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(共23张PPT)
荷斯坦奶牛
荷斯坦奶牛
3-5万元/头
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？
胚胎工程的迅猛发展让人们大量繁殖优良家畜品种的愿望正在成为现实。
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。
江西生物组 东东老师
学习目标：
1．简述受精和胚胎早期发育的基本过程。
2．简述体外受精、胚胎移植和胚胎分割的基本原理、操作步骤和应用价值。
3．运用胚胎工程的基本概念和原理，对生产、生活中的相关问题进行分析与判断。
4．认同在胚胎工程技术的发展和应用中体现了科学、技术和社会的互动关系。
第2章 细胞工程
第3节 胚胎工程——胚胎工程的理论基础
胚胎工程（embryo engineering）：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。
一、胚胎工程的理论基础 （一）受精
①操作对象：
②技术手段：
③理论基础：
生殖细胞、受精卵或早期胚胎
体外受精、早期胚胎培养、胚胎分割、胚胎移植等。
哺乳动物体内受精和早期胚胎发育的规律。
④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
⑤操作水平：
主要集中在细胞水平上
相同：都通过有性生殖产生；都要在母体子宫内发育形成胎儿。
不同：受精作用在体外，在体外发育成早期胚胎进行胚胎移植。
思考：试管婴儿技术有哪些操作？其原理呢？试管婴儿和正常怀孕有何异同？
①体外受精(原理:受精作用)
②胚胎的早期培养(原理:胚胎发育)
③胚胎移植(原理:细胞增殖，胚胎发育)
1978年7月25世界首个试管婴儿路易丝·布朗在英诞生
1988年3月10生于北大第三医院的中国第一个试管婴儿郑萌珠和辅助生殖技术张丽珠教授
个体
体外受精
早期胚胎
子宫
胚胎移植
早期胚胎发育
受精卵
1984年3月9日中国兽医博士旭日干与刚出生的“试管羊”
1989年8月15日旭日干正在观察他培育出来的第一胎“试管牛”
试管动物技术：通过人工操作使卵子和精子在体外调节下成熟和受精，并通过培养发育为早期胚胎后，再经移植产生后代的技术。
【任务一】阅读课本56-57页，明确哺乳动物的精子获能、卵子的准备和受精过程？
一、胚胎工程的理论基础 （一）受精
卵巢
卵巢
输卵管
输卵管
子宫内膜
生殖道
受精是精子与卵子结合形成合子（即受精卵）的过程，包括受精前的准备阶段和受精阶段。
受精在输卵管内完成
受精过程
受精前的准备阶段
受精阶段
准备阶段1
准备阶段2
精子获能
卵子的准备
“精子获能”：精子必须在雌性生殖道发生相应生理变化才能获得受精能力
卵子到MⅡ期成熟
张明觉，美籍华人，生殖生物学家、育种学家和避孕药创始人。1951年通过研究兔子发现“精子获能”现象，被誉为“试管婴儿”先驱。
“精子获能”：刚刚排出的精子不能立即与卵子受精，必须在雌性动物的生殖道发生相应的生理变化后，才能获得受精能力，这一生理现象称为“精子获能”。
一、胚胎工程的理论基础 （一）受精：准备阶段1——精子获能
一、胚胎工程的理论基础 （一）受精：准备阶段2——卵子的准备
一、胚胎工程的理论基础 （一）受精：准备阶段2——卵子的准备
卵子一般在排出2 3h后才能被精子穿入。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进一步成熟，到MⅡ期（猪、牛、羊、人等MⅡ中期）时，才具备与精子受精的能力。
一、胚胎工程的理论基础 （一）受精：受精阶段
透明带
卵细胞膜
核
（纺锤体-染色体复合物）
第一极体
卵的外面具有外被，其成分主要是糖蛋白，是由卵细胞或其它细胞分泌的。在哺乳动物中这种外被叫做透明带，其作用是保护卵子，阻止异种精子进入。
精子穿越卵细胞膜外结构，如放射冠/卵丘细胞群、透明带等
释放多种顶体酶，以溶解卵细胞膜外的一些结构。
精子接触卵细胞膜
透明带反应
精子形成比原来核更大的雄原核、卵子完成减数分裂Ⅱ，释放第二极体，形成雌原核（略小于雄原核）
精子入卵
卵细胞膜反应
精子触及卵细胞膜瞬间，透明带迅速发生生理反应，阻止后来精子进入透明带。
精子入卵后卵子完成MⅡ释放第二极体，同时卵细胞膜立即发生生理反应，拒绝其他精子再进入。
防多精入卵的两个屏障
雄原核
雌原核
第一极体
第二极体
雌、雄原核靠近
核膜消失，第一次卵裂开始
核膜消失，形成含有两个染色体组的合子，受精卵形成
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。
受精完成的标志：
雌雄原核形成合子
受精的标志：
观察到两个极体或雌雄原核
两个极体
雌雄原核
受精的标志：观察到两个极体或雌、雄原核；
受精完成标志：雌、雄原核核膜消失形成合子。
胚胎发育场所：输卵管和子宫
一、胚胎工程的理论基础 （二）胚胎早期发育
卵
裂
期
受精卵
2细胞
4细胞
8细胞
桑葚胚
囊胚
原肠胚
幼体
胚胎发育
项目 变化
胚胎体积
细胞数量
每个细胞体积
胚胎总DNA数
每个细胞内的DNA总量
有机物总量
有机物种类
卵裂期：胚胎早期发育，有一段时间在透明带内进行分裂，细胞数量不断增加，但胚胎总体积并不增加，这种从受精卵形成后到32个桑椹胚全能细胞的快速有丝分裂过程称为卵裂。
受精卵
2细胞
4细胞
8细胞
桑葚胚
每个细胞具有 。
增加
不增加或略有减小
减小
减少
增加
不变
发育的全能性
透明带
一、胚胎工程的理论基础 （二）胚胎早期发育-卵裂期
增加
一、胚胎工程的理论基础 （二）胚胎早期发育-桑葚胚
孵化
卵裂(细胞未分化)
受精卵
桑葚胚
囊胚
桑葚胚：当卵裂产生的子细胞逐渐形成致密的细胞团（32个细胞左右），形似桑葚时，这时的胚胎称为桑葚胚。
桑葚胚
桑葚胚特点：
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，细胞未分化，属于全能细胞。
一、胚胎工程的理论基础 （二）胚胎早期发育-囊胚
孵化
卵裂(细胞未分化)
受精卵
桑葚胚
囊胚
桑葚胚
囊胚
胚胎进一步发育，细胞逐渐分化。
透明带
内细胞团
聚集在胚胎一端个体较大的细胞形成内细胞团
将来发育成胎儿的各种组织
滋养层
沿透明带内壁扩展和排列的个体较小的细胞
将来发育成胎膜和胎盘
胎膜包括绒毛膜、羊膜、卵黄囊、尿囊和脐带。
胎盘是胎儿与母体之间物质交换的重要器官，是人类妊娠期间由胚胎胚膜和母体子宫内膜联合长成的母子间组织结合器官。
囊胚腔
随着胚胎的进一步发育，胚胎的内部出现了含有液体的腔
囊胚孵化后，内细胞团表层的细胞形成外胚层（表皮及其附属结构、神经系统、感觉器官），下方的细胞形成内胚层（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），出现由内胚层包围的空腔叫做原肠腔（消化道、呼吸道上皮、肝胰等腺体）。
一、胚胎工程的理论基础 （二）胚胎早期发育-原肠胚
囊胚腔
滋养层
内细胞团
囊胚进一步扩大会导致透明带破裂，胚胎从其中伸展出来，这一过程叫做孵化。囊胚植入子宫内膜 ， 称为着床。
从受精完成至第 1 周末这一时期 ， 胚胎开始着床 ， 囊胚进一步发育
第 2 周开始至第 8 周。囊胚植入子宫内膜过程中，囊胚壁逐渐发育为滋养层 ，内细胞团逐渐发育形成二胚层的胚盘，然后继续发育为三胚层的原肠胚 。
从第 3 周开始 ，二胚层胚盘中的部分细胞增殖分化形成中胚层 。随着三个胚层的分化 ，三胚层逐渐发育为各种器官的原基 。胚盘发育为胚体 ，胚体凸入羊膜腔 ，浸泡在羊水中，胎盘逐渐形成。约在第3周末 ，心脏出现 。
二
胚胎早期发育
思考 讨论：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)
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
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？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；
讨论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？
人们正是在认识自然受精和早期胚胎发育的规律的基础上，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中完成受精，获得的受精卵能在人工培养条件下继续发育等。
不同动物受精卵发育的比较
课堂练习
1.(2023·山东卷)如图Ⅰ、Ⅱ表示获得胚胎干细胞的两条途径，下列相关叙述不正确的是 （ ）
A. 胚胎干细胞在体外培养的条件下，可以增殖不发生分化
B. 图中早期胚胎一般是指发育到囊胚时期的胚胎
C. 过程Ⅰ、Ⅱ获取早期胚胎过程均属于有性生殖范畴
D. 过程Ⅱ获得的早期胚胎在培养液中添加分化诱导因子后可进行分化
Ⅱ过程不属于有性生殖范畴
C
(2023·河北卷)下列关于哺乳动物胚胎发育和胚胎工程的叙述，正确的（ ）
A. 卵裂期细胞的体积随分裂次数增加而不断增大
B. 囊胚的滋养层细胞可发育成动物体的任何组织器官
C. 动物胚胎发育的早期有一段时间是在透明带内进行的
D. 培育试管婴儿涉及体内受精、早期胚胎培养和胚胎移植等
卵裂期细胞的体积随分裂次数增加而不断减小
囊胚的滋养层细胞可发育成胎盘和胎膜
培育试管婴儿涉及体外受精、早期胚胎培养和胚胎移植等
C
2．下列有关哺乳动物早期胚胎发育的叙述，错误的是（ ）
A．在桑椹胚阶段，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．桑椹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
练习与应用
一、概念检测
1．判断下列有关哺乳动物的表述是否正确。
（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。 （ ）
√
A
×
×
练习与应用
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。
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？
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査阅资料或请教专家，并引导他们去査阅相对专业的书籍，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。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，但主要是在子宮和输卵管中。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。关于防止多精人卵的机制，教材只进行了简单介绍，内容主要涉及防止多精入卵的两道重要屏障：透明带反应和卵细胞膜反应。它们分别发生在精子穿越透明带触及卵细胞膜的瞬间及精子入卵之后。如果学生査阅专业书籍，还会发现，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能到达受精部位；在精子和卵细胞识別后会发生一些反应，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等。具体的生理、生化机制，请参阅有关专著。
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
本课小结

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