2014年度中国科学十大进展

2021年7月4日14:05:23来源:中国科学院院刊2014年度中国科学十大进展已关闭评论489 views 7350字阅读24分30秒

“中国科学十大进展”评选活动由科技部基础研究管理中心会同《科技导报》、《中国科学院院刊》、《中国科学基金》、《科学通报》和《中国基础科学》编辑部共同举办,该评选涵盖自然科学所有领域的重要进展。2014年度评选是从270项推荐成果中选出30项作为候选进展,再由中科院院士、工程院院士、“973”计划顾问组和咨询组专家、“973”计划项目首席科学家、国家重点实验室主任等专家学者对候选进展进行无记名投票产生。

获选2014年度中国科学十大进展的研究分别为:

1.阐明独脚金内酯调控水稻分蘖和株型的信号途径;

2.发现新生期心脏具有重新生成冠状动脉的能力;

3.提出并验证了一种既可提高产量又可降低环境成本的种植模式;

4.利用溶液法制备出高性能量子点发光二极管;

5.合成出具有空前硬度和热稳定性的纳米孪晶金刚石;

6.提出并证实极体移植可有效阻断线粒体遗传病的传递;

7.利用极体高通量测序结果精确推演出母源基因组信息;

8.证实青藏高原通过下部地壳物质流动和上部地壳沿断层块体滑移两种方式向东扩张;

9.利用纳米限域的单铁催化剂实现天然气直接制乙烯;

10.发现炎症性半胱天冬酶是胞内细菌脂多糖的先天免疫受体。

具体情况如下:

1.阐明独脚金内酯调控水稻分蘖和株型的信号途径

独脚金内酯(SL)是一类调控植物分枝(分蘖)的植物激素,它在植物株型调控中发挥了重要作用,但其作用发挥的信号途径还很少被了解。由中国科学院遗传与发育生物学研究所植物基因组学国家重点实验室李家洋和王永红研究组与中国科学院上海生命科学研究院药物研究所徐华强研究组等组成的团队,以及由南京农业大学作物遗传与种质改良国家重点实验室万建民研究组与中国农业科学院作物科学研究所王海洋等和美国华盛顿大学郑宁等组成的团队分别对此开展了独立研究,得到了一致的结果。他们的研究都基于一种部分显性矮化多分蘖水稻变体dwarf53(d53),该变体表现出对SL信号不敏感。他们从中克隆出了DWARF53(D53)基因。D53基因编码SCFD3泛素复合体的一个底物,在功能上作为SL信号的抑制因子。他们的研究发现,在SL信号诱导下,D53蛋白可与此前发现的两个SL信号感知因子DWARF14 (D14,一个推测的SL受体候选蛋白)和DWARF3 (D3, SCF E3泛素连接酶复合体的F-box元件)结合形成复合体,使D53蛋白泛素化进而发生蛋白酶体降解。这显示SL信号通过使D53发生D14-SCFD3依赖性降解从而发挥其对株型的调控作用。而d53变体中D53的功能获得突变形式对SL信号不敏感,表现出可抵抗SL信号介导的降解。该研究结果不仅为水稻株型改良提供了重要理论基础,也为籼粳杂种优势利用提供了有用的基因和材料。相关研究论文分别发表在2013年12月19日《自然》杂志[Nature, 504(7480):401—405和406—410]上。《自然》杂志同期发表了题为“Witchcraft and destruction”的专文评述,肯定了D53介导的独脚金内酯信号途径在调控植物生长发育中的核心地位,并高度评价了上述研究成果的理论意义和潜在应用价值。

2.发现新生期心脏具有重新生成冠状动脉的能力

冠心病引起的心肌梗死是当前导致人类死亡的头号疾病。冠状动脉的“起源”和“成长”是和人类健康与疾病有密切关系的基础生物学问题,揭示其起源及生长调控机制将为先天性心脏病和成年心血管疾病再生医学治疗提供重要理论依据,为临床心肌梗死血管再生治疗和体外人工心脏血管生成研究提供理论线索。以往,科学界普遍认为,冠状动脉生成于胚胎时期,并从心脏外表面向心脏内部生长,即新生儿冠状动脉血管一直以来被认为是胚胎期发育形成的血管的扩增。中国科学院上海生命科学研究院营养科学研究所周斌研究组与合作者采用遗传谱系示踪技术,发现大部分冠状动脉直到出生后才形成,这些冠状动脉由心内膜干细胞分化而来,并从心脏内部向外生长形成。相关研究论文发表在2014年7月4日《科学》杂志[Science, 345(6192):90—94]上。同期《科学》杂志将此论文作为“亮点文章”进行了专题评论,指出这项研究破译了冠状动脉的起源,意义重大。《科学》杂志资深编辑Purnell博士认为,“它重新定义了冠状动脉的生长方式以及血管新生的概念,对心血管再生治疗研究意义非凡。”该论文发表后,引起了世界同行的极大关注,美国哈佛大学著名发育学家Geoffrey Burns和Caroline Burns教授评价道:“该研究是寻找冠状动脉起源研究中的突破性成果,为降低心梗后心衰的再生医学研究带来了新的希望。”

3.提出并验证了一种既可提高产量又可降低环境成本的种植模式

农业发展正面临着巨大的挑战,它既需要通过提高产量来确保全球的粮食安全,还需要降低环境成本。为应对这个挑战,中国农业大学资源与环境学院张福锁研究组与合作者进行了时间长达153点年的田地实验,覆盖了涉及中国水稻、小麦和玉米产区的主要农业-生态区。他们基于对作物生态生理学和土壤生物地球化学的最新认识,采取了一种综合的土壤-作物系统管理,结果使水稻、小麦和玉米的平均产量分别由每公顷7.2吨、7.2吨和10.5吨增长到8.5吨、8.9吨和14.2吨,而没有增加氮肥的使用。模型模拟和生命周期评估显示,通过这种综合的土壤-作物系统管理,活性氮丧失和温室气体排放发生根本性降低。如果中国的农民采取这种种植模式,到2030年平均产量达到实验值的80%,那么利用与2012年相同的种植面积,其水稻、小麦和玉米的总产量将足以满足人直接的粮食消费需求,并能在根本上增加动物饲料对粮食的需求,同时还可降低集约式农业的环境成本。相关研究论文发表在2014年10月23日《自然》杂志[Nature, 514(7523):486—489]上。《自然》杂志执行主编尼克·坎贝尔博士表示:“这篇研究论文代表着令人激动的和开拓性的农业科学研究,我们相信这项研究会吸引全球性的关注,在中国也不例外。”同时认为,这项研究的众多中国研究者来自13所科研院校,“非常好地展示了中国的农业科学研究团体如何达成了具有全球意义的成就。”

4.利用溶液法制备出高性能量子点发光二极管

浙江大学金一政研究组与彭笑刚研究组等紧密合作,发明了一种全溶液制备(除顶电极外)的基于量子点发光中心的发光二极管(LED)。该LED具有非常优异的性能,其重复性好且器件寿命达到实用要求,是迄今溶液法制备的性能最好的红光LED,至少可与真空沉积制备的性能最好的有机LED相媲美。该LED的优异性能归功于特殊设计的新型量子点和在量子点层与电子传输层间插入绝缘层。该工作在实验上验证了量子点发光二极管实用化的可行性,有望引领下一代电子显示和固态照明产业。相关研究论文发表在2014年11月6日《自然》杂志[Nature, 515(7525):96—99]上。

5.合成出具有空前硬度和热稳定性的纳米孪晶金刚石

尽管金刚石是自然界中最硬的材料,但其在高温下的热稳定性很差,限制了它的实际应用。因此材料科学家们一直期待能够同时提高金刚石的硬度和热稳定性。前人的研究表明,根据Hall−Petch效应,金刚石的硬度可以通过纳米结构化(获得纳米晶或纳米孪晶组织)的方法得到提高。然而,对于烧结完全的纳米晶金刚石,其晶粒尺寸在技术上仅能达到10—30纳米,与天然金刚石相比,其热稳定性却变得更差。最近,燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室田永君研究组合成出纳米孪晶立方氮化硼,其孪晶厚度小到约3.8纳米,使同时获得更小纳米组织尺寸、极高硬度和优异热稳定性成为了现实。此前,采用各种碳前驱体(如石墨、非晶碳、玻璃碳以及C60)的直接转变都没能成功地合成出纳米孪晶金刚石。在此项研究中,田永君研究组与合作者,采用洋葱碳的纳米颗粒作为前驱体,在高温高压下直接合成出平均孪晶厚度约5纳米的纳米孪晶金刚石。而且,他们还观测到了一种新的、与纳米孪晶金刚石共生的具有单斜晶体结构的金刚石(文中将其命名为M金刚石)。他们制备的纯纳米孪晶金刚石块体材料具有空前的硬度和热稳定性:维氏硬度可达200GPa,约为天然金刚石的两倍,实现了人类合成比天然金刚石更硬材料的梦想;而且其在空气中的氧化温度高出天然金刚石200°C以上。纳米孪晶显微组织的构建为制造新的、具有优异热稳定性和力学性能的先进碳基材料提供了一条普适的途径。相关研究论文发表在2014年6月12日《自然》杂志[Nature, 510(7504):250—253]上。《自然》杂志封面对该研究的导读为“极致的金刚石:纳米孪晶合成将其硬度及热稳定性推至顶峰”。澳大利亚James Boland教授在同期杂志发表了“金刚石变得更硬”和“超硬材料科学与纳米技术”的专题评论。美国科学院院士毛河光评价说“这正是很长时间以来许多人一直试图要做的事情”。

6.提出并证实极体移植可有效阻断线粒体遗传病的传递

线粒体病可通过母系遗传给子女,导致严重的脑、心脏、肾脏、肝脏、胰腺和肌肉疾病等不同表型,目前还没有有效治愈方法。通过将病人卵子的核基因组移植到健康卵,进行线粒体DNA置换是治疗该病的一个希望。极体是卵母细胞成熟或受精过程中不对称分裂产生的副产品,仅含有极少的线粒体,但其核基因组与卵母细胞一致。基于此,复旦大学医学神经生物学国家重点实验室朱剑虹、沙红英研究组与安徽医科大学曹云霞研究组等合作,创新性地提出极体基因组移植用于预防遗传线粒体疾病。他们利用模式动物系统比较了不同类型基因组移植的效果,包括纺锤体-染色体移植、原核移植、第一和第二极体移植等。基于小鼠的研究表明,上述重组的配子都能够正常受精并产生可存活的后代。重要的是,遗传分析表明,相对于其他移植类型,极体移植产生的F1子代具有最少的源自其母亲的线粒体DNA残留,而且第一极体移植检测不到残留。并且,线粒体DNA的遗传表型在F2子代中保持稳定。为了进一步临床应用,他们还系统分析了人类第一极体和卵核基因组及第二极体和原核基因组的一致性。上述临床前研究显示,极体移植技术可能是一种很有潜力的阻断遗传性线粒体病的治疗策略。相关研究论文发表在2014年6月19日《细胞》杂志[Cell, 157(7):1591—1604]上。《自然》和《自然﹒遗传学综述》杂志分别以“阻断遗传病变异传递”和“线粒体置换技术成为热点”为题介绍了该研究进展,并称“重要的是证明了极体移植的可行性,并显著提高了线粒体移植疗法的效率”。曾引领国际试管婴儿技术的英国人类受精和胚胎管理局(HFEA)特别发题为“极体移植防止线粒体病的安全性和有效性”的专文综述,供英国议会和公众讨论修改法律允许“线粒体DNA置换”时参考。该研究表明极体移植线粒体置换技术有潜在和重要的临床应用前景,它将可能为线粒体疾病家庭带来希望,同时也可能为社会优生优育做出贡献。

7.利用极体高通量测序结果精确推演出母源基因组信息

单个卵细胞的基因组测序及分析可用于减数分裂研究以及胚胎植入前基因组的筛查,这对于辅助生殖技术的提高至关重要。但是单个卵或胚胎能用于遗传分析的细胞数量极其有限,而且同一患者的不同卵细胞或受精卵细胞之间的基因组信息不同,这严重制约了高通量测序技术在辅助生殖领域中的应用。极体是卵母细胞成熟和受精过程中不对称分裂产生的“副产品”(前者产生的为第一极体,后者产生的为第二极体),它们的核基因组与卵细胞的原核基因组信息相对应,但并不参与后续的受精和发育。因此,能否通过对极体的测序来推演卵细胞原核基因组就显得尤为重要。北京大学第三医院乔杰研究组与生物动态光学成像中心谢晓亮研究组和汤富酬研究组合作,利用单细胞MALBAC(多次退火环状循环扩增技术)这种基因组高通量测序技术对来自同一卵母细胞的第一极体(PB1)、第二极体(PB2)以及受精卵中的雌原核进行了测序并对比分析,结果显示:受精卵的原核基因组(包括与疾病相关的等位基因和染色体非整倍性等信息)可以根据PB1和PB2基因组精确地推演出来。上述研究表明,在体外受精临床实践中,利用基于MALBAC技术的极体测序结果进行植入前母源基因组筛查,可精确、高效地选择正常受精卵用于胚胎移植。相关研究论文发表在2013年12月19日《细胞》杂志[Cell, 155(7):1492—1506]上。《自然》杂志同步对这项研究进行了报道,认为该项技术可以对女方来源的遗传疾病实现胚胎无创遗传诊断。我国的新闻联播、英国的BBS电台等多家新闻媒体也对该项研究成果进行了报道,认为此项技术可以提高生殖医学临床上疑难病例的治疗成功率。目前,该研究团队利用卵极体或胚胎细胞,通过MALBAC扩增高通量测序技术,已经帮助有遗传疾病的两个家庭成功获得健康后代。

8.证实青藏高原通过下部地壳物质流动和上部地壳沿断层块体滑移两种方式向东扩张

青藏高原向东侧向扩张的变形方式是青藏高原隆升研究的一个关键问题。迄今未止,青藏高原的地表运动变形与其深部结构之间的关联还不清楚。青藏高原的变形方式可能是通过沿巨大走滑断层的刚性地壳块体滑移,也可能是通过下部地壳粘性物质向东的蠕变流动。2008年汶川大地震的发生让人们对这种下部地壳流动的观点提出了质疑。青藏高原东部变形模式的持续争议部分是因为目前的地球物理探测数据还不足以建立起深部地壳结构与观测到的地表运动之间的联系。2006—2009年,中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室刘启元研究组与合作者在四川西部布设了由约300台流动宽频带地震仪组成的地震观测台阵。利用川西流动地震台阵记录的地震波形数据,他们以前所未有的清晰度对青藏高原东部结构进行了三维地震成像研究。他们在地壳深部识别出了广泛存在的具有低剪切波速度的中下地壳,这可导致上地壳与下地壳变形运动的解耦。其厚度朝向东部的扬子地台扩张可以解释为地壳物质的流动通道。他们的研究同时还识别出受大断层控制的地壳结构流变学特征的明显差异。结合大地测量数据,上述结果表明青藏高原向东的扩张可能是下地壳深部物质流动与上地壳沿深大断层的刚性滑移的结合。刚性块体运动和深部地壳物质流动并不是不可调和的地壳变形模式。相关研究论文发表在2014年5月《自然﹒地球科学》杂志[Nature Geoscience, 7(5):361—365]上。匿名评审人对该论文的评审意见认为,“这样一篇非常期待的文章报告了重要的地震观测结果,这将导致对青藏高原东部边界动力学过程的新的认知”。

9.利用纳米限域的单铁催化剂实现天然气直接制乙烯

随着世界范围内富含甲烷的页岩气和天然气水合物,以及生物沼气等的发现与开采,以储量相对丰富和价格低廉的天然气替代石油生产基础化学品成为了学术界和产业界研究和发展的重点。但甲烷分子的选择活化和定向转化是一个世界性难题,被誉为化学领域的“圣杯”。中国科学院大连化学物理研究所包信和团队基于“纳米限域催化”的新概念,创造性地构建了硅化物晶格限域的单中心铁催化剂,成功实现了甲烷在无氧条件下的选择活化,一步高效生产重要基础化工原料乙烯,以及芳烃和氢气等高值化学品。在1090℃条件下,甲烷单程转化率达48%,乙烯和芳烃选择性大于99%,反应过程本身实现了二氧化碳的零排放。这一成果从理论上实现了甲烷分子碳氢键的高效选择活化,在应用上彻底摒弃了二氧化碳高排放和高耗水的合成气制备过程,实现了天然气的无氧直接转化制高值化学品。相关研究论文在2014年5月9日《科学》杂志[Science, 344(6184):616—619]发表后,《德国应用化学》迅速组织了专题评述(Angewandte Chemie International Edition, 2014, 53:2—5),国内外14家科学杂志和新闻媒体以“改变世界的技术”为题进行了报道。现这项基础研究成果正与国内企业合作,探索尽快进行产业化的可行性。

10.发现炎症性半胱天冬酶是胞内细菌脂多糖的先天免疫受体

脂多糖(LPS)俗称为内毒素,是革兰氏阴性菌细胞壁的主要成分。脂多糖也是病原菌最为重要的模式分子,可诱导严重免疫反应,是内毒素性休克和临床败血症最主要的诱因。最近的研究显示,鼠类的半胱天冬酶-11可介导巨噬细胞先天免疫反应,应答不同的革兰氏阴性细菌感染。半胱天冬酶-11活化诱导的巨噬细胞炎症性坏死以应答进入胞内的脂多糖,该通路是小鼠发生内毒素休克的关键。但进入宿主细胞内细菌脂多糖是如何被识别进而诱导炎症性坏死的机制以及人的细胞是否也存在胞内脂多糖感知通路则完全不清楚。北京生命科学研究所邵峰研究组的研究显示,给胞质内递送脂多糖可导致人单核细胞、上皮细胞和角化细胞等多种细胞发生炎症性坏死,这揭示非巨噬细胞也可以感知进入胞内的脂多糖。脂多糖诱导的细胞毒性由人半胱天冬酶-4所介导,半胱天冬酶-4在功能上与鼠类的半胱天冬酶-11相同,功能上可以互相替换。进一步的深入研究发现,人半胱天冬酶-4和小鼠同源物半胱天冬酶-11以及人半胱天冬酶-5,可作为受体分子高特异性及亲和性地直接结合脂多糖及其活性成分脂质A。昆虫细胞纯化的半胱天冬酶-4/11与脂多糖结合可发生寡聚化,结果使其蛋白酶活性被激活。未充分脂酰化的脂质IVa和类球红细菌中的脂多糖能够结合半胱天冬酶-4/11,但不能诱导它们的寡聚化和活化。在生物化学机制上,半胱天冬酶-4/11通过其CARD结构域与脂多糖特异性结合,因此,与脂多糖结合存在缺陷的CARD结构域内点突变的半胱天冬酶-11则不能应答脂多糖而发生寡聚化或活化,因而也失去诱导细胞炎症性坏死的生物学功能。上述研究结果表明,炎症性半胱天冬酶对脂多糖的识别不仅在抗细菌先天免疫中发挥关键作用,也是革兰氏阴性菌诱发败血症最为重要的原因,为败血症药物的研发提供了新的理论基础。该项研究成果是继细菌脂多糖膜受体(TLR4)发现之后,首次鉴定出细菌脂多糖分子的胞内免疫受体,同时也对我们理解半胱天冬酶家族蛋白的激活机制有很大的概念突破,相关研究论文发表在2014年10月9日《自然》杂志[Nature, 514(7521):187—192]上。

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