用
1）受精前的准备阶段:
精子的获能:精子必须在雌性动物的生殖道发生相应的生理变化后,
才获得受精能力的生理现象.
卵子的准备:在输卵管中发育成熟到减数第二次分裂的中期）（MⅡ中）,
才具有与精子受精的能力
2）受精阶段：
（3）过程：
①精卵识别：同种动物的精子和卵细胞会利用其表面的特异性识别蛋白进行精卵识别，所以只有同种动物精卵才能结合
②精子入卵：精子接触卵细胞膜，头部进入卵细胞
精子触及卵细胞膜的瞬间，透明带会迅速发生生理反应，阻止后来的精子进入透明带。细胞膜具有：一定的流动性
③原核形成：雌雄原核形成
精子入卵后，尾部脱离，原有核膜破裂，形成新的核膜，最后形成一个比原来精子核还大的核，叫做雄原核。精子入卵后，激活卵子完成减数第二次分裂，排出第二极体后，形成雌原核。
细胞膜的功能：进行细胞间信息交流
精子识别进入次级卵母细胞
雌、雄原核靠近
核膜消失，第一次卵裂即将开始
雌雄原核的染色体会合，形成新核了，细胞核中染色体数目恢复到体细胞水平，同时启动卵内一系列活动，如阻止后续精子入卵、激活受精卵的分裂等。
④合子形成：雌雄原核融合形成受精卵
精子头部进入卵细胞还启动了卵内一系列活动，如阻止后续精子如卵、激活受精卵的分裂等。
指精子和卵子结合形成合子（即受精卵）的过程。
（1）概念
（3）过程
（2）场所
输卵管
一、胚胎形成经过了受精及早期胚胎发育等过程
1.受精作用
（4）受精完成的标志：
雌雄原核形成合子
注意：受精卵的遗传物质中，核物质（染色体上DNA)一半来自父方（精子），一半来自母方（卵细胞），细胞质中遗传物质几乎全来自卵细胞。
（1）受精卵是下一代新生命的开始。
（4）动物的胚胎发育是指受精卵发育成幼体的过程
（3）从受精卵到幼体过程中的一系列结构叫胚胎
（2）雌、雄原核不能理解成卵子、精子原来的核，而是在原来细胞核的基础上形成的新核，原核膜已破裂。
注意事项
囊胚期（胚泡）
2细胞期
4细胞期
16细胞期
32细胞期（桑葚胚）
卵裂
原肠胚期
内胚层
外胚层
中胚层
受精卵
8细胞期
内细胞团（内部）
（胚胎干细胞）
滋养层（外表）
囊胚腔
2.动物胚胎发育的基本过程
（1）两栖动物的卵裂和胚胎发育
（动物极、植物极、卵黄）
人卵细胞受精到受精卵卵裂后植入的过程
受精卵
2细胞胚
4细胞胚
8细胞胚
桑葚胚
囊胚
原肠胚
（2）哺乳动物的卵裂和胚胎发育
①细胞分裂方式是__________
②细胞数目_____
③胚胎总体积____________________
④每个细胞的体积______
⑤胚胎总有机物_____
⑥胚胎总DNA数______
⑦每个细胞具有____________
受精卵
2细胞胚
4细胞胚
8细胞胚
桑葚胚
囊胚
原肠胚
卵裂期
增加
不增加或略有减小
减小
减小
增加
全能性
桑葚胚：细胞数目达到16～32个，排列紧密，形似桑葚。
每个细胞具有全能性，属于全能性细胞。
有丝分裂
受精卵
2细胞胚
4细胞胚
8细胞胚
桑葚胚
囊胚
原肠胚
卵裂期
②特点：
细胞开始出现分化
内细胞团：
滋养层：
囊胚腔：
将来发育成胎儿的各种组织
囊胚外表一层扁平细胞，将来发育成胚胎的附属结构或胚外结构如绒毛膜、胚盘等
①结构
受精卵
2细胞胚
4细胞胚
8细胞胚
桑葚胚
囊胚
原肠胚
卵裂期
囊胚孵化后，内细胞团表层的细胞形成外胚层，下方的细胞形成内胚层，出现由内胚层包围的空腔叫做原肠腔。内外胚层之间的细胞形成了中胚层，由原肠胚的三个胚层进一步发育为不同的组织、器官、系统
由原肠胚的内、中、外三个胚层逐渐分化形成各种器官原基，最先形成的是脑和脊髓原基----神经管。
受精卵：动物个体发育的起点，在输卵管（纤毛的运动可以促使胚胎移动）内完成
原肠胚：（P89--3）由内、中、外三个胚层逐渐分化形成各种 器官原基，最先形成的是脑和脊髓原基---神经管，随后形成各种器官原基，如眼原基、肢芽，最终形成幼体。
桑葚胚：细胞数在32个左右，细胞紧密连接成一个细胞团
卵裂期
含义：由受精卵有丝分裂产生细胞团（卵裂球，先在输卵管内进行）
特点：随卵裂球细胞数目增加，每个细胞体积逐渐变小（细胞来不及长大）
，但总体积不变，2—8个细胞时期，每个细胞都具有全能性（个体）。
囊胚
滋养层细胞：外表一层扁平细胞，将来发育成胚胎的附属结构或胚外结构
如胚盘、绒毛膜。
内细胞团：将来能发育成完整的胚胎，该细胞也叫胚胎干细胞，是一种未 分化的细胞，具有发育的全能性，能分化出成体动物的所有组织和器官
（进入子宫 定植）
囊胚腔：随着细胞继续分裂，细胞逐渐出现小腔隙，被卵黄填充。
（2）哺乳动物的卵裂和胚胎发育
哺乳动物早期胚胎发育的过程
(1)场所：__________和子宫。
(2)卵裂（受精1天后开始）
①细胞进行________分裂。
②细胞数量_____________。
③胚胎的总体积基本不变。细胞的功能和发育潜能基本没有改变，所以可以进行人工干预和遗传性改造。
④卵裂期（2-8细胞胚）的细胞都具有____________。
⑤卵裂的速度主要取决于受精卵中________物质的含量和分布
输卵管
有丝
不断增加
全能性
卵黄
思考：早期胚胎发育过程中营养物质的来源是什么？
【答案】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。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。
拓展了解——胚胎发育和个体发育
1、在图所示的过程中，哪一事件在２～９ 阶段没有发生（　　）
Ａ．细胞体积减小 Ｂ．细胞会逐渐衰老
Ｃ．细胞有丝分裂 Ｄ．细胞分化
B
课堂检测
2.不同种动物的精子与卵细胞一般不能自然受精，这与精子和 卵细胞膜上的下列哪种物质密切相关 （ ）
Ａ．糖类 Ｂ．磷脂 Ｃ．糖蛋白 Ｄ．载体
C
3.如图表示蛙的受精卵发育至囊胚过程中， ＤＮＡ 总量、每个细胞体积、所有细胞体积之和、有机物总量的变 化趋势（横坐标为发育时间）。 其中正确的是 （ ）
Ａ．①② Ｂ．①③ Ｃ．②④ Ｄ．③④
A
二、通过体外受精、胚胎体外培养、胚胎移植和胚胎分割可对胚胎进行处理并发育成个体。
1、概念：
哺乳动物的卵子和精子在体外人工控制的环境（试管）中完成受精作用的过程.
思考：体内受精包括哪几个过程？
受精过程大体包括精卵识别、精子附着于卵膜、精卵质膜融合等几个过程
（一）体外受精
原理：人工模拟体内环境，包括营养、温度、pH等，使初级卵母细胞发育成熟，同时使精子获能，最终完成受精作用，并有计划地保存胚胎。
（1）人工采集精子和获能培养：
①从卵巢中获得未成熟的卵母细胞（输卵管内采集的为成熟的）
a、给母体注射促性腺激素，使卵巢超数排卵。（促卵泡激素和促黄体生成激素）
b、采卵技术：手术采卵（冲洗输卵管采卵）常用，通过手术可以将输卵管取出， 也可在活体内进行，回收率高。如中小型农畜兔、绵羊、山羊、猪。
非手术采卵（子宫冲卵）：无创伤性，为重复超数排卵提供了可能，如牛。
②在体外进行人工培养，促进卵母细胞成熟（M∥中期）。
从附睾中取出成熟的精子，放在培养液（获能液）中培养，使精子达到获能状态，这样才能穿入到卵细胞的内部。（长期保存：低温、液氮，-196℃）
（2）采集卵母细胞和成熟培养：
（3）人工体外受精：人工受精有体外受精和显微受精
获能的精子和成熟后的卵细胞在体外合适的环境（试管）中共同培养一段时间，便可完成受精。（获能溶液或专用的受精溶液）
显微受精：将完整精子或精核用显微操作仪注入卵周隙或细胞质，激活卵母细胞并完成受精，不受精子的数量、活力等因素的影响。
2、过程：
自然受精、人工授精和体外受精的异同点
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 （4）受精卵需经过早期发育培养，才能完成植入或着床（移植到子宫内），通常移植的最适宜时期是发育到 8个细胞以上的胚胎，如：早期囊胚
（5）经分娩产仔就获得“试管动物”。
注：对雌性动物超数排卵处理（注射促性腺激素），取出未成熟卵母细胞培养到M∥中期，对雄性动物的精子进行获能处理。
附睾
穿刺针吸取卵泡
成熟的卵母细胞
哺乳动物体外受精示意图
①精子获能
体外受精
②采集卵细胞
③人工体外受精
从受精卵到胚胎移植到雌性动物子宫内生长发育，这一期间需要应用人工创设的环境，对早期胚胎进行体外培养。
早期胚胎进行体外培养需要什么条件？
2、注意事项：
（二）胚胎体外培养
1、含义：（P91--2）
通过人工创造的环境对获取的早期胚胎进行体外培养.
（1）由于胚胎不同发育时期生理代谢的需求不同，因此发育的不同时期，需要的培养液不同，进行胚胎体外培养时，必须配置一系列含有不同成分的培养液，用以培养不同发育时期的胚胎。（胚胎可以移植或冷冻保存。）
意义：是提高动物繁殖能力的有效措施，可以为胚胎移植提供可用胚胎。
培养液的成分（不同时期培养液成分不同）：
一般包括无机盐、有机盐类、维生素、激素、氨基酸、核苷酸及血清等。 二盐二酸二素一血清外加水
胚胎早期培养液成分与动物细胞培养液成分基本相同，除无机盐、营养成分和调节物质外，还需要血清，两者都是液体培养基。
（2）由于哺乳动物胚胎发育条件异常复杂，胚胎培养比动物的细胞培养和组织培养困难。
（3）目前，只能对少数物种不同阶段的胚胎进行培养，尚无从受精卵到新生儿的全体外胚胎培养技术。
(体外培养)
采集成熟的精子
(体外培养)
成熟后的卵细胞
获能的精子
体外受精
早期胚胎
(胚胎移植)
受体牛的子宫（普通母牛）
(胚胎体外培养)
“ 试管牛 ”的培育流程图
子代良种牛（试管牛）
良种母牛
(超数排卵)
采集卵母细胞
良种公牛的附睾
受精卵
思考：通过该过程获得的“试管动物”的生殖方式为________。 通过核移植获得的“克隆动物”的生殖方式为________。
有性生殖
无性生殖
通过胚胎移植可以提高良种牛的繁殖能力
试管动物 克隆动物
技术基础 体外受精、胚胎移植 核移植
实 例 试管牛 “多莉”羊
过 程 体外受精 胚胎体外培养 胚胎移植 良种后代 核移植
重组细胞
早期胚胎
胚胎移植
生殖方式 有性生殖 无性生殖
遗传物质 遗传物质来自两个亲本 遗传物质大部分来自供核生物体
意 义 充分发挥雌性优良个体的繁殖潜 力，缩短供体自身的繁殖周期 加速家畜遗传改良进程、拯
救濒危物种等
要想得到“试管动物”或“克隆动物”必须进行胚胎移植
不同的动物胚胎移植的时间不同，例如，牛、羊一般要培养到16细胞阶段(桑葚胚）或囊胚阶段才能进行移植，小鼠和家兔等实验动物可在更早的阶段移植，人的体外受精胚胎即试管胚胎，可在4细胞阶段移植。
那什么是胚胎移植技术呢？
（三）胚胎移植—— “借腹怀胎”
注意：
（1）供体母畜必须是遗传性状优良的，经济价值高，而受体母畜有健康体质和正常繁殖能力同种动物。
（2）通常移植时期是发育到 8个细胞以上的胚胎，如早期囊胚
（3）移植的胚胎可以来自试管（体外受精），也可以取自输卵管或子宫角（体内受精）；
1、原因：
2、含义：（P92）
无法进行全体外胚胎培养。是胚胎工程获得后代的唯一方法。
胚胎移植技术是指雌性动物的早期胚胎或通过体外受精及其他方式得到的胚胎，移植到同种的、生理状态相同的其他雌性动物体内，使之继续发育为个体的技术。
供体母牛
受体母牛
同期发情处理（孕激素）
超数排卵（促性腺激素）
供体公牛
配种
获取早期胚胎
（体外培养后）
胚胎移植
妊娠检查
分娩（胚胎移植的犊牛）
3、基本过程
知能拓展：胚胎移植过程中两次使用激素：
第一次用孕激素对受体和供体进行处理，使其同期发情、排卵；
第二次用促性腺激素对供体进行处理，使其超数排卵
同期发情（同步孕）：
主要是借助外源激素（一般用孕激素）剌激卵巢和子宫内膜增生，使其按照预定的要求发生变化，使处理母畜的卵巢和子宫生理机能都处于相同的阶段。
（3）供体的胚胎在受体的子宫着床，并生长发育，最后产生下供体的子代。
3、基本过程
（1）供体母畜经发情排卵并经配种后，在一定时间后，从其生殖器官中（输卵管或子宫角）取出早期胚胎。职能：产生具有优良遗传特性的胚胎
（2）将早期胚胎移植到另一头与供体同期发情、排卵，但未经配种的母畜（受体）的相应部位（输卵管或子宫角）。职能：承担繁重而漫长的妊娠和育仔任务
6、意义： （1）充分发挥雌性优良个体的繁殖潜力
（2）一胎多产，大量节省购买种畜的费用
（3）缩短供体本身的繁殖周期
（4）可用于保护珍稀动物。
4、胚胎移植成功的条件：
（1）胚胎移植一般应在同种的雌性供体和受体之间进行。
（2）进行胚胎移植的供体和受体的生理状态要相同（同期发情）。
7、实质：胚胎移植实际上是生产胚胎的供体和孕育胚胎的受体共同繁殖后代的过程。
5、地位：是胚胎工程的最终技术环节，是胚胎工程获得后代的唯一方法
8.胚胎移植的生理学基础
①供体与受体相同的生理环境：哺乳动物发情排卵后，不管是否妊娠，在一段时间内，同种动物的供体、受体生殖器官的生理变化是相同的，这就为供体的胚胎移入受体提供了相同的生理环境。
②早期胚胎处于游离状态：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，这就为胚胎的收集提供了可能。
③受体对外来胚胎的认可：大量的研究已经证明，受体对移入子宫的外来胚胎基本上不发生免疫排斥反应，为胚胎在受体内的存活提供了可能。
④供体胚胎与受体正常联系的建立：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，在孕育过程中不受任何影响。
移植胚胎的4种可能来源及生殖方式
想一想
早期胚胎细胞具有很强的分裂能力，并保持着细胞全能性，
能不能将一个胚胎分割成几份，从而提高胚胎的利用率？
1978年，科学家将小鼠的桑椹胚一分为二，获得了成功。
1979年，科学家分割绵羊胚胎获得了同卵羔羊。
20世纪80年代后，人们建立了系统的胚胎分割法，并相继得到1/4和1/8分割胚胎后代。
我国的胚胎工程专家也进行了分割胚胎移植的实验研究，成功地对小鼠、家兔、绵羊、山羊和牛等动物进行了分割胚胎移植，并将二分胚胎分割技术应用到牛和羊的胚胎移植中。
胚胎分割技术的发展
应用胚胎分割技术获得的三卵六羔羊
（四）胚胎分割：
1、含义：借助显微操作技术将早期胚胎切割成几等份，再移植到代孕母子宫中发育，产生同卵多仔后代的技术。
在（光学）显微镜下用切割针或切割刀把胚胎（囊胚）分开；或采用酶处理等方式将卵裂球中的细胞分散开
？
2、分割方法：机械法(切割针、切割刀) 或酶处理
机械法(切割针、切割刀)
（１）将发育良好的胚胎（囊胚）移入含有培养液的培养皿中，在显微镜下用切割针或切割刀把胚胎分割开；或者采用酶处理等方式将卵裂球中的细胞分散开；
（２）分割的胚胎或细胞直接移植给受体，或在体外培养到早期囊胚阶段再移植到受体内，着床发育产仔。
3、基本过程：
4.优势:
后代具有相同的遗传物质（基因型相同）。
可成倍增加胚胎数量，可以快速繁殖良种畜，无性繁殖。
5.特点:
6.注意事项：
①对囊胚阶段的胚胎进行分割时，要将内细胞团均等分割。（否则会影响分割后胚胎的恢复和进一步的发育，会出现含内细胞团多的部分正常发育的能力强，少的部分发育受阻或发育不良，甚至不能发育等问题。）
②胚胎分割的份数越多，操作的难度会越大，移植的成功率也越低。（切割损伤或营养物质过少细胞不能发育）同卵双生成功率最高。
③胚胎分割可看作无性繁殖或克隆
8.优点：用胚胎分割可获得同卵孪生后代，成倍增加胚胎数量，因此在畜牧生产上常通过该技术来快速繁殖优良种畜。胚胎分割还可以用来培养遗传特性相同的动物群， 可消除遗传差异，提高实验结果的准确性。胚胎分割取样还可以用于胚胎性别的鉴定及遗传检测。
9.局限性：例如，同一胚胎分割后获得的后代，在理论上遗传性状应该完全一致，但事实并不是这样，人们发现6~7日龄牛胚胎分割后，同卵双生牛的毛色和斑纹并不完全相同，而在2个细胞阶段分割，却表现出遗传的一致性。这种现象与胚胎细胞的分化有密切关系，但我们对不同阶段胚胎细胞的分化时间和发育潜力了解还很不够需要进一步研究。
7.成果：二分割的后代：小鼠、家兔、猪、山羊、绵羊和牛
四分割的后代：小鼠、绵羊和牛

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