Nature封面:Lean and Green。Nature雜志第7720期封面文章報道了調(diào)節(jié)作物生長代謝以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。20世紀(jì)60年代的綠色革命著力培育高產(chǎn)量糧食作物,推動農(nóng)業(yè)的發(fā)展。然而,這些被稱為“綠色革命品種”(G R V)的優(yōu)質(zhì)作物存在一個問題,即氮素利用效率不高,需要施用大量對環(huán)境有害的肥料才能對它們完全加以利用。傅向東等人的研究表明,提高GRF4蛋白的活性可以提高作物的氮素利用效率,同時保持其高產(chǎn)量。他們認(rèn)為將這一研究結(jié)果應(yīng)用于綠色革命品種的育種,或有助于實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
Nature封面:古人類基因。Nature雜志第7721期封面文章報道了第一代尼安德特—丹尼索瓦人后代的基因組。該基因組屬于一位年輕的古人類,其骨塊發(fā)現(xiàn)于西伯利亞阿爾泰山脈的丹尼索瓦洞穴內(nèi)。據(jù)推測,這位年輕的女性至少為13歲,死亡時間為5萬~9萬年前。尼安德特人和丹尼索瓦人曾共同居住在歐亞大陸,此前也發(fā)現(xiàn)過他們的共同后代,這是首次發(fā)現(xiàn)他們的第一代后代——為尼安德特人和丹尼索瓦人之間存在混血交配提供了直接證據(jù)。兩者之間的混血交配在其共同生活在一地時較為普遍,但有限的交流讓兩個種群得以保持遺傳差異。
Nature封面:一個平板。Nature雜志第7722期封面文章報道了優(yōu)化后的arylomycin類似物可作為新型革蘭氏陰性菌抗生素。ESKAPE病原體中的革蘭氏陰性菌因為它們的雙層包膜會阻止許多藥物到達(dá)其靶點。Christopher Heise、Peter Smith及其同事介紹了他們對arylomycin類天然產(chǎn)物進(jìn)行化學(xué)優(yōu)化,得到了一種高效廣譜藥物,該藥物在體外和多種體內(nèi)感染模型中,表現(xiàn)出抗革蘭氏陰性菌臨床分離株的活性。該研究認(rèn)為,研究結(jié)果有助于優(yōu)化后的arylomycin類似物轉(zhuǎn)化成抗多重耐藥革蘭氏陰性菌感染的急需藥物。
Nature封面:一個脊椎動物胚胎后體軸逐漸變長的藝術(shù)再現(xiàn)圖。Nature雜志第7723期封面文章報道了脊椎動物體軸延長的背后機制。Otger Campàs及同事將組織動力學(xué)的體內(nèi)測量、細(xì)胞動力學(xué)分析與理論建模相結(jié)合,揭示了斑馬魚胚胎組織形態(tài)形成背后的物理機制。研究發(fā)現(xiàn),身體后端活性較高的細(xì)胞(亮橘色)將組織“融化”成可以實現(xiàn)重構(gòu)的類似流體的狀態(tài)。隨著身體不斷變長,細(xì)胞活性逐漸降低(藍(lán)色區(qū)域),組織又“冷卻”成類似固體的狀態(tài),從而形成組織結(jié)構(gòu)。這種流體向固態(tài)的轉(zhuǎn)變是由泡沫狀(細(xì)胞)組織結(jié)構(gòu)的細(xì)胞阻塞導(dǎo)致的。
Science封面:叉角羚(Antilocapra americana)在美國懷俄明州的格林河上。Science雜志第6406期封面文章報道了學(xué)習(xí)和文化傳播是有蹄類動物遷徙發(fā)展的主要機制。有假設(shè)認(rèn)為有蹄類動物遷徙是對草料季節(jié)性分布信息的學(xué)習(xí)和傳承,但尚無實驗證據(jù)。此項研究比較了遷入新棲息地的大角羊和麋鹿的遷徙習(xí)性與持續(xù)百年歷史的種群遷移習(xí)性,發(fā)現(xiàn)初入新地的動物并無遷徙習(xí)性,但十幾年后新建立的種群更了解環(huán)境中的植被,遷徙傾向有所增加。結(jié)果表明信息學(xué)習(xí)和傳承是有蹄類動物遷徙演變的主要機制。
Science封面:一個靈活的無尾機器人,有4個拍動的翅膀,執(zhí)行一個受果蠅啟發(fā)的旋轉(zhuǎn)動作。Science雜志第6407期封面文章報道了無尾空中機器人擋板顯示果蠅在快速傾斜轉(zhuǎn)彎時使用扭矩耦合。昆蟲是最敏捷的天然飛行物,然而動物或者拴繩機器人實驗始終無法驗證其飛行控制的理論假說。該研究研發(fā)出一種可編程的自由飛行機器,通過其撲翼的仿生運動變化控制飛行。結(jié)果表明,飛行過程中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)和俯仰扭矩之間的空氣動力學(xué)耦合可導(dǎo)致偏航旋轉(zhuǎn)。研究結(jié)果可以為現(xiàn)實飛行控制的改良提供新方法。
Science封面:研究如何研究。Science雜志第6408期兩篇封面文章報道了研究科學(xué)本身的科學(xué)。研究科學(xué)本身的科學(xué)家數(shù)量正在快速增長,其部分原因在于認(rèn)識到科學(xué)并不總是嚴(yán)格、客觀地尋找知識。這些“元研究人員”問研究人員如何產(chǎn)生和檢驗假設(shè);他們閱讀、引用和發(fā)表的東西,以及他們?nèi)绾魏献骱徒㈥P(guān)系網(wǎng)。有些人希望更好地理解科學(xué)如何運作將有助于解決系統(tǒng)性問題,如偏見和無法復(fù)制許多研究。我們可以而且必須做得更好,以免在做出旨在推動科學(xué)進(jìn)步的決策和投資時,讓自己屈服于“基于直覺的政策”。
Science封面:氣球藝術(shù),改變氣球形狀。Science雜志第6409期特刊重點介紹了控制基因表達(dá)的調(diào)控機制。在氣球藝術(shù)中,雕塑家在特定的地點施加精確的力量,就可以制造出可識別的身體部位。同樣的,編排的分子機制處于復(fù)雜且嚴(yán)格控制的水平,使得一些看似相同的起始細(xì)胞能夠轉(zhuǎn)化為整個動物。這期特刊突出介紹了科學(xué)界對基因調(diào)控在發(fā)育中的作用的理解以及相關(guān)最新進(jìn)展。通過揭示引導(dǎo)有機體形態(tài)的力量,大家對正常的發(fā)育過程有了更好的理解,并有可能在出現(xiàn)問題時進(jìn)行臨床干預(yù)。
中國科學(xué)院昆明動物研究所孔慶鵬課題組、周巨民課題組及海南醫(yī)學(xué)院蔡望偉教授團(tuán)隊,獲得并分析海南長壽家系171例樣本(百歲老人、百歲老人F1后代和F1后代配偶)外周血白細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)(RNA-seq)?;谏欧治黾伴L壽家系樣本血清Beclin1水平檢測等結(jié)果,發(fā)現(xiàn)自噬—溶酶體信號通路基因表達(dá)上調(diào)為百歲老人最為顯著的信號,且該信號同樣存在于百歲老人F1后代。研究成果發(fā)表于Genome Research。作為人類健康老齡典范的長壽老人(尤其是百歲老人),不但具有顯著延長的壽命,還能延緩甚至規(guī)避一些重大老年性疾病的發(fā)生。自噬—溶酶體信號通路功能增強可能有助于人類健康壽命延長。
Genome Research封面文章(圖片來源于中國科學(xué)院昆明動物研究所)
北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院魏文勝課題組在Nature Biotechnology報道了長鏈非編碼RNA的功能性篩選新方法。研究團(tuán)隊設(shè)計了新的篩選策略,構(gòu)建了特異性靶向基因的剪接位點的新型CRISPR文庫,以高通量的方式產(chǎn)生基因的外顯子缺失或者內(nèi)含子滯留。在HeLa細(xì)胞和人B淋巴細(xì)胞GM12878中分別發(fā)現(xiàn)了115個、220個影響細(xì)胞存活與增殖的lncRNA,并發(fā)現(xiàn)lncRNA功能在不同細(xì)胞種類中具有顯著異質(zhì)性。這一新型高通量技術(shù)平臺的建立,首次真正實現(xiàn)了從全基因組水平對長鏈非編碼RNA進(jìn)行基于完全敲除的高通量篩選,該方法學(xué)將為系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)和解析lncRNA功能提供有效工具。
清華大學(xué)生命學(xué)院頡偉研究組與孟安明研究組開展斑馬魚配子及早期胚胎組蛋白修飾重編程研究,相關(guān)論文發(fā)表于Molecular Cell。在動物個體發(fā)育過程中,表觀基因組對時空特異的基因調(diào)控起到了十分重要的作用。表觀遺傳學(xué)的一個核心問題就是親本的表觀基因組能否遺傳給下一代以及子代第一個表觀基因組如何建立。斑馬魚作為常用的發(fā)育生物學(xué)模式生物,為該研究提供了一個理想的平臺。新研究揭示了斑馬魚親本合子轉(zhuǎn)換期表觀基因組“擦除和重寫”的轉(zhuǎn)變模式。這一發(fā)現(xiàn)有助于我們理解斑馬魚早期胚胎表觀基因組多步驟建立的機制,也闡明了脊椎動物表觀基因組重編程過程的保守性和物種差異性。
復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授季敏標(biāo)課題組與國內(nèi)外合作團(tuán)隊開展受激拉曼顯微技術(shù)用于阿爾茲海默癥淀粉樣斑塊的無標(biāo)記成像研究,相關(guān)成果發(fā)表于Science Advances。有關(guān)阿爾茨海默癥的統(tǒng)計顯示,中國的保守數(shù)據(jù)有500萬人,65歲以上人群發(fā)病率為5%,80歲以上發(fā)病率超過30%。而發(fā)病后,一般存活年限平均僅為5.5年,且絕大部分患者生活質(zhì)量低下。針對阿爾茲海默癥的精準(zhǔn)診斷十分重要。該項研究將物理學(xué)光學(xué)與生物醫(yī)學(xué)結(jié)合,為阿爾滋海默癥的研究提供全新技術(shù)支持。新成果將受激拉曼成像技術(shù)用于探測不同二級結(jié)構(gòu)的蛋白分子,為阿爾茲海默癥的研究提供了一種新的思路。
南京農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院王恬教授團(tuán)隊與芝加哥大學(xué)醫(yī)學(xué)院Eugene B Chang教授等合作,揭示了生物鐘調(diào)控代謝的新方式,拓展了人們對生物鐘、m6ARNA甲基化修飾和代謝相互關(guān)系的認(rèn)識。研究論文發(fā)表于Cell Reports。N6-甲基腺嘌呤(m6A)是真核生物RNA上最豐富的一種轉(zhuǎn)錄后修飾,在基因表達(dá)、RNA剪切、mRNA運輸與翻譯等方面均發(fā)揮重要的調(diào)控作用。Bmal1影響m6A RNA甲基化修飾,進(jìn)而調(diào)控脂代謝相關(guān)基因的表達(dá)從而調(diào)節(jié)脂代謝。m6A RNA甲基化修飾可通過YTHDF2影響PPARα mRNA的穩(wěn)定性和壽命,從而調(diào)控PPARα基因的轉(zhuǎn)錄與翻譯,并影響脂代謝。
生物鐘基于m6A R N A甲基化修飾調(diào)控機體代謝(圖片來源于南京農(nóng)業(yè)大學(xué)新聞網(wǎng))
清華大學(xué)航天航空學(xué)院馬寅佶助理研究員等將人體動脈血壓和脈搏波波速關(guān)系的研究成果發(fā)表于PNAS。血壓是人體關(guān)鍵的一個生命體征,會隨著情緒狀態(tài)、身體活動和健康狀況而變化,全世界大約30%的人口患有與高血壓有關(guān)的健康問題。論文基于動脈的超彈性本構(gòu),放松了MK方程中的兩個假設(shè),建立起了全新的脈搏波速度與血壓之間的關(guān)系,通過體外實驗驗證了模型的正確性,并在人體血壓范圍內(nèi)進(jìn)行了簡化,給出了形式簡單的公式。新成果建立了人體血壓與脈搏波速度之間的關(guān)系,該關(guān)系不依賴于傳統(tǒng)模型中的血管小變形、薄殼假設(shè),為無袖帶血壓監(jiān)測提供了有前景的替代方案。
北京大學(xué)物理學(xué)院人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點實驗室、前沿交叉學(xué)科研究院定量生物學(xué)中心毛有東課題組將蛋白質(zhì)機器動力學(xué)研究的新成果發(fā)表于Nature。通過冷凍電子顯微鏡和機器學(xué)習(xí)技術(shù)的結(jié)合,解析了人源蛋白酶體26S在降解底物過程中的7種中間態(tài)構(gòu)象的高分辨(2.8~3.6埃)精細(xì)原子結(jié)構(gòu),局部分辨率最高達(dá)到2.5埃。這些三維結(jié)構(gòu)展現(xiàn)了時空連續(xù)性(Spatiotemporal continuity),呈現(xiàn)了原子水平的蛋白酶體和底物相互作用的動態(tài)過程,實現(xiàn)了對AAA-ATPase激酶六聚馬達(dá)分子內(nèi)ATP水解全周循環(huán)完整過程的原子水平觀測和三維建模,發(fā)現(xiàn)了3種不同ATP水解協(xié)同反應(yīng)模式,作用于調(diào)控蛋白酶體復(fù)雜多樣的功能。
中山大學(xué)眼科中心劉奕志教授團(tuán)隊,利用百萬醫(yī)學(xué)驗光大數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)了真實世界中的中國青少年近視眼發(fā)生發(fā)展規(guī)律,創(chuàng)建了近視眼人工智能預(yù)測模型,可精準(zhǔn)預(yù)測青少年近視的發(fā)展,有助于對青少年近視的有效干預(yù)和防控。研究論文發(fā)表于PLoS Medicine。近視眼一旦發(fā)展為高度近視,可導(dǎo)致視網(wǎng)膜變性、脫離等不可逆損害,嚴(yán)重影響孩子們的身心健康。如果能夠在早期預(yù)測其發(fā)展規(guī)律,通過增加戶外活動等早期干預(yù)手段,就可減緩近視眼的發(fā)生發(fā)展,對降低高度近視的風(fēng)險有重要意義。該人工智能預(yù)測系統(tǒng)可對近視進(jìn)展趨勢進(jìn)行個體化預(yù)測,3年內(nèi)準(zhǔn)確率達(dá)90%,10年內(nèi)準(zhǔn)確率達(dá)80%以上,也可提前8年有效預(yù)測高度近視。
中國科學(xué)院古脊椎動物與古人類研究所張曉凌等公布了尼阿底遺址這處來自青藏高原腹地的重大考古發(fā)現(xiàn)及其研究成果,該項發(fā)現(xiàn)將人類首次登上青藏高原的歷史推前到4萬年前,也書寫了世界范圍內(nèi)史前人類征服高海拔極端環(huán)境的最高、最早的記錄,研究論文發(fā)表于Science。在藏北羌塘高原發(fā)現(xiàn)的一處具有原生地層的舊石器時代遺址——尼阿底(Nwya Devu),證實古人在距今3萬~4萬年前已踏足青藏高原的高海拔地區(qū)。該遺址海拔4600米,是一處規(guī)模宏大、地層保存完好、石制品分布密集、石器技術(shù)特色鮮明的舊石器時代曠野遺址,是迄今青藏高原最早、世界范圍內(nèi)最高的舊石器時代遺址。
遺址現(xiàn)場(張曉凌供圖)(圖片來源于中國科學(xué)院古脊椎動物與古人類研究所)
石葉腹面(張曉凌供圖)(圖片來源于中國科學(xué)院古脊椎動物與古人類研究所)
中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所聶勇副研究員、劉巧副研究員等與來自國內(nèi)外的聯(lián)合研究團(tuán)隊對喜馬拉雅山脈歷史冰湖潰決災(zāi)害事件和重點區(qū)段冰川變化開展了深入的調(diào)查分析并取得新的進(jìn)展;相關(guān)研究成果分別發(fā)表于Geomorphology、Remote Sensing。研究團(tuán)隊系統(tǒng)收集了喜馬拉雅山脈相關(guān)文獻(xiàn)資料、遙感影像和野外調(diào)查資料,基于遙感影像和地貌特征辨析潰決事件的可靠性,構(gòu)建了冰湖災(zāi)害數(shù)據(jù)庫。在冰川監(jiān)測方面,研究團(tuán)隊建立了冰川冰湖信息遙感自動提取的方法,選擇中尼經(jīng)濟(jì)走廊的關(guān)鍵區(qū)——吉隆藏布流域為案例區(qū),闡明了吉隆藏布流域冰川變化、冰湖和表磧冰川擴張的過程。
中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所劉元波研究員團(tuán)隊趙曉松等,基于鄱陽湖高塔通量觀測數(shù)據(jù),深入揭示了大型季節(jié)性湖泊水熱通量受水位波動影響的變化規(guī)律及其調(diào)控機制。相關(guān)研究成果分別發(fā)表于Agricultural and Forest Meteorology,Journal of Geophysical Research-Atmospheres。鄱陽湖水面面積隨水位降低而減小,下墊面的變化使得湖泊水熱通量的相位發(fā)生突變。在日尺度上,水體水熱通量主要受風(fēng)速和溫差及水汽壓差的影響,而濕地水熱通量則主要受凈輻射影響;在月尺度上,水體和濕地水熱通量均受凈輻射影響最大;而在年際尺度上,季節(jié)性湖泊水熱通量則主要受水位和水面積比例的影響。
中國科學(xué)院地質(zhì)地球研究所巖石圈演化國家重點實驗室滕吉文院士領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊,對秦嶺地區(qū)71個流動臺站和132個固定臺站的背景噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,提取出8~44秒周期的群速度和相速度頻散曲線,并通過聯(lián)合反演得到了該區(qū)下方的地殼速度結(jié)構(gòu),最后采用完全模型檢驗方法證明了模型的可靠性,研究論文發(fā)表于Journal of Geophysical Research: Solid Earth。秦嶺造山帶位于華北板塊與華南板塊之間,在中國的中央造山帶中心,西連昆侖、祁連造山帶,東連大別蘇魯造山帶。研究認(rèn)為秦嶺中下地殼存在一個北東—南西向的低速帶結(jié)構(gòu),其連接了華北和華南兩個板塊的相向俯沖動力系統(tǒng)。
中國地震局地質(zhì)研究所楊曉松研究團(tuán)隊與法國奧爾良大學(xué)/法國國家科學(xué)研究中心(CNRS)地球科學(xué)研究所(ISTO)的FabriceGaillard研究員團(tuán)隊合作,開展了部分熔融的高喜馬拉雅結(jié)晶巖系(GHS)電導(dǎo)率性質(zhì)的實驗研究。相關(guān)成果發(fā)表于Nature Communications。實驗結(jié)果提出喜馬拉雅造山帶的地質(zhì)演化模型:隨著印度洋板塊向歐亞板塊俯沖,在喜馬拉雅上地殼的封閉系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生脫水熔融和注水熔融反應(yīng),導(dǎo)致喜馬拉雅上地殼不斷被加熱與軟化,持續(xù)了近20Ma。隨著GHS不斷被擠出,軟弱的熔融熱巖折返至地表,部分熔融變泥質(zhì)巖與花崗質(zhì)巖漿房分別發(fā)生變質(zhì)與結(jié)晶反應(yīng),形成混合巖與淡色花崗巖。
高喜馬拉雅高導(dǎo)層的巖漿活動與流體運移過程(圖片來源于中國地震局地質(zhì)研究所)
高喜馬拉雅花崗質(zhì)熔體電導(dǎo)率的實驗測量結(jié)果(圖片來源于中國地震局地質(zhì)研究所)
中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所王姣娥研究團(tuán)隊與悉尼大學(xué)、香港大學(xué)、北京交通大學(xué)合作者運用2011年—2017年北京市地鐵刷卡數(shù)據(jù),提出了基于個人職住動態(tài)關(guān)系的通勤行為研究體系,發(fā)現(xiàn)了交通出行行為與職住動態(tài)關(guān)系的一系列規(guī)律,研究成果發(fā)表于PNAS。研究發(fā)現(xiàn)了職住動態(tài)變化規(guī)律,構(gòu)建了個人通勤鏈的研究體系與方法,剖析了四類人群通勤時間與住房成本的均衡博弈過程。提出了通勤時間的45分鐘定律:若地鐵內(nèi)通勤時間小于45分鐘,居民傾向于延長通勤時間進(jìn)而獲取更好的就業(yè)機會或者居住環(huán)境;若地鐵內(nèi)通勤時間大于45分鐘,即超過了可忍受通勤的閾值,居民搬遷職住地時會以縮短通勤時間為目標(biāo)之一。
中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所宋春橋研究員同美國、加拿大、法國、德國和奧地利5國的科學(xué)家們組成的研究團(tuán)隊利用GRACE重力衛(wèi)星觀測,結(jié)合光學(xué)遙感、多源測高衛(wèi)星資料及水文模型,定量估算了全球內(nèi)流區(qū)總水量及地表水、土壤水與地下水層3個主要水文要素的儲量變化。研究論文發(fā)表于Nature Geoscience。研究發(fā)現(xiàn)全球內(nèi)流區(qū)的水儲量在21世紀(jì)初正以驚人的速率下降。同時發(fā)現(xiàn),地表水、土壤水和地下水對水儲量總虧損呈比例相當(dāng)?shù)呢暙I(xiàn),但其比重表現(xiàn)出顯著的區(qū)域性差異。研究解析了水儲量虧損最嚴(yán)重區(qū)域分布在歐亞大陸內(nèi)流盆地,這也進(jìn)一步驗證了國內(nèi)外專家對該區(qū)域水問題形勢的擔(dān)憂。
中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所油氣資源研究院重點實驗室劉伊克研究員及合作者提出了地震全波形intensity反演方法,研究論文發(fā)表于Geophysics。通過建立intensity目標(biāo)函數(shù),將地震數(shù)據(jù)分解成低頻部分與高頻部分;依據(jù)多尺度,從低頻intensity數(shù)據(jù)開始,逐漸增加頻率,計算目標(biāo)函數(shù)的梯度,建立反演速度模型;將反演速度模型作為傳統(tǒng)全波形反演初始速度模型,計算傳統(tǒng)基于2范數(shù)的目標(biāo)函數(shù)及其梯度,最終獲得地下介質(zhì)參數(shù)的迭代修正。該intensity全波形反演理論,對于沒有低頻信息的地震數(shù)據(jù),或當(dāng)初始介質(zhì)模型遠(yuǎn)離真實介質(zhì)模型時,也可以完美地反演地下介質(zhì)。