2011年度“中国高等学校十大科技进展”入选项目介绍
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2011-12-19
来源: 教育部
 

  一、正调控水稻种子大小、粒重和产量的GS5基因克隆与功能研究

  经过近10年的研究,由华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室张启发院士领衔的水稻国家创新团队,成功的克隆了调控水稻粒重的数量性状基因GS5,相关论文已于12月1日正式发表于《自然-遗传学》杂志。

  论文的第一作者李一博是该团队张启发与何予卿教授共同指导的博士研究生。种子大小是水稻非常重要的产量和外观品质性状,也是作物驯化和人工育种的重要性状之一。多年来,科学家们一直致力于寻找控制种子大小的关键基因,已克隆的GS3、GW2和qSW5粒形基因均与粒形呈负相关,即较高的基因表达水平,种子粒型反而是变小的。此次华中农业大学水稻团队克隆的GS5是一个种子大小的正调控因子,较高的GS5表达可能参与促进细胞周期循环,加快细胞循环进程,从而促进水稻颖壳细胞的横向分裂,进而增大颖壳的宽度,加快谷粒的充实和胚乳的生长速度,最终增大种子的大小并增加谷粒的重量和单株产量。研究表明,谷粒大的材料比谷粒小者含有较高GS5基因表达,大粒比小粒增宽8.7%、粒重增加7.0%、单株产量提高了7.4%。小粒到大粒的驯化是GS5启动子的自然变异的结果。因此,GS5在水稻人工驯化和育种过程中起到了重要作用,并对水稻种子大小的遗传多样性贡献很大。

  该研究为作物高产育种提供了具有自主知识产权和重要应用前景的新基因,为阐明作物产量和种子发育的分子遗传调控机理提出了新见解。

  二、AAA+分子机器的结构与功能

  生物大分子机器是指生物体内利用能量来完成纳米水平上生命活动的生物大分子复合物,在许多生命过程中发挥了重要的作用。它们的突变或调控异常往往和许多恶性疾病,如癌症、老年痴呆症等直接相关。随着人们对这些分子机器认识的加深,它们已经逐渐成为治疗相关疾病的潜在药物靶点。生物大分子机器结构组成复杂、分子量巨大,迄今为止,绝大多数生物大分子机器尚无原子分辨率的结构报导,严重影响人类对生命过程的了解和疾病的控制。

  为了从分子水平上了解生物大分子机器参与生理过程的机制,清华大学结构生物学团队在施一公教授的带领下,从2007年起开始对生物大分子机器的分子结构进行开创性研究,首次于世界上独家报导了原核细胞蛋白酶体调节单元MecA-ClpC复合物的晶体结构,并利用生物化学、生物物理等手段对这个生物大分子机器的工作原理进行了详细的分析,初步揭示了蛋白质降解机器的分子机制填补了该领域的重大空白。这一工作发表于2011年3月的《自然》杂志。

  值得一提的是,2010年4月施一公领导的研究团队还解析了另一个生物大分子机器——细胞凋亡小体Ced4的晶体结构,阐述了细胞凋亡小体Ced-4激活Ced-3的分子机理,该研究工作发表于2010年《细胞》杂志。

  这些工作为我国及世界的生物大分子机器结构生物学研究做出了卓越贡献,其成果在国际生命科学研究领域获得了高度评价。

  三、铁硒基超导薄膜的研究

  铁基超导体是继1986年发现的铜氧化合物高温超导体之后于2008年被发现的又一类新型高温超导材料,它的发现为高温超导电性的研究开辟了一个全新的研究方向,是目前物理学的一个研究热点。我国科学家在这个领域表现出色,整体研究水平处于国际领先行列。

  清华大学物理系薛其坤院士和陈曦教授的研究团队,近期在一类重要的铁基超导体-铁硒化合物的研究中取得了重要进展。他们把半导体领域中的分子束外延技术拓展到铁基超导材料的制备中,实现了对超导薄膜生长过程和形貌在原子水平上的精确控制,制备出了化学成分严格可控的高质量单晶FeSe薄膜。在此基础上,他们利用同时具有空间原子分辨和高能量分辨本领的强磁场扫描隧道显微技术研究了FeSe超导体中的电子配对机制。之后,该研究团队又解决了由三个不同族元素组成的化合物的分子束外延生长的难题,得到了高质量的KxFe2-ySe薄膜,这是薄膜材料制备方面的一个重要突破。他们进而利用扫描隧道显微镜澄清了KxFe2-ySe2研究中存在的一系列困惑,证明了KxFe2-ySe材料存在超导与绝缘体的相分离,并发展出一套探测超导体自旋结构的方法,证明了该材料在超导区域存在长程反铁磁序。这些工作为非常规超导体的研究带来新的方法和思路,对理解铁基高温超导机理具有重要意义。这一系列些工作分别发表在2011年的《科学》、《自然—物理》等杂志上。

  这项研究成果是和中科院物理所马旭村研究员的研究组以及美国普渡大学胡江平教授和加州大学圣地亚哥分校吴从军教授合作完成的。

  四、硅的低场非均匀性巨磁电阻

  以硅为主的半导体工业和以磁性材料为主的磁传感器和磁存储工业是信息工业的两大独立支柱。磁传感器广泛应用于磁头、电子罗盘、GPS导航、车辆探测系统等,其核心技术就是巨磁阻效应,该效应的发明人获2007年诺贝尔物理奖。磁传感器需用稀土材料制作,近年来稀土材料越来越难获得,价格暴涨,迫使人们一直在寻找其替代材料。

  清华大学材料系章晓中教授研究组创造性地发明了一种用硅(地球上第二多的元素)制备的非均匀巨磁阻器件,这是磁电阻领域的一项重大突破,论文发表在2011年9月15日出版的《自然》杂志上。用硅制备巨磁阻器件使得半导体硅材料进入了磁性材料工作领域,该器件可方便地集成到成熟的半导体工业中,这将给磁传感器工业带来革命性变化;也将催生半导体工业和磁传感器工业的联姻,可能导致以前不存在的半导体“磁电”或“磁光电”器件的诞生。

  国际学术界对章晓中研究小组的这项工作极其重视,《自然—亚太版》在焦点专栏推荐了这项工作;有一百多年历史的《麻省理工科技创业》杂志的中文版采访了章晓中,并刊登专题文章报导了这项工作以及在征求国际著名科学家对该工作的看法时得到的高度评价;明年召开的第19届国际磁学和强关联电子系统大会是磁学界最高级别的会议(三年开一次),也邀请章晓中做半大会报告(他是大会报告人和半大会报告人中唯一一位来自中国的学者)。

  五、急性单核细胞白血病和甲状腺功能亢进医学基因组学研究获突破

  急性单核细胞白血病(AML-M5)是一种临床进程凶险的白血病亚型,3年平均无病生存率仅为25%,且复发率高,目前亟需寻找特异性的生物学标志和治疗手段。由陈赛娟院士领衔的上海交通大学医学基因组学国家重点实验室对急性单核细胞白血病进行了全外显子组测序。该研究首次解读了急性单核细胞白血病的全外显子组序列;揭示了DNMT3A基因突变在该类白血病中的潜在致病作用,为疾病的预后预测提供了新的分子标志,同时也为个体化治疗提供了新的分子靶标;在机理上将肿瘤发生中的两种重要机制——基因突变和表观遗传学联系在一起,提示肿瘤的发病机制在本质上是“殊途同归”的,为白血病分子机制的探索开拓了又一新的道路。

  此外,该实验室的研究人员还利用先进的全基因组关联分析技术(GWAS),鉴定了甲状腺功能亢进(甲亢,Graves病)的6个与Graves病相关联的风险位点,两个为该研究首先发现,其中一个由该实验室克隆并命名为GDRG6。他们还首次揭示了甲状腺刺激激素受体基因的多态性是导致甲亢药物治疗效果差异的原因。该项研究初步解开了甲亢发病机制的谜团,并为甲亢治疗方法的选择和预后的评估提供了重要的生物标志。上述两项研究成果均于2011年分别发表在国际著名学术期刊《自然—遗传学》上。

  六、3500米深海观测和取样型ROV系统

  大深度无人遥控潜水器(ROV)是包含大量关键高技术的复杂系统,可以实现深海长时间、大功率、精细作业,在我国海洋资源开发、海洋权益维护等方面具有不可替代的重要作用。我国在该技术领域长期受西方发达国家制约。

  为提升我国深海勘查能力和突破技术限制,受中国大洋协会委托,上海交通大学于2001年开始了3500米观测和取样型ROV系统“海龙”的研制。经过不懈努力,攻克了大量技术难关,于2006年完成了全系统集成。经过多次海上试验,于2009年通过国家验收,交付中国大洋协会使用。2011年8月21日通过教育部组织的专家鉴定,鉴定委员会认为海龙号ROV 系统总体技术和作业能力达到国际先进水平,部分技术处于国际领先水平。海龙的使用标志着我国成为国际上少数能使用ROV 开展洋中脊热液调查和取样研究的国家之一。

  “海龙”系统由ROV本体、脐带管理系统、水面监控动力站、升沉补偿绞车等子系统组成,携带两个大型机械手、完备的深海摄像和声学探测系统、深海取样工具包,具有丰富的设备搭载能力。采用了推力矢量、虚拟监控、升沉补偿、自动控制等先进技术,其总体性能达到国际先进水平。

  “海龙”曾创下我国ROV最大3278米的深潜纪录。2009年首次应用就在东太平洋2770米处发现了巨大深海黑烟囱并取回样品,并在以后的大洋航次中发挥了重要作用。“海龙”的应用标志着我国成为国际上少数能使用ROV开展洋中脊热液调查和取样研究的国家之一,实现了我国大洋科考从粗放式到精确观察取样阶段的跨越,对我国走向深海具有极重要的意义。

  七、新型手性催化剂和高效高选择性的不对称催化新反应研究

  手性即不对称性,是自然界的本质属性之一。如自然界存在的氨基酸为L-构型,组成多糖和核酸的天然单糖大都为D-构型,生物体内的生化反应表现出高度的立体特异性。手性物质的合成和转化是支撑手性医药、农药和材料等领域发展的重要研究基础。不对称催化是用少量手性催化剂将大量潜手性底物转化为具有特定构型的光学活性产物的反应过程,能够实现手性增值,是最有效和重要的合成手性化合物的方法之一;其中高效高选择性手性催化剂的设计合成及不对称催化反应研究是研究的关键和难点。

  四川大学化学学院冯小明教授带领的课题组,历时十多年,在不对称合成方面开展了系统深入的研究,取得了一些突破性的进展。他们设计合成的一类新型手性氮氧配体和催化剂,可在温和条件下高效高选择性的催化二十多种不对称反应(包括几个不对称催化新反应),为一些重要手性分子的合成提供了有效方法,也为深入认识手性诱导和传递规律提供了研究基础。自然新闻刊物《自然—中国》评价相关不对称催化研究工作是“令人鼓舞的手性”。实现的首例催化不对称Roskamp反应在Elsevier公司出版的“Organic Syntheses Based on Name Reactions”(第三版)专著中冠以了以中国化学工作者命名的有机反应——ROSKAMP-FENG反应。研究工作在Accounts of Chemical Research、Journal of American Chemical Society和Angewandte Chemie International Edition等重要国际刊物发表。这些研究进展在不对称合成研究领域获得了广泛关注,为我国手性技术发展做出了贡献。

  八、高固气比悬浮预热分解理论与技术——XDL水泥熟料煅烧新工艺

  由中国工程院院士、西安建筑科技大学校长徐德龙教授和他所带领的研究团队历经28年艰苦努力和不断探索,在系统理论创新的基础上开发的原创性节能减排技术“高固气比悬浮预热分解理论与技术—XDL水泥熟料煅烧新工艺”入选2011年“中国高校十大科技进展”。

  该技术通过增加物料换热器和反应器中的固气比,强化气、固两相的换热传质和反应,使换热器和反应器的效率大大提高,产量大幅度增加,有害气体排放大大减少,是一项可用于粉体物料热处理的普适性系统技术,已先后在不同规模(从300t/d到3000t/d)的10余条水泥生产线上使用,累计为企业新增高质量水泥3000万吨,新增产值72亿元,新增利税12亿元,节约煤炭60多万吨,减排NOx 7000多吨,减排SO2 9000多吨,取得显著的社会和经济效益。

  该项成果于2011年5月通过了科技成果鉴定。国内外与会专家一致认为“高固气比悬浮预热分解理论”是水泥煅烧领域的重大理论创新,高固气比悬浮预热分解技术各项指标创新型干法技术国际领先水平。与同规格回转窑的普通新型干法生产线相比,产量增加40%以上,热耗减少20%以上,单位电耗减少15%以上,废气中的SO2排放降低70%以上,NOx 排放降低50%以上。成果是具有我国自主知识产权的原创性工艺技术,对于改造现有的干法生产线,进一步提高我国水泥工业的节能减排水平,具有重大现实意义。

  九、中国澄江化石库中发现节肢动物遗失的远祖

  节肢动物门是动物界中数目最多、分异度最高的一个门类(占全部现生动物物种的80%以上),其起源研究构成了进化生物学中备受关注的一个重大论题。这一庞大类群到底起源于哪一类生物?现生动物学家曾提出过各种猜想,莫衷一是。古生物学家根据寒武纪时广泛出现的叶足动物化石推测,这些躯干和附肢皆不分节的蠕形动物很可能是形体复杂多样的节肢动物的祖先。然而,一直未能发现这两大类群之间关键的早期演化过渡类型的化石证据。节肢动物之所以称为节肢动物,就在于它们的附肢和躯干皆明显分节。那么,节肢动物的祖先在起源初期到底是附肢先分节还是躯干先分节?长期以来,这个问题一直是节肢动物起源谜团的争论焦点。

  西北大学地质系青年教师刘建妮博士课题组通过对澄江化石库中叶足动物的系统研究,发现了一种叫做“仙掌滇虫”(因其外形酷似仙人掌而得名)的“进步型”叶足动物,其附肢首次呈现出与节肢动物分节附肢极为相似的‘关节’构造,然而却保持着柔软的未分节的蠕形躯干。无疑,这一事实表明,节肢动物附肢的分节明显早于躯干的分节。该突破性成果以封面文章的形式于2011年2月24日发表于国际顶尖学术杂志《自然》上,这一发现不仅首次初步破解了节肢动物起源与早期演化这一长期困扰学术界的科学难题,而且还对修正基因演化模型提供了非常有用的信息,得到国际学术界的广泛关注和引用。

  十、高产优质转基因棉花取得重大突破

  棉花是最重要的天然纤维作物,中国是世界上最大的纺织品出口国和消费国。棉花生产在我国国民经济中占有十分重要的地位。但是,目前我国生产的棉花无论在产量上和纤维品质上已经不能满足市场的需要。与此同时,利用传统育种技术来大幅度提升棉花品种产量的空间已十分有限,而要实现产量与品质的同步改良,其难度更大。

  西南大学生物技术中心课题组在研究植物激素与棉花纤维发育分子机理时,发现植物激素“生长素”在棉花纤维细胞突起中特异积累。根据这一观察结果,结合棉花纤维发育的特点,他们提出了通过转基因技术对生长素在棉花的分布进行精确的时空调控,进而提高棉花产量、改进纤维品质的设想。经过十余年的不懈努力,终于获得了产量显著提高、同时纤维细度得到明显改进的转基因棉花新材料。该研究的部分结果,今年发表在国际生物技术领域顶级期刊《自然—生物技术》上。国际同行对此给予高度评价,认为该研究首次实现了棉花产量与品质的同步改良,“展现了新一代转基因作物的光明前景”;是“模式植物基础研究与作物改良相结合的范例”。

  国内多家育种单位的引种结果进一步证实,该转基因棉花增加产量、改进品质的效果显著而且稳定,其应用有望产生巨大的经济效益。业内专家认为,该研究是自抗虫棉诞生以来,我国在棉花生物技术育种领域取得的一项具有世界领先水平的标志性重大成果。

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(责任编辑:陈思怡)