从社会中来
我国对奶类的总需求量很大，但与奶业发达的国家相比，我国奶牛的单产水平还存在一定差距奶牛品种是影响产奶量的主要因素之一，而引进一头成年奶牛往往需要 数万元，高昂的价格使得靠大量引进优良品种来提高产量不太可行"能不能让引进的良种奶牛快速、大量繁殖呢？遗憾的是，牛的生育率很低，一头母牛一胎一般只产一头犊牛，一生约生育四五次如何解决这个难题呢？
提示：可以通过体外受精、胚胎分割等技术获得多个良种奶牛的胚胎，然后移植给代孕母牛生下后代。
第1小节
思考 •讨论
1. 表中哪种动物的胚胎在进入子宫时发育程度最高？
答案：比较而言，马的胚胎进入子宫时，发育程度最高,它处于囊胚阶段。
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？
答案：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。
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。
提示：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。
练习与应用
一、概念检测
1. 判断下列有关哺乳动物的表述是否正确。
(1) 在自然条件下，受精在子宫中完成。(×)
(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)
A. 在桑椹胚阶段，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. 桑椹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、拓展应用
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。
答案：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。
2. 精子在雌性动物的生殖道内是如何获能的？除了教材中介绍的，防止多精入卵的机制还有哪些？感兴趣的话，请通过查阅相关资料或请教专家来进行了解。关于受精作用，你还能提出其他问题吗？
提示：出题的目的不是让学生准确地答出精子获能的机制和防止多精入卵的具体机制，而是鼓励有兴趣的学生去査阅资料或请教专家，并引导他们去査阅相对专业的书籍，这是学习的深入过程。这里涉及的问题，在普通生物学或者一般的细胞工程专著中可能找不到答案，需要查阅生殖生物学相关书籍。通过查阅专业资料，学生能了解到，精子获能的机制很神奇，防止多精入卵的机制同样神奇而且非常复杂，这都是机体在长期进化的过程中形成的、用来保障本物种延续的机制。
精液由精子和精浆两部分组成。精浆中含有一种能抑制精子获能的物质，因此在一般情况下，精液中的精子无法获能。只有当交配后精液进入雌性动物的生殖道时,由生殖道分泌产生些物质解除对精子获能的抑制，才能引起精子获能。不同动物的精子在雌性动物生殖道内获能的部位可能会所有差异，但主要是在子宮和输卵管中。精子的获能涉及以下变化：雌性动物生殖道分泌的一些物质使精子表面的物质发生变化(如某些酶将顶体表面的糖蛋白降解)；精子表面膜结构一些物质的比例发生变化；膜的通透性发生变化等。这些变化可以暴露出精子表面与卵细胞相识别的受体，改变精子的活力，为后续受精做准备。
关于防止多精人卵的机制，教材只进行了简单介绍，内容主要涉及防止多精入卵的两道重要屏障：透明带反应和卵细胞膜反应。它们分别发生在精子穿越透明带触及卵细胞膜的瞬间及精子入卵之后。如果学生査阅专业书籍，还会发现，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能到达受精部位；在精子和卵细胞识別后会发生一些反应，如卵细胞表面的精子识别受体很快发生分子修饰，使后来的精子表面的卵细胞结合蛋白不能识别受体等。具体的生理、生化机制，请参阅有关专著。
第2小节
思考 •讨论
1. 将检验合格的胚胎移植到任何一个受体的子宫内，胚胎都能正常发育吗？如果 不能，在胚胎移植前应该对受体进行怎样的 处理？
答案：不一定能正常发育。一般情况下检验合格的胚胎需要移植到同种的、生理状态相同的受体子宫内，胚胎才能继续发育。在胚胎移植前要对受体进行同期发情处理,使供体和受体生殖器官的生理变化同步，这样才能为供体的胚胎移入受体提供相同的生理环境。
2. 受体会不会对来自供体的胚胎发生免疫排斥反应？
答案：受体对来自供体的胚胎基本上不会发生免疫排斥反应。
3.胚胎移植后，经受体孕育的后代，其遗传特性与供体还是受体保持一致？为什么？
答案：胚胎移植后,经受体孕育的后代的遗传特性与供体保持一致。因为供体胚胎与受体子宫建立的仅是生理和组织上的联系，其遗传物质在孕育过程中不会发生任何变化。
4. 胚胎移植实质上是早期胚胎在相同生理环境条件下空间位置的转移。你认为这 样的概括正确吗？为什么？
答案：正确。因为胚胎移植的成功率与供体、受体生理环境条件的一致性密切相关。只有供体、受体生理环境条件高度一致，移人受体的胚胎才能被接受，并继续发育。所以，我们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。
到社会去
荷斯坦奶牛是世界上产奶量最高的奶牛品种之一某良种公司引进了纯种荷斯坦奶牛,并用胚胎分割技术繁育了良种荷斯坦奶牛群体如果你是一名科技专栏的记者，现在需要写 一篇关于用胚胎分割技术緊育良种奶牛的报道，请写出你准备向胚胎工程专家提出的三个问题，然后与其他同学交换问题，再以访谈录的形式回答他提出的问题(可通过查阅网络、书 籍上的资料或向专家请教等方式解决自己回答不出的问题)。
提示：学生可以向胚胎工程专家提出的问题有：公司繁育成功的良种奶牛是将胚胎几等分得到的后代？采用胚胎分割技术，理论上一头纯种荷斯坦奶牛一年可由代孕母牛生下多少头小牛？实际得到了多少头？如果理论值与实际值存在差异，产生差异的原因是什么？胚胎分割后经移植获得的同卵双胎或多胎，是否保持了良种奶牛所有的优良性状？是否有生理缺陷？等等。
练习与应用
一、概念检测
1. 体外受精和胚胎移植都是在医学和农业 生产上应用较多的胚胎工程技术。判断下列相关 表述是否正确。
(1) 采集来的卵母细胞和精子可以直接用于体外受精。 (×)
(2) 经胚胎移植产生的后代，苴遗传特性与受体保持一致。 (×)
(3) 进行胚胎移植前，要对供体和受体进行免疫检査，以防止发生免疫排斥反应。 (×)
2. 杜泊羊以其生长速度快、肉质好等优点， 成为受广大消费者喜欢的绵羊品种。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。
(1) 请将图中括号内的内容补充完整。
答案：体外胚胎培养 胚胎移植。
(2) 为了获得数量较多的卵母细胞，可以对 雌性杜泊羊进行怎样的处理？
答案：可以对雌性杜泊羊进行超数排卵处理。
(3) 在进行体外受精操作之前，还要对获得的卵母细胞和精子进行怎样的处理？
答案：要对采集到的卵母细胞进行成熟培养，对采集到的精子进行获能处理。
二、拓展应用
北方白犀牛曾经广泛分布于非洲中部等地, 但由于猖獗的盗猎和自然栖息地的丧失，它们的 数量不断减少。2018年3月，世界上最后一头雄 性北方白犀牛去世，该物种仅剩下两头雌性。在 此之前，研究人员设法保存了北方白犀牛的精子。请回答下列问题。
(1) 我们可以使用哪些现代生物技术来人工 繁育北方白犀牛？运用这些技术一定能繁育成功 吗？请说出你的理由。
提示：可以使用人工授精、体外受精、胚胎移植、体细胞核移植等技术来人工繁育北方白犀牛。运用这些技术不一定能成功繁育北方白犀牛，因为任何一项技术都不能保证百分之百的成功率，何况现存的北方白犀牛数量极少。
(2) 如果繁育成功，这样人工繁育的种群与 野生种群相比，有什么区别？
答案：这样人工繁育的种群与野生种群相比，遗传多样性会降低，野外生存能力也会下降。
(3) 如果繁育不成功，这一物种将永远从地 球上消失，从中我们能得到怎样的教训？
提示：多种多样的生物是生态系统的重要成员，是一个个独特的基因库。任何一个物种的灭绝都可能产生多米诺效应，使其他相关物种受到影响，进而威胁到生态系统的平衡与稳定。保护濒危的野生动物，保护生物多样性刻不容缓。
复习与提高
一、概念检测
1. 若下图表示细胞工程操作中的某些过程, 请回答下列问题。
(1)如果A、B分别是白菜和甘蓝的原生质体，则C细胞再生出细胞壁后需要通过什么技 术才能发育成杂种植株“白菜-甘蓝”？若白菜和甘蓝杂交产生了子代，该子代是否可育？为什么？
答案：植物组织培养技术白菜和甘蓝杂交产生的子代没有同源染色体，进行减数分裂时联会发生紊乱，不能形成正常的配子，所以该子代一般不可育。
(2)若该图表示抗丙肝病毒的单克隆抗体制备过程中的一环，A细胞是小鼠骨髓瘤细胞，则B细胞表示什么？符合要求的C细胞应具有哪些 特点？
答案：B淋巴细胞能大量增殖并能产生抗丙肝病毒的抗体。
(3)如果A、B分别是取自优良奶牛的卵细胞和精子，在进行体外受精时，一般要把A细胞 培养到什么时期？B细胞则要经过什么处理才能 与A细胞结合为受精卵？
答案：减数分裂Ⅱ中期(MⅡ期)获能处理。
2. 2015年10月，我国科学家屠呦呦因发现 青蒿素可以有效降低疟疾患者的死亡率而获得了 诺贝尔生理学或医学奖。青蒿素类药物的市场需 求很大，请你根据所学内容及以下信息，提出一条提高青蒿素类药物产量的研究思路。
(1) 青蒿素的衍生物 双氢青蒿素也是很 好的抗疟疾药物，并且它的药物活性比青蒿素的 高很多；
(2) 青蒿素是从黄花蒿中提取的，在黄花蒿产生青蒿素的代谢过程中，某些酶(如FPS酶) 起决定性作用；
(3) 野生黄花蒿在生长过程中，处于花蕾期时体内青蒿素含量最高；
(4) 研究人员在对黄花蒿进行组织培养时，发现它的愈伤组织中没有青蒿素，但是由愈伤组织再分化形成的芽和苗中均有青蒿素；
(5) 四倍体黄花蒿体内青蒿素的含量比二倍体髙38%,但四倍体植株比二倍体植株矮小很多。
提示：本题看似是从几个选项中选择一个即可，其实并不是如此简单。出题的目的是考查批判性思维最后阶段的技能,即作出决策。有研究者认为，批判性思维的目标在于作出明智的决定、得出正确的结论。在作出决策时，决策者掌握的资料应该正确、完整，应该能提出替代方案。所以，在解答类似的习题时，需要引导学生思考：这些信息够你作决定用吗？如果不够用，你认为还需要补充什么信息？哪些信息是你作决定时参考的关键信息？你作决定时，考虑备选方案了吗?题干中列出的五条信息指明的方向，都有研究者在研究，也都有提高青蒿素类药物产量的可能性。每个学生都有自己的思考和见解，应该让他们结合自己的理解或者假设的其他条件来进行判断和选择。
3. 在章首页中介绍的体细胞克隆猴的培育过程中，我国科学家经过多年的反复试验，可以在10 s之内对卵母细胞进行去核操作，在15s之内将体细胞注入去核的卵母细胞里。有评论者认为：该研究的研究者利用“聪明的化学方法和操作技巧”，攻克了多年来导致体细胞克隆猴失败的障碍。培育克隆猴的流程如下图所示，请结合图回答问题。
(1) 研究人员在将胎猴的体细胞注入去核的卵母细胞前，用灭活的仙台病毒进行了短暂处理。在此过程中，灭活的仙台病毒所起的作用是什么？
答案：诱导细胞融合。
(2)为了调节相关基因的表达，提高胚胎的发育率和妊娠率，研究人员将组蛋白去甲基化酶 Kdm4d的mRNA注入了重构胚，同时用组蛋白脱 乙酰酶抑制剂TSA处理了它。这两种物质发挥作 用的机制是什么？
答案：这两种物质都是通过改变组蛋白的表观遗传修饰来调控基因表达。组蛋白去甲基化酶Kdm4l的mRNA可以表达组蛋白去甲基化酶，该酶能降低组蛋白的甲基化水平；组蛋白脱乙酰酶抑制剂TSA可以抑制组蛋白脱乙酰酶的作用，提高组蛋白的乙酰化水平。
(3)评论者所说的培育过程中用到的“聪明的化学方法和操作技巧”，你认为具体体现在什么地方？
答案：“聪明的化学方法”是指对重构胚的处理用了TSA以及将组蛋白去甲基化酶Kdm4d的mRNA注人了重构胚，这可以促进囊胚的发育和提高代孕母猴的妊娠率。“操作技巧”是指科学家经过大量的训练，能在10s内完成对卵母细胞的去核操作，能在15s内将体细胞注入去核的卵母细胞，这样迅速的操作大大减少了对卵母细胞的损伤。
(4)你认为体细胞克隆猴的成功培育有什么意义？
提示：在医学研究中通常需要用到遗传背景相似或相同的实验动物，这样实验组和对照组的比较才更具有说服力。小鼠因其能快速地进行近亲繁殖，产生大量遗传背景相似的后代，而被广泛用作实验动物。但是小鼠与人的亲缘关系太远，很多在小鼠体内有效的候选药物，用在人身上不一定有效，或有很大的副作用；在小鼠体内存在的致病机制也不一定存在于人体内。由于猴与人的亲缘关系极近，培育大批具有相同遗传背景的克隆猴，对人类疾病致病机制的研究和新药的研发等具有重要意义。特别是在脑研究方面，克隆猴的培育将大大促进人类脑疾病的研究和治疗。例如，我们可以培育一批“模型猴”，标记它们的某一类神经元，追踪其神经连接，由于这些猴的遗传背景一致，所以在研究中可以最大限度排除由基因差异造成的大脑结构形状不ー的问题。克隆猴的成功培育标志着我国在非人灵长类疾病动物模型研究方面处于国际领先水平。（其他合理答案均可)
