第三章 胚胎工程
章末整合(三)
①__________；
②__________；
③__________；
④__________；
⑤__________；
⑥__________。
答案 ①受精卵 ②囊胚 ③胚胎移植 ④胚胎分割 ⑤组织或器官修复 ⑥家畜改良
方法一 胚胎分割移植和胚胎移植的区别
典例1 下面是畜牧业生产上培育某种优良种牛的两种方法，请分析回答：
(1)方法Ⅰ和方法Ⅱ均用到的生物技术有____________和__________________。
(2)用激素处理的目的是使B牛__________，从B牛体内获得的卵子需要培养到______________________(时期)才能与精子结合。
(3)A牛的精子必须在B牛的生殖道中经过相应的生理变化后，才能与B牛的卵子结合，完成受精作用，这个过程叫____________。卵子受精的标志是在卵细胞膜和透明带的间隙能够观察到______________。
(4)生产上常用__________________期的胚胎进行胚胎移植。若希望同时获得多个性状相同的家畜个体，可以使用________________技术。
答案 (1)动物细胞培养 胚胎移植 (2)超数排卵 减数第二次分裂中期 (3)精子获能 两个极体 (4)桑椹胚或囊胚 胚胎分割
方法链接
胚胎分割的目的是获得多个胚胎或个体，因而一般要进行分割后的移植，所以二者有一定的联系，但又有较大的区别。表解如下(以牛为例)：
比较项目
胚胎分割
胚胎移植
是否切割
切割
不切割
生殖方式
无性生殖
有性生殖或无性生殖(取决于胚胎是由受精卵形成的还是核移植技术形成重组细胞发育而成的)
胚胎的来源
雌性动物的早期胚胎或体外受精及其他方式得到的胚胎
雌性动物的早期胚胎或体外受精及其他方式得到的胚胎
过程
良种母牛→超数排卵→体外受精→早期胚胎→胚胎分割→胚胎移植→小牛
①供体、受体的选择和处理；②配种或进行人工授精；③胚胎的收集、检查、培养或保存；④胚胎移植；⑤移植后的检查
后代遗
传特点
后代具有相同的遗传物质
后代不一定具有相同的遗传物质
处理(或移植)的时期
一般是桑椹胚或囊胚
原肠胚之前
操作中注
意的事项
①对囊胚阶段的胚胎进行分割时，要将内细胞团均等分割；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
①该过程中两次使用激素；②该过程中有两次检查；③所用公牛和供体母牛是优良品种
意义
主要作用是进行优良品种的快速繁殖。此外，为转基因技术、性别控制技术提供活胚材料
主要作用是进行优良品种的快速繁殖。此外，充分发挥雌性个体的繁殖潜力，缩短繁殖周期，节约成本，保护珍稀动物等
举例
切割同卵形成的双犊
试管动物和克隆动物
共性
它们最终都涉及胚胎的移植，胚胎移植是胚胎工程其他技术的最后一道“工序”
由此可见，胚胎分割与胚胎移植有较明显的区别，掌握二者的区别和特点，应用于生产和实践。如果想得到性状相同的个体，一般进行胚胎分割，如果想提高动物的繁殖率，可用胚胎移植技术。
迁移训练
1．下列关于胚胎工程技术繁殖优质奶羊的叙述，错误的是( )
A．对受体母羊与供体母羊进行同期发情处理
B．人工授精后的一定时间内，收集供体原肠胚用于胚胎分割
C．利用胚胎分割技术可以获得两个基因型完全相同的胚胎
D．一次给受体母羊植入多个胚胎，可增加双胞胎和多胞胎的比例
答案 B
解析 胚胎移植前应对供体与受体进行同期发情处理；胚胎分割应选择发育良好的桑椹胚或囊胚；胚胎分割属于克隆技术，分割后得到的胚胎基因型相同；一次给受体母畜植入多个胚胎，可产生双胞胎或多胞胎。
方法二 “克隆羊”、“试管羊”和“转基因羊”的辨析
典例2 让羊产牛奶，科学家对此作了相关的构想，过程如图所示，请据图完成有关问题。
(1)图中涉及的现代生物技术有____________________(至少写三种)。
(2)小羊a、小羊b、小羊c的性状表现______(填“相同”或“不同”)，你的理由是_________
___________________________；小羊a与羊N呢？______________，理由是______________
________________________________________________________________________。
(3)若研究发现羊N细胞中线粒体发达，故而它的产奶率高，则小羊a会有这一优良性状吗？________________，你的依据是__________________________________________________。
(4)有人设想将羊体细胞与牛体细胞进行融合，以获得新物种“羊—牛”，你认为依据目前的生物技术和理论能否实现这一构想？________，你的理由是_____________________________
________________________________________________________________________。
答案 (1)基因工程、核移植、胚胎移植、胚胎分割、动物细胞培养(任选三项)
(2)相同 这些个体都是由同一个重组细胞发育形成的 不完全相同 小羊a细胞质中的遗传物质来自羊O，生物体部分性状属于细胞质遗传，同时生物的性状还受环境的影响
(3)不会有 线粒体中的基因一般通过细胞质传递给后代，小羊a的细胞质主要来自于羊O
(4)不能 因为高度分化的动物体细胞的全能性受到限制，由羊体细胞和牛体细胞融合得到的杂交细胞不能正常发育成完整个体，即使得到一个个体也不能成为一个新物种，因为它不能正常生殖(具有开放性，其他合理答案也可以)
解析 由图示可知，让牛乳蛋白基因在羊N体内表达获得产牛奶的羊N，需要利用基因工程技术将目的基因(牛乳蛋白基因)导入羊M的受精卵并使之表达。目的基因的导入需要在体外条件下完成，经动物细胞培养成胚胎后需移入体内发育成“产牛奶的羊N”。题干中由早期胚胎到羊1、羊2、羊3的过程属于胚胎的分割、移植技术，三者表现出的性状应该相同，因为这些个体都是由一个细胞(重组细胞)发育而来的。题干图示中经C、D获得重组细胞的过程属于核移植技术。由重组细胞培养、胚胎分割后获得的小羊a，其核遗传物质来自于羊N，质遗传物质来自于羊O，由于生物性状中既有核遗传物质控制的性状，又有质遗传物质控制的性状，所以羊a与羊N性状表现不完全相同，羊N因线粒体发达导致产奶率高这一性状也不会在羊a个体上表现。
方法链接
“克隆羊”、“试管羊”和“转基因羊”这三种生物工程产品，其操作的方法、过程均不相同，为便于区分现总结如下。
1．产生过程的比较
转基因羊：含目的基因的重组质粒导入,受精卵早期胚胎母体子宫产出,新个体。
比较
克隆羊
试管羊
转基因羊
不同点
核移植技术
体外受精
基因拼接
相同点
都利用了动物细胞培养技术、胚胎移植技术
2.含义及原理
(1)克隆羊：将羊的细胞核植入另一只羊的去核卵母细胞中，然后植入母体而诞生的羊。
原理：生物的无性繁殖。
①从具有分裂能力的体细胞中取出细胞核。
②将细胞核注入到去核的卵母细胞中，形成融合的卵母细胞。
③待融合的卵母细胞在体外发育成早期胚胎后，再植入另一只同种雌性个体的子宫内发育。
(2)转基因羊：在羊的受精卵内加入了其他物种的基因后诞生的羊。
最简单的理解就是用体外受精技术，从羊的卵巢里取出卵母细胞，体外孵育成熟后，放入精子进行体外受精；然后选取受精卵发育过程中的最佳时机，借助显微注射法注入目的基因(如人凝血因子IX基因)；再将这个已经含有目的基因(专业提法称“有目的基因整合”)的胚胎植入母羊的子宫“借腹生育”。这样得到的羊由于具有目的基因称为转基因羊。
(3)试管羊：将羊的精子和卵子在体外进行受精，然后植入母体子宫内发育而诞生的羊。
原理：受精卵的全能性。
①首先用激素促进良种母羊多排卵。
②然后把卵母细胞从母羊体内取出，在试管内与人工采集的精子进行体外受精，培育成胚胎。
③再把胚胎送入经过激素处理、可以接受胚胎植入的母羊子宫内，孕育成小羊产出。
3．子代个体遗传物质、遗传性状及生殖方式的比较
比较
克隆羊
试管羊
转基因羊
遗传物质
A羊的核基因，B羊的质基因
A、B羊的核基因，B羊的质基因
目的基因及其双亲的基因
遗传性状
几乎全部表现A羊的性状
双亲性状
含目的性状和双亲性状
生殖方式
无性生殖
有性生殖
有性生殖
以上三种羊，都是生物技术在实际中的应用，都与胚胎工程有着密切的联系，但它们之间又有着本质的区别。结合生物技术手段，认清它们之间的不同，有助于更好地认识不同的生物技术的实质，起到学以致用的作用。
迁移训练
2．培育“试管山羊”的基本过程如下图所示。若要培育成功，下列叙述正确的是( )
A．甲过程中可通过给母山羊注射有关激素使其超数排卵
B．乙过程的目的之一是促进卵母细胞和精子的成熟
C．丙过程与乙过程中应采用相同成分的培养液
D．丁过程中早期胚胎须移植到与供体性状相同的代孕母羊子宫内
答案 A
第10课时 受精和胚胎发育
[学习目标] 1.简述哺乳动物的精子和卵子的发生过程。2.了解哺乳动物受精作用过程，如精子的获能、顶体反应等。3.简述哺乳动物胚胎发育的基本过程及主要特点。
一、哺乳动物生殖细胞的发生和体内受精
1．精子的发生
观察睾丸中精子发生过程示意图，结合课本内容，回答相关问题。
(1)什么是减数分裂？有何特点？
答案 减数分裂是指进行有性生殖的生物在形成成熟的生殖细胞过程中所特有的细胞分裂方式。其特点是染色体只复制一次，而细胞连续分裂两次；结果是成熟生殖细胞中的染色体数目比原始生殖细胞的减少一半。
(2)哺乳动物精子的产生部位是在睾丸的曲细精管。
(3)精子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了下来，对这一现象怎样理解？为什么精子中的线粒体集中在尾的基部？
答案 细胞核是精子遗传物质储存和复制的场所，也是参与精、卵结合和后代遗传特性与细胞代谢活动的控制中心；而线粒体则是有氧呼吸产生运动能量的主要场所。精子的线粒体集中于尾的基部形成线粒体鞘，是精子维持生存和运动能量的“动力工厂”或“发动机”。
2．卵子的发生
观察卵子的发生过程示意图，回答问题并填表。
(1)哺乳动物卵子的发生是在雌性动物的卵巢中进行的。
(2)产生卵子的过程是否都发生在卵巢中？
答案 哺乳动物卵子的形成是在雌性动物的卵巢和输卵管内完成的。
(3)一个卵泡中能形成几个成熟的卵子？
答案 正常情况下，一个卵泡只能形成一个成熟的卵子。
(4)排卵是指卵子从卵泡中排出，还是指卵泡从卵巢中排出？
答案 是指卵子从卵泡中排出。
(5)排出的卵子是什么时期的细胞？
答案 排出的卵子是不成熟的，且成熟程度不同，一般在减数第一次分裂完成后排出。
(6)刚排出的卵是成熟的卵子吗？它在母体的什么部位与精子受精？
答案 刚排出的卵子尚未完全成熟，需要在输卵管内进一步成熟，直到减数第二次分裂的中期才能与精子结合完成受精过程。排出的卵子是在输卵管内与精子受精的。
(7)卵子是否受精的重要标志是什么？
答案 在卵细胞膜和透明带的间隙可以观察到两个极体。
3．体内受精
(1)什么是受精作用？
答案 卵子和精子相互识别、融合成为受精卵的过程。
(2)在自然条件下，受精是在雌性动物的输卵管内完成的。
(3)受精前，精子需要进行哪些准备？
答案 精子获能：精子必须在雌性动物生殖道(子宫和输卵管)中发生相应的生理变化后，才能获得受精能力。
(4)什么是顶体反应？有什么作用？
答案 精子释放的顶体酶溶解卵子外围的放射冠及透明带，这一过程称为顶体反应。形成精子穿越放射冠的通路。
(5)受精阶段还会发生哪些反应？有何意义？
答案 ①透明带反应：在精子触及卵细胞膜的瞬间，激发卵子发生反应，主要封锁透明带使其他精子难以再进入卵子内，它是防止多精入卵受精的第一道屏障。
②卵细胞膜反应：精子进入卵细胞膜后，卵细胞膜会发生相应的生理反应，阻止其他精子进入卵内，这是防止多精入卵受精的第二道屏障。
(6)受精完成的标志是什么？
答案 观察到卵细胞膜和透明带之间有两个极体时，说明受精完成。
二、哺乳动物胚胎发育的基本过程
完善下图内容，结合教材分析人的胚胎发育过程。
1．胚胎的发育在什么部位？
答案 最初在输卵管，后移入子宫。
2．什么时期的细胞属于全能细胞？
答案 桑椹胚及以前的细胞还未发生分化，每一个细胞都属于全能细胞，囊胚中的内细胞团细胞也属于全能细胞。
3．什么时期的胚胎开始分化？分化为哪几部分？各有什么作用？
答案 桑椹胚进一步发育，细胞开始分化形成囊胚，即囊胚期开始了细胞分化，内细胞团继续发育形成胚盘，继续发育成二胚层胚盘。囊胚壁发育形成滋养层。
4．原肠胚是怎么形成的？
答案 从第3周初开始，二胚层胚盘中的部分细胞增殖分化形成中胚层，形成三胚层胚盘，即为原肠胚。
5．胚胎发育包括哪些基本过程？
答案 桑椹胚、囊胚、原肠胚、胚层分化和胚体形成等主要阶段。
6．胚胎发育过程中，细胞所进行的是有丝分裂。
一、精子和卵子发生的比较
项目
精子的发生
卵子的发生
区
别
场所
睾丸曲细精管(场所唯一)
卵巢(MⅠ)、输卵管(MⅡ)(场所不唯一)
时间
性成熟后
性别分化后开始，卵泡(含次级卵母细胞和第一极体)的形成和在卵巢内的储备是在出生前(胎儿期)完成的；减数第二次分裂是在精子和卵子的结合过程中(即受精过程中)完成的
过程
特点
MⅠ和MⅡ是连续的，需要变形；细胞质均等分配
MⅠ和MⅡ是不连续的，不需要变形；细胞质不均等分配
结果
形成4个精子细胞
形成1个卵细胞和3个极体
相同点
原始生殖细胞的增殖方式为有丝分裂，生殖细胞的成熟为减数分裂，成熟过程均经一次DNA复制和两次细胞分裂，子细胞中染色体数目减半
二、受精作用的过程
下面是哺乳动物受精过程示意图，请据图回答：
(1)图中字母表示的结构名称是：a.______；b.________；c.________；d.________。
(2)图中数字表示的过程是：①______________________；②______________________；③________________________；④______________________。
(3)在精卵相遇之前，精子在雌性动物生殖道发生相应的生理变化，具有了受精能力，这个过程叫做__________。卵子一般在排出后都要在__________内进一步成熟，当达到_____________时，才具备与精子受精的能力。
(4)若两个精子同时参与受精，会形成“三倍体人”吗？为什么？
________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________。
(5)在精卵相遇时精子发生______反应，释放出________酶，该酶可溶解透明带外面的放射冠和________，形成穿越__________________的通道。在精子触及到卵细胞膜的瞬间会发生________反应，这是防止多精入卵的第一道屏障；同时精子外膜与________融合，精子入卵，这时卵细胞膜发生生理反应——______________，这是防止多精入卵的第二道屏障。同时精子的头部和尾部分离，由此看出精子进入卵子的部分几乎只有头部的________。
答案 (1)放射冠 第一极体 雄原核 雌原核
(2)精子穿过放射冠 精子穿过透明带 精子进入卵细胞膜 雌、雄原核融合 (3)精子获能 输卵管 减数第二次分裂中期 (4)两个精子同时进入卵子形成三倍体细胞的胚胎，此种胚胎会导致流产或出生后很快死亡
(5)顶体 顶体 透明带 放射冠和透明带 透明带 卵细胞膜 卵细胞膜反应 细胞核
解析 图中a是放射冠，b是第一极体，c是雄原核，d是雌原核，①是精子穿越放射冠，②是精子穿越透明带，③是精子进入卵细胞膜，④是雌雄原核融合。
三、胚胎发育的过程
1．个体发育
(1)个体发育的起点是受精卵，终点是性成熟的个体。
(2)发育中的细胞分裂均为有丝分裂，产生的是体细胞；原肠胚阶段是个体发育中分化程度最高的阶段，但应注意细胞分化贯穿于整个个体生命进程中。
(3)受精卵是新生命的第一个细胞，其全能性最高。从囊胚阶段开始初步分化，分化出内细胞团和滋养层细胞，囊胚之前细胞未分化，为全能细胞，囊胚之后的原肠胚阶段细胞分化程度高，但仍有全能细胞。细胞全能性随发育的深化而降低。
2．在卵裂期，胚胎的细胞数目和体积、每个细胞体积、DNA总量、有机物的种类和含量各有什么变化？
答案 如表所示
项目
变化
胚胎总体积
不增加或略有缩小
胚胎细胞数目
增多
每个细胞体积
减小
DNA总量
增多
有机物总量
减少
有机物种类
增多
1．卵子的成熟部位和受精部位分别是( )
A．卵巢 卵巢 B．卵巢 输卵管
C．输卵管 输卵管 D．输卵管 子宫
答案 C
2．以下对精子形成过程的说法，不正确的是( )
A．精子细胞中的细胞核变为精子头的主要部分
B．高尔基体发育为头部的顶体
C．线粒体聚集在尾的基部形成线粒体鞘
D．细胞内的其他物质浓缩为球体，叫做原生质滴。原生质滴中存在中心体
答案 D
解析 在精子细胞演变为精子的过程中，细胞发生一系列的变化，其中，中心体演变为精子的尾，细胞内的其他物质浓缩为原生质滴。
3．下列说法中正确的是( )
A．卵子形成时的减数第一次分裂和减数第二次分裂均在卵巢中完成
B．卵子形成时的减数分裂的两次分裂是连续的
C．排卵排出的卵子是成熟的
D．排卵排出的卵子是未成熟的
答案 D
解析 卵子形成的减数第一次分裂有的动物在卵巢完成，有的动物在输卵管完成，减数第二次分裂在受精过程中完成，场所为输卵管，所以A、B均错误；刚刚排出的卵子未成熟，需在输卵管内发育到减数第二次分裂中期方可受精，故C错误，D正确。
4．下列有关哺乳动物精子和卵子的发生以及受精作用的叙述中，正确的是( )
A．采集到的精子和卵子相遇即可发生受精作用
B．排卵就是排出成熟卵子的过程
C．卵子形成时的分裂过程均在卵巢内完成
D．受精的标志是在卵细胞膜和透明带之间观察到两个极体
答案 D
解析 精子和卵细胞在受精之前必须分别经过获能及准备阶段才能发生受精作用，A项错误；排卵是指卵子从卵泡中排出，此时排出的卵子还未完成减数分裂，是不成熟的卵子，B项错误；卵子形成时，减数第二次分裂是在输卵管中完成的，C项错误。
5．精子与卵子结合过程中穿越的两道屏障是( )
①顶体反应 ②透明带反应 ③卵细胞膜反应 ④精子穿越放射冠
A．①②B．②③C．③④D．②④
答案 B
解析 透明带反应和卵细胞膜反应是精子与卵子结合过程中穿过的两道屏障。
基础再现
1．受精过程的顺序为( )
①第一次卵裂开始 ②释放第二极体 ③顶体反应
④穿越透明带 ⑤雌、雄原核的形成 ⑥核膜消失，雌、雄原核融合
A．①②③④⑤⑥ B．③②④⑥⑤①
C．④⑤②①③⑥ D．③④②⑤⑥①
答案 D
解析 受精过程的顺序为：顶体反应→穿越透明带→释放第二极体→雌、雄原核形成→雌、雄原核融合→第一次卵裂开始。
2．下列关于高等哺乳动物受精与胚胎发育的叙述，正确的是( )
A．绝大多数精卵细胞的识别具有物种特异性
B．卵裂球细胞的体积随分裂次数增加而不断增大
C．囊胚的外部细胞具有发育全能性
D．原肠胚发育分化形成内外两个胚层
答案 A
解析 为保证物种在遗传上的稳定性，同一物种的精卵细胞在结合时，需要先通过细胞的识别，此过程由细胞膜上的糖蛋白完成，因糖蛋白具有物种特异性，其细胞识别也具有物种特异性，A项正确；受精卵卵裂时产生的细胞团称为卵裂球，随卵裂球细胞数目的增加，细胞逐渐变小，总体积基本不变，B项错误；囊胚的外部细胞是已经具有定向分化趋向的细胞，分化方向一旦确定即稳定而不可逆转，失去了发育的全能性，C项错误；原肠胚发育分化会形成各种器官原基，D项错误。
3．卵子完成减数第二次分裂是在( )
A．生长卵泡期 B．成熟卵泡期
C．排卵时 D．受精时
答案 D
解析 不同的动物排卵时期不同，如马等大型哺乳动物排卵是在减数第一次分裂时，绵羊、猪等在减数第二次分裂时完成排卵，排出的卵进入输卵管，准备与精子受精。减数第二次分裂是在精子和卵子结合的过程中完成的。
4．下列细胞，哪一个代表已经受精的卵子( )
答案 C
解析 卵子受精的标志是在透明带和卵细胞膜间隙观察到两个极体。
5．下列关于人早期胚胎发育过程中桑椹胚和囊胚的叙述中，正确的是( )
A．囊胚与桑椹胚相比，每个细胞内DNA总量增加
B．囊胚与桑椹胚相比，细胞数目较多
C．组成囊胚和桑椹胚的细胞，都是全能细胞
D．桑椹胚的形成在卵巢，囊胚的形成在输卵管
答案 B
解析 由桑椹胚发育到囊胚进行的是有丝分裂，形成的每个细胞内DNA总量不变；囊胚期开始出现分化，其中的滋养层细胞不是全能细胞；受精卵是在输卵管中形成的，故其发育形成早期胚胎的过程不可能在卵巢。
能力提升
6．下列关于精细胞的叙述中，正确的是( )
A．精原细胞分化为初级精母细胞的过程中，染色体复制，DNA和染色体都加倍
B．精母细胞历经两次减数分裂形成精子
C．精子细胞与精子的染色体数目相同
D．精子由精子细胞经减数分裂而来
答案 C
解析 精子细胞变形为精子的过程中遗传物质不变，染色体数目不变。
7．分析下面图解，以下哪一项不是精子、卵细胞发生的区别 ( )
A．初级精母细胞、初级卵母细胞的形成时间
B．MⅠ和MⅡ的时间连续性
C．成熟生殖细胞是否经过变形
D．成熟生殖细胞中染色体的数量
答案 D
解析 初级精母细胞是雄性动物初情期开始后，才由精原细胞分裂形成的，而初级卵母细胞是在胎儿期性别分化后形成的；精子的产生过程中，MⅠ和MⅡ是连续的，而卵细胞的产生是通过MⅠ形成次级卵母细胞，在精子与卵子的结合过程中才完成MⅡ；精子细胞形成后变形为蝌蚪状的精子，卵细胞不需要变形；成熟的精子和卵细胞经过减数分裂形成，都含有相当于亲本体细胞一半的染色体数目。
8．下列关于哺乳动物精子和卵子的发生的叙述，正确的是( )
A．一个精原细胞经过减数分裂可直接产生4个精子
B．精子的头部主要含细胞核，中心体发育为它的顶体
C．卵泡的形成和在卵巢内的储备，是在胎儿时期完成的
D．排卵是指卵泡从卵巢中排出，马、牛的排卵都是排出次级卵母细胞
答案 C
解析 精子的产生包括三个阶段，减数分裂是指初级精母细胞形成精子细胞的阶段；精子细胞变形形成精子时，高尔基体发育成头部的顶体，中心体则演变为精子的尾；排卵是指卵子从卵泡中排出，不同动物排出的卵子成熟程度不同，如马排出的是初级卵母细胞，牛排出的则是次级卵母细胞。
9．精子和卵子在发生上的重要区别是( )
A．受精前精子有获能反应，而卵子没有
B．卵子的形成和在卵巢中的储备是在胎儿时期完成的，而精子是在初情期之后
C．卵子形成的时间很长，而精子只需要两个月左右
D．卵原细胞的增殖过程是通过有丝分裂，而精原细胞的增殖过程则是通过减数分裂
答案 B
解析 哺乳动物卵泡的形成和在卵巢中的储备是在胎儿时期完成的，而精子的形成是在初情期之后，这是精子和卵子在发生上的重要区别。
10．下列关于精子的说法，不正确的是( )
A．精子必须获能才能完成受精作用
B．它与卵细胞的受精发生在子宫内
C．精细胞变形为精子时保留的细胞器主要是线粒体
D．精细胞的细胞膜的表面有糖蛋白，能在受精时发挥识别作用
答案 B
解析 精子必须获能才能完成受精作用；精细胞变形时，细胞核变为精子头部的主要部分，线粒体聚集在尾的基部而保留下来；精子与卵细胞的受精在输卵管中；受精时需经过精卵识别阶段，依靠细胞膜表面的糖蛋白。
11．下图是哺乳动物精细胞经过变形形成精子的示意图，请分析回答下列问题：
(1)精细胞是由____________经__________分裂产生的。
(2)图甲表示精细胞，图乙表示经变形后的精子，请将图乙中的字母对应地填写在图甲数字之后。
①______，②______，③______，④______，⑤______。
(3)精细胞与精子在形态、结构和功能上都发生了变化，因此可以把这一过程看成是______________，原因是基因的______________。
答案 (1)精原细胞 减数 (2)c b a e d (3)细胞分化 选择性表达
解析 精细胞是由精原细胞经减数分裂形成的。精细胞经过变形形成精子时的变化：图甲中②细胞核变为图乙中的精子头部的主要部分b，图甲中③高尔基体发育为图乙中的头部的顶体a，图甲中④中心体演变为图乙中的精子的尾e，图甲中⑤线粒体形成图乙中的线粒体鞘d，图甲中①其他物质浓缩成图乙中的原生质滴c。精细胞与精子在形态、结构和功能上都发生了变化，这一过程发生了细胞分化，是基因选择性表达的结果。
12．如图1为某高等动物生活史示意图，图2为图1中某阶段部分过程，请据图回答：
(1)图中A过程表示________过程，若A过程能使生物产生正常变异，则原因之一是因为该过程的四分体时期同源染色体中的非姐妹染色单体发生了________，进行了基因重组的结果。
(2)就子细胞情况而言，A2过程不同于A1过程表现在
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)图2是图1中________(填字母)阶段部分过程，该过程表示________。
(4)图2中的a是经过图1中的________(填字母)过程形成的。
(5)图2中a～f的过程细胞发生的生命历程有______________________________，其中d中细胞进行的分裂方式是______________________。
答案 (1)减数分裂 交叉互换 (2)一个原始生殖细胞(卵原细胞)经A2过程最后得到的子细胞中有1个卵子和3个极体 (3)C 胚胎发育 (4)B (5)分裂、分化、衰老、凋亡 有丝分裂
解析 根据图1变化可知，A表示减数分裂、B表示受精作用、C表示胚胎发育、D表示胚后发育，E表示有丝分裂。根据图2可知，a表示受精卵，b～f表示卵裂(有丝分裂)形成囊胚的过程。
个性拓展
13．分析图示，回答下列问题：
(1)蛙卵受精后经过2～3h，就开始进行卵裂，卵裂时细胞分裂方式为__________，细胞的数量__________，但胚胎总体积____________________。
(2)重组细胞A发育成蝌蚪时要经历哪几个阶段？
________________________________________________________________________。
(3)重组细胞A发育为成蛙的过程中是否需要进行胚胎移植？该过程运用的主要技术手段是什么？
________________________________________________________________________。
(4)通过图中实验，你可得出什么结论？
________________________________________________________________________。
答案 (1)有丝分裂 增加 不增加或略有缩小
(2)卵裂、桑椹胚、囊胚、原肠胚、胚层分化和胚体形成
(3)不需要。体细胞核移植技术 (4)肠上皮细胞含有和受精卵一样的全套遗传基因；卵子的细胞质为肠上皮细胞的核基因表达提供了合适的生理环境
解析 (1)细胞分裂方式常见的有三种，即无丝分裂、有丝分裂、减数分裂。卵裂的实质是受精卵进行的有丝分裂过程，随着分裂次数的增加，细胞数目增加，但每个细胞的质量、体积都在减小，总体积不变或略有减小。(2)重组细胞A发育成蝌蚪与哺乳动物一样要经历卵裂期、桑椹胚、囊胚、原肠胚、胚层分化和胚体形成等。(3)重组细胞A发育到成蛙的过程中，都是在水中完成的，因此不需要进行胚胎移植，该过程的技术手段是体细胞核移植技术。(4)从整个实验过程可以看出，肠上皮细胞含有和受精卵一样的全套遗传物质(或基因)，在这里卵子的细胞质为肠上皮细胞核基因的表达提供了合适的生理环境。
第11课时 胚胎工程及其应用
[学习目标] 1.了解胚胎工程的原理。2.理解体外受精、胚胎分割、胚胎冷冻保存、动物性别控制等主要技术手段的方法与过程。3.掌握胚胎移植的生理学基础、基本程序和意义。4.举例说出胚胎工程的应用。
一、胚胎工程与体外受精技术
1．胚胎工程包括哪些现代生物技术？
答案 胚胎工程是由体外受精技术、胚胎移植技术、胚胎分割技术、胚胎冷冻保存技术、性别控制技术和胚胎干细胞技术等组成的现代生物技术。
2．胚胎工程操作的主要对象是什么？
答案 主要是生殖细胞、受精卵和早期胚胎细胞。
3．胚胎工程的理论基础是什么？
答案 胚胎发育学。
4．人工授精是体外受精吗？为什么？
答案 不是。人工授精(AI)是指采用非性交的方式将精子递送到雌性生殖道中以达到使雌性受孕目的的一种辅助生殖技术(ART)。实际上，还是属于体内受精。而体外受精是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。
5．哺乳动物的体外受精主要包括几个主要步骤？
答案 体外受精技术包括采集精子、采集卵母细胞和受精等主要步骤。
6．常用的采集精子的方法是什么？
答案 采集精子的方法主要是假阴道法。
7．精子获能的方法有哪些？
答案 将牛、羊等家畜的精子放入一定浓度的肝素或A23187(钙离子载体)溶液中，实现获能。
8．阅读教材相关内容，比较卵母细胞的采集和培养方法，填写下表。
分类
举例
采集卵母细胞的过程
优点
缺点
抽吸法
较大型动物如牛、猪等
借助超声波探测仪和内窥镜等，将注射器针头刺入卵泡中将卵泡液和卵母细胞一并吸出，再在显微镜下进行筛选
有目的地选择卵泡，分离得到适当成熟程度的卵子
不能用于小动物
机械破碎法
较小型的动物如小鼠、兔等
将卵巢置于培养皿中，用针头刺破卵巢，当其中的卵泡完全破裂时，卵母细胞和卵泡液会一并排出，再在显微镜下进行筛选
可得到大量的卵母细胞，各种成熟程度的卵子都存在
有可能刺伤卵子
9.对于较小型的动物，还可以采用什么方法采集卵母细胞？有何优点？
答案 还可以采用促性腺激素处理的方法，使其超数排卵，这样获得的卵子可直接与获能后的精子进行体外受精。
10．体外受精是在什么样的溶液中完成的？
答案 在人为控制的适宜条件下和专用的受精溶液中，获能的精子和培养成熟的卵子同时培养一段时间，可以完成受精过程。
11．体外受精技术有哪些应用？
答案 (1)可用于研究哺乳动物生殖细胞的发生、受精和早期胚胎发育机制等；(2)在家畜品种改良中，为胚胎生产提供了廉价而高效的手段，对充分利用优良品质资源、缩短家畜繁殖周期，加快品种改良速度等有重要价值。(3)是哺乳动物胚胎移植技术、克隆技术、转基因技术和性别控制技术等不可缺少的组成部分。
二、胚胎移植
1．阅读教材相关内容，总结哺乳动物胚胎的培养液成分。
答案 一般包括无机盐、维生素、激素、氨基酸、核苷酸等营养成分，以及血清等物质。
2．不同动物胚胎移植的时间是不同的，牛、羊和人一般在什么时间进行？
答案 (1)牛、羊一般要培养到桑椹胚阶段或囊胚阶段才进行移植。
(2)人的体外受精胚胎，即试管胚胎，可在8～16个细胞阶段移植。
3．什么是胚胎移植技术？
答案 指将良种母畜配种后，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)得到的胚胎，再移植到同种的、生理状态相同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。
4．分析概念，回答下列问题：
(1)除了体内受精、体外受精获得胚胎，还有什么方式可以获得胚胎？
答案 核移植技术、转基因技术、胚胎分割技术等方式也可获得胚胎。
(2)胚胎移植中提供胚胎的个体称为“供体”，接受胚胎的个体叫“受体”。
(3)胚胎移植时，供体的主要职能是什么？
答案 产生具有优良遗传特性的胚胎。
(4)胚胎移植中受体必须具备什么条件？
答案 ①健康的体质和正常的繁殖能力；②同种的、生理状态相同的其他雌性动物。
(5)胚胎移植的结果是什么？
答案 获得具有与优良供体相同性状的子代个体。
三、胚胎分割技术
1．什么是胚胎分割技术？
答案 胚胎分割技术是指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，经体内或体外培养后植入受体，以得到同卵双生或同卵多生后代的技术。
2．胚胎分割的理论基础和物质基础是什么？
答案 (1)理论基础：细胞的全能性。
(2)物质基础：每个细胞核内具有相同的遗传物质。
3．为什么说胚胎分割技术也是动物克隆的方法之一？
答案 胚胎分割技术是将同一胚胎分割成几等份，借助胚胎移植技术产生遗传物质完全相同的后代，是一种无性繁殖的方式，因此，也属于动物克隆的一种方法。
4．囊胚期的内细胞团有何功能？对囊胚阶段的胚胎进行分割时要注意什么？为什么？
答案 内细胞团在囊胚阶段才出现，它将来发育成胎儿的各种组织。对囊胚阶段的胚胎进行分割时要注意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发育。
5．胚胎分割时应如何选择胚胎？
答案 胚胎分割时应选择发育良好、形态正常的桑椹胚或囊胚。
6．分割过程中，主要需要哪些仪器设备？
答案 仪器设备：实体显微镜和显微操作仪，其他工具：分割针或分割刀。
7．目前，科学家还通过胚胎冷冻保存技术建立起胚胎库。该技术有何优点？
答案 该技术使胚胎移植技术不受时间和地域的限制，简化引种的过程。
四、胚胎工程的应用
列举胚胎工程有哪些应用？
答案 (1)在畜牧业生产上：①大量繁育家畜良种；②控制家畜后代的性别比例。
(2)在医学及科学研究上也有重要应用，如胚胎干细胞的应用。
一、比较自然受精、人工授精和体外受精
比较项目
自然受精
人工授精
体外受精
不同点
过程
雌雄动物交配完成
用人工的方法将雄性动物的精液注入雌性生殖道内，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
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
二、动物克隆、植物组织培养、试管动物的比较
比较项目
动物克隆
植物组织培养
试管动物(婴儿)
生殖方式
无性
无性
有性
遗传物质来源
2个亲本
1个亲本
2个亲本
性别决定
提供核亲本
一般没有
精子类型
用途
优良种畜快速繁育，可选择性别
快速繁殖无病毒植株
解决不孕不育
现状
不成熟
成熟
成熟
三、胚胎移植
近10年来，牛、羊的胚胎移植在我国部分地区已进入生产应用阶段，这些成果大大推动了我国畜牧业的发展。如图为胚胎移植过程示意图，请据图回答以下问题：
(1)胚胎移植技术是指将良种母畜________后，从其生殖道取出________________________________________，再移植到同种的____________的其他雌性动物的体内，使它们进一步发育成为新个体的技术。这一技术又被形象地称为“借腹怀胎”。
(2)胚胎移植对甲、乙、丙牛的要求分别是________、________和________。丁牛为________________________。
(3)过程①、②分别是________________和________。
(4)过程③常用______________的方法对甲牛进行处理。
(5)胚胎移植成功的标志是________________________________________________________。
(6)此种繁殖方式为__________生殖，此技术的意义在于_______________________________。
答案 (1)配种 早期胚胎或通过体外受精及其他方式得到的胚胎 生理状态相同 (2)优质母牛 普通母牛 优质公牛 有价值的后代(优质牛) (3)同期发情处理 胚胎移植 (4)注射促性腺激素 (5)移植的胚胎在供体内能正常发育并分娩 (6)有性 快速大量繁殖优良种牛，提高经济效益
四、胚胎分割技术
为提高胚胎的利用率，科学家们又研究了胚胎分割技术，阅读教材内容，结合下图思考胚胎分割技术的有关问题。
(1)填出图中字母所代表的结构名称：
A__________，B__________，C__________，D__________。
(2)填出甲、乙、丙过程的技术或名称：
甲__________，乙___________，丙___________。
(3)进行乙过程时，所取的样本是____________。进行甲过程时，所使用的基本仪器是_______________________________________________________________________________；
本过程的技术关键是___________________________________________________________。
(4)尽管胚胎分割技术在多种动物中取得成功，但仍然存在一些问题，如________________等，同时很难获得同卵多胎，成功率较高的是____________。
(5)对被分割的胚胎的要求是______________________________________________________。
答案 (1)囊胚腔 透明带 滋养层 内细胞团 (2)胚胎分割 做DNA分析性别鉴定 胚胎移植 (3)滋养层 显微操作仪和实体显微镜 将内细胞团均等分割
(4)刚出生的动物体重偏低，毛色和斑纹上存在差异 同卵双胎 (5)发育良好、形态正常的桑椹胚或囊胚
1．我国首例“虎狮兽”于2002年在“南京红山动物园”诞生，利用了雄虎的精子和雌狮的卵子“体外受精”而产生，完成这一过程需要解决的问题是( )
A．精子在体外用获能物质处理
B．用化学物质处理掉卵细胞膜便于精子进入
C．抽取精子、卵子的细胞核进行融合
D．精子入卵后进行人工处理防止多精入卵
答案 A
解析 体外受精是让获能的精子和卵子在体外结合，然后转移至母体内发育，它依据的是体内受精的原理，故精子必须获能，其他方法操作易损伤细胞。
2．下列哪项不是人工授精和体外受精的区别( )
A．人工授精能更有效地发挥公畜的优良特性
B．体外受精能更有效地发挥母畜的繁殖潜能
C．人工授精和体外受精的本质不同
D．人工授精的精卵结合在母畜体内，而体外受精的这一过程在母畜体外
答案 C
解析 人工授精是用人工的方法，把公畜的精液注入到母畜的生殖道内，使精卵结合，体外受精是将人工获取的精子和卵子在体外完成受精。这两者的本质都是两性生殖细胞的结合，只不过前者是在体内完成的，后者是在体外完成的。
3．可以与获能精子进行体外受精的卵母细胞需要培养到什么时期( )
A．MⅠ期 B．MⅡ中期
C．桑椹期 D．囊胚期
答案 B
解析 卵母细胞培养到MⅡ中期时才能受精，因为MⅡ中期卵母细胞的细胞核、细胞质已经成熟，而M Ⅰ期卵母细胞的细胞核、细胞质尚未成熟，其细胞质不能支持胚胎的全程发育。
4．既能进行胚胎性别鉴定，又能进行胚胎移植的最佳示意图是( )
答案 A
解析 进行胚胎移植的最佳时期是桑椹胚或囊胚期；取细胞进行胚胎性别鉴定时只能取滋养层的细胞，而不能取内细胞团中的细胞。
5．下列关于胚胎移植的叙述，错误的是( )
A．超数排卵技术要使用一定的激素
B．受体母畜必须处于与供体母畜同步发情的状态
C．把母畜体内的卵泡或胚胎冲出后均能移植
D．试管婴儿只是受精及早期卵裂过程在试管中进行
答案 C
解析 胚胎移植一般要在桑椹胚或囊胚时期进行，卵泡内没有受精的卵细胞，不能进行胚胎移植。
基础再现
1．关于胚胎移植的优点的叙述，错误的是( )
A．优良种畜群迅速扩大，加速育种工作和品种改良
B．克服了时间与地域的限制，大量节省购买种畜的费用
C．一次给受体移入多个胚胎，可增加双胎和多胎的比例
D．建立常温胚胎库，保存品种资源和濒危物种
答案 D
解析 胚胎必须进行冷冻保存，常温下无法长期保存胚胎。
2．下列关于体外受精技术的说法，错误的是( )
A．体外受精技术需要的温度大约是37 ℃
B．体外受精是从初级卵母细胞和初级精母细胞开始的
C．体外受精技术已成为一项常规的动物繁殖技术
D．体外受精技术可用于研究动物生殖细胞的发生机制
答案 B
解析 体外受精技术包括采集精子、采集卵母细胞和受精等主要步骤。
3．试管牛采用的技术是( )
①胚胎移植 ②基因工程 ③体外受精 ④克隆技术
A．①③ B．②③
C．①② D．①④
答案 A
解析 试管动物是体外受精和胚胎移植的产物。
4．下列关于胚胎分割技术的叙述，错误的是( )
A．胚胎分割操作在动物的子宫内进行
B．用分割针对早期胚胎进行分割
C．分割后必须移植到受体子宫内进一步完成胚胎发育
D．对囊胚进行分割时要注意将内细胞团均等分割
答案 A
解析 胚胎分割时要将胚胎移入盛有操作液的培养皿中进行。胚胎分割是体外操作。
5．下列关于早期胚胎培养的说法，不正确的是( )
A．发育培养液的成分通常含有血清
B．发育培养液的成分较一般动物细胞培养液的成分简单
C．动物种类不同，进行胚胎移植的早期胚胎所处阶段不同
D．进行胚胎移植之前，可将培养到适宜时期的早期胚胎进行保存
答案 B
解析 哺乳动物胚胎的发育培养液成分一般都比较复杂，除一些无机盐和有机盐类外，还含有维生素、激素、氨基酸、核苷酸等营养成分，以及血清等物质，因此进行胚胎早期培养的发育培养液成分较动物细胞培养液成分复杂；不同动物胚胎移植的时期不同，如牛、羊一般培养到桑椹胚或囊胚阶段，小鼠和家兔可在更早阶段移植。
能力提升
6．以下是制定并研究设计的“试管牛”工厂化生产技术流程，其中正确的顺序应是( )
①采集卵母细胞 ②采集精子 ③画出“试管牛”工厂化生产技术流程图 ④受精 ⑤胚胎的早期培养
A．①②③④⑤ B．②①④⑤③
C．①②④③⑤ D．①②⑤④③
答案 B
解析 “试管牛”是体外受精和胚胎移植的产物，因此先进行采集精子，采集卵母细胞，然后在一定条件下完成体外受精及早期胚胎的培养，同时画出“试管牛”工厂化生产技术的流程图进行“生产”。
7．下列关于胚胎分割技术的说法，错误的是( )
A．被分割的胚胎应该是发育良好的桑椹胚或囊胚
B．可以对胚胎进行任意数目的等分，移植后均可正常发育
C．来自同一胚胎的后代具有相同的遗传物质
D．胚胎分割是进行动物克隆的方法之一
答案 B
8．哺乳动物体外受精的过程是( )
①采集卵母细胞 ②采集精子 ③卵母细胞的人工培养
④精子获能处理 ⑤精子和成熟卵子在受精液中共同培养 ⑥精子用CaCl2处理 ⑦卵母细胞用一定浓度的肝素溶液处理 ⑧体外受精 ⑨受精卵培养
A．①→②②→⑥⑤⑧⑨
B．①→③②→④⑤⑧⑨
C．①→⑦②→④⑧⑤⑨
D．①→③②→⑥⑧⑤⑨
答案 B
解析 无论是采集的卵子还是精子，在受精以前必须经过处理，在受精溶液中培养成具有受精能力的成熟生殖细胞，然后才能进行体外受精。
9．下列说法不正确的是( )
A．胚胎工程技术包括胚胎移植、胚胎分割、体外受精、胚胎冷冻保存、性别控制、胚胎干细胞的培养等技术
B．试管牛的培育过程属于克隆过程
C．提供胚胎的个体叫“供体”，接受胚胎的个体叫“受体”
D．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
答案 B
解析 胚胎工程是指对动物早期胚胎或配子所进行的多种显微操作和处理技术，包括胚胎移植、体外受精、胚胎冷冻保存、性别控制、胚胎分割、胚胎干细胞的培养等技术。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；试管牛是体外受精和胚胎移植的结果，属于有性生殖。
10．动物细胞培养是动物细胞工程的基础，如图所示，a、b、c表示现代工程技术，①②③分别表示其对应的结果，请据图判断下面说法正确的是( )
A．若a是胚胎分割技术，则产生的①中，所有个体的基因型和表现型一定相同
B．若b是体外受精技术，则形成②的过程属于克隆
C．若c是核移植技术，则形成③的过程体现了动物体细胞也具有全能性
D．①②③生产过程中的代孕母畜必须与供体母畜同期发情
答案 D
解析 胚胎分割技术是指用机械方法将早期胚胎平均分割成多个胚胎的技术，产生的个体是细胞通过有丝分裂产生的，因而基因型相同，但表现型不一定相同；体外受精是有性生殖，克隆是无性生殖；核移植说明了动物细胞核具有全能性，而不能体现动物体细胞的全能性；胚胎移植时，受体母畜的生理状态必须与供体母畜相同。
11．回答关于“试管牛”培育的几个问题。
(1)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内或体外类似于生殖道的理化条件下发生相应的生理变化后，才能获得受精能力，这一现象叫__________。
(2)生产上常用__________激素促进雌性动物排卵，该激素由__________(器官)分泌。
(3)受精后的卵细胞在培养液中进行培养，形成了一个约32个细胞的小胚胎，此时受精卵大约经历了__________次细胞分裂，培养液必须含有的不同于植物培养基的成分是____________________________。
(4)试管牛培育过程涉及的工程技术手段主要有_______________________________________
_______________________________________________________________________________。
答案 (1)精子获能 (2)促性腺 垂体 (3)5 动物血清 (4)体外受精、胚胎的早期培养和胚胎移植
解析 精子获能后才能与卵细胞受精。生产上常用促性腺激素促进动物超数排卵，促性腺激素是由垂体分泌的。早期胚胎培养液中除营养物质外，还含有动物血清。
12．胚胎移植的基本程序如图，据图回答下列问题：
(1)对供体母牛、供体公牛的要求是__________________________________________________
_______________________________________________________________________________。
(2)同期发情处理的常用方法是__________________，冲卵中的“卵”是指_______________。
(3)供体母牛具有许多优良性状，可利用体细胞克隆技术加速遗传改良进程，请回答下列有关问题：
①目前核移植技术中普遍使用的去核方法是________________________。
②用于核移植的供体细胞一般选用________代以内的细胞，原因是___________________。
答案 (1)具有优良性状的同种牛 (2)注射孕激素 (早期)胚胎 (3)①显微操作去核法 ②10 10代以内的细胞一般能保证正常的二倍体核型
解析 (1)胚胎移植的供体公、母牛必须是具有优良遗传性状的同种牛。(2)胚胎移植首先要对供、受体母牛进行选择，并用激素进行同期发情处理，一般注射孕激素。配种或输精后第7天，用特制的冲卵装置，把供体母牛子宫内的胚胎冲洗出来。(3)①目前核移植技术中普遍使用的去核方法是显微操作去核法。②用于核移植的供体细胞一般都选用10代以内的细胞，因为10代以内的细胞一般能保证正常的二倍体核型，保证了机体细胞正常的遗传基础。
个性拓展
13．如图表示利用胚胎工程培育优质奶牛的基本流程，请据图回答下列问题：
(1)桑椹胚是胚胎细胞数目为________个左右的胚胎，这个阶段的每一个细胞都具有发育成完整胚胎的潜力，属于______________。补充填写胚胎发育的几个重要阶段：受精卵→桑椹胚→________→________→胚层分化和胚体形成。优质奶牛的培育过程需要进行胚胎移植，移植后的胚胎能在受体子宫中存活，其生理基础是_____________________________________
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
(2)在优质奶牛的培育过程中，为了能够快速繁殖，常用体外受精技术，其过程为：
该过程中卵母细胞可以直接在体外受精吗？ _______ (填“能”或“不能”)，在进行体外受精前要对精子进行________处理。
(3)若要同时获得多头与此优质奶牛相同的小牛，可进行胚胎分割。应选择发育到________________时期的胚胎进行操作，进行分割时，应注意将______________分割，通过胚胎分割产生的两个或多个个体具有相同的____________。
答案 (1)32 全能细胞 囊胚 原肠胚 受体子宫对外来胚胎不发生免疫排斥反应 (2)不能 获能
(3)桑椹胚或囊胚 内细胞团均等 遗传物质
解析 (1)桑椹胚的胚胎细胞数为32个左右，每个细胞都具有全能性，属于全能细胞。早期胚胎发育的阶段为受精卵→桑椹胚→囊胚→原肠胚。受体对移入子宫的外来胚胎基本上不发生免疫排斥反应，这是外来胚胎成活的生理基础。(2)只有进行到减数第二次分裂中期的卵子才具有受精能力。受精前，精子要进行获能处理。(3)胚胎分割移植应选取发育到桑椹胚或囊胚期的胚胎，在分割时应将内细胞团均等分割。
第12课时 胚胎干细胞的研究及其应用
[学习目标] 1.理解干细胞的概念与分类。2.掌握胚胎干细胞的来源、特点及分离途径与方法。3.举例说明胚胎干细胞的应用。4.了解胚胎干细胞的研究进展及其所面临的各种挑战。
一、胚胎干细胞及其研究进展
1．什么是干细胞？
答案 动物(包括人)胚胎及某些器官中具有自我复制和多向分化潜能的原始细胞。
2．按照分化潜能的大小，干细胞基本上可分为专能干细胞、多能干细胞、全能干细胞。
3．上皮组织基底层中的干细胞属于什么干细胞？这类干细胞有何特点？
答案 专能干细胞。只能分化成一种类型或功能密切相关的两种类型的细胞。
4．造血干细胞属于什么干细胞？这类干细胞有何特点？
答案 多能干细胞。具有分化成多种细胞或组织的潜能，但却失去了发育成完整个体的能力。
5．胚胎干细胞属于什么干细胞？这类干细胞有何特点？
答案 全能干细胞。可以分化为全身200多种细胞，并进一步形成机体的所有组织、器官。
6．如何获得胚胎干细胞？
答案 (1)从早期的胚胎中未分化的细胞中获得。(2)从胎儿的原始性腺中分离出来。
7．囊胚包括内细胞团和滋养层两部分。它们有何功能？是否是全能细胞？
答案 内细胞团在囊胚阶段才出现，它将来发育成胎儿的各种组织，属于胚胎干细胞，具有全能性。滋养层细胞将来发育成胚胎的支持组织，如胎盘等，不是全能细胞。
8．胚胎干细胞有何特点？
答案 (1)具有体积小、细胞核大、核仁明显等形态特征，具有发育的全能性。(2)具有增殖能力并保持未分化状态，在一定条件下可分化为各种组织和器官。(3)易于进行基因改造操作。
二、胚胎干细胞的应用及面临的难题
1．胚胎干细胞是研究细胞分化和细胞凋亡的重要材料，为什么？
答案 胚胎干细胞在功能上类似于早期的胚胎细胞，有可能被用于揭示那些会干扰胎儿发育和引起出生缺陷的药物的致病机理。将胚胎干细胞培养在加入牛黄酸、丁酰环腺苷酸等分化诱导因子的培养液中时，它们会分化成不同的组织细胞。
2．总结胚胎干细胞的主要用途。
答案 胚胎干细胞的主要用途是：(1)对人胚胎干细胞的研究，可以帮助人们理解复杂的人体发育过程，并促进对人胚胎发育细节的基础研究，从而揭示人与动物的发育机制及影响其发育的因素。(2)在研究新药对各种细胞的药理和毒理实验中，胚胎干细胞为其在细胞水平上的研究提供了材料，大大减少了新药研究所需动物的数量，从而降低了研究成本。(3)胚胎干细胞的研究为细胞或组织移植提供无免疫原性的材料，用于疾病治疗。
3．为什么捐出一部分骨髓救治他人，不会给捐献者的身体健康造成损伤？
答案 (1)所谓捐献骨髓，实际上医生只是从捐献者的骨髓中分离出一部分造血干细胞供移植。(2)干细胞的一个重要特点是自我更新能力很强，被分离走的那部分造血干细胞，很快就会被“补齐”。因此捐献骨髓不会影响捐献者的身体健康。(3)医生只是在医学公认的安全条件下，分离出捐献者有限数量的造血干细胞，而且整个抽取、分离过程，都是在设备良好的大医院中进行的，一般不会对捐献者造成意外伤害。
4．简述胚胎干细胞的研究目前面临哪些挑战。
答案 (1)自从胚胎干细胞被分离出来后，各国政府和科学家就胚胎干细胞的研究和应用展开了一场激烈的争论，它给法律、伦理、国家和社会安定等方面带来的冲击是空前的。(2)因为器官移植是一个非常复杂的过程，所以胚胎干细胞真正用于器官克隆和移植还需要技术上的突破。(3)胚胎干细胞的应用给伦理、法律、宗教等带来了新的研究课题。
一、有关干细胞的理解
1．干细胞的特点
具有自我复制和多向分化潜能。在体外培养时，只增殖不分化。
2．各类干细胞的比较
名称
全能干细胞
多能干细胞
专能干细胞
特点
可以分化为全身200多种细胞，并进一步形成机体的所有组织、器官
具有分化成多种细胞或组织的潜能，但不能发育成完整的个体
只能分化成某一种类型或功能密切相关的两种类型的细胞
举例
受精卵、胚胎干细胞
造血干细胞
神经干细胞
应用
用于病人的器官移植等
造血干细胞移植是治疗血液系统疾病、遗传性血液病等的有效手段
通过神经干细胞移植治疗脑瘫、头颅外伤等病症
3.获得干细胞的主要途径
(1)从体外培养的胚胎中获得。
(2)从早期流产的胎儿中获得。
(3)从克隆的胚胎中获得。
(4)从成体中获得。
(5)从原始性腺中分离。
4．干细胞与癌细胞的比较
名称
遗传物质
增殖分化
来源
干细胞
不变
能增殖，能正常分化
早期胚胎或原始性腺细胞
癌细胞
改变
能增殖，不能分化
基因突变
二、胚胎干细胞的应用
美、日两国曾在《科学》和《细胞》两份顶级学术期刊上发表研究成果：将人体皮肤细胞改造成可以分化为多种细胞的“万能细胞”。如图是“万能细胞”的诞生过程，图中OCT4、SOX2、NANOG和LIN28是在胚胎干细胞中能高度表达并决定其“全能性”的四个基因，将改造后的“万能细胞”植入小鼠身体上，植入的细胞长成了“肿瘤”，“肿瘤”中出现了神经、骨髓、肌肉等各种类型的细胞。请据图回答下列问题：
(1)胚胎干细胞又称ES细胞，是由__________中分离出来的一类细胞，如果胚胎发育到囊胚期，这时的________细胞就是ES细胞。
(2)胚胎干细胞在功能上具有发育的__________。
(3)图中逆转录病毒的作用是________________________________，过程③利用了逆转录病毒的________特性。
(4)万能干细胞经体外诱导分化，可以培育出人造组织器官，这样培育的特殊细胞或器官移回病人体内与异体器官移植相比，最大的优点是________________________________________。
答案 (1)早期胚胎或原始性腺 内细胞团 (2)全能性
(3)作为基因工程的载体 感染(宿主细胞) (4)不会产生免疫排斥反应
解析 (1)结合动物的个体发育过程可得出胚胎干细胞是由早期胚胎或原始性腺中分离出来的一类细胞，囊胚期的内细胞团还没有高度分化。(2)胚胎干细胞能发育成个体，体现了细胞的全能性。(3)能携带“目的基因”的逆转录病毒在基因工程中是作为载体的，利用其感染宿主细胞的能力把目的基因导入受体细胞。(4)器官移植最大的问题是发生异体免疫排斥反应，如果是自身细胞发育来的器官就不会发生这种情况。
1．下列对于干细胞具有的能力的描述，正确的是( )
①具有自我更新能力 ②能进行新陈代谢 ③具有分化发育潜能 ④能进行细胞呼吸
A．①②③ B．②③④
C．①③④ D．①②③④
答案 D
解析 干细胞是具有自我复制和多向分化潜能的原始细胞。
2．正常人体内的造血干细胞能分裂产生各种血细胞，在体外，在某些因素的诱导下，却可以分化为神经细胞和肝细胞。其根本原因是这些造血干细胞( )
A．有旺盛的分裂能力
B．还没有分化
C．能合成神经细胞和肝细胞需要的蛋白质
D．具有与受精卵相同的全套遗传基因
答案 D
解析 造血干细胞来自受精卵的有丝分裂，含有与受精卵相同的基因。它是一种分化程度较低的细胞，因而在一定的条件下，可以增殖分化成不同种类的细胞。
3．某人因大面积烧伤需要皮肤移植，下列哪种来源的皮肤最容易移植成功( )
A．将父母的胚胎干细胞定向诱导分化成的皮肤
B．将兄弟或姐妹的胚胎干细胞定向诱导分化成的皮肤
C．将子女的胚胎干细胞定向诱导分化成的皮肤
D．自己的皮肤细胞经细胞培养技术培育成的皮肤
答案 D
解析 进行器官移植时，需慎重选择供体器官，以免出现免疫排斥现象。用自体细胞培养形成的器官进行移植，可以解决这个问题。
4．下列对“人类胚胎干细胞”这一概念的理解，正确的是( )
A．人类胚胎干细胞是人类胚胎发育早期囊胚外表的扁平细胞和囊胚腔内侧的内细胞团细胞
B．人类胚胎干细胞就是人类胚胎发育早期囊胚腔内侧的内细胞团细胞
C．人类胚胎干细胞是人类囊胚中可发育成胎盘、肝、肺、骨骼、皮肤等的全能性细胞
D．人类胚胎干细胞体积较小、细胞核小、核仁明显
答案 B
解析 人类胚胎干细胞是人类胚胎发育早期，囊胚中尚未分化的细胞。囊胚外表是一层扁平细胞，可发育成胚胎的支持组织如胎盘等；中心的腔称为囊胚腔，腔内侧有内细胞团。内细胞团在形成内、中、外三胚层时开始分化，内胚层分化形成肝、肺、肠等，中胚层分化形成骨骼、血液和肌肉等，外胚层分化形成皮肤、眼睛和神经系统等。由于内细胞团细胞能发育成完整的个体，因而这些细胞被认为具有全能性。人类胚胎干细胞体积小、细胞核大、核仁明显。
5．下列关于哺乳动物胚胎发育和胚胎工程的叙述，正确的是( )
A．卵裂期胚胎中细胞数目和有机物总量在不断增加
B．胚胎分割时需将原肠胚的内细胞团均等分割
C．胚胎干细胞具有细胞核大、核仁小和蛋白质合成旺盛等特点
D．胚胎干细胞是一类未分化细胞，可从早期胚胎中分离获取
答案 D
解析 A选项中卵裂期细胞不断分裂但胚胎总体积不变，故细胞数目增多，有机物逐渐消耗而减少；B选项中内细胞团是囊胚时期的，不是原肠胚时期的；C选项胚胎干细胞具有细胞核大、核仁明显的特点；D选项，胚胎干细胞是全能干细胞，是未分化细胞。
基础再现
1．下列关于干细胞的说法，错误的是( )
A．专能干细胞只能分化成一种类型或功能密切相关的两种类型的细胞
B．造血干细胞属于专能干细胞
C．全能干细胞在一定条件下可以发育成一个完整的个体
D．多能干细胞具有分化成多种细胞或组织的潜能
答案 B
解析 专能干细胞只能分化成一种类型或功能密切相关的两种类型的细胞，而造血干细胞能分化成多种细胞，属于多能干细胞。
2．帕金森氏综合征是由于大脑某个部位的脑细胞受损，而使其相应的功能丧失而导致的。若用胚胎干细胞移植治疗病人，应该( )
A．将胚胎干细胞直接植入病变部位
B．将胚胎干细胞通过血液输送到病变部位
C．将胚胎干细胞定向诱导为相应的神经元来替代受损的脑细胞
D．将胚胎干细胞定向诱导为脑细胞，通过血液输送到受损部位
答案 C
解析 胚胎干细胞具有多向分化的潜能，可以分化为各种细胞、组织，甚至器官。用胚胎干细胞治疗疾病应将胚胎干细胞定向诱导为相应的细胞或组织，移植替换到病变部位。
3．胚胎干细胞是哺乳动物或人早期胚胎中的细胞，可以进一步分裂、分化成各种组织干细胞，再进一步分化成各种不同组织。下列叙述不正确的是( )
A．各种组织干细胞分化形成不同组织细胞是基因选择性表达的结果
B．胚胎干细胞分化成肝脏细胞的过程体现了细胞的全能性
C．造血干细胞分化形成红细胞、白细胞的过程是不可逆的
D．胚胎干细胞有细胞周期，神经干细胞分化形成的神经细胞没有细胞周期
答案 B
解析 细胞分化的实质是基因的选择性表达，A正确；胚胎干细胞分化成肝脏细胞的过程是细胞分化，细胞全能性是指已经分化的细胞，仍然具有发育成完整个体的潜能，B错误；细胞分化的过程是不可逆的，C正确；已经分化的细胞没有细胞周期，D正确。
4．美国人马里奥·卡佩奇、奥利弗·史密斯和英国人马丁·伊文思因干细胞研究赢得2007年诺贝尔生理学或医学奖。下面图中最能完整体现正常机体内干细胞基本特征的是( )
答案 D
解析 胚胎干细胞和成体干细胞均具有进一步分化的潜能，它们的后代细胞，一部分仍然保留有亲代细胞的分裂、分化潜能，一部分通过细胞分化形成了各种功能的细胞类型。
5．下列不属于胚胎干细胞的用途的是( )
A．阐明细胞分化中各调节因子的作用机制
B．在试管中改良并创造动物新品种
C．生产有价值的药物
D．培育超级小鼠
答案 D
解析 干细胞研究在生物科学基础研究中具有极其重要的作用，如细胞分化是发育生物学的核心问题之一，利用干细胞就可以将复杂的问题简单化，有利于阐明细胞分化中各调节因子的作用机制；利用胚胎干细胞，可以在试管中改良并创造动物新品种，再结合基因工程等技术可以培育出生长快、抗病力强、高产的家畜品种以及生产有价值的药物等；超级小鼠是基因工程的产物。
能力提升
6．骨髓移植是治疗白血病常用的有效方法之一，最主要的原因是移植骨髓中的造血干细胞可在患者体内( )
A．正常生长
B．增殖并分化成多种细胞
C．分泌抗体
D．杀死各种病原菌
答案 B
解析 移植骨髓中的造血干细胞到患者体内是为了治病，所以A错误；分泌抗体是浆细胞的功能，所以C错误；杀死各种病原菌是抗体、杀菌物质和吞噬细胞的功能，所以D错误；骨髓移植的目的是产生正常的白细胞，干细胞具有全能性，可增殖分化成多种细胞，所以B符合题意。
7．下列关于胚胎干细胞的特点的叙述中，不正确的是( )
A．当受精卵发育到囊胚时，所有的细胞都是胚胎干细胞
B．胚胎干细胞是一种未分化的细胞，具有发育的全能性，在适当的条件下，胚胎干细胞可以分化为各种细胞和组织，培育出人造组织器官
C．培养胚胎干细胞的关键是需要一种培养体系，必须能促进干细胞的生长同时还要抑制干细胞的分化
D．胚胎干细胞可以探究组织原位再生修复的作用机制
答案 A
解析 囊胚的内细胞团细胞是胚胎干细胞，而滋养层细胞不属于胚胎干细胞，因为它将来分化成胚胎的支持组织。
8．美国华盛顿大学的一个研究小组首次提取了人类肝脏干细胞。这种干细胞表现出分化多能性，并在动物模型实验中成功修复了实验鼠的部分肝脏组织。科学家认为，它拥有治疗多种肝病的潜力。下列说法正确的是( )
A．肝脏干细胞可分化出人体所有细胞
B．肝脏干细胞的细胞核具有发育成完整个体的潜能
C．肝脏干细胞能够分泌胆汁
D．肝脏干细胞可治疗肝炎
答案 B
解析 肝脏干细胞能够发育成肝细胞，属于专能干细胞，不具有分化出人体所有细胞的功能；动物的细胞核具有发育成完整个体的潜能；肝细胞具有分泌胆汁的功能属于细胞分化产生的特殊功能，而肝脏干细胞不具有分泌胆汁的功能；肝脏干细胞能够治疗一些因遗传或者免疫出现的问题，不能用于治疗肝炎。
9．干细胞是一种尚未充分分化的未成熟细胞，它具有再生成组织、器官的潜能，医学家们正尝试利用干细胞治疗一些顽疾，用骨髓移植法能有效治疗白血病便是成功的例证。下列说法中正确的是( )
A．造血干细胞和白细胞的细胞核中基因的种类和数量有差异
B．造血干细胞和白细胞的细胞中RNA种类相同，数量也相同
C．若编码血红蛋白基因的一个碱基对发生改变，则血红蛋白中的氨基酸序列一定发生改变
D．造血干细胞分化成红细胞的过程是在细胞形态结构和生理功能上逐渐发生稳定性差异的过程
答案 D
解析 白细胞是由造血干细胞经过有丝分裂产生的，因此细胞核中基因的种类和数量没有差别；白细胞已经发生分化，因此白细胞中的RNA种类与造血干细胞不相同；由于密码子的简并性，所以编码血红蛋白基因的一个碱基对发生改变，血红蛋白中的氨基酸序列不一定发生改变。
10．胚胎干细胞是全能干细胞，可定向诱导分化为各种细胞、组织、器官甚至于个体。胚胎干细胞研究的目的不包括( )
A．为烧伤病人植皮
B．为肾病患者进行肾移植
C．为不孕者培育婴儿
D．研究细胞分化机制
答案 C
解析 胚胎干细胞在体外培养，可以定向分化为各种专能干细胞或组织细胞，也可以发育成生物器官甚至于完整的个体；但人们研究胚胎干细胞不是用于人类的生殖，而是用于病人的细胞移植或器官移植；细胞分化的机制目前还不十分明了，胚胎干细胞这一原始细胞的体外培养是研究细胞分化的理想材料。
11．下图为哺乳动物的胚胎干细胞及其分化的示意图。请回答下列问题：
(1)胚胎干细胞是从动物胚胎发育至__________期的内细胞团中分离得到的一类细胞。
(2)图中分化程度最低的干细胞是__________。在体外培养条件下，培养液中加入__________因子，可诱导该种干细胞向不同类型的组织细胞分化。
(3)在机体内，皮肤干细胞分化成皮肤细胞是机体细胞中基因____________________的结果。
(4)某患者不能产生正常的白细胞，通过骨髓移植可以达到治疗的目的，骨髓移植的实质是将上图中的____________细胞移植到患者体内。
(5)若要克隆某种哺乳动物，从理论上分析，上述红细胞、白细胞、皮肤细胞、神经细胞中不能选用作为供体细胞的是__________，其原因是_______________________________________
_______________________________________________________________________________。
答案 (1)囊胚 (2)胚胎干细胞 分化诱导 (3)选择性表达 (4)造血干 (5)红细胞 成熟的红细胞中无细胞核
解析 胚胎干细胞是早期的胚胎(受精后5～6天)中未分化的细胞或从原始性腺中分离出来的一类细胞。胚胎干细胞是一种高度未分化的细胞，它具有发育的全能性，可分化出成体动物的所有组织和器官。细胞分化的实质是基因选择性表达的结果。骨髓中的造血干细胞，通过骨髓移植可以治疗白血病。通过细胞增殖可以大量地克隆细胞，哺乳动物成熟的红细胞没有细胞核，不能进行增殖。
12．供体器官的短缺和排斥反应是制约器官移植的两个重要问题。而治疗性克隆能最终解决这些问题。如图是治疗性克隆的过程图解：
(1)正常情况下，去核的卵母细胞取自女性卵巢排卵后在输卵管中的__________________的卵母细胞。
(2)重组细胞发育的过程中，细胞开始分化发生在____________期。
(3)治疗性克隆所用到的技术名称是________________________，要想获得基因型完全相同的两个胚胎，可采用__________________技术。
(4)我国禁止生殖性克隆，但不反对治疗性克隆的研究，请你谈谈为什么要反对克隆人？(至少写出两条理由)
________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________。
(5)请你运用上述知识举一例说明干细胞在临床治疗上的应用。
________________________________________________________________________。
答案 (1)减数第二次分裂中期 (2)囊胚 (3)细胞核移植技术 胚胎分割 (4)①严重违反了人类伦理道德；②冲击了现有的婚姻、家庭和两性关系等传统的伦理道德观念；③是在人为地制造心理上和社会地位上都不健全的人；④克隆技术尚不成熟，可能克隆出有严重生理缺陷的孩子(至少写出两条，只要答案符合题意即可) (5)利用胚胎干细胞治疗白血病等
解析 (1)动物体细胞核移植时，去核的卵母细胞应当选用减数第二次分裂中期的卵母细胞。(2)桑椹胚进一步发育，形成囊胚，细胞开始出现分化。(3)治疗性克隆是通过将患者的健康细胞的细胞核移植，经培养形成所需要的组织器官。(4)克隆技术尚不成熟，克隆人很可能孕育出有严重生理缺陷的孩子，还会引发社会伦理道德等问题。(5)利用血液组织干细胞可以治疗白血病，利用皮肤干细胞可以治疗皮肤烧伤等。
个性拓展
13．世界卫生组织解释克隆为“遗传上同一机体或细胞系(株)的无性繁殖”。相对于植物克隆而言，动物尤其是高等动物的克隆比较困难，下图表示哺乳动物克隆的几种方法的主要步骤，据图回答下列问题：
(1)方法2获得的小牛的细胞核遗传物质来源于________________。方法3中①和②发育成的小牛的遗传物质________(填“相同”或“不同”)。
(2)细胞B取自囊胚的____________，具有全能性，称为____________细胞。囊胚________(填“已经”或“尚未”)出现细胞分化。
(3)应用图示方法________得到的小牛与供体1遗传物质最相似。
(4)克隆也可以理解为复制、拷贝，结合世界卫生组织的定义，你认为还有哪些现代生物技术也属于克隆？ ___________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________。
(5)2009年3月9日，美国总统奥巴马签署行政令，决定解除对使用联邦政府资金支持胚胎干细胞研究的限制。对此，各界反应不一，你的态度及理由是_____________________________
________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________。
答案 (1)供体1和供体2 相同 (2)内细胞团 胚胎干 已经 (3)1 (4)单克隆抗体、植物组织培养、PCR技术等 (5)支持，胚胎干细胞的研究，有利于治疗人类某些顽症(治疗性克隆)，以及揭示细胞分化和细胞凋亡的机理等；反对，胚胎干细胞取自胚胎，胚胎也是生命，另外可能被用于克隆人研究，引起伦理问题(合理即可)
