科技名刊精选

Nature

山峰植物物种丰度加速提高与气候变暖相关

Nature封面：阿尔卑斯山脉东部Piz Lagalb山岩石中的高山点地梅（Androsace alpina）。Nature杂志第7700期封面文章报道了Manuel Steinbauer及其同事考察过去145年来欧洲302座山峰的植物物种丰度变化。植被调查数据表明，欧洲大部分山峰的植物物种丰度在这一阶段都显著提高了，而且在加速提高，表现为过去10年的物种丰度是50年前的5倍。作者的分析揭示了物种丰度提高速率与气候变暖速率之间的正相关关系，这意味着即使在地球上的偏远地区，气候引发的生物性变化也在加速发生。

手性等离子体激元金纳米粒子的氨基酸及肽指导的合成

Nature封面：三维纳米粒子。Nature杂志第7701期封面文章报道了一种基于溶液的合成均相高手性金纳米粒子并控制其各自毒性的方法。在存在半胱氨酸或基于半胱氨酸的肽的情况下制备金，半胱氨酸或基于半胱氨酸的肽对映选择性地结合金种子的高密勒指数结晶学平面，从而诱导产生手性。纳米制造技术的进步使手性研究从有机化学中的传统“镜像”分子延伸到三维金属纳米结构。与具有手性的有机物类似，这些金属结构表现出光学活性，每种镜像形式与圆偏振可见光的相互作用都不一样。

催化置换反应打破有机化学合成规则

Nature封面：分子控制。Nature杂志第7702期封面文章报道了如何利用一种通常无法控制的反应机制，从外消旋混合物中选择性地生成四面体手性中心。单分子亲核取代反应（SN1）在有机化学教科书中无处不在。它允许引入的亲核试剂通过平面阳离子中间体，取代碳原子上已有的取代基之一。但是该机制的性质意味着亲核试剂可以从任一面接近反应碳原子，也就是说一般不可能选择性地添加外来基团。但是通过使用手性氢键催化剂和路易斯酸，Jacobsen和他的团队打破了这一规则，使得SN1反应以立体控制的方式进展下去。

肝脏的生命线

Nature封面：肝脏的生命线。Nature杂志第7703期封面文章报道了关于一种保存移植前供肝的新方法的试验结果。限制肝移植成功率的一个关键因素是供肝的数量与质量。研究人员采用了常温机械灌注（NMP）技术，它可以在体温下维持供肝，将来自肝脏的脱氧血带入机器中，脱氧血在该机器内被氧合，同时添加关键营养素，然后被泵入肝内。与冷冻保存方法相比，该技术可以使供肝的保存时间延长54%，供肝损伤减少50%。研究团队希望常温机械灌注可以增加可用移植器官的数量。

Science

观察原生状态的细胞:多细胞生物的成像亚细胞动力学

Science封面：分辨率革命。Science杂志第6386期封面及特刊报道了活细胞3D立体细节。活细胞包含对外界扰动敏感的动态的、空间复杂的子组件。为了减少这种干扰，细胞应该在它们的原生多细胞环境中成像，在尽可能柔和的光照下。然而，要实现三维亚细胞过程所需要的时空分辨率是具有挑战性的。霍华德休斯医学研究所Eric Betzig教授团队基于他们之前发明的晶格层光显微术（lattice light-sheet microscopy，LLSM）和自适应光学技术（adaptive optics，AO），Betzig教授团队实现了在活组织中，以前所未有的分辨率，展现出了细胞运动的3D影像。

CRISPR技术检测病毒

Science封面：沙子中绘制的寨卡病毒衣壳的概念图。Science杂志第6387期封面文章报道了基于CRISPR方法的诊断技术。快速准确地识别传染病对于优化临床护理、指导感染控制和公共卫生干预对于限制疾病传播至关重要。理想的诊断测试应该是低廉、准确、快速，可在多种样本类型上进行实时使用，无需专业技术人员、辅助设备或电源。基于CRISPR-Cas生物学开发的便携式诊断工具可快速，高度灵敏地检测患者样本中的病原体。封面所示在沙子中绘制的寨卡病毒衣壳的概念图突出了部署这些工具在远程环境中检测和追踪疾病的承诺。

谷氨酸受体样通道的细胞内运输对植物钙离子信号通路的影响

Science封面：花粉管信号。Science杂志第6388期封面文章报道了谷氨酸受体样通道的细胞内运输对植物钙离子信号通路的影响。植物虽然缺少很多在哺乳动物中调节细胞内钙离子浓度的机制，但是它们仍然利用钙离子信号来帮助完成多种生理功能。而编码谷氨酸受体样通道（GLRs）的基因家族对钙离子运输有重要作用。拟南芥中的GLR基因家族（AtGLR）包含20个不同的GLR基因。科学家通过生成多种AtGLR突变体的方法对这些不同基因在钙离子信号通路中的作用进行了研究。

两栖动物真菌杀手很可能起源自东亚地区

Science封面：火腹蟾蜍Bombina orientalis。Science杂志第6389期封面文章报道了一种致命性真菌的源头可被追溯至朝鲜半岛，该真菌造成全球众多两栖类种群衰减达几十年之久。一种致命性的称为蛙壶菌（batrachochytrium dendrobatidis）的真菌长期以来就被认为是导致几大洲的青蛙、蟾蜍、蝾螈和其他的两栖类动物种减少和灭绝的原因。这种真菌会引起一种叫做壶菌病（chytridiomycosis）的疾病，它会攻击两栖动物的皮肤，影响它们调节水分和电解质水平的能力，从而导致心脏衰竭。研究团队收集了来自世界各地的蛙壶菌样本开展了系统研究。

生命科学

晒太阳改善学习、记忆和情绪的神经环路机制

中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心熊伟教授研究组与中国科学技术大学化学与材料科学学院黄光明教授研究组合作，揭示了一条脑内谷氨酸合成新通路及其参与紫外线照射改善学习记忆的分子及神经环路机制，相关论文发表于Cell。研究人员利用单细胞质谱技术在单个神经元中筛选到单个海马神经元中的UCA。运用已经构建的紫外线照射模型鼠，模拟了紫外线暴露下小鼠各脑区中UCA的浓度变化。在细胞内UCA通过一系列的生物代谢酶最终转化成兴奋性神经递质GLU。细胞内的GLU在运动皮层以及海马的神经末梢释放，进而激活运动学习以及记忆相关的脑内神经环路，从而增强动物的运动学习能力以及物体识别记忆能力。

脑内谷氨酸合成新通路及其参与紫外线照射改善学习记忆的分子及神经环路机制（图片来源于Cell）

相关试验数据（图片来源于Cell）

正常人类组织中合子后单碱基嵌合突变分布模式

北京大学生命科学学院魏丽萍教授课题组揭示了合子后嵌合突变在人类正常发育过程中的突变来源和空间分布两种重要分布模式并系统描述其差异，对理解人类突变的产生和积累有重要意义，相关论文发表于PLOS Genetics。研究发现存在两种不同类型的pSNM：胚胎期pSNM中C＞T突变比例比克隆扩张pSNM更高，且这些突变在CpG位点上突变率更高；对复制时机的研究发现胚胎期pSNM集中在DNA复制早期的基因组区域，克隆扩张pSNM集中在DNA复制晚期的基因组区域；对DNA转录活性的研究发现胚胎期pSNM集中在胚胎期染色质开放区和拓扑关联区域上。

植物开花分子机制研究

中国科学院华南植物园激素调控研究组侯兴亮研究员、刘旭副研究员等以模式植物拟南芥为研究材料，证实了NF-Y亚基蛋白NF-YC是光周期途径中FT基因表观调控的重要因子，相关论文发表于Plant Physiology。开花是高等植物进入生殖阶段的标志，在植物繁衍后代和外界环境适应中发挥着重要作用。植物的开花时间由环境因子以及内源信号共同精细地调控。目前已经发现多条开花调控途径，如光周期途径、春化途径、自主途径以及赤霉素途径等。该研究揭示了NF-YC-CLF特异互作介导下游表观调节和诱导开花的新型作用机制，增进了对植物开花时空特异性的表观调控机制的理解。

家养动物基因交流研究

中国科学院昆明动物研究所研究员张亚平、吴东东课题组利用大规模基因组数据，阐明了基因交流在牛属动物的驯化以及环境适应中的重要作用，相关论文发表于Nature Ecology & Evolution。通过系统性分析，确定了牛属之间的系统发育关系，得出大额牛不是印度野牛的驯化种，而是一个独立的物种或亚种的结论。进一步分析发现牛属之间存在广泛的基因交流，考虑到瘤牛的驯化时间较长，神经系统基因的快速进化是家养动物被成功驯化的关键，推测基因交流在促进动物被成功驯化的过程中起到重要的作用。同时也发现分布在青藏高原上的牦牛与藏黄牛之间存在显著的基因交流。

氨基酸依赖的mTOR调控新机制

北京大学分子医学研究所、北大—清华生命科学联合中心刘颖课题组发现KLHL22 E3泛素连接酶对氨基酸依赖的mTORC1调控具有重要作用，证明KLHL22能够影响乳腺癌发生和机体衰老进程，研究成果发表于Nature。KLHL22在细胞内氨基酸充足时离开细胞核并富集到溶酶体上，泛素化修饰mTORC1的抑制蛋白DEPDC5并促使其降解，从而活化mTORC1。论文同时报道了KLHL22的重要生理作用：抑制KLHL22可以延长秀丽线虫寿命；33例乳腺癌病人样品中KLHL22均高表达，敲除乳腺癌细胞的KLHL22可抑制裸鼠移植瘤的发生。该研究具有潜在的临床应用价值，KLHL22可能成为乳腺癌治疗和干预机体衰老的新靶点。

KLHL22的生理意义（图片来源于北京大学）

中国大鲵遗传多样性与保护研究进展

中国科学院昆明动物研究所、中国科学院动物进化与遗传前沿交叉卓越创新中心车静研究员，中国科学院院士、中国科学院副院长张亚平以及昆明动物所特聘研究员、加拿大安大略皇家博物馆教授Robert Murphy领衔的国内外研究人员参与合作，基于基因组水平数据，揭示了中国大鲵至少由5个物种（有可能为8个）组成，中国大鲵的保护面临着重大调整，亟须进一步评估和改进。研究论文发表于Current Biology。中国大鲵俗称“娃娃鱼”，为中国特有珍稀野生动物，也是世界现存两栖类中体型最大的物种，体长可达到2米。中国大鲵具有极高的进化独特性，在全球生物多样性资源保护中占据重要地位，堪称“水中大熊猫”。

人类消化道发育细胞图谱

北京大学北京未来基因诊断高精尖创新中心、生命科学学院生物动态光学成像中心汤富酬课题组、葛颢课题组，北京大学第三医院乔杰课题组合作，从单细胞分辨率和全转录组水平系统阐明了食道、胃、小肠和大肠这四种器官在人类胚胎发育过程中的基因表达图谱及其信号调控机制，揭示了这4种器官不同细胞类型之间的精准发育路径和基因表达特征，研究论文发表于Nature Cell Biology。消化系统是人体中最重要的器官系统之一，消化道作为消化系统最重要的组成部分主要由食道、胃、小肠和大肠组成。此项研究进一步解析了大肠从胎儿到成人的发育、成熟路径和关键生物学特征。

处于激活前状态的两个完全组装酿酒酵母剪接体高分辨率电镜结构

清华大学生命学院施一公研究组开展完全组装的酿酒酵母剪接体激活前结构的研究，研究成果发表于Science。文章解析的pre-B complex结构由68个蛋白和6条RNA组成。在该结构中，首次观察到了剪接体组装早期U1 snRNP对5’剪接位点的识别，以及五种核糖核蛋白之间的相互作用界面。论文还报道了处于pre-B complex之后的另一个完全组装的剪接体，即预催化剪接体B complex的高分辨率三维结构。结合B complex的结构信息，通过结构对比，可以看清在组装过程中，pre-mRNA的5’剪接位点由一开始被U1 snRNP识别，而后由于构象变化被转移并与U6 snRNA配对，这一步的变化为剪接体激活提供了结构基础。

工程应用

斜爆轰起爆机理研究进展

中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室激波与爆轰物理团队与北京理工大学宇航学院合作，开展了斜爆轰波起爆区结构对来流马赫数依赖关系的数值模拟和理论分析；研究成果发表于Combustion and Flame和Physics of Fluids。来流马赫数低于临界值时，起爆区的流场结构和长度发生突变，并伴随有二次斜爆轰波/斜激波的产生。通过开展稳定性参数的分析以及化学放热反应速率的影响研究，确认了斜爆轰波流场结构的突变主要是爆轰波面变化引起的。更低的来流马赫数条件下，观察到波面位置的无衰减振荡，揭示了斜激波和燃烧耦合系统的内在不稳定性。合作团队进一步开展锥激波诱导的斜爆轰波探索。

斜爆轰波流场结构的突变（图片来源于中国科学院力学研究所）

激波与燃烧面的耦合—解耦现象（图片来源于中国科学院力学研究所）

高灵敏非铅钙钛矿光电探测器

中国科学院大连化学物理研究所韩克利研究员团队采用溶液法制备了一种基于非铅钙钛矿的高灵敏度光电探测器，相关研究成果发表于The Journal of Physical Chemistry Letters。光电探测器在信号处理、通信、生物成像等诸多领域发挥着重要作用。研究团队合成了一种含锑（Sb3+）元素的钙钛矿单晶。通过研究其载流子动力学，发现该单晶具有载流子寿命长、迁移率高、扩散长度长等优点。利用该材料构建的微米尺度光电探测器能达到高效的电荷收集率，可实现在弱光下的高灵敏响应（40A/W），该灵敏度为目前已有报道的非铅钙钛矿光电探测器最高值。

钠离子混合电容器

中国科学院兰州化学物理研究所清洁能源化学与材料实验室阎兴斌研究员团队利用新型金属有机骨架（MOFs）材料开放的孔道结构、高的比表面积和可调控的结构入手，构筑了高性能新型钠离子混合电容器，研究论文发表于Advanced Functional Materials。金属离子混合电容器集高能量密度、高功率输出、长循环寿命等优点于一身，近年来已成为未来可持续发展新型储能系统的一个重要发展方向。其中，因钠资源丰富、价格低廉，与锂的物理化学性质相似，使得钠离子电池及钠离子混合电容器作为锂离子储能体系有效的替代产品，发展势头迅猛。

纳米贵金属生物材料介导骨骼肌再生

西安交通大学前沿科学技术研究院雷波研究员课题组研究发现，在不加药物和生长因子的情况下，纳米金和金银合金纳米粒可以显著介导成肌细胞的肌管形成和促进细胞成肌分化，并将进一步的研究成果发表于Biomaterials。纳米合金颗粒可以通过激活p38α MAPK的信号途径刺激成肌分化相关基因和蛋白的表达，调控骨骼肌的分化。体内骨骼肌缺损动物模型发现，纳米金银合金材料可以显著促进缺损区肌纤维和毛细血管的形成，最终实现骨骼肌的再生。该研究拓宽了纳米贵金属材料在组织再生方面的应用，并揭示了其调控骨骼肌分化的分子生物机制。

超声空化作用可增强声动力治疗效果

中国科学院声学研究所超声技术中心白立新副研究员与北京化工大学生命科学技术学院刘惠玉教授团队合作，发现金属有机骨架（MOF）衍生的含有类卟啉结构的介孔碳球（PMCS）可作为一种高效无机声敏剂用于声动力治疗，克服了传统有机声敏剂在水中溶解度低、易于从血液循环中消除，在肿瘤部位积蓄量少的问题，增强了其声动力治疗效果，研究成发表于Advanced Materials。研究人员以沸石咪唑类骨架材料ZIF-8作为模板，通过高温煅烧合成介孔碳球，其类卟啉结构、高比表面积和多孔道结构带来了大量气核，降低了空化阈值。这些气核在超声的作用下发展成空泡，增强了超声的空化效应。

介孔碳球（PMCS）的声动力治疗过程示意图介孔碳球强化的超声空化（（图片来源于中国科学院声学研究所）

介孔碳球强化的超声空化介孔碳球强化的超声空化（图片来源于中国科学院声学研究所）

生物质热解分布活化能模型的动力学补偿效应

上海交通大学蔡均猛研究组与英国的合作者分析了理论模拟数据和纤维素热解动力学实验数据，研究生物质组分（纤维素、半纤维素和木质素）热解的动力学频率因子与Logistic活化能分布之间的关系，研究结果发表于Bioresource Technology。研究发现存在多组模型参数集可非常好地描述热解动力学曲线，而且这些参数集中频率因子的对数与活化能分布平均值之间存在完美的线性关系（即动力学补偿效应）。研究结果有助于生物质热解动力学机理的解析以及生物质热解过程的计算流体力学（CFD）仿真和过程模拟。论文中建立的分析方法对其他固态反应体系的动力学研究也有着重要的借鉴意义。

多通道柔性生物电子器件

天津大学精仪学院生物医学与科学仪器系教授黄显实现了与生物高效融合的多通道柔性生物电子器件，相关研究成果发表于Advanced Materials。植入式柔性传感器通过实时在体的测量人体和组织器官的各种参数，揭示各种生物过程，辅助疾病诊疗。柔性电子器件对人体的组织伤害小，能够适应组织的表面形貌和复杂的内部构造。黄显团队提出了高通量柔性生物电子器件的概念，通过将刚性的脆性MOFs材料纳米化，成功实现了具有柔性的MOFs功能性薄膜。该工作拓宽了柔性植入式传感器电极材料的选择范围，加深了从分子层次对传感器性能的理解，提供了从分子层次设计具有靶向识别传感器的可能性。

成年非人灵长类脊髓损伤修复

北京航空航天大学教授李晓光、上海同济医院教授孙毅及首都医科大学教授杨朝阳带领团队自主研发的活性生物材料可改善损伤局部微环境，促进非人灵长类恒河猴的皮质脊髓束（CST）长距离再生，越过损伤区与宿主脊髓建立起功能性神经网络从而使截瘫肢体功能恢复，相关研究成果发表于PNAS。研究人员使用活性生物可降解材料支架诱导非人灵长类恒河猴脊髓损伤后稳定的神经再生，包括皮质脊髓束轴突的长距离生长、感觉和运动功能长期稳定的恢复。生物材料治疗脊髓损伤的方法在非人灵长类脊髓损伤模型中取得成功，为进一步开展临床应用提供了基础。