第三章 研究发育生物学的模式生物

模式生物的发育生物学研究发育生物学是指生物在从单细胞胚胎到成体的过程中所经历的变化和发展过程。

模式生物是指一些被广泛研究的物种，因为它们具有一些特别的特征，可以为科学家提供有用的信息。

发育生物学家通过研究这些模式生物来探索发育过程中涉及的基本生物学问题。

其中，最具代表性的两个模式生物是小鼠和果蝇。

小鼠因为其基因组与人类基因组相似度较高，能较好地模拟人类疾病的发生与发展，具有广泛的生物医学研究和应用价值。

而果蝇则因为其生命短暂，生殖能力强，遗传性良好，发育过程短，基因图谱完整，成为了模式生物研究的经典代表。

发育过程被认为是多种因素相互作用的结果，其中包括基因、环境、母体营养等因素。

发育过程从控制胚胎细胞分化开始，终止于成熟的个体形态。

发育过程中的一个关键过程是信号通路，这是指生物体内的信号物质相互作用并通过复杂的交互关系来控制基因表达、细胞增殖和分化、组织形成等生物学过程的细胞内机制。

现代生命科学的发展离不开各种前沿技术的支持，其中最具有代表性的是基因敲除技术。

通过基因敲除技术，生物学家们可以创造一系列缺乏某个特定基因表达的模式生物，以此研究该基因对个体发育过程、生物体形态、生物学特性等方面的影响。

这种研究方法被广泛应用于对因果关系的研究，是分子遗传学和发育生物学领域里的一个代表性技术。

此外，还有一些新兴技术正在被应用于研究模式生物的发育生物学。

例如，单细胞RNA测序技术可以在分辨个体细胞水平上识别不同类型的发育过程，从而研究不同细胞类型的差异和调控机制。

基于CRISPR的基因编辑技术则可以通过改变基因序列，来识别关键基因的作用以及掌握各种组织和器官的形成机制。

总之，模式生物的发育生物学研究具有极大的学术价值和社会意义。

这种研究能够掌握生命科学的关键问题，包括细胞分化、组织形成、器官发育、发育性疾病和人类健康等，有望为人类带来福祉。

发育生物学模式生物20世纪90年代以来,发育生物学的研究取得了突飞猛进的发展,发育生物学已成为当今最活跃的生命科学研究领域之一。

在发育生物学形成和发展过程中,许多划时代的研究成果往往与一些模式生物相关。

利用模式生物开展发育机制的研究,具有便捷、高效、深入、系统和有利于成果的延展与应用等优势,常用模式生物的基本特征应成为现代生命科学必不可少的学习内容[1]。

1 发育生物学模式生物的概念对某些生物的研究,有利于帮助人们理解生命世界发育现象的共同规律和普遍原理,这些生物被称为发育生物学模式生物,简称发育模式生物。

由于进化的原因,细胞生命在发育的基本模式方面具有一定的同一性,人们往往利用位于生物复杂性阶梯较低级位置上的物种来研究发育的共同规律,以构建发育的普遍原理[2]。

例如人们通过对线虫的研究,揭示了细胞凋亡这种普遍生命现象的机理,使线虫这个身长不过 1mm,全身细胞屈指可数的小生命,成为经典的发育模式生物为科学工作者所追捧。

2 发育模式生物的共同特征处于进化阶梯不同位置的模式生物,在发育生物学研究中各有其优缺点,但都具备一些共同特征:①生理特征能够代表生物界的某一大类群。

②实验材料容易获得,并易于在实验室内饲养、繁殖,研究维持费用低。

③容易进行实验操作,特别是遗传学分析[3]。

3 主要发育模式生物的生物学特性与研究价值在发育生物学研究的历史长河中,人们总是千方百计地寻找最理想的模式生物。

在不同历史阶段,棘皮动物海胆、尾索动物海鞘、头索动物文昌鱼、两栖动物蝾螈、爬行动物蜥蜴、鸟类动物鸡和哺乳类动物小鼠,都曾作为经典的模式生物,其研究成果奠定了发育生物学的一些基本理论。

现代发育生物学的研究主要集中在线虫、果蝇、斑马鱼、非洲爪蟾、鸡、小鼠和拟南芥等模式生物,其中线虫、果蝇、斑马鱼、小鼠、拟南芥的系列研究成果尤为显著,是目前人们竞相研究的热点。

3. 1 华美广杆线虫(Caenorhabditis elegans) 华美广杆线虫(以下简称线虫),是一种长为1mm,直径70m 的线形动物,自由生活在土壤中,以细菌为食,它与寄生于人类肠道内的蛔虫、钩虫和蛲虫同属于线虫类。

模式生物在发育生物学中的应用一直到不久以前，多细胞生物在胚胎期复杂的发育变化和调控一直是困扰生命科学的未解之迷。

个体生命诞生自精卵结合形成合子，经过细胞的不断分裂、迁移、分化并发生巨大形态变化，构建出未来身体的雏形。

越是出生后形态复杂的生物，其发育中细胞间关系的变化也就越剧烈。

此外，虽然所有细胞都来自于同一个受精卵，但从发育早期开始，它们就走上了不同的分化道路，越到后期，要精确的说出每个特定位置上细胞的来历就越困难。

发育过程从本质上讲是一部生命发展的细胞历史。

成体中每个细胞都有一段自己独特的历史，总括起来就构成了个体生命。

对复杂生物发育的解读类似于对有悠久历史的古文明所进行的研究,史料千头万绪，细节纷繁,难以把握，有时甚至无从下手。

显然,如何选取恰当的切入点，找出诸种复杂现象背后潜藏的共同规律就成为洞悉这部生命史的关键。

早在一百多年前人们就发现，如果把关注的焦点集中在相对简单的生物上则发育的难题可以得到部分解答。

因为这些生物的细胞数量和种类更少，胚胎在体外发育，变化也较容易观察。

由于进化的原因,细胞生命在发育的基本模式方面具有相当大的同一性，所以利用位于生物复杂性阶梯较低级位置上的物种来研究发育共同规律是可能的。

尤其是当在有不同发育特点的生物中发现共同形态发生和变化特征时，发育的普遍原理也就得以建立。

因为对这些生物的研究具有帮助我们理解生命世界一般规律的意义，所以它们被称为“模式生物”。

一种模式生物应具备以下特点：1)其生理特征能够代表生物界的某一大类群；2）容易获得并易于在实验室内饲养、繁殖；3）容易进行实验操作，特别是遗传学分析。

于是，长久以来在进化支流的港湾中休憩的小生命——酵母、线虫、果蝇、海胆、斑马鱼、非洲爪蟾、小鼠、拟南芥，获得了前所未有的青睐。

在此，我仅针对斑马鱼进行简要的阐述。

作为模式生物，斑马鱼及其胚胎具有以下优点：①斑马鱼亲鱼体形小,易于管理，极大地减少了饲养空间和管理成本；②斑马鱼雌鱼产卵量大，每次可产约300 枚，实验用样本基数大，确保统计学意义；胚胎药物处理简单,需求量少;③胚胎体外发育，发育周期短，从受精卵到仔鱼在正常条件下只需72h,借助显微镜可清楚的观察整个发育过程;④发育初期透明,通过特定基因标记，可以直观的观察靶基因的表达；⑤应用到原位杂交技术和免疫组化技术。

一、绪论1.发育生物学：是应用现代生物学的技术研究生物发育机制的科学。

它主要研究多细胞生物体的从生殖细胞的发生、受精、胚胎发育、生长到衰老和死亡，即生物个体发育中生命现象发展的机制。

镶嵌发育：合子的细胞核含有大量特殊的信息物质——决定子，在卵裂的过程中这些决定子被平均分配到子细胞中去控制子细胞的发育命运。

细胞的命运实际上是由卵裂时所获得的合子核信息早已预定的。

这一类型的发育我们称之为镶嵌发育。

胚胎诱导：是指在胚胎发育过程中，相邻细胞或组织间通过相互作用，决定其中一方或双方细胞的分化方向。

图式形成：胚胎细胞形成不同组织、器官和构成有序空间结构的过程。

形态模式：各门动物都具有区别于其他动物特有的解剖学特征，这些特有的解剖学结构内在的排列称为形态模式。

调整发育：胚胎为保证正常的发育，可以产生胚胎细胞位置的移动和重排，这样的发育为调整发育。

2.发育生物学的发展基础及过程如何？研究哪些问题？答：发展基础：胚胎学、遗传学、细胞生物学。

发展过程：形态→机理组织器官→细胞→分子它主要研究多细胞生物体从生殖细胞的发生、受精、胚胎发育、生长到衰老和死亡，即生物个体发育中生命现象发展的机制。

同时，也研究生物种群系统发生的机制。

3.细胞学说对发育生物学发展的作用？答：细胞学说改变了胚胎发育和遗传的概念：19世纪30年代末：德国Mathias Schleiden和Theodor Schwann提出细胞学说。

1840, August Weismann提出了生殖细胞论，认为后代个体是通过精子和卵子继承亲本描述躯体特征的信息；卵子是一个细胞，其分裂产生的细胞可分化出不同组织，从而否定了先成论。

19世纪70-80年代，Oscar Hertwig兄弟对海胆受精卵的观察发现，受精卵含有两个细胞核，并最终合并为一个细胞核，表明细胞核含有遗传的物质基础。

19世纪末，染色体的发现和发现染色体数目在发育中的变化规律，使孟德尔遗传定律有了物质基础。

模式生物发育生物学的研究与应用模式生物是指科研人员对于特定物种或群体进行高度关注、深入理解和广泛应用的生物体，被视为基本生物学理论研究和生命科学应用的重要工具。

在发育生物学上，模式生物在研究人员对于发育机制、分化机制、分子表达和发育调控网络等方面的学习和发现，做出了重要贡献。

本文将从模式生物在发育生物学的研究中的作用和重要性，以及模式生物的选择和应用方面进行探讨。

一、模式生物的重要性模式生物在发育生物学中的重要性不言而喻。

最初，发育生物学的研究只局限在简单的观察和描述阶段，由于缺乏系统和灵敏的分子工具、显微成像技术等现代生命科学技术手段，无法探究胚胎发育的分子机制和调控网络。

模式生物的出现和其在实验室中的长期研究，为研究者们提供了一个非常有利的平台和工具，可以通过简单、可重复、控制变量等方式，建立胚胎发育的模型，在细胞和分子水平上对其进行深入研究。

模式生物作为发育和分子生物学的重要实验动物，能够提供一系列牵涉到发育和疾病的关键基因、调控网络和生理遗传学问题，为疾病预测、预防和治疗提供有益指导和方向。

二、模式生物的选择模式生物的选择标准很高，但也不是所有生物都适于作为模式生物，需要具备以下几个条件:1. 可以在实验室中轻松、快速地繁殖，具备生理特征的高度稳定性和复杂性，并具有标准化和标记化操作方法；2. 具备完整的生命周期和发育过程，尤其是具备胚胎发育的不同发育阶段和提示器官的不同特征，便于发育机制的研究；3. 发育、生长和代谢速度适宜，其生理和发育特征尽可能贴近人类的相关现象，具有普通遗传特征，并且是野外或自然环境的优良生物体。

目前，最常用的模式生物包括无脊椎、小鼠、斑马鱼、拟鼠，以及果蝇等。

严格掌握模式生物的选择标准，有利于在发育生物学探索中，建立有力的试验验证体系，并且大幅降低实验误差。

三、模式生物的应用模式生物在发育生物学、神经科学、医学研究等领域，具有广泛的应用价值。

以小鼠为例，小鼠是哺乳动物中最常用的模式生物之一，在基因组学、干细胞、发育和疾病等领域，常用于基因失活或过表达、蛋白质表达和功能研究、疾病模型建立和药物筛选、检测，并且还被广泛应用于人类疾病的研究中，如癌症、神经元退行性疾病和心血管疾病等。

Chapter 2 模式生物体系一、模式生物• 早在20世纪初，人们就发现，如果把关注的焦点集中在相对简单的生物上则发育的现象难题可以得到部分解答。

因为这些生物的细胞数量更少，分布相对单一，变化也较好观察。

• 由于进化的原因，细胞生命在发育的基本模式方面具有相当大的同一性，所以利用位于生物复杂性阶梯较低级位置上的物种来研究发育共通规律是可能的。

¾ 尤其是当在有不同发育特点的生物中发现共同形态形成和变化特征时，发育的普遍原理也就得以建立。

¾ 因为对这些生物的研究具有帮助我们理解生命世界一般规律的意义，所以它们被称为“模式生物”。

一种模式生物应具备以下特点：1）其生理特征能够代表生物界的某一大类群；2）容易获得并易于在实验室内饲养、繁殖；3）容易进行实验操作，特别是遗传学分析。

• 理想的研究系统是科学发展的关键，在发育生物学研究中，模式生物显得尤为重要，许多划时代的突破往往都与模式动物相关。

最常见的模式生物有：逆转录病毒 (retrovirus)，大肠杆菌(Escherichiacoli)，酵母(budding yeast (Saccharomyces cerevisiae), fission yeast (Schizo saccharomyces pombe))，秀丽线虫(Caenorhab ditiselegans)，果蝇(Drosophilamelanogaster)，斑马鱼(zebrafish)，小鼠(mouse)，拟南芥(Arabidopsis)，水稻(Rice(OryzasativaL.))等。

模式生物的应用•生物是从共同祖先演化而来的，所以对生命活动有重要功能的基因在进化上是保守的，也就是说，这些基因的结构和功能，在低等生物和高等生物中是相似的。

因此，可以用比较容易研究的生物作为模型来研究其基因的结构和生物学功能，由此获得的信息可以使用于其他比较难以研究的生物，特别是推测相似的人体基因的功能•各模式动物各具优点，其研究成果不仅揭示特定物种的特点，还有助于探索动物发育的普遍规律和机制。

《发育生物学》课后习题答案《发育生物学》课后习题答案绪论1、发育生物学的定义，研究对象和研究任务？答：定义：是应用现代生物学的技术研究生物发育机制的科学。

研究对象：主要研究多细胞生物体从生殖细胞的发生、受精、胚胎发育、生长到衰老死亡，即生物个体发育中生命现象发展的机制。

同时还研究生物种群系统发生的机制。

2、多细胞个体发育的两大功能？答：1.产生细胞多样性并使各种细胞在本世代有机体中有严格的时空特异性；2.保证世代交替和生命的连续。

3、书中所讲爪蟾个体发育中的一系列概念？答：受精：精子和卵子融合的过程称为受精。

卵裂：受精后受精卵立即开始一系列迅速的有丝分裂，分裂成许多小细胞即分裂球，这个过程称为卵裂。

囊胚：卵裂后期，由分裂球聚集构成的圆球形囊泡状胚胎称为囊胚。

图式形成：胚胎细胞形成不同组织，器官和构成有序空间结构的过程胚轴：指从胚胎前端到后端之间的前后轴和背侧到腹侧之间的背腹轴4、模式生物的共性特征？答：a.其生理特征能够代表生物界的某一大类群；b.容易获得并易于在实验室内饲养繁殖；c.容易进行试验操作，特别是遗传学分析。

5、所讲每种发育生物学模式生物的特点，优势及其应用？答：a.两粞类——非洲爪蟾取卵方便，可常年取卵，卵母细胞体积大、数量多，易于显微操作。

应用：最早使用的模式生物，卵子和胚胎对早期发育生物学的发展有举足轻重的作用。

b.鱼类——斑马鱼受精卵较大，发育前期无色素表达，性成熟周期短、遗传背景清楚。

优势：a,世代周期短；b,胚胎透明，易于观察。

应用：大规模遗传突变筛选。

c.鸟类——鸡胚胎发育过程与哺乳动物更加接近，且鸡胚在体外发育相对于哺乳动物更容易进行试验研究。

应用：研究肢、体节等器官发育机制。

d.哺乳动物——小鼠特点及优势：繁殖快、饲养管理费用低，胚胎发育过程与人接近，遗传学背景较清楚。

应用：作为很多人类疾病的动物模型。

e.无脊椎动物果蝇：繁殖迅速，染色体巨大且易于进行基因定位。

酵母：单细胞动物，容易控制其生长，能方便的控制单倍体和二倍体间的相互转换，与哺乳动物编码蛋白的基因有高度同源性。

模式生物在发育生物学中的作用随着人类对于细胞和基因的研究的不断深入，模式生物在发育生物学领域中的作用也愈加显著。

所谓模式生物，是指在特定生长条件下，发育过程具有规律、可预测的生物，如线虫、果蝇、斑马鱼等。

在发育生物学研究中，这些生物被广泛应用于探究基因功能、遗传变异以及发育过程中的信号传递等课题，成为了不可替代的重要工具。

1. 线虫在发育生物学研究中的应用线虫是圆形、透明、微小的生物，具有短命、繁殖快、遗传简单等特点。

在发育生物学领域，线虫广泛被应用于探究细胞分化、胚胎发育等课题。

由于线虫的结构、发育过程及基因组都已经被详细研究和描述，因此研究人员可以利用线虫探究不同生长条件下基因表达和转录特点的变化。

对于点突变的线虫基因，科学家可以利用线虫的基因编辑技术快速筛选出突变基因，并研究其对线虫发育的影响。

此外，线虫也被广泛应用于探究基因在发育过程中的作用。

例如，在线虫发育过程中，某些基因的表达会发生异质性，如启动子的甲基化现象等。

通过对线虫基因的功能研究，人们逐渐理解了甲基化等现象对基因表达及发育的影响。

此外，线虫也被用于研究神经元的成像和系统研究，为研究神经网络等领域提供了有价值的信息。

2. 果蝇在发育生物学研究中的应用果蝇是另一种被广泛应用于发育生物学研究的模式生物。

果蝇的生长和繁殖速度比线虫更快，且其基因组相对更为复杂。

果蝇基因编辑技术的发展，为科学家提供了快速筛选突变基因和功能研究的新途径。

通过对果蝇的研究，科学家们发现，果蝇发育过程中的很多基因和人类基因相似或相同，这也为人们研究某些疾病的发生机理，提供了有价值的参考。

此外，果蝇在线虫不具备的一些生物学特点方面，也能提供独到的研究途径。

例如，果蝇天生就有发育方式多样的头胸异形性，通过对这种生物特性的研究，科学家可以深入了解异形性的发育机制。

3. 斑马鱼在发育生物学研究中的应用斑马鱼在近年来的发育生物学研究中越来越受到科学家的重视。

与其他模式生物相比，斑马鱼发育时间短、繁殖周期快、生长快，比较适合进行高通量筛选和快速遗传变异研究。

遗传与发育学中的模式生物及其应用遗传和发育学是两个相互关联的领域，通过研究模式生物的基因和发育过程，我们可以更好地理解生物的发育和进化。

在遗传和发育学领域，有许多经典的模式生物，如果蝇、线虫和拟南芥等，这些生物一直是生物学家们的研究对象。

1. 果蝇果蝇是遗传学和发育生物学领域的经典模式生物之一。

在遗传学领域，果蝇的遗传性状非常容易识别和遗传分析，因此成为了基因遗传和表观遗传等领域的重要研究对象。

在发育生物学领域，果蝇胚胎发育过程非常快速而精确，每个胚胎细胞的发育轨迹都能清晰追踪。

因此，果蝇也成为了探究基础细胞生物学和发育机制的关键生物模型。

2. 线虫线虫是另一个常用的模式生物。

线虫具有固定的细胞数和分化过程，从而成为了研究细胞命运和细胞分化过程的理想对象。

此外，线虫还是一种重要的神经生物学模型，因为它的神经系统相对简单，易于研究。

研究人员利用线虫模型发现了一些重要的神经生物学特征和与疾病相关的基因。

3. 拟南芥拟南芥是研究植物生物学的重要模式生物之一。

它具有短而快速的生命周期，因此对于研究植物生物学领域追求高通量的研究具有很大的帮助。

此外，拟南芥的基因组测序已经完成，为研究其基因功能和进化等方面提供了很多便利条件。

因此，研究者们可以通过拟南芥模型更好地理解植物的发育和适应。

应用：模式生物不仅在科学研究领域发挥着重要作用，还有很多潜在应用。

1. 疾病研究利用模式生物模型进行疾病研究已成为一种常用方法。

通过研究动物模型的基因或功能异常情况，人们可以更好地理解疾病的发生机制和治疗方法。

2. 农业研究在农业研究领域，模式生物可以被用作开发新的作物品种和改进现有的品种。

例如，通过研究拟南芥，人们可以更好地了解植物对环境压力的适应机制，进而开发出更具适应性的农作物品种。

3. 生物工程技术模式生物不仅可以被用作基础生物学研究，还可以被用于生物工程技术中。

例如，研究者们可以利用果蝇模型研究分子生物学领域的相关问题，例如基因编辑等技术。

发育生物学研究中的模式动物摘要：模式生物在生命科学研究中有重要的作用，不仅能回答最基本的生物学问题，对人类的疾病治疗也有借鉴意义。

近年来随着分子生物学、发育生物学的发展及功能基因组计划的开展，模式生物的作用便显得越来越重要。

本文着重介绍了斑马鱼、秀丽线虫及果蝇三种经典模式生物的研究历史、研究优势及发展等，进而简要阐述了模式生物在今天生命科学发展中的重要地位和推动生命科学及医学进步的不可替代的巨大潜力．关键词：模式生物；发育生物学；引言：在生物学发展之初，人们发现如果把关注的焦点集中在相对简单的生物上则发育的现象难题可以得到部分解答。

因为这些生物的细胞数量更少，分布相对单一，变化也较好观察。

并且由于进化的原因，细胞生命在发育的基本模式方面具有相当大的同一性，所以利用较低等级的物种来研究发育的共通规律是具有一定的可行性。

尤其是当我们在有不同发育特点的生物中发现共同的形态形成和变化特征时，就可以以此来建立发育的普遍原理，因此这种生物就显得尤为重要，我们称之为“模式生物”。

模式生物具有许多共同的特征，如形体相对较小，在实验室内易于培养和繁殖，世代周期短，形态结构相对比较简单，繁殖系数高（后代数量众多）等，而且通常情况下它的基因组会比较小。

前两点是出于实验室空间考虑，而世代周期短是出于研究时间的考虑；形态结构的简单性能够减少特有生命现象的干扰，以便使人们更专注于生物遗传发育的基本规律。

目前一些物种被大家公认为是优良的模式生物，如线虫、果蝇、非洲爪蟾、蝾螈、小鼠、斑马鱼、噬菌体、大肠杆菌、酿酒酵母、海胆等。

它们在人口与健康领域应用范围比较广。

而在植物学研究中比较常用的有，拟南芥、水稻、烟草等。

1.几种经典模式生物概况：1.1海胆第一个被用作模式生物的是海胆，它的胚胎对早期发育生物学的发展有举足轻重的作用。

早在一八七五年，奥斯卡‧赫特维格（Oscer Hertiwig, 1849-1922）就开始以海胆为材料研究受精过程中细胞核的作用，一八九○年后，海胆更在受精和早期胚胎发育的研究中担任重要角色。