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第二节胚胎工程及其应用
第一课时 胚胎工程的主要技术
1.胚胎工程是由体外受精、胚胎移植、胚胎分割、胚胎冷冻保存、性别控制和胚胎干细胞等技术组成的现代生物技术。
2．胚胎工程操作的主要对象是生殖细胞、受精卵和早期胚胎细胞。
3．胚胎工程的理论基础是胚胎发育学。
4．胚胎移植技术可充分发挥优良种畜繁殖潜能；通过胚胎分割技术可得到同卵双生或同卵多生的后代。
胚胎工程的概念和体外受精技术
1．胚胎工程的概念
(1)技术手段：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。
(2)操作的主要对象：生殖细胞、受精卵和早期胚胎细胞。
(3)理论基础：胚胎发育学。
2．体外受精技术
(1)含义：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。
(2)主要步骤：
①采集精子
②采集卵母细胞：
a．抽吸法
b．机械破碎法
c．超数排卵法
③受精：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
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的卵子同时培养，完成受精。
(3)应用：
①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。
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。
1．用抽吸法采集卵母细胞的优点是什么？
提示：可以有目的地选择卵泡，分离得到适当成熟程度的卵子。
2．通过超数排卵获得的卵子，为什么可直接与获能的精子进行受精？
提示：卵子已发育成熟，不需要进行培养。
精子的采集和获能的区别
项目
精子的采集
精子获能
过程
人为地使动物精子从体内射出然后收集
采集后的精子进行人工处理，使其获得受精能力
方法
假阴道法、手握法和电刺激法等
放入人工配制的获能溶液中培养或用化学药物诱导
[特别提醒] 精子获能是指精子获得与成熟卵母细胞进行受精的能力，而不是获得能量。
2．对体外受精技术的几点说明
(1)哺乳动物体内胚胎的形成需要经过精子和卵细胞的发生→受精→胚胎发育三个阶段。事实上体外受精技术也是按照这一过程操作的，唯一不同的是采用了人工操作技术。
(2)获取的卵母细胞必须在体外培养到MⅡ中期。
(3)不同动物，采集卵子和精子的方法不同，精子体外获能的方法也不同。
(4)获能的精子和培养成熟的卵子的体外受精过程必须在获能溶液或专用的受精溶液中完成。
胚胎移植技术和胚胎分割技术
1．胚胎移植技术
(1)体外胚胎培养：
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受精卵发育培养液特定阶段胚胎移植
(2)胚胎移植的含义：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。
(3)过程实例：牛胚胎移植。
(4)意义：对提高优良品种家畜的繁殖能力和加速品种改良的意义十分重大。
2．胚胎分割技术
(1)含义：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。是一种胚胎克隆方法。
(2)所需工具：显微操作仪。
(3)意义：成倍增加用于胚胎移植的胚胎数目；生产遗传性能相同的后代。
(4)特点：主要以二分胚的移植成功率最高。
3．胚胎工程的其他技术
(1)动物性别控制技术：是指通过人为干预，使动物按照人的意愿繁衍所需性别的后代的技术。
(2)胚胎冷冻保存技术：
①含义：将动物的早期胚胎或分割后的胚胎，采用特殊的保护剂，使其长期保存在超低温环境下。
②意义：使胚胎移植不受时间和地域的限制，简化引种过程。
1．仔细观察教材P83图3－12牛胚胎移植过程示意图，思考下列问题：
(1)胚胎移植过程中有几次使用激素处理？每次使用激素的目的是什么？
提示：两次。第一次使用激素是对良种母牛和普通母牛进行同期发情处理；第二次使用激素用于良种母牛使其多排卵。
(2)要实现优良家畜品种的快速繁育，图示过程能否达到目的？要达到目的，还需哪种技术相结合？
提示：不能。还应与胚胎分割技术相结合。
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2．胚胎移植的繁殖方式一定是有性繁殖吗？为什么？
提示：不一定。胚胎移植的繁殖方式取决于胚胎是由受精卵形成的，还是由核移植技术形成重组细胞发育而成的。若由受精卵形成的，则为有性繁殖，否则为无性繁殖。
3．胚胎分割有什么意义？
提示：胚胎分割的意义是提高胚胎利用率，实现优良家畜品种的快速繁育。
1．胚胎移植成功与否的两个重要条件
(1)胚胎移植一般应在同种的雌性供体和受体之间进行。这里的“同种”是指“同物种”。
(2)进行胚胎移植的供、受体生理状态要相同：①供、受体雌性动物的发情时间一致；②移入受体子宫内胚胎的位置应与其在供体子宫内的位置相同或相似。
2．胚胎移植时供体的主要职能及受体必须具备的条件
(1)供体具备的职能：产生具有优良遗传特性的胚胎。
(2)受体具备的条件：
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，没有生殖隔离，生理环境相同。
3．在胚胎移植操作中对供体和受体母畜进行同期发情处理的目的
在胚胎移植操作中应对供体和受体母畜进行同期发情处理，使它们的生理状态达到同步或一致，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，这是胚胎移植成功的关键。
4．胚胎分割时的注意事项
(1)对囊胚阶段胚胎进行分割时，一定要均分内细胞团，若分割不均，会出现含内细胞团多的部分正常发育的能力强，少的部分发育受阻或发育不良，甚至不能发育等问题。
(2)分割的份数越多，每一份的细胞数会越少，不但难以做到均等分割，而且作为囊胚期的胚胎内细胞团的细胞所受的影响会越大。因此，分割的份数越多，技术难度会越大，移植后的恢复和发育的难度会越大，移植成功率自然会降低。
对体外受精过程的理解
[例1] 哺乳动物体外受精的过程是( )
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①卵母细胞的采集 ②精子的采集 ③卵母细胞的人工培养 ④精子的获能处理 ⑤精子与成熟的卵子在受精溶液中共同培养 ⑥用CaCl2溶液处理精子 ⑦用一定浓度的肝素溶液处理卵母细胞 ⑧体外受精 ⑨受精卵培养
[精讲精析] 体外受精主要包括卵母细胞的采集和培养、精子的获取及获能处理、受精等三个阶段。精子的体外获能可用一定浓度的肝素溶液或钙离子载体处理。CaCl2溶液可用于基因工程中处理细菌细胞，以利于重组载体的导入。
[答案] B
1．关于牛体外受精胚胎的工厂化生产的叙述，正确的是( )
A．精子和卵子受精后即可移入母牛子宫
B．采集的卵母细胞应立即与精子共同放入培养液才能形成受精卵
C．成熟卵子与获能的精子相遇形成的受精卵，需培养到一定阶段才可移植
D．体外受精胚胎的工厂化生产即受精过程和胚胎发育只需在体外进行
解析：选C 卵母细胞要在体外经人工培养成熟后，才能与获能的精子受精；受精卵发育到桑椹胚阶段或囊胚阶段才能进行移植；早期胚胎需移植入母体后继续发育形成幼体产出。
以流程图为依托，综合考查体外受精、胚胎分割和胚胎移植技术
[例2] 下图为经过体外受精和胚胎分割移植培育优质奶牛的过程，请回答下列问题：
(1)A细胞是________，在进行体外受精前要对精子进行________处理。
(2)进行胚胎分割时，应选择发育到________时期的胚胎进行操作。
(3)②指的是________。
(4)通过同一胚胎的分割移植培育出的小牛的性别________。
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(5)通过体细胞克隆技术培育的小牛，其性别取决于____________，该繁殖方式属于________。
(6)在对囊胚阶段的胚胎进行分割时，应注意___________________________________
________________________________________________________________________。
(7)受体母牛必须和供体牛属于________。移植后的胚胎能在受体子宫中存活的生理基础是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
[思路点拨]
[精讲精析] (1)图中A表示卵母细胞(或次级卵母细胞)，在进行体外受精前，要对精子进行获能处理。(2)受精卵经过体外培养形成早期胚胎，为快速繁育优良品种，可以采用胚胎分割的技术手段，即选择发育良好、形态正常的桑葚胚或囊胚进行分割。(3)图中①表示内细胞团，②表示囊胚腔。(4)同一胚胎分割后产生的个体因为所含的遗传物质相同，所以性别相同。(5)通过体细胞克隆技术培育的小牛其性别与供核的亲本相同，该技术属于克隆的范畴，为无性繁殖。(6)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，以免影响分割后胚胎的恢复和进一步发育。(7)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。
[答案] (1)(次级)卵母细胞 获能 (2)桑葚胚或囊胚 (3)囊胚腔 (4)相同 (5)供核的亲本 无性繁殖 (6)将内细胞团均等分割，以免影响分割后胚胎的恢复和进一步发育 (7)同一物种 受体子宫对外来胚胎基本上不发生免疫排斥反应
2．(江苏高考)杜泊羊以其生长速度快、肉质好等优点，被称为“钻石级”肉用绵羊。科研工作者通过胚胎工程快速繁殖杜泊羊的流程如下图所示，相关叙述正确的是( )
A．为了获得更多的卵母细胞，需用雌激素对雌性杜泊羊进行处理
B．从卵巢中采集的卵母细胞可直接与获能的精子进行体外受精
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C．为避免代孕绵羊对植入胚胎产生排斥反应，应注射免疫抑制剂
D．为了进一步扩大繁殖规模，可通过胚胎分割技术获得同卵双胎
解析：选D 超数排卵应使用促性腺激素而不是雌激素；从卵巢中采集的卵母细胞需培养至成熟后才能与获能的精子进行体外受精；受体对移入子宫的外来胚胎基本上不发生免疫排斥反应，故不需注射免疫抑制剂；为了进一步扩大繁殖规模，可通过胚胎分割技术获得同卵双胎或多胎。
[课堂回扣练习]
1．体外受精常采用的采卵方法有( )
①用促性腺激素处理后，从输卵管冲取卵子 ②化学诱导法 ③电刺激法 ④从活体动物卵巢中吸取卵母细胞
A．①② B．②③
C．①④ D．③④
解析：选C ②化学诱导法是精子获能处理的方法，③电刺激法是获取精子的方法。
2．试管婴儿之父——爱德华兹因体外受精技术获得2010年诺贝尔生理学或医学奖，该体外受精技术又称试管婴儿技术。则下列说法错误的是( )
A．将收集到的精子放在一定浓度的肝素溶液中培养是为了诱导精子获能
B．受精过程防止多精入卵的生理反应包括透明带反应和卵细胞膜反应
C．进行早期胚胎培养时，培养液中除加入一些必要的营养成分外，还应添加激素和血清
D．一般将胚胎培养至囊胚或原肠胚时，再进行胚胎移植
解析：选D 将收集到的精子放在一定浓度的肝素溶液中培养是为了诱导精子获能，精子获能后才能完成受精作用；受精过程中，透明带反应和卵细胞膜反应防止了多精入卵；由于动物培养液的成分到目前为止还没完全弄清楚，所以应加入血清等天然成分；胚胎移植应在囊胚阶段或桑椹胚阶段进行。
3．下列不属于胚胎工程优点的是( )
A．胚胎分割提高了家畜胚胎的利用率
B．胚胎移植可以充分发挥雌性优良个体的繁殖潜力
C．胚胎移植可以产生定向基因突变
D．可以保存品种资源和拯救濒危物种
解析：
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选C 胚胎分割能提高家畜胚胎的利用率；胚胎移植可以充分发挥雌性优良个体的繁殖潜力，但不能改变基因型，不能产生定向基因突变；胚胎工程可保存品种资源和拯救濒危物种。
4．胚胎分割技术是一种现代生物技术，关于这一技术的叙述正确的是( )
A．胚胎分割是将早期胚胎任意分割成多份
B．胚胎分割技术可以获得同卵双胎或多胎
C．胚胎分割技术是有性生殖的方式，因此不属于克隆
D．胚胎分割技术可以分割任意时期的胚胎
解析：选B 胚胎分割的时期是桑葚胚或囊胚期，而且不能无限分割。胚胎分割技术是将同一胚胎分割成几部分，产生遗传物质完全相同的后代，因此是一种无性繁殖的方式，也属于动物克隆的一种方法。
5．为了加快优良种牛的繁殖速度，科学家采用了以下两种方法：
请根据图示信息回答：
(1)试管牛和克隆牛的培育过程中均用到的细胞工程技术有________________________。
(2)E牛的性别是________。
(3)产生F牛的理论依据是____________________，其生殖方式属于________________。
(4)要培育高产奶率的转基因牛，则目的基因的受体细胞一般是________，转基因牛乳腺细胞中含有较多的参与对分泌物加工的________________________等细胞器。
解析：(1)方法Ⅰ是试管动物培育过程，方法Ⅱ是体细胞克隆动物培育过程，二者均用到动物细胞培养和胚胎移植技术。(2)E牛是由A牛提供精子、B牛提供卵子，经体外受精形成的受精卵发育而来的，所以E牛的性别决定于A牛提供的是X精子，还是Y精子，故E牛可能是雌性，也可能是雄性。(3)F牛是克隆牛，是通过体细胞核移植技术培育而来的，其理论基础是动物细胞核具有全能性。由于此生殖过程没有两性生殖细胞结合成合子的过程，所以该生殖方式为无性繁殖。(4)由于受精卵大、全能性高，易操作，且导入后能分裂、分化表达性状，所以要培育高产奶率的奶牛，目的基因的受体细胞一般选用受精卵。参与乳腺细胞对分泌物加工的细胞器有：内质网、高尔基体和线粒体等。
答案：(1)细胞培养和胚胎移植
(2)雌性或雄性
(3)动物体细胞核具有全能性 无性繁殖
(4)受精卵 内质网、高尔基体和线粒体
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[课下综合检测]
一、选择题
1．关于体外受精技术，以下说法不正确的是( )
A．该技术主要包括采集精子、采集卵母细胞和受精等步骤
B．采集精子的方法主要是假阴道法
C．采集的精子可直接与发育成熟的卵子进行受精
D．通过超数排卵获得的卵子可直接与获能的精子进行受精
解析：选C 采集的精子需经获能处理后才能与成熟的卵子进行受精。
2．以下方法中，不属于采集卵母细胞的方法是( )
A．抽吸法 B．机械破碎法
C．超数排卵法 D．酶解法
解析：选D 酶解法是用纤维素酶和果胶酶去除植物细胞壁的方法。
3．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
解析：选B 进行胚胎早期培养的发育培养液，与动物细胞培养液相似，如都含有动物血清等物质。早期胚胎培养在本质上也可看做动物细胞培养。
4．下列关于试管动物技术的叙述，正确的是( )
A．应用该技术繁育后代的过程属于无性生殖
B．两亲本对试管动物核基因的贡献相同
C．试管动物技术是利用体细胞繁育后代的技术
D．试管动物技术培育动物的过程全部在体外进行
解析：选B 试管动物技术进行的是体外受精、胚胎移植，因为其后代的产生经过了两性生殖细胞的结合，所以属于有性生殖；试管动物的核遗传物质一半来自卵子，一半来自精子。
5．关于胚胎移植技术，下列叙述不正确的是( )
A．用于移植的胚胎既可以来自良种母畜，也可以来自体外受精得到的胚胎
B．体外早期胚胎的培养是在受精溶液中进行的
C．用于移植的胚胎需要发育到特定阶段再进行移植
D．该技术能充分发挥优良种畜的繁殖潜能
解析：选B 早期胚胎的培养应在发育培养液中进行。
6．供、受体母牛选择好后，要用激素进行同期发情处理的原因是( )
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A．防止受体牛不愿意接受胚胎
B．只有受体与供体的生理状态相同，被移植的胚胎才能继续正常发育
C．只要发情排卵后，供、受体生理状态各阶段时间内的变化完全相同
D．同期发情处理后，卵子和精子受精结合能力强
解析：选B 用激素对供体母牛和受体母牛进行同期发情处理，以使其处于相同的生理状态，便于被移植的胚胎继续正常发育。
7．下列关于胚胎移植优点的叙述，不正确的是( )
A．充分发挥雌性优良个体的繁殖潜力
B．大大缩短了供体本身的繁殖周期
C．经移植可得到多个后代
D．通过胚胎移植可以提供药物
解析：选D 胚胎移植可以实现一胎多产，经移植得到多个后代，充分发挥雌性优良个体的繁殖潜力；大大缩短了供体本身的繁殖周期，增加供体一生繁殖后代的数量。仅通过胚胎移植不可以提供药物，必须通过基因工程获得所需要的转基因生物，才能由转基因生物提供药物。
8．(江苏高考)软骨发育不全为常染色体显性遗传病，基因型为HH的个体早期死亡。一对夫妻均为该病患者，希望通过胚胎工程技术辅助生育一个健康的孩子。下列做法错误的是( )
A．首先经超数排卵处理后进行体外受精
B．从囊胚中分离细胞，培养后检测基因型
C．根据检测结果筛选基因型为hh的胚胎
D．将胚胎培养至原肠胚期后移植到子宫
解析：选D 体外受精时首先要利用相关激素处理雌性个体促进其排出更多的卵子，从而有利于提高体外受精的成功率；由于该对夫妇均为软骨发育不全患者，因此他们的孩子可能患病，也可能正常，因此应从囊胚中分离细胞，培养后检测其基因型，然后根据检测结果选择基因型为hh的胚胎进行胚胎移植；进行胚胎移植的最佳时期为桑葚胚期或囊胚期甚至更早，而不能选用原肠胚期的胚胎进行移植(原肠胚细胞已发生细胞分化)。
二、非选择题
9．控制哺乳动物的性别对于畜牧生产有着十分重要的意义。目前，分离精子技术是有效的性别控制方法。例如，牛的含X染色体的精子的DNA含量比含Y染色体的精子的DNA含量高出4%左右，利用这一差异人们借助特殊仪器将它们分离开来，再通过胚胎工程技术就可培育出所需性别的试管牛(如下图所示)。
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根据以上信息回答下列相关问题：
(1)图中过程①采集精子时，常采用________法，获得的精子经________诱导后才能受精。
(2)图中过程③通常采用________技术。在这个过程中________的精子与卵子相遇时，首先发生________反应释放出有关的酶直接溶解卵丘细胞之间的物质。防止多精入卵的生理反应有________________________________________________________________________。
(3)在体外培养受精卵时，除了给予一定量的O2以维持细胞呼吸外，还需要提供______________气体以维持______________。
(4)为了确保得到所需性别的试管牛，往往需要对移植前的胚胎进行性别鉴定，请举出一种对早期胚胎进行性别鉴定的方法：_________________________________________。
解析：(1)采集精子的方法主要有三种：手握法、假阴道法、电刺激法，对于牛常采用的方法是假阴道法，且采集后的精子需经化学药物诱导使之获能。(2)精子和卵子受精时会发生一些重要的生理反应，如顶体反应、透明带反应、卵细胞膜反应，其中后两者是防止多精入卵的主要生理过程。(3)在体外培养受精卵时，需要提供一定量的CO2以维持培养液的pH。(4)取早期胚胎细胞进行检测，如果含有Y染色体，一定是雄性，否则为雌性。
答案：(1)假阴道 化学药物(一定浓度的肝素或钙离子载体A23187溶液) (2)体外受精 获能 顶体 透明带反应和卵细胞膜反应 (3)CO2 培养液(基)的pH (4)分析胚胎细胞的染色体组型(其他合理答案也可)
10．下面为牛胚胎移植示意图，请据图回答：
(1)胚胎移植对供体母牛、供体公牛、受体母牛的要求分别是____________、____________、____________。
(2)供体母牛和供体公牛是否为同一物种？为什么？
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________________________________________________________________________
(3)②处理的方法是________________________。
(4)一次给受体移入的胚胎，产生的多个后代，其基因型一定相同吗？为什么？________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(5)⑤过程产生的犊牛的遗传物质与⑥的遗传物质是否相同？________，为什么？________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(6)进行胚胎移植的意义是_________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：(1)胚胎移植时选用的供体母牛、供体公牛应是具有某种优良性状的良种牛，受体母牛为普通健康牛即可。(2)供体母牛和供体公牛应为同一物种，否则会因存在生殖隔离而不能受精，或受精后产生的胚胎不能正常发育。(3)胚胎移植时通常用激素对供体母牛做超数排卵处理。(4)一次给受体移入的胚胎其基因型可能相同，也可能不同。如果供体母牛和供体公牛都是纯合子，其基因型相同，否则，不能确定。(5)因为⑤过程产生的犊牛的遗传物质来源于供体母牛和供体公牛，且供体胚胎的遗传特性在孕育过程中不受受体母牛的影响，所以犊牛与⑥的遗传物质不同。(6)胚胎移植可以提高优良个体的繁殖能力及加速品种改良。
答案：(1)良种健康母牛 良种健康公牛 普通健康母牛
(2)同一物种 因为不同物种间存在生殖隔离
(3)注射激素
(4)不一定 供体母牛与供体公牛不一定都是纯合子
(5)不相同 因为犊牛的遗传物质来源于供体母牛和供体公牛，且供体胚胎的遗传特性在孕育过程中不受受体母牛的影响
(6)提高优良品种家畜的繁殖能力和加速品种改良
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