专题3 胚胎工程高考生物选修3知识点归纳解析版.docx
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专题3胚胎工程高考生物选修3知识点归纳解析版
专题33胚胎工程
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,如体外受精、胚胎移植、胚胎分割、胚胎干细胞培养等技术。
经过处理后获得的胚胎,还需移植到雌性动物体内生产后代,以满足人类的各种需求。
1890年,英国剑桥大学的生物学家将纯种安哥拉兔的两个4细胞胚胎移入一只纯种比利时兔的输卵管内,成功地产下两只纯种安哥拉子兔。
这个实验首次证实_同种动物的胚胎在异体动物体内发育的可能性。
3.1体内受精和早期胚胎发育
精子的发生
哺乳动物精子的发生是在睾丸内完成的。
雄性动物从_初情期__(相当于人的青春期)开始,直到生殖机能衰退,在睾丸的_曲细精管__内不断进行着生殖细胞的增殖,源源不断地产生精子。
各种家畜精子发生的过程大体可以分为三个阶段。
第一阶段,位于曲细精管管壁的精原细胞进行数次_有丝分裂__,产生大量的精原细胞,其中部分精原细胞经过染色体复制和其他物质的合成,进一步形成初级精母细胞。
第二阶段,初级精母细胞连续进行两次分裂(即减数分裂,包括MⅠ和MⅡ);第一次分裂产生两个_初级精母细胞_,每个次级精母细胞再分裂一次产生两个含_单__倍染色体的_精子细胞______。
第三阶段,圆形的精子细胞经过变形,其中的细胞核变为_精子头的主要部分__,高尔基体发育为_头部顶体__,中心体演变为_精子的尾_,线粒体聚集在尾的基部形成_线粒体鞘___。
同时,细胞内的其他物质浓缩为球状,叫做原生质滴,随精子的成熟过程向后移动,直到最后脱落。
对于多数家畜来说,精子在睾丸内形成的时间为两个月左右。
卵子的发生
卵子的发生是在雌性动物的卵巢内完成的。
动物的胚胎在_性别分化__以后,雌性胎儿卵巢内的卵原细胞,就通过_有丝分裂__的方式不断增加其数量,并进一步演变为初级卵母细胞,这时,它被_卵泡_____细胞包围,形成卵泡。
初级卵母细胞需经过减数分裂才能变为成熟的卵子。
减数第一次分裂是在雌性动物__排卵__完成的,其结果产生一个次级卵母细胞和第一极体,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__的过程中完成的,次级卵母细胞经分裂产生一个成熟的卵子和第二极体。
当在_卵细胞膜和透明带的间隙可以观察到两个极体_时,说明卵子已经完成了受精,这是判断卵子是否受精的重要标志。
哺乳动物卵泡的形成和在卵巢内的储备,是在出生前(即_胎儿_时期)完成的,这是精子和卵子在发生上的重要区别。
1.一个卵泡中能形成几个成熟的卵子?
答:
正常情况下,一个卵泡只能形成一个成熟的卵子。
2.排卵是指卵子从卵泡中排出,还是指卵泡从卵巢中排出?
答:
是指卵子从卵泡中排出__。
3.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:
刚排出的卵子尚未完全成熟,仅完成第一次减数分裂,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。
受精
受精是精子与卵子结合形成合子(即受精卵)的过程。
它包括受精前的准备阶段和受精阶段。
在自然条件下,受精是在雌性的_输卵管_内完成的。
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_发生相应的生理变化后,才能获得受精能力。
1951年,张明觉和奥斯汀发现了这一生理现象,并把它称为“_精子获能__”。
这一发现加速了科学家对精子获能机理的研究,并且找到了使精子在体外获能的物质,实现了各种哺乳动物精子在体外条件下的获能。
准备阶段2—卵子的准备
卵子一般在排出后2一3h才能被精子穿入。
一些实验证据表明,卵子在受精前也要经历类似精子获能的过程。
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内进一步成熟,当达到__减数第二次分裂的中_期时,才具备与精子受精的能力。
受精阶段
哺乳动物的受精过程主要包括:
_精子穿越放射冠和透明带___,_卵细胞膜__,_原核形成和融合。
获能后的精子与卵子相遇时,首先发生_顶体反应_,使顶体内的酶释放出来。
放射冠是包围在卵子透明带外而的卵丘细胞群,精子所释放的顶体酶可直接溶解卵丘细胞之间的物质,形成精子穿越放射冠的通路。
穿过放射冠的精子立即与_透明带_接触,顶体酶随后将透明带溶出一条孔道,精子借自身运动穿越透明带,并接触卵细胞膜。
在精子触及卵细胞膜的瞬间,会产生阻止后来的精子进入透明带的生理反应,这个反应称做透明带反应_,它是防止多个精子进入透明带,引起多精子入卵受精的第一道屏障。
只有穿过透明带的精子才能与卵细胞膜接触。
由于卵细胞膜表面有大量的微绒毛,当精子与卵细胞膜接触时,立即被微绒毛抱合,随后,精子外膜和卵细胞膜相互融合,精子入卵。
精子入卵后,卵细胞膜会立即发生一种生理反应,拒绝其他精子再进人卵内,这种生理反应称做__卵细胞膜反应。
这是防止多精入卵受精的第二道屏障。
精子入卵后的另一个变化,是尾部脱离,并且原有的核膜破裂;随后,精子形成一个新的核膜,最后形成一个比原来精子核还大的核,叫做_雄原核__。
与此同时,精子入卵后被激活的卵子完成_减数第二次分裂___________,排出第二极体后,形成_雌原核_______,雌原核一般略小于雄原核。
雄、雌原核充分发育后,相向移动,彼此接触,二者体积缩小、合并,两组核染色体合为一组,形成一个含二倍染色体的合子,也就是受精卵。
受精过程至此结束,受精卵的发育也由此开始。
小知识:
多数哺乳动物的第一极体不进行减数第二次分裂形成两个第二极体。
胚胎发育
合子形成后即在_输卵管_内进行__有丝__分裂,开始发育。
胚胎发育的早期有一段时间是在_透明带_内进行的,这一时期称为卵裂期。
其特点是:
细胞分裂方式为有丝分裂,细胞的数量不断增加,但胚胎的总体积_并不增加,或略有缩小__。
根据胚胎形态的变化,可将早期发育的胚胎分为以下几个阶段。
桑椹胚:
当胚胎细胞数目达到_32个左右时,胚胎形成致密的细胞团,形似桑椹,叫做桑椹胚。
实验证实,这一阶段前的每一个细胞都具有发育成完整胚胎的潜能,属于_全能___细胞。
囊胚:
桑椹胚进一步发育,细胞开始出现_分化___。
聚集在胚胎一端,个体较大的细胞,称为内细胞团(ICM),将来发育成_胎儿的各种组织,而沿透明带内壁扩展和排列的、个体较小的细胞,称为_滋养层__细胞,它们将来发育成_胎膜和胎盘__。
随着胚胎的进一步发育,胚胎的内部出现了含有液体的囊腔——__囊胚腔,这个时期的胚胎叫做囊胚。
囊胚进一步扩大,会导致透明带的破裂,胚胎从其中伸展出来,这一过程叫做__孵化______。
原肠胚:
囊胚孵化后,再进一步发育,内细胞团表层的细胞形成_外胚层__,下方的细胞形成_内胚层__。
这时的胚胎称为原肠胚,由内胚层包围的囊腔叫做_原肠胚_。
滋养层则发育为胎儿的胎膜和胎盘。
3.2体外受精和早期胚胎培养
体外受精
哺乳动物的体外受精主要包括卵母细胞的采集、精子的获取和受精等几个主要步骤。
卵母细胞的采集和培养对于实验动物如小鼠、兔,以及家畜猪、羊等,采用的主要方法是:
用_促性腺激素_处理,使其排出更多的_卵子_,然后,从_输卵管_中冲取卵子,直接与获能的精子在体外受精。
小知识:
超数排卵处理的做法是给供体注射_促性腺激素_,使一头母畜一次排出比自然清况下多几倍到十几倍的卵子,用于体外受精和早期胚胎培养。
对于大家畜或大型动物,如牛,采用的主要方法是:
从屠宰场已屠宰母畜的卵巢中采集卵母细胞,也可以借助超声波探测仪、内窥镜或腹腔镜等工具,直接从活体动物的_卵巢___中吸取卵母细胞。
采集的卵母细胞,都要在体外经人工培养_成熟后,才能与获能的精子受精。
精子的采集和获能
收集精子的方法有_假阴道__法、_手握_法和_电刺激_法等。
假阴道法是采用_仿生学的方法,模仿发情雌性动物阴道环境设计的装置,它能够满足雄性动物交配时对压力、温度和润滑度的要求,同时配有与采精动物相适应的活台畜或假台畜。
使用假台畜时,要训练被采精动物爬跨台畜,并将精液射入假阴道,以便收集。
手握法不需要任何设备,徒手或戴上乳胶手套,直接把握雄性动物的阴茎,给予适当的压力和刺激,就可引起射精。
这种方法只适于猪和犬等体型较小,易于控制的家畜。
电刺激法是将动物麻醉后,用特制的电极伸入动物的直肠,直接刺激位于腰荐部的射精中枢神经_,引起射精。
这种方法多
用于野生或经济动物。
在体外受精前,要对精子进行获能处理。
通常采用的体外获能方法有_培养___法和_化学诱导法两种:
对于啮齿动物、家兔和猪等动物的精子,一般采用培养法,即将取自附睾的精子,放入人工配制的_获能___液中,培养一段时间后,精子就可获能;对于牛、羊等家畜的精子常采用化学法,即将精子放在一定浓度的_肝素___或__钙离子载体A23187_液中,用化学药物诱导精子获能。
受精
获能的精子和培养成熟的卵子,一般情况下都可以在_获能溶液或专用的_受精溶液中完成受精过程。
精子和卵子一般要放在_培养液小滴内共同培养一段时间才能完成受精。
胚胎的早期培养
精子与卵子在体外受精后,应将受精卵移入_发育___培养液中继续培养,以检查受精状况和受精卵的发育能力。
哺乳动物胚胎的培养液成分一般都比较复杂,除一些_无机盐_和_有机盐___类外,还需添加_维生素、_激___素、_氨基酸、_核苷酸等营养成分,以及_血清_等物质。
不同动物胚胎移植的时间不同,例如,牛、羊一般要培养到_桑椹胚阶段或__囊胚阶段才进行移植,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8~16个细胞阶段移植。
33.3胚胎工程的应用及前景
一、胚胎移植
1、胚胎移植的概念
胚胎移植是指,将雌性动物体内的_早期胚胎_,或者通过体外受精及其他方式得到的胚胎,移植到_同种的、生殖状态相同的_的其他雌性动物的体内,使之继续发育为新个体的技术。
其中提供胚胎的个体称为“_供体_____”,接受胚胎的个体叫“_受体_____”。
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。
在胚胎工程中通过任何一项技术,如转基因、核移植,或体外受精等技术获得的胚胎,都必须移植给受体才能获得后代。
因此,胚胎移植又是胚胎工程其他技术的_最后一道“工序”_。
2胚胎移植的现状和意义
进行胚胎移植的优势是可以充分发挥雌性优良个体的_繁殖潜力。
在这项技术中,供体的主要职能变为只生产具有优良_遗传特性__的胚胎,繁重而漫长的妊娠和育仔的任务由_受体___取代,这就大大缩短了供体本身的繁殖周期。
同时,在对供体实行_超数排卵_处理后,可获得多枚胚胎,经移植可得到多个后代,使供体生产下的后代数是自然繁殖的十几倍到几十倍。
3、胚胎移植的生理学基础
第一,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、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。
第二,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。
第三,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,这为胚胎在受体内的存活提供了可能。
第四,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。
讨论:
1.在胚胎移植操作中,怎样才能使胚胎在移植前后所处的生理环境保持一致?
例如,供、受体的发情时间要一致吗?
供体胚胎移入受体子宫的位置,应与在供体内的位置相同或相似吗?
答:
应对供体和受体母畜进行同期发情处理,使它们的生理条件达到同步或一致,这样才能使供体的胚胎移入受体后有相同或相似的生存条件,这是胚胎移植成功与否的关键。
因此,必须做到供、受体母畜的发情时间一致。
同时还要做到移入受体子宫胚胎的位置应该与其在供体内的位置相同或相似,移入胚胎一侧的受体子宫角对应的卵巢必须有黄体存在。
2.概括胚胎移植的实质
答:
可以把胚胎移植简单概括为早期胚胎在_相同生理_环境条件下_空间位置_的转移。
4、胚胎移植的流程
①对供、受体母牛进行选择,并用激素进行_同期发情_处理(多种激素,主要是孕激素,配合使用前列腺素和促性腺激素)。
对供体母牛的要求是_具有优良遗传性状__;对受体母牛的要求是_有健康的体质和正常的繁殖能力__。
②用_促排卵激素对供体母牛做_超数排卵处理。
③超数排卵的母牛发情后,选择同种优秀的公牛进行_配种或人工授精_。
④胚胎的收集:
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(也叫_冲卵)。
⑤冲卵后,对胚胎进行质量检查。
这时的胚胎应该发育到__桑椹胚阶段或囊胚阶段。
⑥将收集的胚胎直接向受体移植或放入-196℃的_液氮_中保存。
⑦胚胎的移植:
_手术法:
引出受体子宫和卵巢,将胚胎注入子宫角,缝合创口。
_非手术法:
将装有胚胎的移植管送入受体母牛子宫的相应部位,注入胚胎。
⑧对受体母牛进行_是否妊娠_检查。
⑨受体母牛产下胚胎移植的犊牛。
二、胚胎分割
胚胎分割:
是指采用_机械___方法将早期胚胎切割成2等份、4等份或8等份等,经移植获得_同卵双胎或多胎_的技术。
来自同一胚胎的后代具有相同的遗传物质,因此,胚胎分割可以看做动物_无性___繁殖或克隆的方法之一。
胚胎分割所需要的主要仪器设备为__实体显微镜_和_显微操作仪__。
进行胚胎分割时,应选择发育良好、形态正常的_桑椹胚和囊胚_,将其移入盛有操作液的培养皿中,然后,用_分割针和分割刀__进行分割。
对于不同发育阶段的胚胎,分割的具体操作不完全相同。
具体操作时,用分割针或分割刀片将胚胎切开,吸出其中的半个胚胎,注入预先准备好的_空透明带_中,或直接将裸半胚移植入受体。
在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。
实践证明,采用胚胎分割技术产生同卵多胚的可能性是有限的,到目前为止,最常见的是经分割产生的同卵双胎,而同卵多胎成功的比例都很小。
三、胚胎干细胞
哺乳动物的胚胎干细胞简称_ES或EK细胞,是由_早期胚胎或_原始性腺中分离出来的一类细胞。
ES细胞具有胚胎细胞的特性,在形态上,表现为_体积小、_细胞核大_、_核仁明显__;在功能上,具有_发育的全能性_,即可以分化为成年动物体内任何一种组织细胞。
另外,在体外培养的条件下,ES细胞可以_增殖而不发生分化_。
对它可以进行冷冻保存,也可进行遗传改造。
随着组织工程技术的发展,通过ES细胞体外诱导分化,还可以培育出人造组织器官,解决目前临床上存在的_供体器官不足_和_器官移植后免疫排斥的问题。
ES细胞也是研究体外细胞分化的理想材料。
ES细胞在_饲养层_细胞上(一般为输卵管上皮细胞,在干细胞培养时,可作为提供干细胞分裂、增殖的营养细胞)或在添加_抑制因子_的培养液中,能够维持不分化的状态。
在培养液中加入_分化诱导因子_,如牛黄酸、丁酰环腺苷酸等化学物质时,就可以诱导ES细胞向不同类型的组织细胞分化,这为揭示细胞分化和细胞凋亡的机理提供了有效的手段。
四、SRY—RPCR胚胎的性别鉴定技术
对移植前的胚胎进行性别鉴定,然后移入受体,可以控制后代的性别,这种控制是在精子和卵子受精后,胚胎本身已经有了性别的前提下进行的。
目前最有应用前景的方法是SRY—PCR法。
操作的基本程序是:
先从被测胚胎中取出几个细胞(一般取__滋养层细胞),提取DNA,然后用位于Y染色体上的性别决定基因,即SRY基因的一段碱基作_引物_,用胚胎细胞中的DNA为模板,进行PCR扩增(如果胚胎细胞种有SRY基因,则这种PCR可以扩增出SRY基因),最后用_SRY特异性___作为探针对扩增产物进行检测。
出现阳性反应者,胚胎为雄性;出现阴性反应者,胚胎为雌性。
这种方法准确率高达90%以上。
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