2021高三生物人教版一轮教师用书：选修3第3讲　胚胎工程　生物技术的安全性和伦理问题

第3讲　胚胎工程　生物技术的安全性和伦理问题1.动物胚胎发育的基本过程与胚胎工程的理论基础(Ⅰ)2.胚胎干细胞的移植(Ⅰ)3.转基因生物的安全性(Ⅰ)4.胚胎工程的应用(Ⅱ)5.生物武器对人类的威胁(Ⅰ)6.生物技术中的伦理问题(Ⅰ)　1.试管动物和胚胎移植的基本操作流程。(科学思维)2.胚胎工程的应用。(科学探究)3.正确看待设计试管婴儿、禁止生殖性克隆和转基因生物的安全性以及生物武器对人类的威胁等。(社会责任)  体内受精和早期胚胎发育1．精子与卵子的发生(1)二者的比较项目精子的发生卵子的发生场所睾丸曲细精管卵巢时间从初情期开始胚胎出现性别分化后和初情期以后变形需变形不需变形分裂均等分裂不均等分裂(第一极体分裂除外)结果形成4个精子形成1个卵子和3个极体(2)二者的联系①原始生殖细胞的增殖方式为有丝分裂。②原始生殖细胞产生成熟生殖细胞为减数分裂；减数分裂过程中染色体行为、数目变化相同，都复制一次，分裂两次，子细胞中染色体数目减半。2．体内受精(1)场所：雌性动物的输卵管内。(2)过程①受精前的准备阶段。a．精子获能：正常情况下在雌性动物的生殖道内完成。b．卵子的准备：发育到减数第二次分裂中期，才具备与精子受精的能力。②受精过程3．早期胚胎发育　↓　 ↓　 ↓1．精子的形成过程完全是在精巢中完成的，卵子的形成是否也完全在卵巢中进行？提示：不是。卵子的形成过程中，减数第一次分裂和减数第二次分裂是不连续的，其实减数第二次分裂是在受精过程中进行的，场所是输卵管。2．请在如图中绘出卵裂过程中每个细胞的体积、核内DNA含量与时间的关系。提示：如图：体内受精和早期胚胎发育过程分析如图为早期胚胎发育过程(图甲)，及经过体外受精和胚胎分割移植培育优质奶牛的过程(图乙)。请回答下列问题：甲乙(1)图乙中②指的是________。进行胚胎分割时，应选择发育到____________时期的胚进行操作。(2)图甲中标号3为滋养层，它将来可发育为__________________。(3)图乙中A细胞是____________，在进行体外受精前要对精子进行________处理。(4)哺乳动物受精过程有哪些机制阻止多精子入卵受精？(________)A．顶体反应B．精子穿越卵子透明带触及卵细胞膜，导致透明带反应C．精子触发卵细胞膜表面微绒毛的抱合反应D．精子入卵后，触发卵细胞膜反应(5)若一次给受体母牛移入多个胚胎，产生的多个后代基因型相同吗？________，为什么？_______________________________。[解析]　(1)图乙中②指的是囊胚腔；进行胚胎分割时应该选择形态正常、发育良好的桑椹胚或囊胚进行操作。(2)图甲中标号3为滋养层，它将来可发育为胎膜和胎盘。(3)图乙中A是卵母细胞；精子受精前要进行获能处理。(4)防止多精入卵的两道屏障是透明带反应和卵细胞膜反应，故选BD。(5)植入受体母牛体内的多个胚胎可能来自不同的受精卵，因此它们的基因型不一定相同，因此该受体母牛产生的后代基因型不一定相同。[答案]　(1)囊胚腔　桑椹胚或囊胚　(2)胎膜和胚盘　(3)(次级)卵母细胞　获能　(4)BD　(5)不一定相同　因为这些胚胎细胞可能由不同的受精卵发育而来，它们的基因型可能相同，也可能不同
体外受精和早期胚胎培养及胚胎工程的应用1．体外受精2．胚胎的早期培养(1)培养目的：检验受精状况和受精卵的发育能力。(2)培养液成分(3)胚胎处理：当胚胎发育到适宜阶段时，将其取出向受体移植，或冷冻保存。3．胚胎工程的应用(1)胚胎移植①地位：胚胎工程其他技术的最后一道“工序”。②生理学基础移入哺乳动物发情排卵后，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收集早期胚胎处于游离状态存活受体对移入子宫的外来胚胎基本上不发生免疫排斥反应遗传性供体胚胎的遗传特性，在孕育过程中不受影响③基本程序④实质：早期胚胎在生理环境相同的条件下空间位置的转移。⑤意义：充分发挥雌性优良个体的繁殖潜力。(2)胚胎分割①概念采用机械方法将早期胚胎分割成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。②材料：发育良好、形态正常的桑椹胚或囊胚。③实质：动物的无性生殖。④分割要求：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。(3)胚胎干细胞(ES或EK细胞)①来源：早期胚胎或原始性腺。②特点③应用：治疗人类某些顽症；培育人造组织器官，用于器官移植；研究体外细胞分化等。1．早期胚胎培养与动物细胞培养的比较项目早期胚胎培养动物细胞培养原理细胞的分裂分化细胞分裂目的获得早期胚胎获得大量细胞培养基成分盐类有机盐、无机盐无机盐、微量元素营养物质氨基酸、核苷酸糖、氨基酸调节物质维生素、激素促生长因子特有成分血清血清、血浆2.胚胎移植中的四个注意点(1)胚胎移植过程中两次激素使用第一次常用孕激素对受、供体进行同期发情处理；第二次用促性腺激素处理供体使其超数排卵。(2)胚胎移植过程中有两次检查第一次对收集的胚胎进行检查；第二次对受体母畜是否妊娠进行检查。(3)不同动物胚胎移植的时间不同牛、羊要培养到桑椹胚或囊胚阶段。小鼠、家兔在桑椹胚前。几乎所有动物都不能到原肠胚阶段移植，因为此时分化程度高，移植成功率很低。(4)胚胎移植是有性生殖还是无性生殖的判断取决于胚胎的来源。胚胎若是由受精卵形成的，则为有性生殖；若是由核移植技术或胚胎分割形成的，则为无性生殖。1．列表比较试管动物与克隆动物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生殖方式有性生殖无性生殖遗传特性具有双亲的遗传特性主要与供体个体相同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、挽救濒危物种等相同点二者均涉及早期胚胎培养、胚胎移植技术，其移植所选胚胎一般是桑椹胚或囊胚2．2018年世界上最后一头雄性北方白犀牛“苏丹”离世，至此世界上仅剩下两头雌性北方白犀牛。若北方白犀牛的精液已经无法获得，请从理论上提供一种新的拯救方案。提示：利用雌性北方白犀牛体细胞进行克隆繁殖。 体外受精及早期胚胎培养1．(2019·湖北沙市高三模拟)“三亲婴儿”是为了避免母亲线粒体遗传病传给下代。如图为培育“三亲婴儿”的过程示意图，回答下列问题：(1)对捐卵者的健康要求是________。通常给捐献卵母细胞者注射____________使其超数排卵。(2)重组细胞需要培养到MⅡ中期的原因是该时期后的卵母细胞具备____________。培育“三亲婴儿”的过程属于________(填“有性”或“无性”)生殖。(3)重组细胞在体外受精后还要在发育培养液中继续培养，目的是____________________。从受精卵到“三亲婴儿”还需用到早期胚胎培养和__________技术。(4)“三亲婴儿”技术类似于设计试管婴儿，设计试管婴儿相比试管婴儿的主要区别是胚胎在植入子宫前须进行______________。[解析]　(1)“三亲婴儿”是为了避免母亲线粒体遗传病传给下一代，故对捐卵者的健康要求是不患线粒体病。通常给捐献卵母细胞者注射促性腺激素使其超数排卵。(2)重组细胞需要培养到MⅡ中期的原因是该时期后的卵母细胞具备受精能力。培育“三亲婴儿”的过程属于有性生殖。(3)将体外培养成熟的卵母细胞与经化学诱导法获能的精子在体外受精后，移入发育培养液中继续培养，目的是检查受精状况和受精卵的发育能力。从受精卵到“三亲婴儿”还需用到早期胚胎培养和胚胎移植技术。(4)设计试管婴儿相比试管婴儿的主要区别是胚胎在植入子宫前须进行基因检测。[答案]　(1)不患线粒体病　促性腺激素　(2)受精能力　有性　(3)检测受精状况和受精卵的发育能力　胚胎移植　(4)基因检测(遗传学诊断) 胚胎工程技术及其应用2．(2019·吉林延边州高三模拟)通过胚胎工程可以挖掘动物的繁殖潜力，为优良牲畜的大量繁殖提供有效的解决办法。某研究机构运用生物工程技术，通过让普通家兔代孕的方法，繁育良种肉用兔，主要技术流程如图所示，据图回答下列相关问题：(1)诱导超数排卵用到的激素是________，步骤甲为________，收集到的精子要进行________处理。(2)早期胚胎培养用到的培养液成分中，除了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________等物质。(3)在繁育过程中，出现了一只体型特别大的良种肉用兔，若要快速地大量繁殖出同样大体型的个体，可采用的技术是________。采用这一技术时，需要使用________方法使供体细胞与去核卵母细胞融合，构建重组胚胎，然后将胚胎移入受体家兔体内。该技术与胚胎工程技术都涉及胚胎的移植，受体对移入子宫的外来胚胎基本上不发生____________反应，这为胚胎在受体内的存活提供了可能。进行胚胎移植的优势是______________________________________。[解析]　(1)给母畜注射促性腺激素可促使其超数排卵，步骤甲为体外受精，收集到的精子要进行获能处理。(2)早期胚胎培养用到的培养液成分中，除了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动物血清等物质。 (3)要快速地大量繁殖出同样大体型的个体，可采用核移植技术；采用这一技术时，需要使用电脉冲(或电刺激)方法使供体细胞与去核卵母细胞融合，构建重组胚胎，然后将胚胎移入受体家兔体内；该技术与胚胎工程技术都涉及胚胎的移植，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；进行胚胎移植的优势是可充分发挥雌性优良个体的繁殖潜力。[答案]　(1)促性腺激素　体外受精　获能　(2)动物血清　(3)核移植　电脉冲(或电刺激)　免疫排斥　可充分发挥雌性优良个体的繁殖潜力3．(2019·贵州遵义航天高级中学高三月考)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。请据图回答问题：(1)②过程采用的是胚胎工程中的______________________技术，该过程中需要用到______________(填“发育培养液”或“合成培养基”)。(2)囊胚阶段的细胞分为______________和内细胞团，其中内细胞团将来发育成______________________。(3)胚胎干细胞可以来自于早期胚胎或______________，在培养液中加入______________，则能诱导胚胎干细胞向不同类型组织细胞分化。(4)该过程________(填“是”或“否”)体现了动物细胞核具有全能性，原因是__________________________________________________________________________________________________。[解析]　(1)分析图解可知，过程①采用的是细胞工程中的核移植技术。过程②采用的是胚胎工程中的早期胚胎培养技术。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，还需要添加维生素、激素、氨基酸、核苷酸等营养成分，以及血清等物质，该培养液属于发育培养液。(2)囊胚阶段的细胞分为滋养层细胞和内细胞团，其中滋养层细胞将来发育为胎膜和胎盘，内细胞团发育成胎儿的各种组织。(3)胚胎干细胞是从早期胚胎或原始性腺中分离出来的一类细胞。在体外培养的条件下，培养胚胎干细胞一般不能获得动物器官，若在培养液中加入分化诱导因子，就可以诱导胚胎干细胞向不同类型的组织细胞分化。(4)全能性是指已经分化的细胞，仍然具有发育成完整生物体的潜能，因此全能性的体现应该是发育形成个体，最后形成组织器官不属于全能性的表现，因此图示过程没有体现动物细胞核具有全能性。[答案]　(1)早期胚胎培养技术　发育培养液　(2)滋养层细胞　胎儿的各种组织　(3)原始性腺　分化诱导因子　(4)否　全能性指发育成完整个体，而最后形成的组织器官不属于个体 生物技术的安全性和伦理问题1．转基因生物的安全性(1)转基因生物存在安全性的原因①目前对基因的结构、调控机制及基因间的相互作用了解有限。②目的基因往往是异种生物的基因。③外源基因往往是随机插入宿主细胞基因组的。(2)对安全性问题的争论①食物安全：可能会出现滞后效应、新的过敏原及营养成分的改变等。②生物安全：可能降低生物多样性。③环境安全：可能破坏生态系统稳定性和人类生活的环境。(3)理性看待生物技术①正视转基因技术可能带来的安全性问题，要趋利避害，不能因噎废食。②制定政策和法规，最大程度地保证转基因技术和产品的安全性。2．生物技术的伦理问题(1)克隆人①治疗性克隆与生殖性克隆类型项目　　治疗性克隆生殖性克隆区别目的治疗人类疾病用于生育，产生新个体水平细胞水平个体水平联系都属于无性繁殖；产生的新个体、新组织遗传信息相同②中国政府态度：禁止生殖性克隆，不反对治疗性克隆。(2)设计试管婴儿：设计试管婴儿需要对胚胎进行基因检测。3．禁止生物武器(1)生物武器的种类(连线)种类　　　　　　　　　　实例①致病菌、病毒　　　　　 a．重组流感病毒、 新型鼠痘病毒②生化毒剂　　　　 b．鼠疫菌、炭疽杆菌③基因重组的致病病毒　 c．肉毒杆菌毒素提示：①—b　②—c　③—a(2)我国政府观点在任何情况下不发展、不生产、不储存生物武器，并反对生物武器及其技术和设备的扩散。1．试管婴儿和设计试管婴儿的比较(1)不同点①所用技术手段：设计试管婴儿胚胎移植前________(填“需要”或“不需要”)进行遗传学诊断或基因诊断，试管婴儿________(填“需要”或“不需要”)进行遗传学诊断或基因诊断。②应用：试管婴儿主要是解决不孕夫妇的生育问题，设计试管婴儿主要用于白血病、贫血症的治疗。(2)相同点(答出三点即可)______________________________________________________。提示：(1)需要　不需要(2)都是体外受精，并进行体外早期胚胎培养，都要经过胚胎移植，都是有性生殖2．世界首例抗乳腺癌“设计试管婴儿”的诞生引发了伦理争议，请你说明反对这一技术应用于人类的理由。提示：在“设计试管婴儿”过程中需对胚胎进行筛选，这是对生命的不负责任；含有致癌基因的胚胎在长大成人后，也有不患病的可能；基因筛选会在不久的将来愈演愈烈，最终变成从相貌、智力等方面对人类胚胎事先进行筛选，变成名副其实“设计”出来的婴儿(答对一点即可，其他合理答案也可)。3．尝试写出禁止生物武器的理由。提示：生物武器包括致病菌、病毒、生化毒剂，以及经过基因重组的致病菌等。把这些病原体直接或通过食物、生活必需品等散布到敌方，可以对军队和平民造成大规模杀伤等后果。考查转基因技术的安全性1．(2019·安徽六安一中高三模拟)2018年11月，有关“中国基因编辑婴儿”新闻占据了各大网络媒介，一场“科学发展”与“伦理道德沦丧”争辩响彻全国。请根据你所学的知识，分析以下问题：(1)为了达到所谓的“阻断感染艾滋病”效果，该实验团队主要针对CCR5基因进行编辑，实施基因敲除，该过程中可能要用到的工具酶是____________________，敲除后为了使DNA上“缺口”补上，可能用到的工具酶是__________________。(2)人们担心这种行为会打开“潘多拉魔盒”，驱使另一些科研者开展人类基因编辑研究，出现“基因完美的定制人”。在这些研究中，外源基因能与受体细胞DNA成功重组的原因是______________________________，这些基因拼接成功后能正常表达的理论基础是__________________________________。(3)由于基因组计划尚未圆满完成，人类对自身基因在DNA分子上的位置知之甚少，在这种情况下开展对人类的基因编辑计划风险非常大。你认为该转基因技术存在安全性争论的原因：__________________。(4)转基因技术并不是令人闻之色变的疯狂技术，它已在作物品种改良上取得一定的成绩。比如，为了获得“多彩的牵牛花”，可将________________(填目的基因名称)与质粒形成重组质粒，导入到普通牵牛花细胞中，再通过____________技术培养得到符合要求的植株。[解析]　(1)实施基因敲除，该过程中可能要用到的工具酶是限制性核酸内切酶，敲除后为了使DNA上断裂的磷酸二酯键重新形成，可能用到的工具酶是DNA连接酶。(2)在基因工程中，外源基因能与受体细胞中的DNA具有共同的结构和化学组成是成功重组的基础，这些基因拼接成功后能正常表达的理论基础是所有的生物都共用一套遗传密码子表，都遵循中心法则。(3)“中国基因编辑婴儿”转基因技术存在安全性争论的原因：目前对基因的结构、基因间的相互作用以及基因的调控机制等都了解得相当有限；外源基因插入宿主基因组的部位往往是随机的，可能导致生命活动必需的正常基因遭到破坏。(4)利用转基因技术获得“多彩的牵牛花”，即将与花青素代谢有关的基因与质粒形成重组质粒，导入到普通牵牛花细胞中，再利用植物细胞的全能性，通过植物组织培养技术培养得到符合要求的植株。[答案]　(1)限制性核酸内切酶　DNA连接酶　(2)两者都具有共同的结构和化学组成　所有的生物都共用一套遗传密码子表，都遵循中心法则　(3)目前对基因的结构、基因间的相互作用以及基因的调控机制等都了解得相当有限；外源基因插入宿主基因组的部位往往是随机的，可能导致生命活动必需的正常基因遭到破坏　(4)与花青素代谢有关的基因　植物组织培养考查生物技术的伦理问题2．重症联合免疫缺陷(SCID)是一种罕见的遗传病，该病是由于腺苷脱氨酶ADA缺陷所致，ADA活性下降将使细胞损伤或死亡，致细胞体液免疫缺陷，ADA活性缺陷性疾病为X染色体隐性遗传病，虽然ADA编码基因也发现有缺失突变，但大部分为碱基置换突变。(1)某研究小组利用一种经过修饰的腺病毒作为________，将治疗SCID的正常基因导入胚胎干细胞内，胚胎干细胞再经________形成骨髓细胞，然后移植给人体。这种对SCID患者进行治疗的方法称为____________。(2)有一对正常的夫妇生了一个患SCID的儿子，他们希望通过设计试管婴儿再生一个健康的孩子。设计试管婴儿的基本程序：首先为女性注射____________，实现超数排卵，然后从卵巢中吸取卵母细胞，培养到MⅡ中期；再将成熟的卵子与获能的精子经________形成受精卵，然后将受精卵移入________中继续培养获得早期胚胎；从早期胚胎中取出一个细胞进行________，选择无致病基因的胚胎进行移植。(3)这对夫妇用该试管婴儿的脐带血救治患病孩子。大多数人认为，用设计试管婴儿的办法救治自己的孩子是符合伦理道德的，理由是____________________________。[解析]　(1)在对SCID患者进行治疗时，首先从病人体内获得治疗SCID的正常基因，进行培养，在体外借助一种经过修饰的腺病毒作为载体进行基因转移，将转入治疗SCID的正常基因的胚胎干细胞定向诱导分化，继而形成骨髓细胞，然后移植给人体，这种治疗方法称为体外基因治疗。(2)设计试管婴儿所需受精卵是通过体外受精形成的。受精卵形成后需移入发育培养液进行培养获得早期胚胎。在进行胚胎移植前要对形成的早期胚胎进行遗传学诊断。女性超数排卵时注射的激素为促性腺激素。(3)用设计试管婴儿的办法救治自己的孩子是符合伦理道德的，理由是父母是出于强烈的爱子之心，千方百计地想救治自己的孩子；同时也是救治患者最好、最快捷的办法之一。[答案]　(1)载体　细胞分化(定向诱导分化)　体外基因治疗　(2)促性腺激素　体外受精　发育培养液　遗传学诊断(基因检测、性别鉴定)　(3)父母是出于强烈的爱子之心，是为了救治孩子(这是救治患者最好、最快捷的办法之一；提供造血干细胞等不会对婴儿造成伤害)