高中生物選修3 答案與提示2篇

PAGEPAGE1高中生物選修3答案與提示專題1基因工程1.1DNA重組技術(shù)的基本工具一、學(xué)習(xí)目標(biāo)1.簡述DNA重組技術(shù)所需三種基本工具的作用。2.認(rèn)同基因工程的誕生和發(fā)展離不開理論研究和技術(shù)創(chuàng)新。二、學(xué)習(xí)重點和難點1.學(xué)習(xí)重點：DNA重組技術(shù)所需的三種基本工具的作用。2.學(xué)習(xí)難點：基因工程載體需要具備的條件。三、答案與提示（一）思考與探究2.聯(lián)系你已有的知識，想一想，為什么細(xì)菌中限制酶不剪切細(xì)菌本身的DNA？提示：迄今為止，基因工程中使用的限制酶絕大部分都是從細(xì)菌或霉菌中提取出來的，它們各自可以識別和切斷DNA上特定的堿基序列。細(xì)菌中限制酶之所以不切斷自身DNA，是因為微生物在長期的進(jìn)化過程中形成了一套完善的防御機(jī)制，對于外源入侵的DNA可以降解掉。生物在長期演化過程中，含有某種限制酶的細(xì)胞，其DNA分子中或者不具備這種限制酶的識別切割序列，或者通過甲基化酶將甲基轉(zhuǎn)移到所識別序列的堿基上，使限制酶不能將其切開。這樣，盡管細(xì)菌中含有某種限制酶也不會使自身的DNA被切斷，并且可以防止外源DNA的入侵（本題不要求學(xué)生回答的完全，教師可參考教師用書中的提示，根據(jù)學(xué)生的具體情況，給予指導(dǎo)。上述原則也應(yīng)適用于其他章節(jié)中有關(guān)問題的回答。）。3.天然的DNA分子可以直接用做基因工程載體嗎？為什么？提示：基因工程中作為載體使用的DNA分子很多都是質(zhì)粒（plasmid），即獨立于細(xì)菌擬核處染色體DNA之外的一種可以自我復(fù)制、雙鏈閉環(huán)的裸露的DNA分子。是否任何質(zhì)粒都可以作為基因工程載體使用呢？其實不然，作為基因工程使用的載體必需滿足以下條件。（1）載體DNA必需有一個或多個限制酶的切割位點，以便目的基因可以插入到載體上去。這些供目的基因插入的限制酶的切點所處的位置，還必須是在質(zhì)粒本身需要的基因片段之外，這樣才不至于因目的基因的插入而失活。（2）載體DNA必需具備自我復(fù)制的能力，或整合到受體染色體DNA上隨染色體DNA的復(fù)制而同步復(fù)制。（3）載體DNA必需帶有標(biāo)記基因，以便重組后進(jìn)行重組子的篩選。（4）載體DNA必需是安全的，不會對受體細(xì)胞有害，或不能進(jìn)入到除受體細(xì)胞外的其他生物細(xì)胞中去。（5）載體DNA分子大小應(yīng)適合，以便提取和在體外進(jìn)行操作，太大就不便操作。實際上自然存在的質(zhì)粒DNA分子并不完全具備上述條件，都要進(jìn)行人工改造后才能用于基因工程操作。4.網(wǎng)上查詢：DNA連接酶有連接單鏈DNA的本領(lǐng)嗎？提示：迄今為止，所發(fā)現(xiàn)的DNA連接酶都不具有連接單鏈DNA的能力，至于原因，現(xiàn)在還不清楚，也許將來會發(fā)現(xiàn)可以連接單鏈DNA的酶。（二）尋根問底1.根據(jù)你所掌握的知識，你能分析出限制酶存在于原核生物中的作用是什么嗎？提示：原核生物容易受到自然界外源DNA的入侵，但是，生物在長期的進(jìn)化過程中形成了一套完善的防御機(jī)制，以防止外來病原物的侵害。限制酶就是細(xì)菌的一種防御性工具，當(dāng)外源DNA侵入時，會利用限制酶將外源DNA切割掉，以保證自身的安全。所以，限制酶在原核生物中主要起到切割外源DNA、使之失效，從而達(dá)到保護(hù)自身的目的。2.DNA連接酶與DNA聚合酶是一回事嗎？為什么？答：不是一回事?；蚬こ讨兴玫倪B接酶有兩種：一種是從大腸桿菌中分離得到的，稱之為E·coli連接酶。另一種是從T4噬菌體中分離得到，稱為T4連接酶。這兩種連接酶催化反應(yīng)基本相同，都是連接雙鏈DNA的缺口（nick），而不能連接單鏈DNA。DNA連接酶和DNA聚合酶都是形成磷酸二酯鍵（在相鄰核苷酸的3位碳原子上的羥基與5位碳原子上所連磷酸基團(tuán)的羥基之間形成），那么，二者的差別主要表現(xiàn)在什么地方呢？（1）DNA聚合酶只能將單個核苷酸加到已有的核酸片段的3′末端的羥基上，形成磷酸二酯鍵；而DNA連接酶是在兩個DNA片段之間形成磷酸二酯鍵，不是在單個核苷酸與DNA片段之間形成磷酸二酯鍵。（2）DNA聚合酶是以一條DNA鏈為模板，將單個核苷酸通過磷酸二酯鍵形成一條與模板鏈互補的DNA鏈；而DNA連接酶是將DNA雙鏈上的兩個缺口同時連接起來。因此DNA連接酶不需要模板。此外，二者雖然都是由蛋白質(zhì)構(gòu)成的酶，但組成和性質(zhì)各不相同。（三）模擬制作討論題1.你模擬插入的DNA片段能稱得上一個基因嗎？提示：不能。因為一般基因有上千個堿基對。2.如果你操作失誤，堿基不能配對。可能是什么原因造成的？提示：可能是剪切位點或連接位點選得不對（也可能是其他原因）。（四）旁欄思考題想一想，具備什么條件才能充當(dāng)“分子運輸車”？提示：能自我復(fù)制、有一個或多個切割位點、有標(biāo)記基因位點及對受體細(xì)胞無害等。四、知識拓展1.限制酶所識別的序列有什么特點？限制酶所識別的序列，無論是6個堿基還是4個堿基，都可以找到一條中心軸線（圖1-1），中軸線兩側(cè)的雙鏈DNA上的堿基是反向?qū)ΨQ重復(fù)排列的。圖1-1限制酶識別序列的中心軸線2.限制酶在DNA的任何部位都能將DNA切開嗎？任何一種限制酶都只識別和切斷特定的核苷酸序列，這是由限制酶的性質(zhì)所決定的。3.DNA連接酶連接的是什么部位？DNA連接酶是將一段DNA片段3′端的羥基與另一DNA片段5′端磷酸基團(tuán)上的羥基連接起來形成酯鍵，而不是連接互補堿基之間的氫鍵。1.2基因工程的基本操作程序一、學(xué)習(xí)目標(biāo)1.簡述基因工程原理及基本操作程序。2.嘗試設(shè)計某一轉(zhuǎn)基因生物的研制過程。二、學(xué)習(xí)重點和難點1.學(xué)習(xí)重點：基因工程基本操作程序的四個步驟。2.學(xué)習(xí)難點：（1）從基因文庫中獲取目的基因。（2）利用PCR技術(shù)擴(kuò)增目的基因。三、答案和提示（一）思考與探究1.作為基因工程表達(dá)載體，只需含有目的基因即可完成任務(wù)嗎？為什么？答：不可以。因為目的基因在表達(dá)載體中得到表達(dá)并發(fā)揮作用，還需要有其他控制元件，如啟動子、終止子和標(biāo)記基因等。必須構(gòu)建上述元件的主要理由是：（1）生物之間進(jìn)行基因交流，只有使用受體生物自身基因的啟動子才能比較有利于基因的表達(dá)；（2）通過cDNA文庫獲得的目的基因沒有啟動子，只將編碼序列導(dǎo)入受體生物中無法轉(zhuǎn)錄；（3）目的基因是否導(dǎo)入受體生物中需要有篩選標(biāo)記；（4）為了增強目的基因的表達(dá)水平，往往還要增加一些其他調(diào)控元件，如增強子等；（5）有時需要確定目的基因表達(dá)的產(chǎn)物存在于細(xì)胞的什么部位，往往要加上可以標(biāo)識存在部位的基因（或做成目的基因與標(biāo)識基因的融合基因），如綠色熒光蛋白基因等。2.根據(jù)農(nóng)桿菌可將目的基因?qū)腚p子葉植物的機(jī)理，你能分析出農(nóng)桿菌不能將目的基因?qū)雴巫尤~植物的原因嗎？若想將一個抗病基因?qū)雴巫尤~植物，如小麥，從理論上說，你應(yīng)該如何做？提示：農(nóng)桿菌可分為根瘤農(nóng)桿菌和發(fā)根農(nóng)桿菌，在植物基因工程中以根瘤農(nóng)桿菌的Ti質(zhì)粒介導(dǎo)的遺傳轉(zhuǎn)化最多。根瘤農(nóng)桿菌廣泛存在于雙子葉植物中。據(jù)不完全統(tǒng)計，約有93屬643種雙子葉植物對根瘤農(nóng)桿菌敏感。裸子植物對該菌也敏感。當(dāng)這些植物被該菌侵染后會誘發(fā)腫瘤。近年來，也有報道該菌對單子葉植物也有侵染能力。根瘤農(nóng)桿菌侵染植物是一個非常復(fù)雜的過程。根瘤農(nóng)桿菌具有趨化性，即植物的受傷組織會產(chǎn)生一些糖類和酚類物質(zhì)吸引根瘤農(nóng)桿菌向受傷組織集中。研究證明，主要酚類誘導(dǎo)物為乙酰丁香酮和羧基乙酰丁香酮，這些物質(zhì)主要在雙子葉植物細(xì)胞壁中合成，通常不存在于單子葉植物中，這也是單子葉植物不易被根瘤農(nóng)桿菌侵染的原因。近年來還發(fā)現(xiàn)一些中性糖，如L-阿拉伯糖、D-木糖等也有誘導(dǎo)作用。酚類物質(zhì)和糖類物質(zhì)既可以作為根瘤農(nóng)桿菌的趨化物，又可以作為農(nóng)桿菌中Ti質(zhì)粒上Vir區(qū)（毒性區(qū)）基因的誘導(dǎo)物，使Vir區(qū)基因活化，導(dǎo)致T-DNA的加工和轉(zhuǎn)移，從而侵染植物細(xì)胞。需要注意的是農(nóng)桿菌中不同的菌株，侵染能力有差別，在基因工程中需要加以選擇使用。利用農(nóng)桿菌侵染單子葉植物進(jìn)行遺傳轉(zhuǎn)化時，是需要加上述酚類物質(zhì)的，同時單子葉植物種類不同，農(nóng)桿菌侵染進(jìn)行遺傳轉(zhuǎn)化的效果也有很大差異。如果想將一個抗病毒基因轉(zhuǎn)入小麥，也可以用農(nóng)桿菌，但要注意兩點：①要選擇合適的農(nóng)桿菌菌株，因為不是所有的農(nóng)桿菌菌株都可以侵染單子葉植物；②要加趨化和誘導(dǎo)的物質(zhì)，一般為乙酰丁香酮等，目的是使農(nóng)桿菌向植物組織的受傷部位靠攏（趨化性）和激活農(nóng)桿菌的Vir區(qū)（誘導(dǎo)）的基因，使T-DNA轉(zhuǎn)移并插入到染色體DNA上。3.利用大腸桿菌可以生產(chǎn)出人的胰島素，聯(lián)系前面有關(guān)細(xì)胞器功能的知識，結(jié)合基因工程操作程序的基本思路，思考一下，若要生產(chǎn)人的糖蛋白，可以用大腸桿菌嗎？提示：有些蛋白質(zhì)肽鏈上有共價結(jié)合的糖鏈，這些糖鏈?zhǔn)窃趦?nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基復(fù)合體上加工完成的，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基復(fù)合體存在于真核細(xì)胞中，大腸桿菌不存在這兩種細(xì)胞器，因此，在大腸桿菌中生產(chǎn)這種糖蛋白是不可能的。4.β-珠蛋白是動物血紅蛋白的重要組成成分。當(dāng)它的成分異常時，動物有可能患某種疾病，如鐮刀形細(xì)胞貧血癥。假如讓你用基因工程的方法，使大腸桿菌生產(chǎn)出鼠的β-珠蛋白，想一想，應(yīng)如何進(jìn)行設(shè)計？提示：基本操作如下：（1）從小鼠中克隆出β-珠蛋白基因的編碼序列（cDNA）。（2）將cDNA前接上在大腸桿菌中可以適用的啟動子，另外加上抗四環(huán)素的基因，構(gòu)建成一個表達(dá)載體。（3）將表達(dá)載體導(dǎo)入無四環(huán)素抗性的大腸桿菌中，然后在含有四環(huán)素的培養(yǎng)基上培養(yǎng)大腸桿菌。如果表達(dá)載體未進(jìn)入大腸桿菌中，大腸桿菌會因不含有抗四環(huán)素基因而死掉；如果培養(yǎng)基上長出大腸桿菌菌落，則表明β-珠蛋白基因已進(jìn)入其中。（4）培養(yǎng)進(jìn)入了β-珠蛋白基因的大腸桿菌，收集菌體，破碎后從中提取β-珠蛋白。（二）求異思維你能推測出由mRNA反轉(zhuǎn)錄形成cDNA的過程大致分為哪些步驟嗎？提示：1970年，特明（H.M.Temin）和巴爾的摩（D.Baltimore）證實了RNA病毒中含有一種能將RNA轉(zhuǎn)錄成DNA的酶，這種酶被稱為依賴RNA的DNA聚合酶，由于與中心法則中的從DNA到RNA的轉(zhuǎn)錄是反向的，所以稱為反轉(zhuǎn)錄酶（reversetranscriptase）。反轉(zhuǎn)錄酶既可以利用DNA又可以利用RNA作為模板合成與之互補的DNA鏈。像其他DNA聚合酶一樣，反轉(zhuǎn)錄酶也以5′→3′方向合成DNA（圖1-3）。圖1-3由mRNA反轉(zhuǎn)錄形成cDNA的過程cDNA合成過程是：第一步，反轉(zhuǎn)錄酶以RNA為模板合成一條與RNA互補的DNA單鏈，形成RNA-DNA雜交分子。第二步，核酸酶H使RNA-DNA雜交分子中的RNA鏈降解，使之變成單鏈的DNA。第三步，以單鏈DNA為模板，在DNA聚合酶的作用下合成另一條互補的DNA鏈，形成雙鏈DNA分子。（三）尋根問底1.為什么要構(gòu)建基因文庫？直接從含有目的基因的生物體內(nèi)提取不行嗎？提示：構(gòu)建基因文庫是獲取目的基因的方法之一，并不是惟一的方式。如果所需要的目的基因序列已知，即可通過PCR方式從含有該基因的生物的DNA中，直接獲得，也可以通過反轉(zhuǎn)錄，用PCR方式從mRNA中獲得，不一定要構(gòu)建基因文庫。但如果所需要的目的基因的序列完全不知，或只知道目的基因序列的一段，或想從一種生物體內(nèi)獲得許多基因，或者想知道這種生物與另一種生物之間有多少基因不同，或者想知道一種生物在個體發(fā)育的不同階段表達(dá)的基因有什么不同，或者想得到一種生物的全基因組序列，往往就需要構(gòu)建基因文庫。2.將目的基因直接導(dǎo)入受體細(xì)胞不是更簡便嗎？如果這么做，結(jié)果會怎樣？提示：有人采用總DNA注射法進(jìn)行遺傳轉(zhuǎn)化，即將一個生物中的總DNA提取出來，通過注射或花粉管通道法導(dǎo)入受體植物，沒有進(jìn)行表達(dá)載體的構(gòu)建，這種方法針對性差，完全靠運氣，也無法確定什么基因?qū)肓耸荏w植物。此法目前爭議頗多，嚴(yán)格來講不算基因工程。四、知識拓展1.PCR的擴(kuò)增過程是怎樣的？PCR擴(kuò)增是獲取目的基因的一種非常有用的方法，也是進(jìn)行分子鑒定和檢測的一種很靈敏的方法。PCR的擴(kuò)增反應(yīng)過程包括以下幾個主要過程。第一步：將反應(yīng)體系（包括雙鏈模板、引物、耐高溫的DNA聚合酶、四種脫氧核糖核苷酸以及酶促反應(yīng)所需的離子等）加熱至90～95℃，使雙鏈DNA模板兩條鏈之間的氫鍵打開，變成單鏈DNA，作為互補鏈聚合反應(yīng)的模板。第二步：將反應(yīng)體系降溫至55～60℃，使兩種引物分別與模板DNA鏈3′端的互補序列互補配對，這個過程稱為復(fù)性。第三步：將反應(yīng)體系升溫至70～75℃，在耐高溫的DNA聚合酶催化作用下，將與模板互補的單個核苷酸加到引物所提供的3-OH上，使DNA鏈延伸，產(chǎn)生一條與模板鏈互補的DNA鏈。上述三步反應(yīng)完成后，一個DNA分子就變成了兩個DNA分子，隨著重復(fù)次數(shù)的增多，DNA分子就以2n的形式增加。PCR的反應(yīng)過程都是在PCR擴(kuò)增儀中完成的。2.如何從基因文庫中找到所需要的基因？從基因文庫中找到目的基因是一件比較復(fù)雜的事情，要根據(jù)目的基因已有的某些信息來進(jìn)行。下面介紹一種根據(jù)基因的部分核苷酸序列找到目的基因的方法。第一步，通過PCR方法將目的基因已知的部分核苷酸序列擴(kuò)增出來，進(jìn)行放射性同位素標(biāo)記（也可以用別的標(biāo)記方法進(jìn)行，如生物素、熒光素等），即用標(biāo)記了放射性同位素的目的DNA片段作為探針，與擴(kuò)增出來的DNA雜交。第二步，將基因文庫中的所有菌落轉(zhuǎn)移至硝酸纖維膜上（也可以用其他類型的膜），然后，通過處理溶解消化掉細(xì)菌中的蛋白質(zhì)，并使DNA固定在膜上。第三步，按Southern雜交的方法進(jìn)行雜交。第四步，在X光底片上出現(xiàn)黑斑的菌落，這表明這個菌落中含有所需要的目的基因（若選用別的標(biāo)記方法，有陽性信號的菌落則含有所需要的目的基因）。第五步，從該菌落中再提取目的基因。3.基因工程載體的構(gòu)建需要考慮哪些方面的因素？道理何在？主要考慮以下幾方面的因素。（1）基因的特點：如果一個來自動物的目的基因含有內(nèi)含子，就不能用于轉(zhuǎn)基因植物，因為動物中內(nèi)含子的剪接系統(tǒng)與植物的不同，植物不能將動物基因的內(nèi)含子剪切掉，只能用該基因的cDNA?；虻漠a(chǎn)物如果是一個糖蛋白，那么該基因在原核生物細(xì)菌中表達(dá)出來的58高中生物選修3答案與提示_高中生物選修三蛋白就可能不具備天然狀態(tài)下的活性，因為糖蛋白上的糖鏈?zhǔn)窃趦?nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體上加上的，而細(xì)菌無這些細(xì)胞器。（2）要選擇強啟動子或組織特異性啟動子。啟動子有強有弱，選擇強啟動子可以增加轉(zhuǎn)錄活性，使基因產(chǎn)物量增多。如果希望基因在生物的某個組織表達(dá)，如只在植物種子中表達(dá)，就要選擇種子中特異表達(dá)的啟動子。（3）要有選擇標(biāo)記基因，如抗生素基因，以便選擇出真正的轉(zhuǎn)基因生物。4.什么是分子雜交技術(shù)的顯示帶？分子雜交技術(shù)是基因工程中使用頻率很高的一項技術(shù)，主要用于檢測和鑒定，可以分為核酸分子之間的雜交和蛋白質(zhì)分子之間的雜交。常用的技術(shù)有：Southern雜交──DNA和DNA分子之間的雜交。目的基因是否整合到受體生物的染色體DNA中，這在真核生物中是目的基因可否穩(wěn)定存在和遺傳的關(guān)鍵。如何證明這一點，就需要通過Southern雜交技術(shù)?；咀龇ㄊ牵旱谝徊?，將受體生物DNA提取出來，經(jīng)過適當(dāng)?shù)拿盖泻?，走瓊脂糖凝膠電泳，將不同大小的片段分開；第二步，將凝膠上的DNA片段轉(zhuǎn)移到硝酸纖維素膜上；第三步，用標(biāo)記了放射性同位素（或生物素）的目的DNA片段作為探針與硝酸纖維素膜上的DNA進(jìn)行雜交；第四步，將X光底片壓在硝酸纖維素膜上，在暗處使底片感光；第五步，將X光底片沖洗，如果在底片上出現(xiàn)黑色條帶，則表明受體植物染色體DNA上有目的基因。Northern雜交──DNA和RNA分子之間的雜交。它是檢測目的基因是否轉(zhuǎn)錄出mRNA的方法，具體做法與Southern雜交相同，只是第一步從受體植物中提取的是mRNA而不是DNA，雜交帶的顯現(xiàn)也與Southern雜交相同。Western雜交──蛋白質(zhì)分子（抗原—抗體）之間的雜交。它是檢測目的基因是否表達(dá)出蛋白質(zhì)的一種方法。具體做法是：第一步，將目的基因在大腸桿菌中表達(dá)出蛋白質(zhì)；第二步，將表達(dá)出的蛋白質(zhì)注射動物進(jìn)行免疫，產(chǎn)生相應(yīng)的抗體，并提取出抗體（一抗）；第三步，從轉(zhuǎn)基因生物中提取蛋白質(zhì)，走凝膠電泳；第四步，將凝膠中的蛋白轉(zhuǎn)移到硝酸纖維素膜上；第五步，將抗體（一抗）與硝酸纖維素膜上的蛋白雜交，這時抗體（一抗）與目的基因表達(dá)的蛋白（抗原）會特異結(jié)合。由于這種抗原—抗體的結(jié)合顯示不出條帶，所以加入一種稱為二抗的抗體，它可以與一抗結(jié)合，二抗抗體上帶有特殊的標(biāo)記。如果目的基因表達(dá)出了蛋白質(zhì)，則結(jié)果為陽性。1.3基因工程的應(yīng)用一、學(xué)習(xí)目標(biāo)1.舉例說出基因工程應(yīng)用及取得的豐碩成果。2.關(guān)注基因工程的進(jìn)展。3.認(rèn)同基因工程的應(yīng)用促進(jìn)生產(chǎn)力的提高。二、學(xué)習(xí)重點和難點1.學(xué)習(xí)重點：基因工程在農(nóng)業(yè)和醫(yī)療等方面的應(yīng)用。2.學(xué)習(xí)難點：基因治療。三、小資料蛋白、抗凝血酶等）比工廠化生產(chǎn)的優(yōu)越之處有哪些？（2）用基因工程技術(shù)實現(xiàn)動物乳腺生物反應(yīng)器的操作過程是怎樣的？第一個問題，既可以解決乳腺生物反應(yīng)器的優(yōu)越性問題，而且顯示了社會需求是乳腺生物反應(yīng)器這一創(chuàng)新成果產(chǎn)生的動力。乳腺生物反應(yīng)器的優(yōu)點：①產(chǎn)量高；②質(zhì)量好；③成本低；④易提取。第二個問題，用基因工程技術(shù)實現(xiàn)動物乳腺生物反應(yīng)器的操作過程與轉(zhuǎn)基因動物操作過程相同。而不同之處是：為了將目標(biāo)產(chǎn)品在奶中形成，需要使用乳腺組織中特異表達(dá)的啟動子，要在編碼目的蛋白質(zhì)的基因序列前加上乳腺組織中特異表達(dá)的啟動子構(gòu)建成表達(dá)載體。操作過程大致歸納為：獲取目的基因（例如血清白蛋白基因）→構(gòu)建基因表達(dá)載體（在血清白蛋白基因前加特異表達(dá)的啟動子）→顯微注射導(dǎo)入哺乳動物受精卵中→形成胚胎→將胚胎送入母體動物→發(fā)育成轉(zhuǎn)基因動物（只有在產(chǎn)下的雌性個體中，轉(zhuǎn)入的基因才能表達(dá)）。四、答案和提示思考與探究根據(jù)所學(xué)內(nèi)容，試概括寫出基因工程解決了哪些生活、生產(chǎn)中難以解決的問題。提示：基因工程可以生產(chǎn)人類需要的藥物，如胰島素、干擾素等。我們吃的某些食品如番茄、大豆等也可以是基因工程產(chǎn)品。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的抗蟲棉、抗病毒煙草、抗除草劑大豆等都已進(jìn)入商品化生產(chǎn)，上述產(chǎn)品有些是常規(guī)方法難以生產(chǎn)的或者生產(chǎn)成本過高。五、知識拓展1.利用微生物生產(chǎn)藥物的優(yōu)越性何在?所謂利用微生物生產(chǎn)蛋白質(zhì)類藥物，是指將人們需要的某種蛋白質(zhì)的編碼基因，構(gòu)建成表達(dá)載體后導(dǎo)入微生物，然后利用微生物發(fā)酵來生產(chǎn)蛋白質(zhì)類藥物。與傳統(tǒng)的制藥相比有以下優(yōu)越性：（1）利用活細(xì)胞作為表達(dá)系統(tǒng)，表達(dá)效率高，無需大型裝置和大面積廠房即可生產(chǎn)出大量藥品。（2）可以解決傳統(tǒng)制藥中原料來源的不足。例如，胰島素是治療糖尿病患者的藥物，一名糖尿病患者每年需用的胰島素需要從40頭?；?0頭豬的胰臟中才能提取到。1978年科學(xué)家用2000L大腸桿菌發(fā)酵液得到100g胰島素，相當(dāng)于從1000kg豬胰臟中提取的量。又如，生長素是治療侏儒癥患者的藥物，治療一名侏儒癥患者每年需要從80具尸體的腦下垂體中提取生長素。利用基因工程菌發(fā)酵生產(chǎn)就不需要從動物或人體上獲取原料。（3）降低生產(chǎn)成本，減少生產(chǎn)人員和管理人員。2.在抗病毒轉(zhuǎn)基因植物中，為什么使用病毒外殼蛋白基因可以抗病毒侵染？關(guān)于病毒外殼蛋白（coatprotein，CP）基因?qū)胫参锖蟮目共《緳C(jī)理，目前有幾種假說。一種假說認(rèn)為：CP基因在植物細(xì)胞內(nèi)表達(dá)積累后，當(dāng)入侵的病毒裸露核酸進(jìn)入植物細(xì)胞后，會立即被這些外殼蛋白重新包裹，從而阻止病毒核酸分子的復(fù)制和翻譯。另一種假說認(rèn)為：植物細(xì)胞內(nèi)積累的病毒外殼蛋白會抑制病毒脫除外殼，使病毒核酸分子不能釋放出來。然而最近的研究表明，如果將病毒的外殼蛋白的AUG起始密碼缺失，使之不能被翻譯，或者將外殼蛋白基因變成反義RNA基因，整合到植物細(xì)胞染色體上，轉(zhuǎn)基因植物則有很好的抗性。因此，有人認(rèn)為抗性機(jī)理不是外殼蛋白在起作用，而是CP基因轉(zhuǎn)錄出RNA后，與入侵病毒RNA之間的相互作用起到了抗性作用。利用CP介導(dǎo)的抗病毒性還存在一些問題：①轉(zhuǎn)基因植物對病毒的抗性有局限性，僅限于特定的病毒（被使用CP基因的病毒）或密切相關(guān)的病毒；②轉(zhuǎn)基因植物大多數(shù)只是發(fā)病延緩，一般為兩周，并非根治；③潛在著植物表達(dá)的外殼蛋白包被與另一種病毒形成新的雜合病毒的危險。1.4蛋白質(zhì)工程的崛起一、學(xué)習(xí)目標(biāo)1.舉例說出蛋白質(zhì)工程崛起的緣由。2.簡述蛋白質(zhì)工程的原理。3.嘗試運用逆向思維分析和解決問題。二、學(xué)習(xí)重點和難點1學(xué)習(xí)重點（1）為什么要開展蛋白質(zhì)工程的研究？（2）蛋白質(zhì)工程的原理。2.學(xué)習(xí)難點：蛋白質(zhì)工程的原理。三、答案和提示（一）思考與探究1.蛋白質(zhì)工程是應(yīng)怎樣的需求而崛起的？提示（供教師在教學(xué)中參考）：蛋白質(zhì)工程的崛起主要是工業(yè)生產(chǎn)和基礎(chǔ)理論研究的需要。而結(jié)構(gòu)生物學(xué)對大量蛋白質(zhì)分子的精確立體結(jié)構(gòu)及其復(fù)雜的生物功能的分析結(jié)果，為設(shè)計改造天然蛋白質(zhì)提供了藍(lán)圖。分子遺傳學(xué)的以定點突變?yōu)橹行牡幕虿僮骷夹g(shù)為蛋白質(zhì)工程提供了手段。在已研究過的幾千種酶中，只有極少數(shù)可以應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，絕大多數(shù)酶都不能應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，這些酶雖然在自然狀態(tài)下有活性，但在工業(yè)生產(chǎn)中沒有活性或活性很低。這是因為工業(yè)生產(chǎn)中每一步的反應(yīng)體系中常常會有酸、堿或有機(jī)溶劑存在，反應(yīng)溫度較高，在這種條件下，大多數(shù)酶會很快變性失活。提高蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性是工業(yè)生產(chǎn)中一個非常重要的課題。一般來說，提高蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性包括：延長酶的半衰期，提高酶的熱穩(wěn)定性，延長藥用蛋白的保存期，抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性喪失等。下面舉一個如何通過蛋白質(zhì)工程來提高重組β-干擾素專一活性和穩(wěn)定性的例子。干擾素是一種抗病毒、抗腫瘤的藥物。將人的干擾素的cDNA在大腸桿菌中進(jìn)行表達(dá)，產(chǎn)生的干擾素的抗病毒活性為106U/mg，只相當(dāng)于天然產(chǎn)品的十分之一，雖然在大腸桿菌中合成的β-干擾素量很多，但多數(shù)是以無活性的二聚體形式存在。為什么會這樣？如何改變這種狀況？研究發(fā)現(xiàn)，β-干擾素蛋白質(zhì)中有3個半胱氨酸（第17位、31位和141位），推測可能是有一個或幾個半胱氨酸形成了不正確的二硫鍵。研究人員將第17位的半胱氨酸，通過基因定點突變改變成絲氨酸，結(jié)果使大腸桿菌中生產(chǎn)的β-干擾素的抗病性活性提高到108U/mg，并且比天然β-干擾素的貯存穩(wěn)定性高很多。在基礎(chǔ)理論研究方面，蛋白質(zhì)工程是研究多種蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能、蛋白質(zhì)折疊、蛋白質(zhì)分子設(shè)計等一系列分子生物學(xué)基本問題的一種新型的、強有力的手段。通過對蛋白質(zhì)工程的研究，可以深入地揭示生命現(xiàn)象的本質(zhì)和生命活動的規(guī)律。2.蛋白質(zhì)工程操作程序的基本思路與基因工程有什么不同？答：基因工程是遵循中心法則，從DNA→mRNA→蛋白質(zhì)→折疊產(chǎn)生功能，基本上是生產(chǎn)出自然界已有的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)工程是按照以下思路進(jìn)行的：確定蛋白質(zhì)的功能→蛋白質(zhì)應(yīng)有的高級結(jié)構(gòu)→蛋白質(zhì)應(yīng)具備的折疊狀態(tài)→應(yīng)有的氨基酸序列→應(yīng)有的堿基排列，可以創(chuàng)造自然界不存在的蛋白質(zhì)。3.你知道酶工程嗎？絕大多數(shù)酶都是蛋白質(zhì)，酶工程與蛋白質(zhì)工程有什么區(qū)別？提示：酶工程就是指將酶所具有的生物催化作用，借助工程學(xué)的手段，應(yīng)用于生產(chǎn)、生活、醫(yī)療診斷和環(huán)境保護(hù)等方面的一門科學(xué)技術(shù)。概括地說，酶工程是由酶制劑的生產(chǎn)和應(yīng)用兩方面組成的。酶工程的應(yīng)用主要集中于食品工業(yè)、輕工業(yè)以及醫(yī)藥工業(yè)中。α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和葡萄糖異構(gòu)酶這三個酶連續(xù)作用于淀粉，即可代替蔗糖生產(chǎn)出高果糖漿；蛋白酶用于皮革脫毛膠以及洗滌劑工業(yè)；固定化酶還可以治療先天性缺酶病或是器官缺損引起的某些功能的衰竭等。至于我們?nèi)粘Ｉ钪兴姷降募用赶匆路邸⒛廴夥鄣?，就更是酶工程最直接的體現(xiàn)了。通常所說的酶工程是用工程菌生產(chǎn)酶制劑，而沒有經(jīng)過由酶的功能來設(shè)計酶的分子結(jié)構(gòu)，然后由酶的分子結(jié)構(gòu)來確定相應(yīng)基因的堿基序列等步驟。因此，酶工程的重點在于對已存酶的合理充分利用，而蛋白質(zhì)工程的重點則在于對已存在的蛋白質(zhì)分子的改造。當(dāng)然，隨著蛋白質(zhì)工程的發(fā)展，其成果也會應(yīng)用到酶工程中，使酶工程成為蛋白質(zhì)工程的一部分。（二）正文中討論題某多肽鏈的一段氨基酸序列是：—丙氨酸—色氨酸—賴氨酸—甲硫氨酸—苯丙氨酸—…討論：（1）怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？請把相應(yīng)的堿基序列寫出來。（2）確定目的基因的堿基序列后，怎樣才能合成或改造目的基因（DNA）？答：（1）每種氨基酸都有對應(yīng)的三聯(lián)密碼子，只要查一下遺傳密碼子表，即可將上述氨基酸序列的編碼序列查出來。但是由于上述氨基酸序列中有幾個氨基酸是由多個三聯(lián)密碼子編碼，因此其堿基排列組合起來就比較復(fù)雜，至少可以排列出16種，可以讓學(xué)生根據(jù)學(xué)過的排列組合知識自己排列一下。首先應(yīng)該根據(jù)三聯(lián)密碼子推出mRNA序列為GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）AUGUUU（或C），再根據(jù)堿基互補配對規(guī)律推出脫氧核苷酸序列：CGA（或G或T或C）ACCTTT（或C）TACAAA（或G）。（2）確定目的基因的堿基序列后，即可根據(jù)人類的需要改造它，通過人工合成的方法或從基因庫中獲取。（三）異想天開能不能根據(jù)人類需要的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計相應(yīng)的基因，導(dǎo)入合適的細(xì)菌中，讓細(xì)菌生產(chǎn)人類所需要的蛋白質(zhì)食品呢？提示：理論上講可以，但目前還沒有真正成功的例子。一些報道利用細(xì)菌生產(chǎn)人類需要的蛋白質(zhì)往往都是自然界已經(jīng)存在的蛋白質(zhì)，并非完全是人工設(shè)計出來而自然不存在的蛋白質(zhì)。主要原因是蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，人類對蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)和在生物體內(nèi)如何行使功能知之甚少，很難設(shè)計出一個嶄新而又具有生命功能作用的蛋白質(zhì)，而且一個嶄新的蛋白質(zhì)會帶來什么危害也是人們所擔(dān)心的。（四）旁欄思考題1.你知道人類蛋白質(zhì)組計劃嗎？它與蛋白質(zhì)工程有什么關(guān)系？我國科學(xué)家承擔(dān)了什么任務(wù)？提示：人類蛋白質(zhì)組計劃是繼人類基因組計劃之后，生命科學(xué)乃至自然科學(xué)領(lǐng)域一項重大的科學(xué)命題。2001年，國際人類蛋白質(zhì)組組織宣告成立。之后，該組織正式提出啟動了兩項重大國際合作行動：一項是由中國科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類肝臟蛋白質(zhì)組計劃”；另一項是以美國科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類血漿蛋白質(zhì)組計劃”，由此拉開了人類蛋白質(zhì)組計劃的帷幕?！叭祟惛闻K蛋白質(zhì)組計劃”是國際上第一個人類組織／器官的蛋白質(zhì)組計劃，由我國賀福初院士牽頭，這是中國科學(xué)家第一次領(lǐng)銜的重大國際科研協(xié)作計劃，總部設(shè)在北京，目前有16個國家和地區(qū)的80多個實驗室報名參加。它的科學(xué)目標(biāo)是揭示并確認(rèn)肝臟的蛋白質(zhì)，為重大肝病預(yù)防、診斷、治療和新藥研發(fā)的突破提供重要的科學(xué)基礎(chǔ)。人類蛋白質(zhì)組計劃的深入研究將是對蛋白質(zhì)工程的有力推動和理論支持。2.對天然蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，你認(rèn)為應(yīng)該直接對蛋白質(zhì)分子進(jìn)行操作，還是通過對基因的操作來實現(xiàn)？答：毫無疑問應(yīng)該從對基因的操作來實現(xiàn)對天然蛋白質(zhì)改造，主要原因如下：（1）任何一種天然蛋白質(zhì)都是由基因編碼的，改造了基因即對蛋白質(zhì)進(jìn)行了改造，而且改造過的蛋白質(zhì)可以遺傳下去。如果對蛋白質(zhì)直接改造，即使改造成功，被改造過的蛋白質(zhì)分子還是無法遺傳的。（2）對基因進(jìn)行改造比對蛋白質(zhì)直接改造要容易操作，難度要小得多。專題2細(xì)胞工程2.1植物細(xì)胞工程一、學(xué)習(xí)目標(biāo)1.簡述植物組織培養(yǎng)和植物體細(xì)胞雜交技術(shù)。2.列舉植物細(xì)胞工程的實際應(yīng)用。3.嘗試進(jìn)行植物組織培養(yǎng)。二、學(xué)習(xí)重點和難點1學(xué)習(xí)重點：（1）植物組織培養(yǎng)的原理和過程。（2）植物體細(xì)胞雜交的原理。（3）植物細(xì)胞工程應(yīng)用的實例。2.學(xué)習(xí)難點：植物組織培養(yǎng)的實驗。58高中生物選修3答案與提示_高中生物選修三三、答案和提示2.1.1植物細(xì)胞工程的基本技術(shù)（一）思考與探究1.為什么“番茄—馬鈴薯”超級雜種植株沒有如科學(xué)家所想像的那樣，地上長番茄、地下結(jié)馬鈴薯？提示：1978年，梅爾徹斯（Melchers）等人首次獲得了馬鈴薯與番茄的屬間體細(xì)胞雜種。他們將培育的二倍體馬鈴薯品系和番茄葉片細(xì)胞進(jìn)行融合，所產(chǎn)生的雜交株被稱為“馬鈴薯番茄”。像大多數(shù)雜種一樣，雜交株同時具有馬鈴薯和番茄的形態(tài)特征。其中一些植株形成了“類似塊莖的生殖根”，但是沒有產(chǎn)生可結(jié)實的花、果實以及真正意義上的塊莖。到目前為止“馬鈴薯—番茄”一類的體細(xì)胞雜交植物還不能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，但是其研究價值不可忽視。至于馬鈴薯—番茄沒有像人們預(yù)想的那樣地上長番茄、地下結(jié)馬鈴薯，主要原因是：生物基因的表達(dá)不是孤立的，它們之間是相互調(diào)控、相互影響的，所以馬鈴薯—番茄雜交植株的細(xì)胞中雖然具備兩個物種的遺傳物質(zhì)，但這些遺傳物質(zhì)的表達(dá)受到相互干擾，不能再像馬鈴薯或番茄植株中的遺傳物質(zhì)一樣有序表達(dá)，雜交植株不能地上長番茄、地下結(jié)馬鈴薯就是很自然的了。2.自然界中有一種含有葉綠體的原生動物──眼蟲，說明植物的細(xì)胞器同樣可以在某些動物細(xì)胞中存活，請?zhí)接懀簞游锛?xì)胞與植物細(xì)胞之間可以實現(xiàn)雜交嗎？如果理論上可行，請設(shè)計出具體實驗方案。提示：根據(jù)眼蟲的特點，動物細(xì)胞和植物細(xì)胞之間在理論上是可以實現(xiàn)雜交的。具體的實驗方案可以設(shè)計如下：（二）正文中討論題【實驗胡蘿卜的組織培養(yǎng)】1.在組織培養(yǎng)實驗中，為什么要強調(diào)所用器械的滅菌和實驗人員的無菌操作？提示：植物組織培養(yǎng)中用到的培養(yǎng)基含有豐富的營養(yǎng)成分，有利于培養(yǎng)物的生長，然而各種雜菌同樣也可以在上面迅速生長，所以植物組織培養(yǎng)過程中污染現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生。培養(yǎng)基一旦被污染，迅速生長的各種雜菌不但會和培養(yǎng)物爭奪營養(yǎng)，而且這些雜菌生長的過程中會生成大量對培養(yǎng)物有害的物質(zhì)，導(dǎo)致培養(yǎng)物迅速死亡。造成培養(yǎng)基污染的因素有很多，一般包括：外植體帶菌、培養(yǎng)瓶和各種器械滅菌不徹底、操作人員操作不規(guī)范等。所以在組織培養(yǎng)實驗中用到的植物材料和各種器械都要進(jìn)行徹底地滅菌，實驗人員操作一定要規(guī)范，避免帶入雜菌。2.在本實驗中，切取胡蘿卜塊根時強調(diào)要切取含有形成層部分，原因是這部分容易誘導(dǎo)形成愈傷組織。請思考一下，胡蘿卜的其他部分（如莖、葉、花），是否也能培養(yǎng)成小植株，你能用實驗的方法進(jìn)行驗證嗎？提示：胡蘿卜的其他部分（如莖、葉、花）也能培養(yǎng)再生形成小植株，只是誘導(dǎo)愈傷組織比較困難?？梢宰寣W(xué)生參考利用胡蘿卜根進(jìn)行組織培養(yǎng)的實驗，嘗試設(shè)計出利用胡蘿卜的莖、葉、花進(jìn)行組織培養(yǎng)的實驗流程。3.請根據(jù)上面的實驗過程，概括出植物組織培養(yǎng)技術(shù)的流程簡圖。提示：2.1.2植物細(xì)胞工程的實際應(yīng)用（一）思考與探究1.通過查閱資料，請你再列舉出植物組織培養(yǎng)技術(shù)在我們生活中的另外一些應(yīng)用。提示：a.拯救瀕危植物；b.提供食品制作的原料；c.利用愈傷組織進(jìn)行轉(zhuǎn)基因操作。2.請查閱植物人工種子制備技術(shù)的詳細(xì)過程，設(shè)計出制備技術(shù)的主要流程圖。提示：誘導(dǎo)植物愈傷組織↓體細(xì)胞胚的誘導(dǎo)↓體細(xì)胞胚的成熟↓體細(xì)胞胚的機(jī)械化包裹↓貯藏或種植3.請查閱相關(guān)文獻(xiàn)，設(shè)計出一種植物花藥組織培養(yǎng)和染色體加倍的實驗流程。提示：花藥花粉細(xì)胞培養(yǎng)正常植株（二）正文中討論題1.人們利用植物的微型繁殖技術(shù)來進(jìn)行工廠化育苗生產(chǎn)，這是利用了該項技術(shù)的哪些特點？提示：植物“微型”繁殖技術(shù)具有高效性和可以保持種苗的優(yōu)良遺傳特性的優(yōu)勢。工廠化大規(guī)模育苗生產(chǎn)正是利用了植物“微型”繁殖技術(shù)的這兩方面優(yōu)勢。利用植物“微型”繁殖技術(shù)我們可以在短時間中獲得大量的優(yōu)質(zhì)種苗。2.人工種子之所以神奇，是由于它具有天然種子不可比擬的特點，想一想它們具有哪些優(yōu)點？提示：人工種子的優(yōu)點：（1）天然種子由于在遺傳上具有因減數(shù)分裂引起的重組現(xiàn)象，因而會造成某些遺傳性狀的改變；天然種子在生產(chǎn)上受季節(jié)限制，一般每年只繁殖1～2次，有些甚至十幾年才繁殖一次。而人工種子則可以完全保持優(yōu)良品種的遺傳特性，生產(chǎn)上也不受季節(jié)的限制。（2）試管苗的大量貯藏和運輸也是相當(dāng)困難的。人工種子則克服了這些缺點，人工種子外層是起保護(hù)作用的薄膜，類似天然種子的種皮，因此，可以很方便地貯藏和運輸。3.人工種皮是保證包裹在其中的胚狀體順利生長成小植株的關(guān)鍵部分，請?zhí)接懭斯しN皮中應(yīng)該具有的有效成分是什么？為了促進(jìn)胚狀體的生長發(fā)育，我們還可以向人工種皮中加入哪些物質(zhì)？提示：針對植物種類和土壤等條件，在人工種子的包裹劑中還可以加入適量的養(yǎng)分、無機(jī)鹽、有機(jī)碳源以及農(nóng)藥、抗生素、有益菌等。為了促進(jìn)胚狀體的生長發(fā)育，還可以向人工種皮中加入一些植物生長調(diào)節(jié)劑。4.高效抗癌的藥物紫杉醇，雖然能造福人類，但卻為瀕危的紅豆杉帶來一場滅頂之災(zāi)。以“我們能否利用植物組織培養(yǎng)技術(shù)大量生產(chǎn)紫杉醇，從而拯救紅豆杉”為題，與同學(xué)展開討論，說出植物組織培養(yǎng)技術(shù)在節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境方面的重要意義。提示：可以利用植物組織培養(yǎng)技術(shù)來大量生產(chǎn)紫杉醇?，F(xiàn)在國內(nèi)外的科學(xué)家們正在研究利用植物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)來大量培育紅豆杉細(xì)胞，希望利用這種方法來大量生產(chǎn)紫杉醇。國內(nèi)愈傷組織分化出小植物單倍體植株外許多實驗室開展了用組織培養(yǎng)法生產(chǎn)紫杉醇的研究，紅豆杉屬的11種植物現(xiàn)都在進(jìn)行組織培養(yǎng)。ESCAgenetics公司宣布他們用細(xì)胞培養(yǎng)法所得紫杉醇的含量是樹皮的2～5倍。國內(nèi)外在分化細(xì)胞株系和培養(yǎng)條件方面做了不少工作，摸索了外植體、光照、培養(yǎng)基組成等因素對細(xì)胞培養(yǎng)及紫杉醇生成的影響?，F(xiàn)在工藝條件已基本摸清，正研究反應(yīng)的放大技術(shù)等，有望實現(xiàn)通過細(xì)胞培養(yǎng)進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)紫杉醇的目標(biāo)。四、知識拓展1.什么是細(xì)胞全能性?細(xì)胞全能性（celltotipotency）比較權(quán)威的定義是1984年國際組織培養(yǎng)協(xié)會做出的：“細(xì)胞全能性為細(xì)胞的某種特征，有這種能力的細(xì)胞保留形成有機(jī)體所有細(xì)胞類型的能力”。這個定義比一般所說的概念“一個細(xì)胞中包含著這種生物的全部遺傳信息（基因），在適當(dāng)?shù)臈l件下可以發(fā)育成一個完整的生物體”更基本和全面。它不但包含了培養(yǎng)細(xì)胞再生成植株的情況（分化成各種類型的細(xì)胞，并以一定形式構(gòu)建成植物），同時也包含了培養(yǎng)細(xì)胞生產(chǎn)次生代謝物的情況（不分化或只分化成某種類型細(xì)胞，但仍留著分化為其他細(xì)胞類型的能力）。前者成為組織培養(yǎng)和轉(zhuǎn)基因植物需要進(jìn)行植株再生的理論基礎(chǔ)，后者成為像微生物發(fā)酵一樣培養(yǎng)細(xì)胞，生產(chǎn)人們所需要的次生代謝產(chǎn)物的理論基礎(chǔ)，如通過紅豆杉的細(xì)胞培養(yǎng)生產(chǎn)紫杉醇。2.植物組織培養(yǎng)技術(shù)是如何發(fā)展起來的？技術(shù)和理論是一對孿生兄弟，相輔相成，技術(shù)手段的發(fā)明會促進(jìn)理論的創(chuàng)新，理論的創(chuàng)新又會指導(dǎo)技術(shù)的實踐活動。植物組織培養(yǎng)也是如此。早在1902年，哈伯蘭特（Haberlandt）提出高等植物的器官和組織可以不斷地分割，直至單個細(xì)胞的觀點，預(yù)言植物體細(xì)胞在適宜的條件下，有發(fā)育成完整植株的潛力，提出了植物細(xì)胞全能性的設(shè)想，并且用植物細(xì)胞組織進(jìn)行了培養(yǎng)實驗。他雖然未能獲得再生植株，卻是植物組織培養(yǎng)的開創(chuàng)者。1902年他發(fā)表了著名論文《植物細(xì)胞離體培養(yǎng)實驗》，論文中提出的植物細(xì)胞全能性的理論是植物組織培養(yǎng)的理論基礎(chǔ)。從哈伯蘭特提出植物細(xì)胞全能性的理論，到1958年斯圖爾德（F.C.Steward）等人第一次用胡蘿卜根的韌皮部細(xì)胞證實了植物細(xì)胞的全能性，用了整整56年。56年中許多科學(xué)家做的事情歸納起來都是在探索哈伯蘭特提出的“植物細(xì)胞在適宜條件下，有發(fā)育成完整植株的潛力”中的適宜條件。20世紀(jì)60年代以后，植物組織培養(yǎng)進(jìn)入了迅速發(fā)展階段，并逐步走向生產(chǎn)應(yīng)用，如快繁脫毒、單倍體育種、種質(zhì)資源保存、生產(chǎn)次生代謝產(chǎn)物等，也為人工種子、細(xì)胞融合、轉(zhuǎn)基因植物等奠定了基礎(chǔ)。3.怎樣制備胡蘿卜培養(yǎng)基（供參考）？（1）誘導(dǎo)胡蘿卜愈傷組織在MS培養(yǎng)基［注］中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5mg/L的6-BA和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5mg/L的NAA（2）誘導(dǎo)胡蘿卜叢芽在MS培養(yǎng)基中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2mg/L的KT和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2mg/L的NAA（3）誘導(dǎo)胡蘿卜生根在1/2MS培養(yǎng)基中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1mg/L的NAA［注］：MS培養(yǎng)基的配制方法見《選修1附錄3中八》。4.植物組織培養(yǎng)中的愈傷組織是如何形成及再分化的？植物組織培養(yǎng)中使用的外植體一般是高度分化了的細(xì)胞，在植物體中是不會再分裂繁殖的，只是執(zhí)行某種功能直至死亡。這些細(xì)胞在培養(yǎng)基上培養(yǎng)時會由原來的分化狀態(tài)，變成分生狀態(tài)的細(xì)胞，分裂產(chǎn)生愈傷組織，這個過程稱為脫分化（dedifferentiation）過程。這種轉(zhuǎn)變在細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理生化上都會產(chǎn)生一系列變化。組織培養(yǎng)的研究結(jié)果表明分化細(xì)胞的脫分化需要兩個條件，即創(chuàng)傷和外源激素。當(dāng)細(xì)胞脫分化形成愈傷細(xì)胞后，經(jīng)過一段時期的分裂，細(xì)胞群體變成不是一種細(xì)胞類型的均一群，又會產(chǎn)生分化，形成分生細(xì)胞或分生細(xì)胞團(tuán)，由此再生成植株有兩條途徑：一是形成體細(xì)胞胚（功能類似于受精過程產(chǎn)生的胚），通過體細(xì)胞胚形成再生植株。二是走器官發(fā)生的途徑再生植株，分生細(xì)胞在一定的誘導(dǎo)條件下重建芽的分生組織，分化出芽后再生根，成為完整的植株。5.為什么要在避光條件下培養(yǎng)愈傷組織？對于植物組織培養(yǎng)來說，光照條件非常重要，包括光照強度、時間和波長。但在愈傷組織的誘導(dǎo)階段往往要暗培養(yǎng)，而在分化再生的過程中一定要有光照。愈傷組織誘導(dǎo)階段的暗培養(yǎng)有利于細(xì)胞的脫分化產(chǎn)生愈傷組織，如果在光照條件下容易分化產(chǎn)生維管等組織，不利于產(chǎn)生大量的愈傷組織。6.什么是人工種子？人工種子（artificialseed）是指通過植物組織培養(yǎng)的方法獲得的具有正常發(fā)育能力的材料，外面包被著特定的物質(zhì)，在適宜的條件下可以發(fā)芽成苗的植物幼體。人工種子的概念中包含的“具有正常發(fā)育能力的材料”通常是指胚狀體（目前國外有使用不定芽、頂芽和腋芽的），它可以由三種途徑產(chǎn)生：（1）由已脫分化的外植體直接產(chǎn)生；（2）由愈傷組織產(chǎn)生；（3）由懸浮細(xì)胞培養(yǎng)產(chǎn)生。對胚狀體的基本要求是：①播種后能快速出苗；②根和芽幾乎同時生長，不產(chǎn)生愈傷組織；③同步化程度高；④活力強；⑤形成的幼苗的形態(tài)與生長要正常?！巴饷姘恢囟ǖ奈镔|(zhì)”是指人工種皮，制作人工種皮的材料有海藻酸鈉、明膠、樹脂、瓊脂糖、淀粉等。對人工種皮的要求是：能保持胚狀體的活力，有利于貯藏運輸和萌發(fā)。選取的材料要有韌性，耐壓，對胚狀體無毒害，含有胚狀體發(fā)芽所需要的營養(yǎng)成分或植物激素，還應(yīng)含有殺菌劑，以防播種后微生物的侵害。人工種子目前還存在不少問題。例如，現(xiàn)有重要經(jīng)濟(jì)價值的植物產(chǎn)生胚狀體能力弱，難以形成同步化的有強活力的胚狀體；成本較高；運輸貯藏以及機(jī)械化播種問題也未解決。因此，現(xiàn)在很少有人以生產(chǎn)為目的進(jìn)行人工種子的研制。7.植物微型繁殖技術(shù)高效快速的實例有哪些？植物脫毒（virus-free）和離體快繁（invitropropagation）是目前植物組織培養(yǎng)應(yīng)用最多、最有效的方面。生產(chǎn)上許多無性繁殖作物均受到病毒的侵染，從而導(dǎo)致品種的嚴(yán)重退化、減產(chǎn)和降低品質(zhì)。利用植物分生組織進(jìn)行培養(yǎng)可以使新長成的植株脫去病毒。利用這種方法生產(chǎn)無病毒苗的農(nóng)作物有馬鈴薯、甘薯、大蒜、草莓、蘋果、香蕉等，并已大規(guī)模應(yīng)用于生產(chǎn)。離體快繁技術(shù)可以使一些植物的擴(kuò)增速度比常規(guī)方法快數(shù)萬倍乃至百萬倍，而且產(chǎn)生的幼苗遺傳背景均一，重復(fù)性好，不受季節(jié)和地區(qū)限制。目前世界上已建成很多年產(chǎn)百萬苗木的組培工廠，成為一種新興產(chǎn)業(yè)。離體快繁技術(shù)在觀賞植物、園藝植物、經(jīng)濟(jì)林木和無性繁殖作物上已得到廣泛應(yīng)用。58高中生物選修3答案與提示_高中生物選修三2.2動物細(xì)胞工程一、學(xué)習(xí)目標(biāo)1.簡述動物細(xì)胞培養(yǎng)的過程、條件及應(yīng)用。2.簡述通過動物體細(xì)胞核移植技術(shù)克隆動物的過程和應(yīng)用前景。3.舉例說出動物細(xì)胞融合與單克隆抗體的原理和應(yīng)用。二、學(xué)習(xí)重點和難點1學(xué)習(xí)重點（1）動物細(xì)胞培養(yǎng)的過程及條件。（2）用動物體細(xì)胞核移植技術(shù)克隆動物的過程。（3）單克隆抗體的制備和應(yīng)用。2學(xué)習(xí)難點（1）用動物體細(xì)胞核移植技術(shù)克隆動物的過程。（2）單克隆抗體的制備過程。三、答案和提示2.2.1動物細(xì)胞培養(yǎng)和核移植技術(shù)（一）思考與探究1.幼齡與老齡動物的組織細(xì)胞比較，分化程度低的與分化程度高的組織細(xì)胞比較，哪一種更易于培養(yǎng)？思考一下，這是什么道理？提示：細(xì)胞的衰老與動物機(jī)體的衰老有著密切的關(guān)系，細(xì)胞的增殖能力與供體的年紀(jì)有關(guān)，幼齡動物細(xì)胞增殖能力強，有絲分裂旺盛，老齡動物則相反。所以，一般來說幼年動物的組織細(xì)胞比老年動物的組織細(xì)胞易于培養(yǎng)。同樣，組織細(xì)胞的分化程度越低，則增殖能力越強，所以更容易培養(yǎng)。2.動物細(xì)胞培養(yǎng)要經(jīng)過脫分化的過程嗎？為什么？提示：脫分化又稱去分化，是指分化細(xì)胞失去特有的結(jié)構(gòu)和功能變?yōu)榫哂形捶只?xì)胞特性的過程。植物的任何一部分，甚至單個細(xì)胞都具有長成完整植株的能力。但要發(fā)育成完整植株，必須先脫分化，脫分化的細(xì)胞具有發(fā)育成任何組織的能力，然后進(jìn)行再分化，形成完整植株。植物細(xì)胞培養(yǎng)主要用于農(nóng)林生產(chǎn)中的作物、苗木育種，快速繁育種苗、培育無病毒植株等，這就要求植物的組織或細(xì)胞先進(jìn)行脫分化。動物細(xì)胞的培養(yǎng)有各種用途，一般而言，動物細(xì)胞培養(yǎng)不需經(jīng)過脫分化過程。因高度分化的動物細(xì)胞發(fā)育潛能變窄，失去了發(fā)育成完整個體的能力，所以，動物細(xì)胞也就沒有類似植物組織或細(xì)胞培養(yǎng)時的脫分化過程了。要想使培養(yǎng)的動物細(xì)胞定向分化，通常采用定向誘導(dǎo)動物干細(xì)胞，使其分化成所需要的組織或器官。3.1997年，美國威斯康星州的一個奶牛場有一頭名叫盧辛達(dá)（Lucinda）的奶牛，年產(chǎn)奶量為30.8t，創(chuàng)造了世界奶牛產(chǎn)奶量最高新紀(jì)錄。目前世界各國高產(chǎn)奶牛場奶牛，年平均產(chǎn)奶量一般為十幾噸，而我國奶牛產(chǎn)奶量年平均水平僅為3～4t。（1）能利用體細(xì)胞核移植技術(shù)克隆高產(chǎn)奶牛盧辛達(dá)嗎？請說明理由。提示：可以用體細(xì)胞核移植技術(shù)克隆高產(chǎn)奶牛盧辛達(dá)。盧辛達(dá)的產(chǎn)奶量很高，說明它有高產(chǎn)奶的遺傳基礎(chǔ)，利用盧辛達(dá)的體細(xì)胞克隆的奶牛其遺傳物質(zhì)基本上全部來自該奶牛，其克隆牛具有高產(chǎn)的遺傳基礎(chǔ)，如果精心培育和飼養(yǎng)，有可能在世界范圍內(nèi)推廣，克隆牛再與高產(chǎn)的公牛自然繁殖，可得到很多高產(chǎn)的后代，從而加快奶牛改良進(jìn)程。但同時需注意，該克隆牛不能無限制地推廣，其數(shù)量不適合過多，尤其是在小范圍內(nèi)不能無限的繁殖，以避免奶牛群出現(xiàn)近親繁殖而引起種質(zhì)衰退。（2）如果將克隆高產(chǎn)奶牛盧辛達(dá)的任務(wù)交給你，你將如何對它進(jìn)行克?。刻崾荆菏紫葟谋R辛達(dá)耳朵（也可用別的組織、器官，耳朵在活體上容易?。┥霞羧∫恍K組織，在體外培養(yǎng)獲得該組織（如軟骨組織）的細(xì)胞。從屠宰場取廢棄的牛卵巢，抽取卵母細(xì)胞體外培養(yǎng)成熟。用顯微針去除卵母細(xì)胞的核，再將耳細(xì)胞注入卵母細(xì)胞，用電刺激方法使卵母細(xì)胞與體細(xì)胞融合，這時供體核就進(jìn)入了受體卵母細(xì)胞，再用電刺激或化學(xué)物質(zhì)激活注入了體細(xì)胞核的卵母細(xì)胞，使其完成減數(shù)分裂和發(fā)育過程。核移植胚胎在體外短時間培養(yǎng)后，挑選正常卵裂的胚胎植入經(jīng)同期發(fā)情處理的受體母牛體內(nèi)。4.體細(xì)胞核移植技術(shù)在研究和應(yīng)用上還存在什么問題？請你查閱資料，了解這方面的前沿動態(tài)。提示：在研究方面，克隆動物基因組重新編程的機(jī)制尚不清楚，克隆技術(shù)效率低，克隆動物畸形率高、死亡率高、易出現(xiàn)早衰等問題。這些問題尚在研究中。在應(yīng)用上，生產(chǎn)克隆動物費用昂貴，距大規(guī)模應(yīng)用還有一定距離。（二）正文中討論題【討論1】多細(xì)胞動物和人體的細(xì)胞都生活在內(nèi)環(huán)境中，根據(jù)你所學(xué)的內(nèi)環(huán)境的知識，思考并討論以下問題：1.體外培養(yǎng)細(xì)胞時需要提供哪些物質(zhì)？提示：充足的營養(yǎng)供給、適宜的溫度、適宜的pH和氣體環(huán)境。2.體外培養(yǎng)的細(xì)胞需要什么樣的環(huán)境條件？提示：無菌、無毒的環(huán)境?！居懻?】1.在體細(xì)胞的細(xì)胞核移植到受體卵母細(xì)胞之前，為什么必須先去掉受體卵母細(xì)胞的核？提示：為使核移植的胚胎或動物的遺傳物質(zhì)全部來自有重要利用價值的動物提供的體細(xì)胞，在供體細(xì)胞的細(xì)胞核移至受體細(xì)胞之前，必須將受體細(xì)胞的遺傳物質(zhì)去掉或?qū)⑵淦茐摹?.用于核移植的供體細(xì)胞一般都選用傳代10代以內(nèi)的細(xì)胞，想一想，這是為什么？提示：培養(yǎng)的動物細(xì)胞一般當(dāng)傳代至10～50代左右時，部分細(xì)胞核型可能會發(fā)生變化，其細(xì)胞遺傳物質(zhì)可能會發(fā)生突變，而10代以內(nèi)的細(xì)胞一般能保持正常的二倍體核型。因此，在體細(xì)胞核移植中，為了保證供體細(xì)胞正常的遺傳基礎(chǔ)，通常采用傳代10代以內(nèi)的細(xì)胞。3.你認(rèn)為用上述體細(xì)胞核移植方法生產(chǎn)的克隆動物，是對體細(xì)胞供體動物進(jìn)行了100%的復(fù)制嗎？為什么？提示：克隆動物絕大部分DNA來自于供體細(xì)胞核，但其核外還有少量的DNA，即線粒體中的DNA是來自于受體卵母細(xì)胞。所以，用教材中所述的方法克隆的動物不是供核動物完全相同的復(fù)制。此外，即便動物的遺傳基礎(chǔ)完全相同，但動物的一些行為、習(xí)性的形成與所處環(huán)境有很大關(guān)系，核供體動物生活的環(huán)境與克隆動物所生活的環(huán)境不會完全相同，其形成的行為、習(xí)性也不可能和核供體動物完全相同，從這一角度看，克隆動物不會是核供體動物100%的復(fù)制。（三）尋根問底胰蛋白酶真的不會把細(xì)胞消化掉嗎？為什么？提示：胰蛋白酶除了可以消化細(xì)胞間的蛋白外，長時間的作用也會消化細(xì)胞膜蛋白，對細(xì)胞有損傷作用，因此必須控制好胰蛋白酶的消化時間。（四）旁欄思考題1.進(jìn)行動物細(xì)胞傳代培養(yǎng)時用胰蛋白酶分散細(xì)胞，說明細(xì)胞間的物質(zhì)主要是什么成分？用胃蛋白酶行嗎？提示：用胰蛋白酶分散細(xì)胞，說明細(xì)胞間的物質(zhì)主要是蛋白質(zhì)。胃蛋白酶作用的適宜pH約為2，當(dāng)pH大于6時，胃蛋白酶就會失去活性。胰蛋白酶作用的適宜環(huán)境pH為7.2～8.4。多數(shù)動物細(xì)胞培養(yǎng)的適宜pH為7.2～7.4，胃蛋白酶在此環(huán)境中沒有活性，而胰蛋白酶在此環(huán)境中活性較高，因此胰蛋白酶適宜用于細(xì)胞培養(yǎng)時的消化。2.為什么對動物細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)時通常要添加血清？提示：血清中含有蛋白質(zhì)、氨基酸、葡萄糖、激素等，其中蛋白質(zhì)主要為白蛋白和球蛋白。氨基酸有多種，是細(xì)胞合成蛋白質(zhì)的基本成分，其中有些氨基酸動物細(xì)胞本身不能合成（稱為必需氨基酸），必須由培養(yǎng)液提供。血清激素有胰島素、生長激素等及多種生長因子（如表皮生長因子、成纖維細(xì)胞生長因子、類胰島素生長因子等）；血清還含有多種未知的促細(xì)胞生長因子、促貼附因子及其他活性物質(zhì)，能促進(jìn)細(xì)胞的生長、增殖和貼附。因此，細(xì)胞培養(yǎng)時，要保證細(xì)胞能夠順利生長和增殖，一般需添加10%～20%的血清。2.2.2動物細(xì)胞融合與單克隆抗體思考與探究1.植物體細(xì)胞雜交技術(shù)與動物細(xì)胞融合技術(shù)有什么不同？提示：植物體細(xì)胞雜交技術(shù)與動物細(xì)胞融合技術(shù)基本相同，不同的是植物體細(xì)胞融合前需去掉細(xì)胞壁，然后再融合；動物細(xì)胞融合是兩個體細(xì)胞直接融合。2.制備單克隆抗體時，為什么要選用B淋巴細(xì)胞和骨髓瘤細(xì)胞融合形成雜交瘤細(xì)胞？提示：哺乳動物感染抗原后，其體內(nèi)會形成相應(yīng)的B淋巴細(xì)胞，B淋巴細(xì)胞能分泌相應(yīng)的抗體凝聚或殺死這些抗原。動物在免疫反應(yīng)的過程中，每一種B淋巴細(xì)胞能分泌一種特異性抗體，要想獲得大量的特異性抗體，必須使能分泌該單一抗體的B淋巴細(xì)胞大量增殖。B淋巴細(xì)胞具有產(chǎn)生單一抗體的能力，但不能在體外增殖；骨髓瘤細(xì)胞是一種癌細(xì)胞，它能在體外培養(yǎng)條件下無限增殖，但不能產(chǎn)生抗體。因此，把一種B淋巴細(xì)胞與骨髓瘤細(xì)胞進(jìn)行細(xì)胞融合，產(chǎn)生雜交瘤細(xì)胞，它會兼有兩個親本細(xì)胞的特性──在體外培養(yǎng)條件下能不斷增殖，同時能產(chǎn)生出某種特異性的抗體。四、知識拓展1.為什么動物細(xì)胞要分散成單個細(xì)胞培養(yǎng)？用酶消化的是什么物質(zhì)？細(xì)胞原代培養(yǎng)時可以分散成單個細(xì)胞培養(yǎng)，也可以用細(xì)胞群（團(tuán)）、組織塊培養(yǎng)，經(jīng)傳代培養(yǎng)后，最終都為細(xì)胞培養(yǎng)。分散成單個細(xì)胞、細(xì)胞群（團(tuán)）后容易培養(yǎng)，細(xì)胞所需的營養(yǎng)容易供應(yīng)，其代謝廢物容易排出；而用大塊組織培養(yǎng)時，內(nèi)部細(xì)胞的營養(yǎng)供應(yīng)和代謝廢物的排出都較困難，因此，這些細(xì)胞在體外長時間的生存和生長就較困難。同時，分散成單個細(xì)胞培養(yǎng)，可使得在細(xì)胞水平操作的其他技術(shù)得以實現(xiàn)。用酶消化的是細(xì)胞間基質(zhì)，細(xì)胞間基質(zhì)主要成分有膠原蛋白、層粘連蛋白、纖粘連蛋白、彈性蛋白等成分。用蛋白酶可使其消化，從而使細(xì)胞相互分離。2.動物細(xì)胞培養(yǎng)液是由哪些化學(xué)成分組成的？糖、氨基酸、促生長因子、無機(jī)鹽、微量元素等。3.為什么不用兩個而要用多個細(xì)胞進(jìn)行動物細(xì)胞間的融合？就目前常用的細(xì)胞融合方法來看，不管是用物理的、化學(xué)的方法，還是生物的方法，其融合率都不可能是100%。僅用兩個細(xì)胞融合，其效率太低，不一定能得到融合細(xì)胞。更重要的是，即使兩個細(xì)胞已發(fā)生融合，但并不一定是研究者期望得到的細(xì)胞類型。目前動物細(xì)胞融合技術(shù)最有價值的應(yīng)用就是單克隆抗體的制備。我們以制備單克隆抗體為例來說明這一問題。我們知道，體內(nèi)產(chǎn)生的特異性抗體種類可多達(dá)百萬種以上，但是每一個B淋巴細(xì)胞只分泌一種特異性抗體，如果僅取一個脾細(xì)胞（含B淋巴細(xì)胞）和一個瘤細(xì)胞雜交，我們不能確定該脾細(xì)胞分泌的抗體是否正是我們所需要的；若用大量的脾細(xì)胞和瘤細(xì)胞進(jìn)行融合，即可從融合細(xì)胞中篩選出能分泌所需抗體的雜交瘤細(xì)胞。專題3胚胎工程3.1體內(nèi)受精和早期胚胎發(fā)育一、學(xué)習(xí)目標(biāo)1.簡述哺乳動物的精子和卵子的發(fā)生及受精過程。2.簡述哺乳動物的胚胎發(fā)育過程及其主要特點。3.認(rèn)同胚胎工程建立及發(fā)展的意義。二、學(xué)習(xí)重點和難點1.學(xué)習(xí)重點（1）哺乳動物精子和卵子的發(fā)生。（2）哺乳動物的受精過程。（3）哺乳動物的胚胎發(fā)育。2.學(xué)習(xí)難點（1）哺乳動物受精過程中精子的獲能、頂體反應(yīng)、透明帶反應(yīng)、卵黃膜封閉作用的概念和生理功能。（2）哺乳動物胚胎發(fā)育各階段的主要特點。三、答案和提示（一）思考與探究1.以精子的運行途徑為線索，設(shè)計一幅簡圖，來說明哺乳動物的受精過程。提示：哺乳動物的受精過程主要包括精子穿越放射冠、透明帶、進(jìn)入卵黃膜、原核形成和配子融合等步驟（詳見教材中的受精過程）。2.哺乳動物精子和卵子的發(fā)生主要有哪些相似點或不同點？答：相似之處：細(xì)胞分裂的最初階段為有絲分裂，不斷增加生殖原細(xì)胞的數(shù)量；經(jīng)過兩次減數(shù)分裂（MI和MII）才能形成精子或卵子。不同之處：由一個精原細(xì)胞分裂最后可產(chǎn)生多個精子；一個卵原細(xì)胞最后只能生成一個卵子。精子的形狀為蝌蚪狀；卵子為球形。多數(shù)哺乳動物卵子的形成和在卵巢內(nèi)的貯備是在胎兒出生前完成。3.當(dāng)你了解到精子需要獲能，受精過程中有防止多精入卵的現(xiàn)象時，你是否提出過這樣的問題：精子在雌性生殖道內(nèi)是如何獲能的？防止多精入卵的兩道防線的形成機(jī)制究竟是什么？答：精液由精子和精清（精漿）兩部分組成。精清中含有一種能抑制精子獲能的物質(zhì)，因此，在一般情況下，精液中的精子無法獲能。只有當(dāng)交配后精液進(jìn)入雌性動物的生殖道時，由生殖道分泌產(chǎn)生一種物質(zhì)解除對精子獲能的抑制，才能引起精子獲能。精子在雌性動物生殖道內(nèi)獲能的部位因種類而異，但主要是子宮和輸卵管。防止多精入卵主要通過透明帶反應(yīng)和卵黃膜封閉作用兩道屏障。在受精過程中，當(dāng)精子穿越透明帶觸及卵黃膜時，透明帶會立即封閉，阻止后來的精子進(jìn)入透明帶，可看作是防止多精受精的第一道屏障。而精子入卵后，卵黃膜會立即拒絕其他精子再進(jìn)入卵內(nèi)，可看作是防止多精受精的第二道屏障。其生理、生化機(jī)制，請參閱有關(guān)專著。（二）正文中討論題【精子的發(fā)生】1.家畜每次射精排出的精子數(shù)以億計，但是通常只有一個精子能夠與卵子結(jié)合，這能說是一種浪費嗎？怎樣理解這一現(xiàn)象？提示：不是?？梢詮膬煞矫嬲f明這一問題：其一，在自然繁殖的條件下，為了使母畜排出的1個或幾個卵子完成受精，公畜一次射出幾億到幾十億的精子到發(fā)情母畜的生殖道內(nèi)，可以說是動物為繁殖后代、延續(xù)物種的一種生理保障機(jī)制；其二，在自然條件下，精子從射精部位運行到受精部位，在通過母畜生殖道的過程中，復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)和生理環(huán)境將對精子進(jìn)行篩選，并致使大量的精子途中死亡，被分解或排除，造成精子大量損耗。最后到達(dá)受精部位（輸卵管）的精子只剩百余個，與卵子完成受精的只有一個。2.精子細(xì)胞變成精子的過程中，細(xì)胞中很多結(jié)構(gòu)會消失，而細(xì)胞核和線粒體都保留下來，對這一現(xiàn)象怎樣理解？為什么精子中的線粒體集中在尾的基部？提示：細(xì)胞核和線粒體都是精子結(jié)構(gòu)中的重要部分。其中，細(xì)胞核是精子遺傳物質(zhì)儲存和復(fù)制的場所，也是參與精、卵結(jié)合和后代遺傳特性與細(xì)胞代謝活動的控制中心。而線粒體則是精子進(jìn)行有氧呼吸分解營養(yǎng)物質(zhì)產(chǎn)生運動能量的場所。精子的線粒體在精子形成過程中，集中于尾的基部形成線粒體鞘膜，是精子維持生存和運動能量的“動力工廠”或“發(fā)動機(jī)”。【卵子的發(fā)生】1.一個卵泡中能形成幾個成熟的卵子？答：正常情況下，一個卵泡只能形成一個成熟的卵子。2.排卵是指卵子從卵泡中排出，還是指卵泡從卵巢中排出？答：是指卵子從卵泡中排出。3.剛排出的卵是成熟的卵子嗎？它在母體的什么部位與精子受精？答：剛排出的卵子尚未完全成熟，僅完成第一次減數(shù)分裂，需要在輸卵管內(nèi)進(jìn)一步成熟，直到第二次減數(shù)分裂的中期才能與精子結(jié)合完成受精過程。排出的卵子是在輸卵管內(nèi)與精子受精的?！举Y料分析】1.表中哪種動物的胚胎在進(jìn)入子宮時發(fā)育程度最高？答：比較而言，馬的胚胎進(jìn)入子宮時發(fā)育程度最高，其次為小鼠。2.將體外培養(yǎng)的馬胚胎移植到母馬子宮時，應(yīng)選擇什么階段的胚胎？如果換成牛又該怎樣處理？答：馬應(yīng)選擇囊胚階段的胚胎。牛在自然情況下，胚胎雖然最早可在8~16細(xì)胞階段進(jìn)入子宮，但為了提高移植后胚胎的發(fā)育率和妊娠率，在實踐中通常用發(fā)育到囊胚階段的胚胎進(jìn)行移植。3.為什么說關(guān)于動物的體內(nèi)受精和胚胎發(fā)育的研究，會為胚胎工程提供理論基礎(chǔ)？請結(jié)合舉例說明。提示：胚胎工程的許多技術(shù)都是在了解哺乳動物自然條件下受精和早期胚胎發(fā)58高中生物選修3答案與提示_高中生物選修三育的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。本節(jié)涉及的哺乳動物體內(nèi)受精和胚胎發(fā)育都是在自然條件下的特點和規(guī)律，人們正是在認(rèn)識了這些自然規(guī)律的基礎(chǔ)上，在體外進(jìn)行有效的模擬，才使卵母細(xì)胞能在體外成熟；精子能在體外完成獲能；獲能精子和成熟卵母細(xì)胞能在試管內(nèi)完成受精；體外受精卵能在人工培養(yǎng)條件下繼續(xù)發(fā)育等，這些都有賴于體內(nèi)自然條件下的基礎(chǔ)研究成果。（三）旁欄思考題進(jìn)行體外受精時，將卵母細(xì)胞取出后，是否應(yīng)當(dāng)將它置于與輸卵管中相似的環(huán)境，讓它進(jìn)一步成熟？答：是的。從卵巢上取出的卵母細(xì)胞還沒有成熟，尚未完成第一次減數(shù)分裂。應(yīng)在體外人工模擬輸卵管環(huán)境進(jìn)行培養(yǎng)，才能使其成熟，即達(dá)到受精前的成熟階段。四、知識拓展1.“精子獲能”現(xiàn)象是如何發(fā)現(xiàn)的？有什么意義？美籍華人生殖生物學(xué)家張明覺在做兔的體外受精試驗時，發(fā)現(xiàn)只有從母兔生殖道內(nèi)取出的精子才能在體外與卵子受精，而取自附睪的精子不能在體外完成受精，說明精子在受精前需先在母兔生殖道內(nèi)發(fā)生相應(yīng)的生理變化，稱為精子獲能現(xiàn)象。這一現(xiàn)象使人們很快弄清了精子獲能的機(jī)理，并找到了精子在體外獲能的物質(zhì)，實現(xiàn)了體外受精。2.哺乳動物卵巢的結(jié)構(gòu)和功能是怎樣的？卵巢位于雌性動物的腹腔，左、右各有一個，多為橢圓或圓球狀。其形狀，大小和結(jié)構(gòu)因種類、年齡和生理狀態(tài)各異。卵巢由實質(zhì)部和被膜構(gòu)成。實質(zhì)部又分為皮質(zhì)部和髓質(zhì)部。皮質(zhì)部靠近被膜，其中儲存大量的原始卵泡和處于不同發(fā)育階段的卵泡和卵泡的續(xù)產(chǎn)物，主要包括：黃體、白體和閉鎖卵泡等。卵巢的髓質(zhì)部位于卵巢的中間部位，含有纖維結(jié)締組織、血管和神經(jīng)。需要弄清楚這幾個結(jié)構(gòu)關(guān)系：卵巢中有卵泡，每個卵泡中有一個卵母細(xì)胞。卵泡中的卵母細(xì)胞在排卵前都處于第一次減數(shù)分裂的前期。卵巢的主要功能有兩個，其一是儲備卵泡，排出卵子；其二是產(chǎn)生與生殖有關(guān)的激素，如雌激素和孕激素。3.什么是頂體反應(yīng)？獲能以后的精子，在雌性動物生殖道與卵子相遇時，會出現(xiàn)精子頂體膨大，精子質(zhì)膜（外膜）和頂體外膜局部融合，并在融合處形成一些泡狀物，隨后脫落，造成精子頂體外膜出現(xiàn)孔洞，使頂體內(nèi)儲存的與受精有關(guān)的酶釋放出來，參與精子和卵子的受精過程。這種生理現(xiàn)象叫做頂體反應(yīng)。4.哺乳動物桑椹胚和囊胚的主要特點是什么？桑椹胚的細(xì)胞數(shù)在32個左右，細(xì)胞排列致密，形似桑椹，由具有發(fā)育全能性的細(xì)胞構(gòu)成。囊胚則出現(xiàn)細(xì)胞分化，聚集于一端個體較大的細(xì)胞為內(nèi)細(xì)胞團(tuán)（ICM），將發(fā)育為胎兒本身；沿透明帶內(nèi)壁擴(kuò)展和排列的個體小的細(xì)胞為滋養(yǎng)層細(xì)胞，將發(fā)育為胎膜和胎盤，為胎兒發(fā)育提供營養(yǎng)。5.什么是透明帶反應(yīng)？在精子和卵子受精過程中，當(dāng)精子越過放射冠，進(jìn)入透明帶并接觸卵黃膜時，卵子發(fā)出指令（信號），阻止后續(xù)的精子進(jìn)入透明帶的一種生理反應(yīng)，叫透明帶反應(yīng)。它是受精過程中，防止多精入卵繼而造成多精子受精的第一道屏障。6.什么是卵黃膜封閉作用？當(dāng)?shù)谝粋€精子進(jìn)入卵黃膜后，會立即引起卵黃膜的緊縮、增厚，阻止其他精子進(jìn)入卵內(nèi)與卵子結(jié)合受精，也叫做多精子入卵阻滯，是防止多精子受精的第二道屏障。多精子入卵的結(jié)果將形成多個雄原核與一個雌原核融合完成受精，產(chǎn)生多倍體受精卵，屬異常受精現(xiàn)象，意味著受精的失敗，不能繼續(xù)發(fā)育和產(chǎn)生后代。3.2體外受精和早期胚胎培養(yǎng)一、學(xué)習(xí)目標(biāo)1.簡述哺乳動物體外受精技術(shù)的主要操作步驟。2.簡述哺乳動物胚胎的早期培養(yǎng)方法。3.認(rèn)同體外受精在家畜快速繁殖中的重要意義。二、學(xué)習(xí)難點與重點1.學(xué)習(xí)重點（1）體外受精在家畜快速繁殖中的重要意義。（2）哺乳動物體外受精技術(shù)的主要操作步驟。2.學(xué)習(xí)難點:（1）卵母細(xì)胞的采集和培養(yǎng)。（2）精子的采集和獲能。三、小資料3.3胚胎工程的應(yīng)用及前景一、學(xué)習(xí)目標(biāo)1.舉例說出胚胎移植和胚胎分割。2.認(rèn)同胚胎移植在胚胎工程中的地位和作用。3.關(guān)注胚胎工程的研究進(jìn)展和應(yīng)用價值。二、學(xué)習(xí)難點與重點1.學(xué)習(xí)重點（1）胚胎移植的生理學(xué)基礎(chǔ)、基本程序和應(yīng)用。（2）胚胎分割的應(yīng)用意義。（3）胚胎干細(xì)胞研究的意義。2.學(xué)習(xí)難點（1）胚胎移植的生理學(xué)基礎(chǔ)。（2）胚胎干細(xì)胞的概念和分離途徑。三、答案和提示（一）思考與探究1.右圖是同學(xué)們到某良種場進(jìn)行參觀后，看到的胚胎移植繁育良種奶牛的技術(shù)流程示意圖。請看圖思考并討論以下各題。（1）用文字完成下面的流程圖。答：①對供、受體母畜進(jìn)行選擇，并進(jìn)行同期發(fā)情處理；③配種或人工授精；④收集胚胎；⑥胚胎移植；⑦對受體母畜進(jìn)行是否妊娠的檢查。（2）應(yīng)該怎樣選擇供體公、母牛和受體母牛？在②中，為什么要用促性腺激素處理供體母牛，在促性腺激素處理供體母牛前，為什么需要對供體和受體母牛進(jìn)行同期發(fā)情處理？答：供體公、母牛應(yīng)該是具有人類所需的優(yōu)良遺傳性狀的個體，而受體母牛必須具有正常的孕育、生殖后代的能力；需要用促性腺激素處理供體母牛是為了引起超數(shù)排卵，這樣即可獲得較多的胚胎；在促性腺激素處理供體母牛前，對供體和受體母牛進(jìn)行同期發(fā)情處理，才能使它們的生理條件達(dá)到同步或一致，使供體的胚胎移入受體后有相同或相似的生存條件。（3）在右側(cè)的流程圖中，哪一步需要進(jìn)行沖卵？沖卵是把母畜的卵子沖出來嗎？答：第④步需要進(jìn)行沖卵，沖卵是指將供體母畜體內(nèi)的受精卵沖出來，而不是把卵子沖出來。（4）用胚胎移植繁育良種種畜具有哪些實用意義？提示：胚胎移植可充分發(fā)揮雌性優(yōu)秀個體的繁殖潛力。具體表現(xiàn)為：縮短了供體本身的繁殖周期，同時通過超數(shù)排卵處理和胚胎移植可獲得比自然繁殖多十幾倍到幾十倍的后代。可在短期大幅度增加優(yōu)良個體母畜和公畜的后代數(shù)量，迅速擴(kuò)大良種畜群，加速育種和品種改良工作。經(jīng)冷凍保存的胚胎可進(jìn)行國內(nèi)和國際交換，代替活畜的引種或進(jìn)出口。通過胚胎移植可以人為生產(chǎn)雙胎或多胎?？梢酝ㄟ^保存胚胎來保存品種資源和瀕危動物。（二）正文中討論題1.在胚胎移植操作中，怎樣才能使胚胎在移植前后所處的生理環(huán)境保持一致？例如，供、受體的發(fā)情時間要一致嗎?供體胚胎移入受體子宮的位置，應(yīng)與在供體內(nèi)的位置相同或相似嗎？答：應(yīng)對供體和受體母畜進(jìn)行同期發(fā)情處理，使它們的生理條件達(dá)到同步或一致，這樣才能使供體的胚胎移入受體后有相同或相似的生存條件，這是胚胎移植成功與否的關(guān)鍵。因此，必須做到供、受體母畜的發(fā)情時間一致。同時還要做到移入受體子宮胚胎的位置應(yīng)該與其在供體內(nèi)的位置相同或相似，移入胚胎一側(cè)的受體子宮角對應(yīng)的卵巢必須有黃體存在。2.胚胎移植實質(zhì)上是早期胚胎在相同生理環(huán)境條件下空間位置的轉(zhuǎn)移。你認(rèn)為這樣的概括正確嗎？答：胚胎移植成功率的高低與供、受體生理環(huán)境條件一致性密切相關(guān)。只有供、受體生理環(huán)境高度一致，移入受體的胚胎才能被接受，并繼續(xù)發(fā)育。所以我們可以把胚胎移植簡單概括為早期胚胎在相同生理環(huán)境條件下空間位置的轉(zhuǎn)移。這樣的概括是正確的。（三）旁欄思考題對囊胚階段的胚胎進(jìn)行分割時，為什么要將內(nèi)細(xì)胞團(tuán)均等分割？提示：內(nèi)細(xì)胞團(tuán)一般到囊胚階段才出現(xiàn)，它是發(fā)育為胚胎本身的基礎(chǔ)細(xì)胞，其他細(xì)胞為滋養(yǎng)細(xì)胞，只為胚胎和胎兒發(fā)育提供營養(yǎng)。若分割時不能將內(nèi)細(xì)胞團(tuán)均等分割，會出現(xiàn)含內(nèi)細(xì)胞團(tuán)多的部分正常發(fā)育的能力強，少的部分發(fā)育受阻或發(fā)育不良，甚至不能發(fā)育等問題。四、知識拓展1.為什么說胚胎分割技術(shù)也是動物克隆的方法之一？生物的無性繁殖方式統(tǒng)稱為克隆。就胚胎分割技術(shù)本身而言，是將同一胚胎分割成幾部分，借助胚胎移植技術(shù)產(chǎn)生遺傳物質(zhì)完全相同的后代，是一種無性繁殖的方式，因此，也屬于動物克隆的一種方法。2.為什么胚胎分割的份數(shù)越多，操作的難度會越大，移植的成功率也越低？早期胚胎的體積很小，只有在顯微鏡下才能看到；再者，細(xì)胞數(shù)目是有限的。分割的份數(shù)越多，不但難以做到均等分割，每一份的細(xì)胞數(shù)會越少，而且作為囊胚期的胚胎內(nèi)細(xì)胞團(tuán)細(xì)胞所受的影響會更大。因此，分割的份數(shù)越多，技術(shù)的難度會越大，移植后的恢復(fù)和發(fā)育的難度會越大，移植成功率自然會降低。3.胚胎干細(xì)胞（ES細(xì)胞）的來源和主要特點是什么？ES細(xì)胞來源于早期胚胎，是從早期胚胎細(xì)胞中分離出來的。它具有胚胎細(xì)胞的特性，體積較小，細(xì)胞核大，核仁明顯；在功能上，具有發(fā)育的全能性，可分化為成年動物任何一種組織細(xì)胞。另一方面，在體外培養(yǎng)條件下，ES細(xì)胞可不斷增殖而不發(fā)生分化，可進(jìn)行冷凍保存，也可以進(jìn)行某些遺傳改造。4.ES細(xì)胞的主要用途是什么？ES細(xì)胞可用于研究哺乳動物個體發(fā)生和發(fā)育的規(guī)律，也是在體外條件下研究細(xì)胞分化的理想材料。ES細(xì)胞通過誘導(dǎo)分化可產(chǎn)生新的組織細(xì)胞，用于治療人類的組織損傷和某些頑癥。還可通過ES細(xì)胞的體外誘導(dǎo)分化，定向培育人造組織器官，用于器官移植，解決供體器官不足和移植后免疫排斥的問題。專題4生物技術(shù)的安全性和倫理問題4.1轉(zhuǎn)基因生物的安全性一、學(xué)習(xí)目標(biāo)1.關(guān)注轉(zhuǎn)基因生物的安全性問題，認(rèn)同對生物技術(shù)安全性問題討論的必要性。2.舉例說出對轉(zhuǎn)基因生物安全性問題的不同觀點及論據(jù)。3.形成對待轉(zhuǎn)基因生物安全性問題的理性、求實的態(tài)度。二、學(xué)習(xí)重點和難點1.學(xué)習(xí)重點（1）對轉(zhuǎn)基因生物的安全性問題多層面、多角度的關(guān)注。（2）運用生物學(xué)知識對不同觀點的理由進(jìn)行辨析和討論。2.學(xué)習(xí)難點（1）從關(guān)注整個生物圈的和諧、穩(wěn)定與發(fā)展的高度去審視轉(zhuǎn)基因生物的安全性。（2）了解有關(guān)轉(zhuǎn)基因生物安全性問題爭論背后復(fù)雜的政治、經(jīng)濟(jì)、宗教和倫理道德背景。(3）保證課堂討論、辯論會，以及社會調(diào)查的組織工作有序而有效地實施。三、答案和提示（一）正文中討論題【論壇1】3.我國為了保證轉(zhuǎn)基因食物的安全性，都采取了哪些監(jiān)控和預(yù)防措施？答：（1）立法是監(jiān)控農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物安全的有力措施。例如，中國已制定了《農(nóng)業(yè)生物基因工程安全管理實施辦法》（1996年）、《轉(zhuǎn)基因農(nóng)產(chǎn)品安全管理臨時措施》（2002年）和《農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物標(biāo)識管理辦法》（2002年）等法規(guī)。請進(jìn)入網(wǎng)站了解更多內(nèi)容：［農(nóng)業(yè)部，中國農(nóng)業(yè)信息網(wǎng)→行業(yè)網(wǎng)站（科技教育）→農(nóng)業(yè)科技信息網(wǎng)→政策法規(guī)→政策法規(guī)分類（5.轉(zhuǎn)基因管理）］。（2）多環(huán)節(jié)監(jiān)控。轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物研究、從實驗室走向大田試驗各階段，以及產(chǎn)品商品化都有相應(yīng)法規(guī)或規(guī)定進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控，只有在每一階段試驗獲得認(rèn)可證書后，才可進(jìn)入下一階段。比如，大田試驗就分為：①中間試驗階段，種植面積不超過0.27hm2（4畝），范圍不超過兩省，每省不超過3個種植點，試驗時限1～2年；②環(huán)境釋放階段，種植面積可以擴(kuò)大到0.27～2hm2(4～30畝)，范圍仍不超過兩省，每省7個種植點，試驗時限1～2年。這一階段要考察外源基因會不會發(fā)生生物間轉(zhuǎn)移，會不會對種植區(qū)周圍動物、植物、土壤造成危害等；③生產(chǎn)試驗階段，種植面積可擴(kuò)大到20hm2以上，范圍仍為兩省，試驗點不超過5個。（3）安全評價內(nèi)容具體而嚴(yán)格。食物安全性評價內(nèi)容：營養(yǎng)成分是否改變？是否存在抗?fàn)I養(yǎng)因子？是否存在毒性、過敏性蛋白等。環(huán)境安全評價內(nèi)容：轉(zhuǎn)基因植物是否變得易得?。繉χ車参镉惺裁从绊?？是否可能變成雜草？會不會把外源基因轉(zhuǎn)移給其他生物等?！菊搲?】1.轉(zhuǎn)基因生物會不會影響生態(tài)系統(tǒng)中原有的動態(tài)平衡？2.轉(zhuǎn)基因生物會不會加劇環(huán)境污染？會不會危害其他動植物生存或人體的健康？提示：這兩道題答案的基本點是一樣的：可能性不大，但要提高警惕。58高中生物選修3答案與提示_高中生物選修三這僅是一種可能性，爭論的雙方提出的不同見解都有一定的根據(jù)，不能斷言誰是誰非，但是需要人們提高警惕，這是能為大家接受的共識。隨著時間的推移，人們發(fā)現(xiàn)這類危險似乎不大，因為科學(xué)家轉(zhuǎn)入的僅是有限的一種或幾種基因；而轉(zhuǎn)入的基因是否可能會對其他生物或環(huán)境造成危害，都是經(jīng)過認(rèn)真分析、實踐的，一旦發(fā)現(xiàn)有害后果，科學(xué)家就會停止實驗；轉(zhuǎn)基因生物從實驗室到自然界釋放，都要經(jīng)過一系列安全評價、審批。此外，還有相關(guān)法規(guī)監(jiān)控。但是，為了對公眾健康負(fù)責(zé)、對社會負(fù)責(zé)，我們對于轉(zhuǎn)基因生物可能影響生態(tài)系統(tǒng)中的原有動態(tài)平衡，或者加劇環(huán)境污染，或者危害其他動植物、人體的健康的危險,仍要提高警惕。（二）尋根問底你能舉出兩個外來物種入侵的實例嗎？為什么外來物種入侵會造成嚴(yán)重的危害？提示：（1）外來物種進(jìn)入新的生態(tài)系統(tǒng)之后，由于沒有天敵，極易造成生長失控，破壞生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。比如，外來的植物瘋長，可以對本地一年生和多年生植物的結(jié)構(gòu)比例造成嚴(yán)重影響，通過對植被的生長和結(jié)構(gòu)的影響，從而造成物質(zhì)循環(huán)和能量流動的改變。又如，外來的動物種類，由于它們的選擇性覓食和破壞，也會造成物質(zhì)循環(huán)和能量流動的改變。物質(zhì)循環(huán)和能量流動的改變會對生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重破壞，比如，有人將美洲食人鯧引入，這一入侵物種就可能會對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)造成長久性的破壞。（2）外來物種在新的生態(tài)系統(tǒng)中，通過與當(dāng)?shù)匚锓N競爭營養(yǎng)或食物、分泌釋放化學(xué)物質(zhì)、形成大面積單優(yōu)勢群落等方式，直接影響本地物種的生存，加速某些生活力較弱的物種的消失。在全世界瀕危植物名錄中，大約有35%～46%是由外來物種入侵所造成的。即入侵的外來物種可能會造成生物多樣性減少。（3）外來物種進(jìn)入新的生態(tài)系統(tǒng)后，作為掠奪者、寄生者或病原體，會使受害者和寄主的數(shù)量發(fā)生變化。尤其是外來物種在適宜的生態(tài)和氣候條件下，往往會對當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)或林業(yè)帶來嚴(yán)重的損害，即所謂的爆發(fā)生物災(zāi)害。（4）有些外來植物產(chǎn)生的花粉，是當(dāng)?shù)鼐用駨奈唇佑|過的物質(zhì)，從而可能成為對人類健康造成威脅的新過敏源。比如，日本引