专题十二　生物工程
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1．[2013·浙江卷] 实验小鼠皮肤细胞培养(非克隆培养)的基本过程如图6－12－1所示。下列叙述错误的是(　　)
A．甲过程需要对实验小鼠进行消毒
B．乙过程对皮肤组织可用胰蛋白酶消化
C．丙过程得到的细胞大多具有异倍体核型
D．丁过程得到的细胞具有异质性
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图6－12－1
[答案] C　
[解析] 动物细胞培养要避免杂菌感染，在取材和培养过程中必须严格消毒，所以A选项正确；取下的动物组织必须经过机械消化或胰蛋白酶消化(胰蛋白酶分解组织细胞间的组织蛋白)，使其分散成单个的细胞，所以B选项正确；丙过程是细胞的原代培养，一般指十代以内的细胞培养物，该过程的子代细胞一般都是二倍体核型，所以C选项错误；丁是指传代培养，由于该细胞培养过程取材是组织而不是单个细胞，所以，未经过细胞克隆培养，未经克隆化的细胞系具有异质性，所以D选项正确。
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2．[2012·浙江卷] 天然的玫瑰没有蓝色花，这是由于缺少控制蓝色色素合成的基因B，而开蓝色花的矮牵牛中存在序列已知的基因B。现用基因工程技术培育蓝玫瑰，下列操作正确的是(　　)
A．提取矮牵牛蓝色花的mRNA，经逆转录获得互补的DNA，再扩增基因B
B．利用限制性核酸内切酶从开蓝色花矮牵牛的基因文库中获取基因B
C．利用DNA聚合酶将基因B与质粒连接后导入玫瑰细胞
D．将基因B直接导入大肠杆菌，然后感染并转入玫瑰细胞
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[答案] A　
[解析] 本题题干中说明矮牵牛花中存在序列已知的基因B，则我们可以用化学方法合成目的基因，或者用逆转录法来获取目的基因，A项正确；当目的基因序列未知时，我们可以采用基因文库法获取目的基因。而且限制性核酸内切酶是在建立基因文库时使用的，不是在提取基因时使用，B项错误；应该利用DNA连接酶将基因B与质粒连接后导入受体细胞，C项错误；受体细胞是植物细胞时，可以利用农杆菌转化法来导入目的基因，而不利用大肠杆菌，D项错误。
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3．[2013·山东卷] 科学家通过诱导黑鼠体细胞去分化获得诱导性多能干细胞(iPS)，继而利用iPS 细胞培育出与黑鼠遗传特性相同的克隆鼠。流程如下：
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图6－12－2
(1)从黑鼠体内获得体细胞后，对其进行的初次培养称为________，培养的细胞在贴壁生长至铺满培养皿底时停止分裂，这种现象称为________。
(2)图中2－细胞胚胎可用人工方法从灰鼠输卵管内获得，该过程称为__________；也可从灰鼠体内取出卵子，通过________后进行早期胚胎培养获得。
(3)图中重组囊胚通过__________技术移入白鼠子宫内继续发育，暂不移入的胚胎可使用________方法保存。
(4)小鼠胚胎干细胞(ES)可由囊胚的__________分离培养获得。iPS与ES细胞同样具有发育全能性，有望在对人类iPS细胞进行定向__________后用于疾病的细胞治疗。
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[答案](1)原代培养　接触抑制
(2)冲卵(或冲胚)　体外受精(或核移植)
(3)胚胎移植　冷冻(或低温)
(4)内细胞团　诱导分化
[解析] (1)将动物组织处理成单个细胞，在培养液中进行的初次培养是原代培养，接触抑制指贴壁生长的细胞分裂生长到表面相互接触时，细胞就会停止分裂增殖的现象。(2)将早期胚胎从母体输卵管或子宫中冲洗出来的方法叫冲卵。(3)暂不进行胚胎移植的胚胎可放入－196 ℃的液氮中冷冻保存。(4)胚胎干细胞(ES或EK)是由早期胚胎或原始性腺分离出来的一类细胞；iPS与ES细胞一样，可通过诱导定向分化修补某些功能异常的细胞来治疗疾病。
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本专题中基因工程的相关知识年年都考，主要考查基因工程的基本操作步骤和基因工程在遗传育种中的应用，主要以选择题的形式出现。植物克隆、动物克隆、胚胎工程操作及胚胎干细胞应用等内容也是高频考点，多以选择题的形式进行考查。复习时要注意各种生物工程技术间的联系，注重学科内知识的综合应用。
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考点一　基因工程
1．与基因工程相关的几种酶
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[特别提示] 限制性核酸内切酶：能识别双链DNA分子上的某种特定核苷酸序列，并在特定位点上断开磷酸二酯键(特异性识别、切断DNA)。
DNA连接酶：连接被限制酶切开的磷酸二酯键。
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2．基因工程的基本操作程序
(1)获得目的基因：

[说明] ①基因文库：是将含有某种生物不同基因的许多DNA片段，导入受体菌的群体中通过克隆而储存，各个受体菌分别含有这种生物的不同基因。
②基因组文库：基因文库中含有一种生物所有的基因就叫作基因组文库。
③部分基因文库：含有一种生物的部分基因，就叫作部分基因文库，如cDNA文库。
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(2)形成重组DNA分子：
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(3)将重组DNA分子导入受体细胞：
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[特别注意] 受体细胞常用植物受精卵或体细胞(经组织培养)、动物受精卵(一般不用体细胞)、微生物——大肠杆菌、酵母菌等，但若要合成糖蛋白、有生物活性的胰岛素则必须用真核生物酵母菌，因为含成的蛋白质需内质网、高尔基体的加工、分泌。一定不能用哺乳动物成熟红细胞，原因是它无细胞核和众多的细胞器，不能合成蛋白质。
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(4)筛选含有目的基因的受体细胞：
①筛选的原因：并不是所有的受体细胞都接纳了重组DNA分子。
②筛选的方法：配制选择培养基，利用标记基因进行筛选。
(5)目的基因的表达：
检测目的基因是否表达的标准：细胞内是否含有目的基因表达的产物。
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例1 在菲律宾首都马尼拉郊外的一片稻田里，一种被称为“金色大米”的转基因水稻已经悄然收获。这种转基因大米可以帮助人们补充每天必需的维生素A。由于含有可以生成维生素A的β­胡萝卜素，因此其呈现金黄色泽，故称“金色大米”。 “金色大米”的培育流程如图6－12－3所示，请回答下列问题(已知酶Ⅰ的识别序列和切点是—G↓GATCC—，酶Ⅱ的识别序列和切点是—↓GATC—)：
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图6－12－3
(1)图中a、b所示的获得目的基因的方法是__________，
请再写出一种获得目的基因的方法：______________。
(2)培育“金色大米”的基因工程操作四步曲中a过程是________，图中c称作________，形成c需要用到________酶将______________进行连接。
(3)据图分析，在构建c的过程中，目的基因用________进行了切割。检验重组载体导入受体细胞能否成功需要利用________作为标记基因。
(4)过程d可以采用的方法是______________。
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[答案](1)反转录法　从基因文库中获取(直接获取，或依据蛋白质的氨基酸序列推测出DNA序列后用化学方法人工合成)
(2)转录　重组质粒　DNA连接　目的基因与载体
(3)限制酶Ⅱ　基因Ⅰ
(4)农杆菌转化法
[解析] (1)图中a、b表示从生物体内获取mRNA，经过反转录过程获取相应的目的基因，该方法称为反转录法，另外还有从基因文库中直接获取、人工化学方法合成等获取目的基因的方法。(2)图中a过程是转录，c为重组质粒，形成c需要DNA连接酶将目的基因与载体进行连接。(3)题中提供了两种限制酶，如果用酶Ⅰ切割目的基因，那么不能
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在两端获得黏性末端，无法与质粒结合，而用酶Ⅱ切割可在目的基因片段中获得黏性末端，据题图可以看出，目的基因插入了质粒的基因Ⅱ的中间，因此基因Ⅱ的结构被破坏，功能丧失，所以作为标记基因的只能是基因Ⅰ。
(4)目的基因导入植物细胞可以采用农杆菌转化法。
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[点评] 构建基因文库是获取目的基因的方法之一，但并不是唯一的方式。如果所需要的目的基因序列已知，那么就可以通过PCR方式从含有该基因的生物的DNA中直接获得，也可以通过反转录方法(本题就是用这种方法)获取，但用PCR方式从mRNA中获得，不一定要构建基因文库。如果所需要的目的基因的序列完全未知，或只知道目的基因序列的一段，或想从一种生物体内获得许多基因，或者想知道这种生物与另一种生物之间有多少基因不同，或者想知道一种生物在个体发育的不同阶段表达的基因有什么不同，或者想得到一种生物的全部基因组序列，往往就需要构建基因文库。
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变式1 转基因抗虫棉的培育流程如图6－12－4所示，下列叙述错误的是(　　)
A．获得抗虫基因时不一定要使用限制性核酸内切酶
B．抗虫基因进入受体细胞，棉花不一定会表现出抗虫性状
C．Ti质粒上的标记基因用以筛选转基因抗虫棉幼苗
D．构建重组质粒时，不一定用相同的限制性核酸内切酶处理目的基因和质粒
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图6－12－4
[答案] C　
[解析] 目的基因还可以用化学合成方法获得，A项正确；目的基因导入受体细胞后不一定表达，B项正确；Ti质粒上的标记基因是用来筛选含目的基因的土壤农杆菌的，C项错误；为了减少产生的重组质粒的类型，构建重组质粒时，不一定用相同的限制性核酸内切酶处理目的基因和质粒，D项正确。
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例2 下列有关现代生物技术操作的叙述，正确的是(　　)
A．从基因文库中获取目的基因都需要限制性核酸内切酶、DNA连接酶等工具酶
B．目的基因的载体都需要在液体培养基中培养
C．克隆转基因哺乳动物都需要结合胚胎移植技术
D．要获取不同基因型的多个动物体都需要采用核移植技术
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[答案] C　
[解析] 获取目的基因时，不需要使用DNA连接酶，A项错误；目的基因的载体需在宿主细胞内培养，B项错误；克隆转基因哺乳动物时，需将目的基因导入受精卵或核移植细胞，在体外培养成早期胚胎，然后把早期胚胎移植到代孕母体内，C项正确；用不同基因型的亲本杂交也可获得不同基因型的动物体，D项错误。
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考点二　克隆技术
植物组织培养、动物细胞培养的比较
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例3 下列有关植物细胞培养和器官培养的叙述，正确的是(　　)
A．植物细胞在组织培养过程中染色体数目始终保持不变
B．愈伤组织通过胰蛋白酶处理可以分散成具有胚性细胞特征的单细胞
C．取自同种植物不同个体的细胞，在相同培养基上全能性的表达程度一定相同
D．给予适宜的条件，有的植物可以在愈伤组织的基础上直接发育出花器官
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[答案] D　
[解析] 植物组织培养过程中有可能发生染色体畸变，A项错误；愈伤组织培养物放在摇床上，通过悬浮培养可以分散成单细胞，不用胰蛋白酶处理，B项错误；同种植物不同个体细胞，存在遗传性的差异，全能性表达程度大不相同，C项错误；有的植物(如风信子)可以在愈伤组织的基础上直接发育出花器官，D项正确。
[点评] 对选修3知识点的考查，许多试题的知识点直接来源于课本，因此在复习时，根据考纲要求对课本进行通读是必要的。
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变式2 在现代生物工程中，经常要对于动植物的各种细胞进行处理，尤其是细胞工程和胚胎工程，如图6－12－5所示是哺乳动物的某种细胞分裂过程的示意图，有关图中各过程和细胞的描述及它们在生物工程中的应用的描述科学的是(　　)
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图6－12－5
A．细胞②中染色体组的数目已经加倍，并可能已经发生了基因突变和基因重组
B．细胞⑤常作为胚胎工程中体外受精和体细胞克隆过程中的基本材料
C．细胞①如果在体外培养增殖，那么需要在培养液中加动物血清，并放置在滋养层细胞上培养
D．一个基因型为AaBb的细胞①分裂产生的细胞⑤⑥⑦⑧，若不考虑交叉互换、基因突变和染色体畸变，则基因型只有2种可能性
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[答案] D　
[解析] 细胞②处于减数第一次分裂时期，染色体组的数目未加倍，A项错误；由图可知，细胞⑤是卵细胞，体外受精时用的是次级卵母细胞，B项错误；滋养层细胞是囊胚外层细胞，以后发育成胚胎的附属结构，动物细胞培养时，可以用滋养细胞(如经射线照射本身失去增殖力的小鼠成纤维细胞)支持生长，C项错误；一个卵原细胞经正常减数分裂产生两种类型的4个子细胞，D项正确。
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考点三　胚胎工程
1．体外受精和早期胚胎的培养
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2. 试管动物的培育流程
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图6－12－6
3．核移植技术和胚胎分割技术的比较
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4. 胚胎工程的应用
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例4 如图6－12－7所示是转基因猕猴培育过程示意图，请据图回答下列问题：

(1)过程①用到的工具酶中能识别特定核苷酸序列的是_______________，过程②中常用___________方法将目的基因导入受精卵。
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图6－12－7
(2)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CO2气体以维持______________。
(3)图中过程⑦称为________，为使代孕雌猴与供体雌猴生殖器官的生理变化相同，此前需要对代孕雌猴做_____处理。受体对移入子宫的外来胚胎不会发生_________，这为胚胎在受体子宫内的存活提供了可能。
(4)若要同时获得多只与此转基因猕猴相同的小猴，可对早期胚胎进行________，操作时选择发育到桑椹胚或囊胚期的胚胎进行。若选用囊胚期的胚胎，则操作过程需要特别注意的问题是____________________。
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[答案](1)限制性核酸内切酶　显微注射
(2)培养液的pH
(3)胚胎移植　同期发情　排斥反应
(4)胚胎分割　将内细胞团均等分割
[解析] (1)构建基因表达载体时用到的能识别特定核苷酸序列的工具酶是限制性核酸内切酶；将目的基因导入动物细胞采用最多、最有效的方法是显微注射法。
(2)受精卵的培养需要稳定的pH，CO2可维持培养液pH稳定。
(3)体外培养的胚胎移入受体动物子宫中的过程称胚胎移植；为了使胚胎在受体动物的子宫内顺利着床，需用激素对受体动物进行同期发情处理；受体动物的子宫不会对外
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来胚胎产生免疫排斥反应。
(4)可以通过胚胎分割的方法用一个受精卵获得多个胚胎，进而获得多只转基因动物；在囊胚期进行胚胎分割时，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。
[点评] 转基因动物培育时，一般将重组质粒导入受精卵，也可导入核移植后的重组细胞，常用的导入方法是显微注射法；在进行胚胎移植时，受体与供体应是同种生物且经同期发情处理，以免发生排斥反应；在囊胚期进行胚胎分割时，需将内细胞团均等分割。
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变式3 从同一个人的早期胚胎中提取的若干个干细胞在实验室培养后形成了骨骼、血管、肌肉、神经以及肝脏等多种人体器官组织。下列有关叙述正确的是(　　)
A．以上干细胞要接种在饲养层上培养
B．以上形成的不同组织、器官是基因选择性表达的结果
C．以上形成的不同组织器官的细胞中产生的mRNA都不相同
D．提取的干细胞在实验室培养形成多种人体组织器官体现了细胞的全能性
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[答案] B　
[解析] 早期胚胎细胞经分化形成各种组织、器官，是基因选择性表达的结果，饲养层的细胞能抑制细胞的分化，故A项错误，B项正确；维持细胞生存的基因在每个细胞中都表达，不同的组织器官细胞中也有相同的mRNA，C项错误；细胞的后代发育成完整个体的潜能称为细胞的全能性，题中只形成组织器官，D项错误。
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考点四　生态工程
生态工程的基本原理
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例5 为了解决环境问题，优化生态环境，实现资源的最大化利用，我们要走可持续发展的生态工程之路。下面是某生态工程示意图，请回答下列问题：
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图6－12－8
(1)该生态工程所遵循的基本原理是__________________
(至少写两种)。
(2)该生态系统的能量流动从___________________开始，
图中属于消费者的生物有________________。
(3)与传统农业生态系统相比，该生态系统更能净化环境，主要原因是________________________________。
(4)该生态系统为何能提高经济效益？________________________________________________________________________。
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[答案](1)协调、循环、再生
(2)桑树、油菜等生产者　蚕、禽、畜
(3)粪便等废弃物被及时利用
(4)实现了物质和能量的多级利用，提高了农产品的产量，减少了化肥、农药的使用(降低农业成本投入)
[解析] (1)生态工程的基本原理有整体、协调、循环、再生。该生态工程依据的是物质循环再生、协调与平衡原理。(2)生态系统的能量流动是从生产者开始的，即桑树、油菜等，消费者是蚕、禽、畜等。(3)分析示意图可知，该生态系统实现了废弃物的再利用及无害化处理，因此更能净化环境。(4)该生态系统实现了物质和能量的多级利用，降低了生产成本，提高了农产品的产量。
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[点评] 生态工程的基本原理有整体、协调、循环、再生。生态工程的主要类型有物质循环利用的生态工程、节水和废水处理与应用的生态工程、山区小流域综合治理与开发的生态工程、清洁及可再生能源系统组合利用的生态工程。我国农业生态工程的主要技术有物质的良性循环技术、洁净可再生的新能源开发技术、种植业和畜牧业合理优化技术。
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[教师备用习题]第1题考查的是与植物组织细胞培养有关的问题，第2题考查的是有关胚胎干细胞的问题，均作为考点的补充。
1．下图是“白菜—甘蓝”杂种植株的培育过程(已知两种植物均为二倍体)。请据图回答有关问题：
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(1)①②过程所用的化学试剂依次为_______、_______。
(2)培育出的新植株既有白菜生长期短的优点，又有甘蓝易于储存的特性，从分子水平来说，这是由于_______
_______________________________________。
(3)新的植物体能克服远缘杂交不亲和的障碍而结种子，是因为____________________________。
(4)某同学提出，用上图所示方法不能获得纯种，若用白菜和甘蓝的花粉细胞代替图中的体细胞再采用上图所示的过程即可获得纯种。该同学的方案中有缺陷，请对该方案加以完善：_____________________________________。
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(5)在培养杂种细胞至幼苗的过程中，培养基中通常要加入植物激素。下图表示研究人员配制不同比例的细胞分裂素和生长素的培养基后，培养时植物生长的状况，请分析图并回答有关的问题：
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①在进行植物组织培养的过程中，图中两种激素的配合使用是为了人为地控制细胞的________和________过程。
②分析图可知，若组织培养要获得大量的茎叶，则细胞分裂素和生长素的比例应控制在________，如果通过组织培养要获得大量紫兔素，那么细胞分裂素和生长素的比例应控制在________(填“大于1”“小于1”或“等于1”)。
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[答案] (1)纤维素酶　聚乙二醇
(2)白菜和甘蓝的基因选择性表达的结果
(3)细胞中有白菜和甘蓝的各两个染色体组，同源染色体能正常联会和分离，产生可育配子
(4)融合的原生质体培养成幼苗后，需要用秋水仙素加倍才能筛选出纯合体
(5)①脱分化　再分化　②大于1　等于1
[解析] (1)植物体细胞杂交过程中，用纤维素酶和果胶酶去掉植物细胞的细胞壁，得到原生质体。然后用聚乙二醇(化学方法)或者振荡、离心、电激(物理方法)等方法诱导原生质体融合。(2)生物体性状主要通过蛋白质体现出
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来，杂种植株既有白菜的性状，又有甘蓝的性状，是因为两种生物的基因都能进行选择性表达，产生出相应蛋白质。(3)生物是否可育，关键看减数分裂时染色体是否能正常联会和分离。杂种植株具有白菜和甘蓝的各两个染色体组，减数分裂时同源染色体能正常联会和分离，产生可育配子。(4)花粉融合后只能得到含白菜和甘蓝的各一个染色体组的异源二倍体，是高度不育的。为了使其可育，应该用秋水仙素处理使其染色体数目加倍。(5)组织培养过程中，细胞分裂素和生长素配合使用，可以诱导植物细胞脱分化和再分化。当两者比例较高时，促进芽的形成；比例较低时，促进根的分化；两者比例适中，促进愈伤组
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织形成。依题意，要得到茎叶，需要诱导芽的形成，故比例大于1；要得到紫兔素，培养到愈伤组织阶段即可，需要两者比例适中，即等于1。
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2．为了解决人类器官移植供体不足、异体器官移植存在免疫排斥等问题，我国科研工作者将猴子的皮肤干细胞注射到小鼠的囊胚里，再将囊胚移入代孕鼠体内发育形成猴鼠嵌合体——猴鼠，用于人的眼角膜等器官的移植研究。请回答下列问题：
(1)皮肤干细胞是由胚胎干细胞体外培养诱导分化形成的，其原理是胚胎干细胞具有发育的全能性。根据胚胎干细胞的这种功能特性，当我们身体的某一类细胞功能出现异常或退化时，利用胚胎干细胞的治疗思路是_____________________________________。
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(2)培养胚胎干细胞的培养液中除加入各种营养物质外，还必须加入________________。细胞培养所需的气体主要有__________。
(3)囊胚期时期，胚胎细胞开始出现分化，应将猴子的皮肤干细胞注射到小鼠囊胚的__________部位，以伴随其发育并形成某种组织。
(4)将囊胚移入代孕鼠体内属于__________技术，此技术对代孕受体的要求是____________________。
(5)在畜牧业生产中，为了充分发挥优良雌性个体的繁殖潜力，常用的处理方法是______________________。为进一步提高胚胎的利用率，可采用__________技术。
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[答案] (1)移植胚胎干细胞，并诱导其分化成相应的正常细胞来替换异常细胞
(2)动物激素和动物血清 　二氧化碳和氧气
(3)内细胞团
(4)胚胎移植　同种且生理状态相同
(5)用促性腺激素处理雌性供体动物，使其超数排卵　胚胎分割
[解析] 据题意，当我们身体的某些细胞异常时，我们可以诱导干细胞分化成相应细胞替换掉异常细胞。动物细胞培养时，要加入动物激素和血清。动物细胞培养需要为细胞呼吸提供氧气，需要二氧化碳来维持培养液pH相对稳
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定。内细胞团将来发育