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(共67张PPT)
2.3.1胚胎工程的理论基础
良种荷斯坦奶牛
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。
从社会中来
荷斯坦牛，原产于荷兰，其培育历史十分悠久，早在15世纪荷斯坦牛就以产奶量高而闻名于世。
世界上绝大多数国家均能饲养，并培育出了各具本土特色的荷斯坦牛。中国荷斯坦牛，原名中国黑白花牛，1992年正式更名。
从社会中来
从社会中来
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，一生生育四五次。如何解决这个难题呢？
提示：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。
1. 概念：是指对生殖细胞、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。
一、胚胎工程的概念
（1）操作对象：
动物生殖细胞、受精卵、早期胚胎细胞
（2）技术手段：
体外受精、早期胚胎培养、胚胎移植、胚胎分割等
1. 概念：是指对生殖细胞、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。
一、胚胎工程的概念
（4）理论基础：
（5）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。
哺乳动物受精和早期胚胎发育的规律
（3）操作水平：
在细胞水平上
二、受精
1. 概念：
精子与卵子结合形成合子（即受精卵）的过程。
（1）精卵相互识别的基础：
细胞间的信息交流（细胞膜上的糖蛋白有识别作用）
（2）精卵融合的结构基础：
卵细胞
受精卵
精子
细胞膜具有一定的流动性
二、受精
（3）过程：包括受精前的准备阶段和受精阶段。
（4）场所：在自然条件下，哺乳动物的受精在雌性的输卵管内完成。
1. 概念：
精子与卵子结合形成合子（即受精卵）的过程。
（1）准备阶段1——精子获能
刚刚排出的精子不能立即与卵子受精，必须在雌性动物生殖道发生相应生理变化后，才能获得受精能力，这一现象称为精子获能。
①精子获能：
二、受精
2. 受精前的准备阶段
注意：不是获得能量
Ⅰ. 直接利用雌性动物的生殖道让精子获能。
Ⅱ. 将精子培养在人工配制的获能液中使其获能等。
（常见的有效成分有：肝素、Ca2+载体等）
②获能方法：
曲细精管产生精子
在睾丸中生成精子
阴囊
含有两个睾丸的囊状体
睾丸
输精管
将成熟的精子输送到阴茎
附睾
从睾丸到输精管的管道
精子形成过程
精子变形过程
1
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
头
颈
线粒体鞘
尾巴
成熟精子含有的细胞质很少
细胞核（主要部分）
高尔基体（顶体）
中心体
（尾的基部）
细胞内其他物质——原生质滴（球状，最后脱落）
精子示意图
思考 · 讨论
精细胞变成精子的过程中，细胞中很多结构会消失，而细胞核和线粒体都保留下来，对这一现象怎样理解？
（1）细胞核是精子储存遗传物质的场所，决定后代的遗传特性，它参与受精过程。
（2）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。
只有精子进入雌性动物的生殖道后，才能获得受精能力
生殖道
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。
精子获能的原因
精子获能的原因：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
实现了各种哺乳动物精子在体外条件下的获能，为体外受精技术的建立奠定了重要基础。
③研究精子获能机制的意义：
二、受精
2. 受精前的准备阶段
（2）准备阶段2——卵子的准备
②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。
①卵子一般在排出2～3小时后才能被精子穿入。
③动物排出的卵子都要在输卵管内进一步发育成熟，到MⅡ期时，才具备与精子受精的能力。
二、受精
2. 受精前的准备阶段
卵巢
在卵巢中生成卵子
卵母细胞放大
在卵巢中生成卵子
原始卵泡
成熟卵泡
黄体
卵母细胞
人的卵巢
卵巢
卵泡：由卵母细胞和周围的卵泡细胞组成
排卵：卵子从卵泡中排出
在卵巢中生成卵子
卵子：一般指雌性动物的生殖细胞
雌性动物的生殖器官，含处于不同发育时期的卵泡
卵子的形成过程
卵细胞的形成是一个不连续的过程
卵泡中的卵母细胞在排卵前都处于减数分裂Ⅰ前期
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。
卵细胞具有较多的细胞质，可为受精后形成的受精卵和早期胚胎发育提供足够的物质和能量。
排卵是指卵子从卵泡中排出，不是从卵巢中排出。
排卵
卵子的成熟
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期卵母细胞
发育
不同动物排出的卵子成熟程度不同
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
具备受精能力的卵子结构
MⅡ期卵母细胞
透明带
卵细胞膜
核
（纺锤体—染色体复合物）
第一极体
排出的卵子要在输卵管内发育到MⅡ期时，才具备与精子受精的能力。
透明带
卵细胞膜
核
第一极体
放射冠
非生物膜结构，主要成分是糖蛋白，保护卵细胞，防止多精子进入
具备受精能力的卵子结构
放射冠：包围在卵子透明带外面的卵丘细胞群。
细胞核
卵细胞膜
透明带
二、受精
场所：输卵管
二、受精
场所：输卵管
（1）第1步：精子穿越卵细胞膜外结构
二、受精
3. 受精阶段
获能后的精子与卵子在输卵管相遇时，首先它释放出多种酶，以溶解卵细胞膜外的一些结构（如透明带等），同时借助自身的运动接触卵细胞膜。
透明带
卵细胞膜
核
第一极体
（2）第2步：透明带反应
在精子触及卵细胞膜的瞬间，卵细胞膜外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：防止多精入卵的第一道屏障
二、受精
3. 受精阶段
透明带
卵细胞膜
核
第一极体
（3）第3步：精子入卵
精子膜与卵细胞膜融合，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：防止多精入卵的第二道屏障
二、受精
3. 受精阶段
透明带
卵细胞膜
核
第一极体
（4）第4步：雌雄原核的形成
①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。
②雌原核的形成：
精子入卵后被激活的卵子完成减数分裂Ⅱ，排出第二极体后，形成雌原核。
雄原核
雌原核
第一极体
放出第二极体
二、受精
3. 受精阶段
雄原核
雌原核
第一极体
放出第二极体
思考：为什么没有出现三个第二极体？
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。
（5）第5步：雌、雄原核融合，受精卵形成
雌、雄原核靠近
二、受精
3. 受精阶段
雄、雌原核充分发育后，相向移动，彼此靠近，核膜消失。这个含有两个染色体组的合子就是受精卵。受精过程结束后，受精卵的发育也就开始了。
核膜消失，第一次卵裂即将开始
放出第二极体
第一极体
雄原核
雌原核
在实际胚胎工程操作中，常以观察到两个极体（一个第一极体，一个第二极体）或者雌、雄原核作为受精的标志。
两个极体
雌雄原核
二、受精
4. 受精的标志：
雌、雄原核融合形成合子（受精卵）。
二、受精
5. 受精完成的标志：
放出第二极体
第一极体
雄原核
雌原核
极体去哪了呢？
受精卵
三、胚胎早期发育
1. 个体发育
受精卵
胎儿
性成熟个体
胚胎发育
胚后发育
（起点）
一般来说，卵子在受精后的2周内称孕卵或受精卵；
受精后的第3～8周称为胚胎。
三、胚胎早期发育
How To Build A Human by Eleanor Lutz
胚胎发育：从受精卵到胎儿
2. 起点：受精卵
3. 发育场所：输卵管和子宫
4. 分裂方式：有丝分裂
5. 胚胎早期发育过程
次级卵母细胞
受精
2细胞期
4细胞期
8细胞期
桑葚胚
囊胚
卵裂
三、胚胎早期发育
5. 过程
原肠胚
次级卵母细胞
受精
2细胞期
4细胞期
8细胞期
桑葚胚
囊胚
卵裂
三、胚胎早期发育
5. 过程
原肠胚
原肠胚
受精卵
2细胞
4细胞
8细胞
桑葚胚
囊胚
三、胚胎早期发育
5. 过程
受精卵
卵裂
桑葚胚
原肠胚
囊胚
卵裂
（1）卵裂（期）：受精卵在输卵管内进行早期分裂（有丝分裂）称为卵裂。
①时期：受精卵 → 桑葚胚
②场所：在透明带内
三、胚胎早期发育
5. 过程
③特点：
受精卵
2细胞
（第一次卵裂）
4细胞
（第二次卵裂）
8细胞
（第三次卵裂）
桑葚胚
细胞的数量不断增加，胚胎的总体积并不增加，每个细胞都具有发育的全能性。
项目 变化
细胞数量
胚胎总体积
细胞总表面积
每个细胞体积
DNA总量
每个细胞内的DNA含量
有机物总量
物质种类
所含能量
④卵裂（期）细胞或物质的变化规律
增加
不增加
增加
减小
增加
不变
减少
增加
减少
2细胞
4细胞
8细胞
受精卵
①概念：
桑葚胚（32个细胞）
桑葚
三、胚胎早期发育
5. 过程
（2）桑葚胚
②特点：
当卵裂产生的子细胞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。
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，每个细胞都具有全能性，属于全能性细胞。
内细胞团
滋养层
囊胚腔
透明带
三、胚胎早期发育
5. 过程
（3）囊胚
①结构
Ⅰ. 透明带
Ⅱ. 滋养层：
沿透明带内壁扩展和排列的细胞，称为滋养层细胞，将来发育成胎膜和胎盘。
三、胚胎早期发育
5. 过程
（3）囊胚
①结构
聚集在胚胎一端的细胞形成内细胞团，将来发育成胎儿的各种组织。
Ⅳ. 囊胚腔：
内细胞团
滋养层
囊胚腔
透明带
Ⅲ. 内细胞团：
胚胎的内部出现含有液体的腔。
内细胞团
滋养层
囊胚腔
透明带
Ⅱ. 内细胞团的细胞未分化，具有全能性，可以作为胚胎干细胞的来源。
Ⅰ. 滋养层细胞已经分化。
三、胚胎早期发育
5. 过程
（3）囊胚
②特点：
胚胎进一步发育，细胞逐渐分化。
囊胚进一步扩大，导致透明带破裂，胚胎从其中伸展出来，叫做孵化。如果不能正常孵化，胚胎就无法继续发育。
三、胚胎早期发育
5. 过程
（3）囊胚
③孵化：
内细胞团
滋养层
囊胚腔
透明带
①外胚层：原肠胚表面的细胞层
②内胚层：向内迁移的细胞形成
③中胚层：内、外两个胚层之间
三、胚胎早期发育
5. 过程
（4）原肠胚：囊胚孵化后，将发育形成原肠胚。
三个胚层将逐渐分化形成各种组织、器官等。
外胚层
中胚层
内胚层
原肠腔
囊胚孵化后，将发育形成原肠胚。内细胞团表层的细胞形成外胚层，向内迁移的细胞形成内胚层，还有一部分细胞在内、外胚层之间形成中胚层。由原肠胚的三个胚层进一步发育为不同的组织、器官、系统
表皮及其附属结构、神经系统、感觉器官
消化道、呼吸道上皮 、肝胰等腺体
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。
外胚层
内胚层
中胚层
三、胚胎早期发育
三、胚胎早期发育
5. 过程
（4）原肠胚：
外胚层：
表皮及其附属结构、神经系统、感觉器官
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
消化道、呼吸道上皮、肝胰等腺体
中胚层：
内胚层：
胚胎发育和个体发育
三、胚胎早期发育
同卵双胞胎的形成示意图
拓展了解——同卵双胞胎
视频
三、胚胎早期发育
5. 过程
三、胚胎早期发育
6. 注意
（1）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）桑葚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。
三、胚胎早期发育
6. 注意
（3）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。
（4）囊胚期细胞开始分化，但其全能性仍很高，也可用于胚胎分割。
（5）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。
思考 · 讨论 不同动物受精卵发育的比较（P59）
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 时间/d 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。
马的胚胎进入子宫时，发育程度最高，它处于囊胚阶段。
讨论1：表中哪种动物的胚胎在进入子宫时发育程度最高？
动物种类 进入子宫时发育的天数 进入子宫时的发育阶段
小鼠 3 桑葚胚
绵羊 3~4 16细胞
猪 2~2.5 4-6细胞
马 6 囊胚
牛 4~5 8-16细胞
思考 · 讨论 不同动物受精卵发育的比较（P59）
讨论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？
动物种类 进入子宫时发育的天数 进入子宫时的发育阶段
小鼠 3 桑葚胚
牛 4~5 8-16细胞
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，在实践中通常将发育到囊胚阶段的胚胎进行移植。
思考 · 讨论 不同动物受精卵发育的比较（P59）
讨论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？
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
思考 · 讨论 不同动物受精卵发育的比较（P59）
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。 （ ）
×
×
√
练习与应用（P59）
一、概念检测
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（P59）
一、概念检测
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。
提示：
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。
二、拓展应用
练习与应用（P59）
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？
精子获能的机制：精液由精子和精浆两部分组成。精浆中含有一种能抑制精子获能的物质，因此在一般情况下，精液中的精子无法获能，只有当交配后精液进入雌性动物的生殖道时，由生殖道分泌产生些物质解除对精子获能的抑制，才能引起精子获能。不同动物的精子在雌性动物生殖道内获能的部位可能会所有差异，但主要是在子官和输卵管中。
精子的获能涉及以下变化： 雌性动物生殖道分泌的一些物质使精子表面的物质发生变化（如某些酶将顶体表面的糖蛋白降解）；精子表面膜结构中一些物质的比例发生变化；膜的通透性发生变化等。这些变化可以暴露出精子表面与卵细胞相识别的受体，改变精子的活力，为后续受精做准备。
练习与应用（P59）
二、拓展应用
防止多精入卵的其他机制：生殖道对精子具有初步的筛选作用。在经过雌性动物生殖道的一些屏障后，只有少数活动力强的精子才能到达受精部位；在精子和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受体。
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？
练习与应用（P59）
二、拓展应用

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