植物杂种优势分子机理研究:机遇和挑战

杂种优势现象广泛应用于作物生产中,但其形成的遗传机理尚不十分清楚。目前,基因组学的快速发展为植物杂种优势机理研究带来机遇,大量研究发现和证实杂交子一代与其亲本之间存在全基因组水平的基因表达和表观遗铸修饰差异。将这些差异与杂种优势表现联系起来是该方向研究的重点和难点。针对特定性状,采用全基因组关联分析鉴定其杂种优势的候选基因,结合细胞或组织特异性转录组比较,可能为植物杂种优势分子机理研究带来突破。     

野生稻高产基因(y1d1.1,yld2.1)分子育种技术体系及其应用研究

近年来,国内外利用分子标记辅助技术将基因或QTL导入水稻品种已屡见报道,但得以应用的品种极少,且直接利用高产QTL(高产数量性状基因位点,以下简称”高产基因”)进行超高产育种还未见前人报道.究其因,一是野生稻中存在大量对产量不利的性状干扰;二是连锁累赘,即目的基因与不利基因的紧密连锁是育种中难以克服的难题.     

Ghd7自然变异是调控水稻抽穗期和产量潜力的重要因素

产量潜力、株高和抽穗期是决定农作物产量的3类主要性状。我们从优良杂交水稻中分离出一个数量性状位点（QTL）Ghd7。Ghd7编码一个含CCT结构域蛋白,它对水稻的一系列性状包括单穗粒数、株高和抽穗期都产生重要影响。在长日照条件下,增强Ghd7的表达可延迟抽穗期、增加株高和穗大小。但另一方面,Ghd7功能减弱的自然变异可使水稻能在温和及较冷地区种植。上述结果表明,Ghd7在水稻产量和适应性方面具有至关重要的作用。     

野生稻高产基因（yld1．1，yld2．1）分子育种技术体系及其应用研究

近年来,国内外利用分子标记辅助技术将基因或QTL导入水稻品种已屡见报道,但得以应用的品种极少,且直接利用高产QTL（高产数量性状基因位点,以下简称“高产基因”）进行超高产育种还未见前人报道。究其因,一是野生稻中存在大量对产量不利的性状干扰;二是连锁累赘,即目的基因与不利基因的紧密连锁是育种中难以克服的难题。该项目经过10年攻关,突破野生稻高产基因利用的技术瓶颈,在国内外率先成功构建了一个野生稻高产基因分子标记辅助育种技术体系,获得突破性成果。     

落叶松现代遗传改良与定向培育技术体系

中国林业科学研究院林业研究所主持完成的"落叶松现代遗传改良与定向培育技术体系"项目获得2010年度国家科学技术进步二等奖.该成果是在"十一五"国家科技支撑计划课题"高产优质多抗松杉新品种选育"(2006BAD01A14)、"落叶松速生丰产培育关键技术研究与示范"(2006BAD24806);"十五"国家科技攻关专题"落叶松优良品种选育及培育技术"(2002BA515B0401、2004BAD5150401);国家转基因专项"优质杂种落叶松抗干旱基因工程育种"(J2002-B-005);国家948项目"欧美落叶松及其杂种优良种植材料引进"(2001-04);国家重点项目"落叶松、云杉优质纸浆材良种区域化"(2003-016-L16)、"落叶松杂种种子生产技术"1998(12)等项目支持下完成的.     

发展现代农业 推进社会主义新农村建设

中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态所、植物分子遗传国家重点实验室研究员林鸿宣领导的研究组承担的国家863计划项目在水稻产量相关功能基因研究方面又取得突破性进展,成功克隆了控制水稻粒重的数量性状基因GW2,并深入阐明了该基因的生物学功能和作用机理,显示该基因在高产分子育种中具有应用前景。据介绍,经过多年的潜心研究,科研人员成功克隆了控制水稻粒重的数量性状基因GW2。翔实的实验结果表明,GW2作为一个新的E3泛素连接酶可能参与降解促进细胞分裂的蛋白,从而调控水稻颖壳大小、控制粒重以及产量;当GW2的功能缺失或降低时,该基因降解可能与细胞分裂相关蛋白的能力下降,从而加快细胞分裂,增加谷粒颖壳的细胞数目,进而显著增加水稻谷粒的宽度、     

水稻基因组中"隐藏"变异被发现

四川农业大学水稻研究所教授李仕贵与钦鹏团队联合中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员梁承志团队采用第三代基因测序技术,揭示了水稻基因组中的"隐藏"变异.相关论文近日在线发表于《细胞》. 该团队选取了具有高度代表性的33个水稻材料,采用最新的第三代基因测序技术,对其中31份材料进行了长片段测序、高质量基因组组装及基因注释,结合已报道的日本晴和蜀恢498两个材料的参考基因组,经过系统的比较分析,共鉴定171072个结构性变异和22549个基因拷贝数变异.     

为第二次“绿色革命”发掘基因资源：国家重点基础研究发展规划项目“农作物核心种质构建、重要新基因发掘与有效利用研究”总体设计及研究进展

作物种质资源是控制作物性状的基因载体,是作物育种及其相关学科的生命物质基础.如何从丰富的种质资源中快速、准确地鉴定出育种上迫切需要的新的优异基因,是我国作物育种的急需与作物种质资源迫切需要解决的一个重要科学问题.我国农业上的第二次"绿色革命"应以培育"少投入、多产出、保护环境"的新品种为突破口.因此本项目以发掘抗旱、抗病(虫)、肥料高效利用及优质基因为研究重点.我们将植物基因组学的原理和方法应用于基因资源研究,提出了核心种质构建→重要新基因发掘→基因克隆的技术路线.项目近两年取得如下进展(1)明确了建立核心种质的策略与方法,建立起了水稻、小麦、大豆初级核心种质.(2)明确了新基因发掘的方法,构建了一批基因作图群体.(3)已克隆到水稻抗白叶枯病候选基因.     

生物信息学

生物信息学(Bioinformatics)是一门生物学与信息学交叉而成的年轻学科,旨在研究生物系统与生物过程的信息量与信息流,以便支持人口与健康、农业生产、创新材料和资源环境等领域的研发计划。其中基因组信息学(genome informatics)、结构生物信息学(Structural Bioinformatics)和神经信息学(Neuroinformatics)是较热门的分支。生物信息学由数据库、应用软件和因特网三大要素组成。20世纪60年代,蛋白质氨基酸序列和蛋白质三维晶体结构测定成功后,出现存储与研究蛋白质序列信息与结构信息的工作,像美国女科学家Dayhoff建立了第一个分子生物学数据库“Atlas of protein sequence and structure”,亦即现今数据库PIR的前身;Zuckerkandl与Pauling提出运用蛋白质序列推断生物种族的进化历史以及Anfinsen根据核酸酶再折叠试验提出“氨基酸序列决定它的三维结构”原理。到70年代核酸序列测定已获成功,特别是Sanger等人开始病毒基因组的测序工作,吸引了众多计算机科学家、数学家和物理学家加盟,去实现数据在线采集与建立数据库以及数据检索、处理、分析、显示和流通等目的。经过近十年的努力,取得一批崭新成果,分别收录于1982年、1984年和1986年的《核酸研究》(Nucleic Acid Research)的特刊中。随后蛋白质序列库PIR与SwissProt,核酸序列库GenBank与EMBL以及蛋白质结构库相继出台服务。以上计算分子生物学工作和数据库建设为90年代诞生生物信息学准备了科技条件。1986年美国科学家Dulbecco在《科学》(Science)上发表题为《癌症研究的转折点——测定人类基因组序列》的文章,在科技界引起了强烈反应。经过激烈的辩论,终于在1990年公布了美国的人类基因组计划,随后形成国际人类基因组计划。在它的第一个五年计划中,第三项目标是基因组信息学,要求研发有效的数据库、应用软件和网络传输等信息技术,来支撑大规模图谱与测序以及诠释基因组信息。同年,召开了第一届国际生物信息学会议。在第二届国际会议上正式使用Bioinformatics一词。到2001年已是第10届会议,会议内容涉及序列和结构数据库、基因识别、基因组比较、基因组功能分析、DNA芯片信息学、分子进化和蛋白质组学等方面。还有每年一次的计算分子生物学会议,像国际计算分子生物学会议(RECOMB),生物计算太平洋会议和分子生物学智能系统国际会议(ISMB)等,是国际生物信息学界的盛会。我国的生物信息学工作是逐步地发展起来的。20世纪80年代初仅在中国科学院生物化学研究所与生物物理研究所和内蒙古大学物理系艰难地开展一些计算分子生物学的工作,像RNA二级结构预测、分子动力学、核酸序列的统计分析和蛋白质二级结构预测以及精神分裂症的脑复杂度分析等。至1986年,国家“863计划”支持几个单位用计算生物学实施蛋白质工程,如中国科学院的生物化学所、生物物理所和药物所,以及北京大学化学系和中国科大生物系。1990年这些单位率先开展生物信息学研究工作和实施相应的博士和博士后培养计划。1992年中国生物物理学会召开以“蛋白质工程、基因组分析与非线性生物学”为题的全国首届生物信息学会议,比首届国际生物信息学会议仅晚2年,但没有引起管理层和科技界注意。随后,北京大学化学系与生物系也分别开放蛋白质结构库(PDB)和欧洲生物信息学研究所(EBI)映象数据库服务。几年后,国际“基因组计划”变得十分火热。国内随即成立中国科学院国家基因研究中心和中国人类基因组南、北研究中心,分别负责“水稻基因组计划”和“人类基因组计划”。其中,中国科学院遗传所的人类基因组中心异军突起,克服重重困难于1999年9月代表中国承担国际人类基因组计划中1%的任务,即3号染色体短臂上的一个约30MB区域的测序。它成为中国各个基因组项目中最具影响和实际产出最明确的主要部分。由此,生物信息学顿时成为公众宠儿,科技界角逐的领域。除此之外,1993年美国国立健康研究院(NIH)宣布实施“人脑计划”。在头五年中主要发展神经信息学(Nuroinformatics),并于2000年6月在《自然》(Nature)杂志发文提议建立国际神经信息网络。国内与此差距甚大,但仍有积极响应。人类基因组计划的工作方式在生物领域中是前所未有的,采用了工业化模式的大科学工程。生物信息学解决了由此产生的海量信息的采集、存储、处理、共享、流通、服务和开发等挑战性问题。至今即将完成或已经完成测序的有人、褐鼠、黑腹果蝇、秀丽线虫、拟南芥菜、水稻、啤酒酵母等真核生物以及近百种微生物。其中重大的成就有：1.整基因组的测序原理和集装方案的提出和实行。从20世纪70年代简单病毒基因组测序开始到如今实施整基因组测序和集装,历经了整整20年的努力。2.从集装成的基因组序列预测基因,提示蛋白质功能,结构与功能分类,最后构成面向对象的数据库(ACEDB),无不依赖于生物信息学的支撑。3.后基因组的发展,如结构基因组学,功能基因组学,蛋白质组学、疾病基因组学,药物基因组学和环境基因组学等,更离不开高效、灵敏和准确的生物信息学。其中阵列信号检测(如DNA/Protein chip)的统计分析和众多基因组间的平行比较是典型的例子。与国际上生物信息学的重大成就相比,我国的研究呈现三种状况：一是序列基因组学(图谱与测序)中所用的生物信息科技(软硬件)多半从国外移植和拷贝;二是依靠国外生物信息中心(例如EBI和NCBI等)建立北京大学生物数据映象中心;三是中国生物信息学的本土基础力量较薄弱。尽管如此,仍取得了一些好的成果。这些成果包括：1.中国科技大学施蕴渝院士的研究组成功地发展了分子动力学,且用于蛋白质工程。尤其她将分子动力学和量子化学程序结合用来模拟酶促反应,是国际上少数成功事例之一。2.应用序列同源性搜索和基因电子克隆技术大大加快了新基因的发现。例如夏家辉院士的研究组发现了遗传性高频耳聋的疾病基因以及克隆了新的蛋白质激酶基因DyRk3和识别了人的auxilin基因。3.中国科学院生物化学研究所丁达夫研究组根据分子生物学的序列、结构和功能的基础关系在三个方面得到了好结果：① 从序列模建蛋白质三维结构。其中关键一步是序列—结构联配,在国际上是较早实行者之一。② 蛋白质分子设计。其中创新之处是氨基酸序列选择、侧链构象安装和主链骨架柔性的平行组合筛选,以及在小分子骨架上嫁接功能活性区。③ 基因组功能预测。其特点是发展了进化踪迹法,比通常的同源搜索方法有较高的正确率,且可延拓到细胞生化功能(代谢途径与调控网络)的预测。4.另外,中国科学院生物物理研究所陈润生研究组发现基因组的Junk DNA序列(即不编码基因的DNA序列)可能存在特异的编码方法,且与基因组调控网络关联。还有,中国科学院昆明动物所刘次全研究组,北京大学来鲁华研究组,以及内蒙古大学罗辽复研究组在结构生物信息学和基因组统计分析方面都有显著的成就。今年二月份《自然》和《科学》分别公布了国际人类基因组联合体和Celera基因组公司的人基因组测序结果。他们都认为这只是破解生命奥秘的良好开端,而不是完满的结束,基因组功能是永恒的主题。而且提出了一些实质性的问题,例如：1.基因组复杂性。虽然人和大猩猩的基因组仅差1%～2%,但是他们的基因组表达及其调控乃至整体行为却有很大差异。基因组复杂性同基因数、神经元数和细胞类型数没有直接关联。有人提出生化网络(代谢和调控)的复杂性才是基因组复杂性的表现。2.基因表达图谱(像DNA chip)可揭示整体细胞基因表达信息,是基因组功能分析方面的主要进展。然而细胞或组织中的mRNA丰度与蛋白质丰度的统计关联是不显著的(在人肝中0.48,在酶中小于0.4),因此基因组的后翻译修饰及其与环境的相互作用(epigenetics)对于理解生命的活动是不可缺少的,从而必须开展蛋白质组学和环境基因组学的研究计划,药物基因组学才能有较大的发展。毫无疑问,面对这些巨大系统工程,生物信息学看到的既有挑战又有机遇。     

解读袁隆平的科学风格

"杂交水稻之父"袁隆平,打破了水稻等"自花授粉作物没有杂种优势"的传统观念,开创了杂交水稻研究的新领域。袁隆平作为一位世界顶尖级的农学大师,和其他许多著名的科学家一样,他的成功也凸显出其独具特色的科学风格。本文从科学风格的内涵出发,从主体、客体及主客体相互作用三个方面论述了袁隆平科学风格形成的原因,然后从本体上解读了袁隆平科学风格的要素构成。     

高密度倒装键合中多物理量协同控制机制与实现

针对超薄高密度芯片倒装键合,我们在超薄芯片的表面作用机理与高效剥离、基于飞行视觉的多自由度高精对准与高效贴片、键合界面接触电阻的建模计算及精确控制等方面取得重要进展。主要创新工作包括：（1）揭示了微薄芯片拾取过程中剥离与碎裂的竞争行为及其影响机理,发明了基于串并联混合机构的四自由度贴片装置及其力/位控制方法,实现了超薄芯片的无损拾取和多自由度高效高精贴片;（2）发明了基于多反射镜的飞行视觉定位装置,提出了多自由度调平、图像质量改善与超分辨率重建等图像处理方法,实现了高精快速定位;（3）揭示了超薄芯片倒装键合界面形成机理,发现了导电胶倒装键合中接触电阻“弯曲效应”,提出了键合压力、温度、基板张力等协同控制方法及装置;（4）研制了基于各向异性导电胶倒装热压焊工艺的高密度芯片倒装键合原型机,实现了最大芯片尺寸5 mm×5 mm、芯片间距15μm的高密度芯片封装。     

神经营养因子NT-3与其受体p75^（NTR）对称复合物的晶体结构

神经营养因子（NTs）是一类对神经元发育、存活以及凋亡起重要作用的蛋白质,包括神经生长因子（NGF）和神经营养因子-3（NT-3）等。神经营养因子可结合两类不同的糖基化膜受体——p75神经营养受体（p75NTR）和酪氨酸激酶受体（Trk）,其中p75NTR可与所有NTs结合,而Trk则通过不同亚型与不同NTs特异性结合。神经营养因子能否通过诱导p75NTR形成同源二聚体来激活受体一直存在争议。本研究利用X-射线晶体学方法获得了NT-3与p75NTR胞外区复合物的2.6分辨率的三维精细结构。结果发现,与以往报道的NGF与p75NTR形成非对称结构不同,NT-3以2：2的比例同两个糖基化p75NTR分子发生对称结合形成同源二聚体。对称性和不对称结构的对比分析显示,二者在配体-受体作用和p75NTR构象上有显著不同。生化实验研究显示,溶液中NT-3和NGF都是以2：2的比例与p75NTR结合,而2：1的结合是人为去糖基化的非天然结果。这显示,2：2对称结合是神经营养因子在细胞表面激活p75NTR的本来状态。这些研究结果为神经营养因子与p75NTR信号转导的分子机制提供了更加深入与全面的认识。同时,为治疗人类神经系统退行性疾病的药物设计与开发提供了精确可靠的三维结构数据。     

对于我国环境空气颗粒物术语定名的建议

文章深入归纳了我国环境空气质量标准中颗粒物术语的演绎过程及主要国家、地区和组织颗粒物术语,提出了适用于我国的颗粒物术语建议:粒径小于等于10微米和粒径小于等于2.5微米颗粒物分别命名为颗粒物(粒径小于等于10微米)和颗粒物(粒径小于等于2.5微米),又分别称为可吸入颗粒物和细颗粒物,英文名称分别为particulate matter(PM₁₀)和particulate matter(PM_2.5)。     

利用柔性多孔晶体高效储存/分离乙炔和二氧化碳

乙炔在工业和科学研究中非常重要,但其高活性（高纯乙炔的安全压缩压力小于2个大气压）限制了其存储与运输。此外,乙炔与二氧化碳具有相似的分子尺寸和物理性质,使得对其吸附分离变得困难。本项研究通过在多孔金属多氮唑框架（MAF）的孔道开口加入柔性侧基,获得了一个具有开关效应的新型多孔材料（MAF-2）。研究显示,合理的孔道表面结构加上柔性框架与动态侧基的协同效应,令MAF-2具备了独特的乙炔和二氧化碳吸附行为。该材料对乙炔的饱和吸附能力可达到119cm3g-1,而且常温常压下也可达到70cm3g-1。更重要的是,该材料的柔性行为使其吸附等温线不同于常规多孔材料。在实际应用条件下,MAF-2的乙炔吸附量随着压力增加而快速增加。在298K,1.0—1.5个大气压之间,MAF-2可以存储20倍其体积的乙炔,相当于同体积气体钢瓶有效储量的40倍。此外,在常温常压下,该材料具有非常高的乙炔/二氧化碳吸附比（3.7）,可望应用于这两种气体的分离,并减少吸附分离过程中的能耗。     

兰州重离子加速器冷却储存环全面优质建成并投入运行

兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL-CSR）是我国自主设计建造的第一个大规模、高能量、全离子加速的重离子冷却储存环系统,属国家“九五”重大科学工程。它利用原有的兰州重离子回旋加速器系统（HIRFL）作注入器,采取主环CSRm与实验环CSRe耦合的双环结构,可将重离子束的能量从1—100MeV／u的低中能区提高到500—1000MeV／u高能区。同时利用空心电子束冷却技术将束流品质提高一个数量级,并提供包括放射性束RIBs在内的更多种类的重离子束,用以开展范围更广、精度更高的物理实验,是一个开展多学科交叉研究的大科学平台。2000年4月HIRFL．CSR工程由原国家计委批准开工建设,总投资2．935亿元;2005年9月建成并开始试运行;2008年7月30日通过国家验收且正式投入运行。验收意见指出,HIRFL-CSR工程全面优质完成了建设任务,实现了验收指标,其中主环加速碳、氩束流的能量和流强超过了设计指标,总体性能达到了国际先进水平。     

提升编辑科技名词素养 促进科技名词规范应斥

为提高我国科技名词的应用水平，编辑应提升自己的科技名词素养：（1）学习有关政策、规定、规范科技名词和术语学知识；（2）掌握常见的科技名词错误类型，熟悉非规范科技名词；（3）发挥规范科技名词与作者之间的桥梁作用。     

利用CO2作为新型开关调控液晶和胶束之间的可逆转变

本研究发现利用CO2可作为一种新型“开关”调控液晶和胶束之间的转变。这种新型的调控方法具有很多优点,如通过简单的加压和降压即可实现液晶和胶束之间的可逆转变以及过程清洁、CO2可以方便地去除并可循环利用等。本研究还探索了这种新型调控方法的规律、机理及其在材料制备中的应用,发现通过控制压力,可以很方便地改变模板的结构,从而实现产物的形貌可控。     

宋代的双季稻

宋代虽然有早稻和晚稻的名称 ,却并不是现代意义上的双季稻 ,但这并不能否定宋代有双季稻的存在。宋代存在再生、间作和连作三种形式的双季稻。再生稻 ,又名再熟稻、稻孙、二稻、传稻、孕稻、魏撩、再撩、再生禾、女禾等 ,分布于两浙、淮南、江南、福建和湖北等地。间作稻 ,又名寄生 ,主要分布在浙东一带。连作稻 ,在宋代虽然没有专门的名称 ,但却出现了许多连作稻的品种 ,如江苏的乌口稻、浙江的乌和第二遍、江西的黄穋禾、福建的和献台、岭南的月禾等等。另外 ,在宋代的稻品种中 ,还发现了有些品种既当早稻又充晚稻的现象 ,也应是双季连作的结果。宋代的连作双季稻分布虽广 ,但由于品种不佳、产量不高、季节和劳动力的矛盾、放牧的需要、肥水条件的限制、投入产出率低等等原因 ,双季稻总的种植面积并不大 ,在粮食生产中的作用如同凤毛麟角。宋代的双季稻大多都是在原有的品种基础上发展起来的 ,与当时引进的早熟而耐旱的品种占城稻关系不大。