2.3.1 胚胎工程的理论基础 课件 人教版（2019）选择性必修3(共29张PPT)

(共29张PPT)
问题：你有什么方案可以实现荷斯坦奶牛的快速大量繁殖呢
①核移植技术进行克隆 什么是胚胎工程
②可以通过体外受精、胚胎分割等胚胎工程技术获得 多个良种奶牛胚胎，然后移植给代孕母牛生下后代。
我国奶牛单产水平低。高产奶牛 的引进价格昂贵，靠大量引进优 良品种来提高产量不太可行
牛的生育率很低。 一头母牛每年 只能产一胎，每胎生一个牛仔，每 胎产2个牛仔的情况比较少见(一 般占怀孕总数的1～2.3%),一 头 母牛一生大约生育四五次。
从社会中来
学习目标
1.简述受精和胚胎早期发育的基本过 程。
2.说明胚胎的形成经过了受精及早期 发育等过程。
第2章 细胞工程
第3节 胚胎工程
胚胎工程的理论基础
胚胎工程的概述p56
胚胎工程：
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。胚胎工程技术包括体外受精、胚胎移植和胚胎分割等。
1.操作对象：动物生殖细胞、受精卵、早期胚胎细胞
2.操作水平：主要集中在细胞水平上
3.技术手段：体外受精、胚胎移植、胚胎分割
4.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。
5.理论基础：哺乳动物 ( 体 内 )受精和早期胚胎发育的规律。
一、受精
1. 概 念：精子和卵子相互识别，融合成合子(受精卵)的过程。
细胞膜进行细胞间的信息交流 细胞膜具有一定的流动性
2.场 所 ：哺乳动物的输卵管内。
输卵管、
准备阶段I:精子获能 卵 巢
准备阶段IⅡ:卵子的准备
3.过 程 ：
准备阶段
受精阶段
子宫内膜
一生殖道
输卵管
卵巢
精 子
精 细 胞
次 级 精 母 细 胞
初 级 精 母 细 胞
大 量 精 原 细 胞
精原细胞
一、受精
4.准备阶段I—精子获
能 精子形成的场所： 睾丸(曲细精管)
· 精子形成的过程：
染色体复制
有丝分裂
变形
MⅡ
MI
细胞核
发育中的顶体 中心体演变成尾
高尔基体
细胞质-
线粒体
顶体的发生 尾的发育 精子头出现
线粒体鞘
顶体
尾
头 原生质滴
【 拓 展 】 精子的变形
精子形成 细胞质浓缩
顶体 (高尔基体)
头 (主要是细胞核)
颈 (中心体)
线粒体鞘 (线粒体缠绕变形)
尾 (中心体微管延长)
牛
猪
绵羊
马
思考：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 (P59)
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。
【 拓 展 】 精子的变形
一、受精
4.准备阶段I--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内发生相应 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”。
精子获能的机制： 精液由精子和精浆组成，精浆中含有抑制精子顶体酶
的释放以及与卵子识别结合的物质 (如去能因子等),只有交配后精液 进入雌性动物的生殖道后， 生殖道分泌产生某些物质 (某些酶类等物质) 解除对精子的抑制，才能使精子获得受精的能力。
精子获能的方法： ① 直接利用雌性动物的生殖道
② 在人工配制的获能液中培养获能，常见有效成分有 Ca +
载体、肝素等。
【 拓 展 】 精子获能
精子获能是指精子在受精前获得穿透卵子透明带能力的生理过程。这一过程涉及一系列复杂的生 理和生化变化，主要包括以下几个机制：
1. 胆固醇外流：精子获能过程中，精子细胞膜上的胆固醇会流失，导致膜的流动性增加，为精子 与卵子的结合创造有利条件。
2. 离子通道调节：精子获能过程中，细胞内Ca +和HCO 的浓度会发生显著变化。 Ca +在精子的生 理活动中起关键调控作用，其浓度增加会激活腺苷酸环化酶，进而提高细胞内cAMP的水平。此外， HCO -不仅调节精子膜电位，还能激活腺苷酸环化酶，促进cAMP的合成。
3. 蛋白质酪氨酸磷酸化：蛋白质酪氨酸磷酸化是精子获能的重要标志之一。cAMP-PKA信号通路在 这一过程中起关键作用，通过激活蛋白激酶A(PKA), 进一步促进多种蛋白的磷酸化。
4. 细胞膜重组：精子获能过程中，细胞膜的结构和功能会发生显著变化，包括质膜的重组和胆固 醇的重新分布。这些变化有助于精子的超活化运动和顶体反应。
5. 信号通路的调控：精子获能涉及多种信号通路的协同作用，包括cAMP-PKA通路、 sAC-cAMP-PKA 通路以及cGMP-PKG通路。
6. 超活化运动：获能后的精子运动方式会发生显著改变，表现为强有力的、尾部呈“鞭打样”的
获能的实质是：
1.溶解精子表面的糖蛋白，
2.使精子获得释放顶体酶的能力；
3.使精子表面的识别因子和结合因子暴露。
不对称运动。这种超活化运动有助于精子 7. 去能因子的去除：精子在附睾中分泌白 些去能因子被去除，精子才获得真正的受
出生后
精子进入后
完成减数第 猪、羊排卵二次分裂
次级卵 卵子
母细胞 精子
2a
卵原细胞
增殖分裂
放射冠(卵丘细胞)
第一极体
细胞核
质膜
透明带
卵细胞的形成是一个不连续的过程。
排出的卵子要在输卵管内发育到MI (中)期时，才具备与精子受精的能力。
一、受精
4.准备阶段II--卵子的准备
原始卵泡
成熟卵泡
黄体
次级卵母
细 胞
停止在减 数第 一 次 分裂前期
具备受精能力的卵子结构
马、犬排卵 第一极体
完成减 数第一 次分裂
初级卵 母细胞
初级卵 母细胞
青春期后
胚胎期
卵子的结构
透明带是包裹在卵母细胞外的一层非细胞
性的糖蛋白膜结构，主要由卵泡细胞和初 级卵母细胞分泌形成。
1、 可保 护卵母细胞和早期胚胎；
2、 保护人类卵子和精子间的识 别，防止其 他物种精子进入；
3、 当精子与透明带结合后，可以发生反应 更利于精子钻入卵子；
4、 当一个精子进入后，透明带会阻止其他 精子再进入。
透明带 卵细胞膜 核
(纺锤体—染色体复合物)
第一极体
透明带变薄、缺失或者过厚等都会影响受精过程，从而导致不孕。
具备受精能力的卵子结构
【 拓 展 】
【 拓 展 】 排出卵子的去向
人类女性排出的卵子可在输卵管中存活12-24小时，在这段时间内等待着
精子的识别结合。若卵子排出后由于多种原因不能与精子结合形成受精卵，便在 24小时后自然死亡。失去这次受精的机会，就要等1个月后下一个卵子成熟并被 排出，重复同样的过程。
女性左右两个卵巢通常是轮流排卵，少数情况下能同时排出两个或以上 的卵子。如果分别与精子相结合，就出现了异卵双胞胎或多胞胎。有些情况下 一 个受精卵形成的胚胎在早期发育过程中会一分为二形成同卵双胞胎。
精子触及卵细胞膜的瞬间，透
精子接触卵细胞膜 明带会迅速发生生理反应， 阻
透明带反应 止后来的精子进入透明带。
精子入卵后，卵细胞膜会立即
精子入卵 发生生理反应，拒绝其他精子
卵细胞膜反应 进入卵内。
雄原核
雌原核 第一极体
第二极体
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。
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， 最后形成一个比原来精子的核 还 大 的核——雄 原 核 。
5.受精阶段 精子穿越卵细胞膜外 的结构，如透明带等
精子形成雄原核、卵子 完成减数分裂Ⅱ, 释 放 第二极体，形成雌原核
! 受精的标志： 观察到两个极体或雌雄原核。
精子释放多种酶溶解膜外结构
受精过程结束后，受精
卵的分裂也就开始了。
注意：受精卵的核基因是精子和卵子各占一半； 受精卵的细胞质基因几乎全部来自
卵 子 。
! 受精完成的 标 志 ：雌雄原核融合形成合子。
形成含有两个染色体组的合子， 受精卵形成。
一、受精
5.受精阶段
雌、雄原核靠近核 膜消失形成合子
雄原核 雌原核
一、受精
思考：受精过程中卵子的哪些结构发生生理反应可以防止多精入卵 这有什么意义
阻止多精入卵有两道屏障：
第一道屏障是透明带反应；
第二道屏障是卵细胞膜反应。
保证受精卵中核遗传物质与亲代体细胞一致，从而保证遗传的稳定性。
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，卵
细胞表面的精子识别受体很快被修饰，使后来的精子不能识别。
雌性动物生殖道
准备阶段I: 精子获能
人工配制的获能液
准备阶段I: 卵子的准 ——在输卵管内发育到MⅡ(中)期 备
精子穿越卵细胞膜外的结构
雄、雌原核形成 (受精的标志：观察到两个极体或雌、雄原核)
雌、雄原核融合形成合子 (受精完成的标志)
小结：受精
准备阶段
受精阶段
透明带反应(阻止多
精入卵的第一道屏障)
卵细胞膜反应(阻止多 精入卵的第二道屏障)
精子接触卵细胞膜
精子入卵(进入卵细胞膜)
(1)图中a 、b 、c表示细胞分裂，依次 有丝分裂、减数分裂I 、 减数分裂Ⅱ
为
在精子与卵子结合过穆 成 的 腿膜 (填“a”“b’输卵管”)。图中
的p减数分鹳结构 次媪 Ⅱ期) 。c过程发生的
场所为子成熟后，即可进行 受精到判断卵子受精的标志是可以观察到两个时，才 本或糖子受糠彬能力。 O
第 一 极体
C
第二极体 ④
练一练
观察家畜卵子的发生和成熟示意图，思考并回答下面的问题：
核 第一极体
生长
p
②
③
①
b
q
a
二、胚胎早期发育
1.胚胎的早期发育
(1)场所： 输卵管和子宫
(2)分裂方式： 有丝分裂
胚胎发育早期，有一段时间在
透明带内进行，细胞的数量不断增 加，但胚胎的总体积并不增加，这 种受精卵的早期分裂称为卵裂。
(3)过程
2-细胞胚
精子
受精卵
卵母细胞
卵裂期
4-细胞胚
8-细胞胚
输卵管
子宫壁
受精卵 2细胞 4细胞 8细胞 桑葚胚 囊胚
桑葚胚
囊胚
着床
项目
变化
细胞数目
增多
每个细胞体积 DNA总量
减小
增多
每个细胞内的DNA总量 有机物总量
不变
减少
物质种类
增多
二、胚胎早期发育
2.卵裂
(1)场所： 在透明带内
(2)时期： 受精卵 → 桑葚胚
(3)特点： 细胞的数量不断增加，
但胚胎的总体积不增加。
卵裂期
受精卵 2细胞 4细胞 8细胞 桑葚胚 囊胚
二、胚胎早期发育
3. 桑甚胚：
当卵裂产生的子细胞数目
达到32个左右，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。
特 点 ：这一阶段及之前的每个细胞都具有
发育成完整胚胎的潜能， 属于全能 细胞(胚胎干细胞)。
受精卵 2细胞 4细胞 8细胞 桑葚胚 囊胚
桑甚胚 桑甚
内细胞团 —-发育成胎儿的各种组织，属于全能细胞。
( 沿透明带内壁扩展和排列的细胞)
滋养层细胞 ——发育成胎膜和胎盘。 滋养层
可用于胎儿的性别鉴定、DNA分析等 透明带
囊胚腔 囊胚内部含有液体的腔。 囊胚腔
二、胚胎早期发育
4. 囊 胚 ：
(1)特点： 细胞开始分化 受精卵 2细胞 4细胞 8细胞 桑葚胚 囊胚
(3)孵化： 囊胚进一步扩大会导致透明带破裂破裂，胚 胎从其中伸展出来的过程。
孵化非常重要，如果不能正常孵化，胚胎就无法继续发育!
内细胞团
(聚集在胚胎一端的细胞)
(2)结构：
皮肤细胞 消化细胞胰腺细胞肺细胞
内胚层
外 胚 层
。中 胚 层
内 胚 层
受精卵 囊胚 原肠胚
中胚层 生殖细胞
骨骼肌 心肌 平滑肌 红细胞 骨细胞 卵细胞 精子
正在分化的 中胚层细胞
一外胚层 内胚层 原肠腔
正在分化的 中胚层细胞
二、胚胎早期发育
5. 原 肠 胚 ：
(1)特点： 出现胚层分化
(2)结构：
外胚层： 表面的细胞层
原肠胚 内胚层： 向内迁移的细胞
中胚层：内外两个胚层之间
这三个胚层将逐渐分化形成各种组 织、器官等，最终形成胎儿。
外胚层 中胚层 内胚层
色素细胞 脑神经元
外胚层
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.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 需营养主要来自卵细胞。
3.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。
4.桑葚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。
5.囊胚期细胞时透明带破裂，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。
受精卵→ 2细胞 → 4细胞 → 8细胞 → 桑葚胚一
卵裂期
胚胎发育
外胚层
中胚层
内胚层(原肠腔)
胚后发育
孵化
囊胚 ·
内细胞团
滋养层细胞 囊胚腔
【 拓 展 】 胚胎发育和个体发育
继续
分化
原肠胚
全能细胞 细胞分化
性成熟个体
出 生
发育
个体发育
幼体
动物 种类 受精卵发育/h 进入子宫时发育 天数和发育阶段 2细胞 4细胞 8细胞 16细胞 桑棋胚 天
发育阶段
小鼠 24~38 38~50 50~60 60~70 68~80 3
桑葚胚
山羊 24~38 48~60 72 72~96 96~120 4
10~16细胞
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
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表。
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。
动物 种类 受精卵发育/h 进入子宫时发育 天数和发育阶段 2细胞 4细胞 8细胞 16细胞 桑棋胚 天
发育阶段
小鼠 24~38 38~50 50~60 60~70 68~80 3
桑葚胚
山羊 24~38 48~60 72 72~96 96~120 4
10~16细胞
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
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
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，在实践中通常用发育到囊胚阶段的胚胎进行移植。
不同动物受精卵发育的比较
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 。
不同动物受精卵发育的比较
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。
一、概念检测
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。 ( x )
(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
二、扩展应用
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。