2021版高考生物一轮复习4胚胎工程教案新人教版选修3 12页

- 1 - 胚胎工程 考点一 受精作用和早期胚胎发育和培养 1.试管动物与克隆动物的比较： 比较 项目 试管动物 克隆动物 技术 基础 体外受精、胚胎移植 核移植技术、细胞培养、胚胎(分割) 移植 实例 试管牛 多利羊 过程 生殖 方式 有性生殖 无性生殖 遗传 物质 遗传物质来自两个个体 遗传物质大部分来自供核生物体 意义 充分发挥雌性优良个体的繁殖潜 力，缩短供体本身的繁殖周期 加速家畜遗传改良进程、挽救濒危物种 等 2.胚胎发育过程： - 2 - 【高考警示】 关于体内受精的四个易混点 (1)精子获能是指精子获得受精“能力”，而不是获得能量；排卵是指卵子从卵泡中排出，而 不是卵泡从卵巢中排出。 (2)动物排出的卵子成熟程度不同，有的可能是次级卵母细胞，如猪、羊等；有的可能是初级 卵母细胞，如马、犬等。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。 (3)受精的标志≠受精完成的标志：受精的标志是在透明带和卵细胞膜之间观察到两个极体； 而受精完成的标志是雌、雄原核的融合。 (4)受精卵遗传物质的来源：核遗传物质来自精子的细胞核与卵细胞的细胞核(即精卵各提供 1/2)，而细胞质的遗传物质几乎全部来自卵细胞。 【典例】(2019·蚌埠模拟)2017 年岁末，孙强、蒲慕明领导的研究团队在国际上首次利用体 细胞成功创建克隆猕猴“中中”“华华”。2018 年 2 月，它们的“家庭”也迎来第三个成员 ——“梦梦”。之所以引起轰动是因为高度分化的体细胞细胞核中的基因大多数已经“沉默”， 取得成功非常不易。体细胞克隆猴的诞生，是人类认识克隆技术，研究细胞功能和治疗性克 隆的里程碑式研究结果。同时，也是人类干细胞研究方兴未艾事业的一个开始。克隆上述三 只猴子的一般操作流程如图，请回答以下问题： (1)从流产的一只猕猴胎儿皮肤上获取单个细胞需要用胰蛋白酶(或胶原蛋白酶)处理。然后放 入气体条件是_______________的恒温箱中培养。 - 3 - (2)请你推测注入的神秘浓度比的药物的作用是__________________________。注入细胞的方 法是_______________。 (3)卵母细胞要发育到_______________时才适合进行核移植，早期胚胎要发育到 _______________时才适合进行胚胎移植。 (4)我们大胆推测，通过体细胞克隆猴的研究，我们将来会找到方法，让高度分化的人体细胞 逆向生成_______________，并克隆出_______________用于替换人体相应病变结构。 【解析】(1)动物细胞培养的气体条件是 95%空气加 5%CO2，其中空气中 O2 能满足细胞的呼吸作 用，5%CO2 能维持培养液的 pH。(2)结合题意“高度分化的体细胞细胞核中的基因大多数已经 “沉默”分析，注入的神秘浓度比的药物的作用是唤醒体细胞核的“沉默”基因，使得重组 细胞能恢复分化能力形成胚胎。注入动物受体细胞的方法通常选择显微注射法。(3)用于受精 和接受细胞核的卵母细胞都需要发育到 MⅡ中期，早期胚胎要发育到囊胚期时才适合进行核移 植。(4)让高度分化的人体细胞逆向生成胚胎干细胞，并克隆出人体器官用于替换人体相应病 变结构，是科学家们继续进行研究的课题。 答案：(1)95%空气加 5%CO2(或 5%CO2) (2)唤醒“沉默”的基因，使得细胞能恢复分化能力形成胚胎 显微注射法 (3)M Ⅱ中期 囊胚期 (4)胚胎干细胞 人体器官 (1)获能后的精子与卵子相遇时会发生顶体反应，随后引起卵细胞发生透明带反应和卵细胞膜 反应，防止多精入卵。 (2)早期胚胎发育的过程包括哪些阶段？在什么阶段出现细胞分化？ 提示：早期胚胎发育的过程是受精卵→卵裂期→桑椹胚→囊胚→原肠胚。在囊胚阶段出现细 胞分化。 (2019·永州模拟)“三合一”胚胎人工授精技术诞生的婴儿含有“一父两母”三人的遗传 物质，可有效防止某些遗传病的发生。据图回答下列问题： (1)诞生“三亲婴儿”的过程中，用到的胚胎工程技术有_______________(至少写两种)。 - 4 - (2)三亲婴儿的体细胞中有_______________(填“大于”“等于”或“小于”)1/2 的 DNA 来自 母亲卵母细胞。 (3)由于女性的自然生理周期产生的卵子太少，捐献者在取卵前通常需要注射 _______________来促进排卵，该物质可由人体的_______________(填器官)分泌。 (4)卵母细胞与精子体外受精后，应将受精卵移入发育培养液中继续培养，以检查 _______________。获得的早期胚胎若暂不移植给受体，可采用_____________法保存。 (5)从早期胚胎中分离出的 ES 细胞可诱导分化出不同的组织细胞，这是因为在功能上，ES 细 胞具有_______________。ES 细胞在形态上表现为_________。 【解析】(1)诞生“三亲婴儿”的过程中，需用到技术有核移植、体外受精、早期胚胎培养和 胚胎移植。但核移植属于细胞工程，因此用到的胚胎工程技术有体外受精、早期胚胎培养和 胚胎移植。(2)重组细胞的细胞核 DNA 来自母亲卵母细胞，细胞质 DNA 来自捐献者卵母细胞， 核移植后培养到 MⅡ中期的卵母细胞，然后与精子进行体外受精，则“三亲婴儿”的体细胞中 核 DNA 一半来自母亲卵母细胞、一半来自精子，细胞质 DNA 几乎全部来自捐献者卵母细胞， 因此“三亲婴儿”的体细胞中有小于 1/2 的 DNA 来自母亲卵母细胞。(3)捐献者在取卵前通常 需要注射促性腺激素来促进排卵，促性腺激素由垂体分泌。(4)卵母细胞与精子体外受精后， 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。获得的早期 胚胎，若暂不移植给受体，可采用冷冻法保存。(5)由于 ES 细胞具有发育的全能性，因此可 诱导分化出不同的组织细胞。另外 ES 细胞在形态上表现为体积小、细胞核大、核仁明显。 答案：(1)体外受精、早期胚胎培养、胚胎移植 (2)小于 (3)促性腺激素 垂体 (4)受精状况和受精卵的发育能力 冷冻 (5)发育的全能性 体积小、细胞核大、核仁明显 【提分技法】 判断“顶体反应、透明带反应、卵细胞膜的作用”的方法 (1)从发生时间看：顶体反应发生在精子与卵子相遇时；透明带反应发生在精子触及卵黄膜的 瞬间；卵细胞膜的作用发生在精子入卵后。 (2)从生理作用看：顶体反应是顶体内释放的酶直接溶解卵丘细胞间的物质使精子穿越放射 冠；透明带反应是防止多个精子穿越透明带，是防止多精入卵的第一道屏障；卵细胞膜的作 用也是防止其他精子入卵，是防止多精入卵的第二道屏障。 【加固训练】 - 5 - (2015·山东高考)治疗性克隆对解决供体器官缺乏和器官移植后免疫排斥反应具有重要 意义。流程如下： (1)过程①采用的是细胞工程中的________技术，过程②采用的是胚胎工程中的_________技 术。 (2)体细胞进行体外培养时，所需气体主要有 O2 和 CO2，其中 CO2 的作用是维持培养液(基)的 _____________。 (3)如果克隆过程中需进行基因改造，在构建基因表达载体(重组载体)时必须使用________和 ________两种工具酶。基因表达载体上除目的基因外，还需有_________基因，以便选出成功 导入基因表达载体的细胞。 (4)胚胎干细胞可以来自囊胚中的_________。在一定条件下，胚胎干细胞可以分化形成不同 的组织器官。若将图中获得的组织器官移植给个体_________(填“A”或“B”)，则不会发生 免疫排斥反应。 【解析】(1)过程①表示将从体细胞中分离出的细胞核与去核的卵(母)细胞重组形成重组细胞 的过程，因此采用的是细胞工程中的(体细胞)核移植技术。过程②表示将重组细胞培养成早 期胚胎的过程，所以采用的是胚胎工程中的(早期)胚胎培养技术。 (2)在动物细胞培养时，CO2 的主要作用是维持培养液(基)的 pH(或酸碱度)。 (3)在基因工程中，构建基因表达载体(重组载体)时，必须使用限制性(核酸)内切酶(或限制 酶)和 DNA 连接酶。基因表达载体的组成，除目的基因外，还必须有启动子、终止子以及标记 基因等，其中标记基因的作用是筛选出成功导入基因表达载体的细胞。 (4)胚胎干细胞可以来自囊胚中的内细胞团。图中获得的重组细胞，其细胞核来自个体 B，由 其培养形成的组织器官的遗传物质组成几乎与个体 B 完全相同，因此将该组织器官移植给个 体 B 不会发生免疫排斥反应。 答案：(1)(体细胞)核移植 (早期)胚胎培养 (2)pH(或酸碱度) (3)限制性(核酸)内切酶(或限制酶) DNA 连接酶(注：两空可颠倒) 标记 (4)内细胞团 B - 6 - 考点二 胚胎工程的应用和前景 1.胚胎移植： (1)理论基础： 胚胎移入的基础 哺乳动物发情排卵后，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 胚胎收集的基础 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 移入胚胎存活的基 础 受体对移入子宫的外来胚胎基本上不发生免疫排斥反应 保留遗传特性的基 础 供体胚胎可与受体子宫建立正常的生理和组织联系，但供体胚胎的遗传 特性在孕育过程中不受影响 (2)基本程序： (3)胚胎移植的几个关键环节。 ①胚胎移植是胚胎工程其他技术的最后一道“工序”，移植的胚胎必须在原肠胚之前，不能 直接移植受精卵。 - 7 - ③胚胎移植的供体和受体必须是同种生物，同一物种的动物才有可能具有相同的生理特征。 ④两次检查：a.收集胚胎进行质量检查；b.移植后进行是否妊娠检查。 ⑤冲卵含义：冲出早期胚胎，不是冲出卵子。 2.胚胎分割： 【高考警示】 胚胎分割、胚胎移植中的三个易混点 (1)胚胎移植过程中冲卵冲出的是早期胚胎，而体外受精过程中排出的是初级卵母细胞或次级 卵母细胞。 (2)能和精子结合的卵子主要是处于减数第二次分裂中期的次级卵母细胞，在与精子的结合过 程中完成减数第二次分裂。 (3)胚胎干细胞的特征是体积小、细胞核大、核仁明显，具有发育的全能性。 【典例】(2019·江苏高考)利用基因编辑技术将病毒外壳蛋白基因导入猪细胞中，然后通过 核移植技术培育基因编辑猪，可用于生产基因工程疫苗。如图为基因编辑猪培育流程，请回 答下列问题： - 8 - (1)对 1 号猪使用___________处理，使其超数排卵，收集并选取处在___________(时期)的卵 母细胞用于核移植。 (2)采集 2 号猪的组织块，用___________处理获得分散的成纤维细胞，放置于 37 ℃的 CO2 培 养箱中培养，其中 CO2 的作用是___________________。 (3)为获得更多基因编辑猪，可在胚胎移植前对胚胎进行___________。产出的基因编辑猪的 性染色体来自___________号猪。 (4)为检测病毒外壳蛋白基因是否被导入 4 号猪并正常表达，可采用的方法有___________(填 序号)。 ①DNA 测序 ②染色体倍性分析 ③体细胞结构分析 ④抗原—抗体杂交 【解析】(1)据图分析可知，1 号猪提供的是卵母细胞，注射促性腺激素可使其超数排卵，获 得的卵母细胞需要培养到减数第二次分裂中期才能进行核移植。(2)需要先用胰蛋白酶或胶原 蛋白酶处理 2 号猪的组织块，使其分散成单个的成纤维细胞。该细胞的培养应在 37 ℃含 5% 的 CO2 的恒温培养箱中进行，其中 CO2 的主要作用是维持培养液的 pH。(3)利用胚胎分割技术 对早期胚胎进行分割，可以获得更多的相同遗传物质组成的基因编辑猪；核移植的重组细胞 的细胞核来自 2 号猪，因此产出的基因编辑猪的性染色体来自 2 号猪。(4)可以采用 DNA 分子 杂交法检测目的基因的序列，检测病毒外壳蛋白基因(目的基因)是否导入 4 号猪；目的基因 表达的最终产物属于蛋白质成分(病毒外壳蛋白)，因此可以利用抗原-抗体杂交法进行检测， 所以选①④。 答案：(1)促性腺激素 减数第二次分裂中期 (2)胰蛋白酶(胶原蛋白酶) 维持培养液的 pH (3)分割 2 (4)①④ 胚胎分割产生的两个或多个个体的遗传物质相同吗？为什么？ - 9 - 提示：相同。胚胎是由一个受精卵经过有丝分裂形成的，故胚胎分割产生的两个或多个个体 的遗传物质相同。 小鼠(2N=40)是常用的实验动物。研究人员通过如图所示的流程培育出了雄性小鼠 A 和小鼠 B。在不考虑基因突变的情况下，回答下列问题： (1)可通过_______________技术将桑椹胚移入代孕母鼠子宫内，使其继续发育。从生理学基 础看，代孕母鼠对移入子宫的胚胎基本不发生_______________，这为胚胎在受体内存活提供 了可能。 (2)经检测，第一极体的染色体数目正常，则在正常情况下，图中所示的卵母细胞应含有 _______________个核 DNA，从 8 细胞胚中取下的细胞在有丝分裂中期时含有的染色体数目是 _______________条。 (3)若提供精子的雄鼠基因型是 XbY，提供卵母细胞的雌鼠基因型是 XBXb，第一极体和 8 细胞胚 取下的细胞中均检测到有基因 B，原因是_______________。 (4)利用克隆技术培育小鼠 B 的过程，需要去除卵母细胞的_______________。小鼠 B 的性状 与小鼠 A 不完全相同，从遗传物质的角度分析，其原因是 _________________________________。 【解析】(1)可通过胚胎移植技术将桑椹胚移入代孕母鼠子宫内，使其继续发育。从生理学基 础看，代孕母鼠对移入子宫的胚胎基本不发生免疫排斥，这为胚胎在受体内存活提供了可能。 (2)卵母细胞的核 DNA 数与体细胞一样，都是 40 个核 DNA，8 细胞胚是由受精卵发育而来的， 所以其染色体数和体细胞相同，有丝分裂中期着丝点未分裂，故其染色体数为 40 条。(3)8 细 胞胚取下的细胞中检测到有基因 B，说明是卵母细胞有 B 基因，第一极体也检测到 B 基因，说 明在第一次减数分裂前期时发生了两条 X 染色体的交叉互换。(4)利用克隆技术培育小鼠 B 的 过程，需要去除卵母细胞的细胞核。小鼠 B 的性状与小鼠 A 不完全相同，从遗传物质的角度 分析，其原因是小鼠 B 与小鼠 A 核基因相同，其控制的性状基本相同，但小鼠 B 的细胞质基 因来自克隆时选取的卵母细胞，细胞质基因决定的性状则会与小鼠 A 不同。 答案：(1)胚胎移植 免疫排斥 (2)40 40 (3)卵母细胞在减数第一次分裂前期两条 X 染色体之间发生了交叉互换 - 10 - (4)细胞核 小鼠 B 与小鼠 A 核基因相同，其控制的性状基本相同，但小鼠 B 的细胞质基因 来自克隆时选取的卵母细胞，细胞质基因决定的性状则会与小鼠 A 不同 判断胚胎移植程序的方法 胚胎移植中有三个重要的“两次”，可据此判断：“两次使用激素”“两次例行检查”“两 牛提供性状”，具体如下： (1)两次使用激素是指：第一次是对供、受体进行同期发情处理；第二次用于供体的超数排卵。 (2)两次例行检查是指：第一次对收集的胚胎进行检查；第二次对受体母牛是否妊娠进行检查。 (3)两牛提供性状是指：产下的犊牛性状取决于所用公牛和供体母牛，性别取决于供体公牛提 供何种类型的精子，二者与受体母牛没有关系。 【加固训练】 1.(2015·重庆高考)某课题组为解决本地种奶牛产奶量低的问题，引进了含高产奶基因但对 本地适应性差的纯种公牛。 (1)拟进行如下杂交： ♂A(具高产奶基因的纯种)×♀B(具适宜本地生长基因的纯种)→C 选择 B 作为母本，原因之一是胚胎能在母体内正常___________。若 C 中的母牛表现为适宜本 地生长，但产奶量并未提高，说明高产奶是_______性状。为获得产奶量高且适宜本地生长的 母牛，根据现有类型，最佳杂交组合是________，后代中出现这种母牛的概率是________(假 设两对基因分别位于不同对常染色体上)。 (2)用以上最佳组合，按以下流程可加速获得优良个体。 精子要具有受精能力，需对其进行___________处理；卵子的成熟在过程_______中完成。在 过程④的培养基中含有葡萄糖，其作用是______________________。为筛选出具有优良性状 的母牛，过程⑤前应鉴定胚胎的_______________。子代母牛的优良性状与过程_________的 基因重组有关。 (3)为了提高已有胚胎的利用率，可采用_______技术。 【解题指南】 - 11 - (1)隐含信息：胚胎移植条件、体外受精的条件。 (2)关键知识：杂交育种原理与应用、体外受精技术、胚胎移植技术、胚胎分割技术。 【解析】本题考查基因的自由组合定律和胚胎工程。 (1)选择 B 作为母本，原因之一是胚胎能在母体内正常生长发育或胚胎发育，即不发生免疫排 斥且能发生生理组织联系；由交配结果可知，高产奶和不适宜本地生长是隐性性状；假设 M/m 控制产奶性状，N/n 控制适宜不适宜本地生长性状，则牛 A、B、C 的基因型分别是：mmnn、MMNN、 MmNn，因两对基因分别位于不同对常染色体上，利用基因重组的原理，要获得产奶量高且适 宜本地生长的母牛，应选择♂A 与♀C 杂交，即 mmnn×MmNn，后代中出现产奶量高且适宜本地 生长的母牛的概率为 1/2(mm)×(1/2)(Nn)×(1/2)(雌性)=1/8。 (2)精子在受精前需进行获能处理，卵子的减数第二次分裂在受精作用即过程③中才得以完 成；体外培养胚胎时，需在培养液中提供葡萄糖等物质以保证充足的能量供应。为筛选出具 有优良性状的母牛，过程⑤前应鉴定胚胎的性别，以及是否具有高产奶和适宜本地生长等优 良基因，子代母牛的优良性状与过程②(产生 mN 卵子的减数分裂过程)的基因重组有关。 (3)利用胚胎分割，可同时获得多个基因型相同的后代，提高了已有胚胎的利用率。 答案：(1)生长发育或胚胎发育 隐性 ♂A×♀C 1/8 (2)获能或增强活力 ③ 供能 性别、高产奶和适宜本地生长的基因 ② (3)胚胎分割 2. (2015·安徽高考)科研人员采用转基因体细胞克隆技术获得转基因绵羊，以便通过乳腺生 物反应器生产人凝血因子 IX 医用蛋白，其技术路线如图。 (1)由过程①获得的 A 为_______________。 (2)在核移植之前，必须先去掉受体卵母细胞的核，目的是________________。受体应选用 _________期卵母细胞。 (3)进行胚胎移植时，代孕母羊对移入子宫的重组胚胎基本上不发生________，这为重组胚胎 在代孕母羊体内的存活提供了可能。 (4)采用胎儿成纤维细胞进行转基因体细胞克隆，理论上可获得无限个转基因绵羊，这是因为 ____________________。 【解题指南】(1)图示信息：构建基因表搭载体、导入受体细胞、通过核移植技术培育转基因 动物。 (2)隐含信息：核移植时取材的原因、胚胎移植时供体与受体的选择技巧。 - 12 - 【解析】本题主要考查基因工程操作步骤、核移植技术、胚胎移植知识。 (1)由题图信息可知，①表示将人凝血因子 IX 基因与运载体结合，并且获得含有人凝血因子 IX 基因的基因表达载体 A。 (2)为了保证重组细胞中的核遗传物质来自整合有目的基因的成纤维细胞，在核移植之前，必 须先去掉受体卵母细胞的细胞核。MⅡ期卵母细胞中不仅含有重组需要的因子，而且细胞已达 到成熟状态，所以受体选用 MⅡ期卵母细胞。 (3)进行胚胎移植时，代孕母羊对移入子宫的重组胚胎基本上不发生免疫排斥反应，这为重组 胚胎在代孕母羊体内的存活提供了可能。 (4)整合有目的基因的成纤维细胞可进行传代培养，通过传代培养可产生大量整合有目的基因 的成纤维细胞用于核移植，理论上可以不断采用胎儿成纤维细胞进行转基因体细胞克隆，最 终获得无限个转基因绵羊。 答案：(1)含目的基因的表达载体 (2)保证核遗传物质来自含目的基因的成纤维细胞 MⅡ (3)免疫排斥反应 (4)整合有目的基因的成纤维细胞可进行传代培养