2012年度“中国科学十大进展”发布

    2012年度“中国科学十大进展”是：神舟九号和天宫一号成功实现载人交会对接；可扩展量子信息处理取得系列重要进展；阐明二叠—三叠纪之交生物大灭绝及其复苏模式和原因；大亚湾中微子实验发现新的中微子振荡模式；揭示两种天然产物靶向特异蛋白治疗白血病的机制；证实单倍体孤雄干细胞具有可替代精子和快速传递基因修饰的能力；生态学试验证实Bt转基因棉花种植可促进对害虫的生物控制；解析出TAL效应蛋白特异性识别DNA的结构基础；揭示营养匮乏引发细胞自噬的分子机制；发现利用倒置结构可提高聚合物太阳能电池的能量转换效率。

    该评选活动由科技部基础研究管理中心会同《科技导报》编辑部、《中国科学院院刊》编辑部、《中国科学基金》编辑部和《中国基础科学》编辑部共同举办。评选程序分为推荐、初评、函评和发布4个环节。最终结果由中国科学院院士、中国工程院院士、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投票选出。   

▲神舟九号和天宫一号成功实现载人交会对接

▲拓扑量子纠错原理

▲实现百公里自由空间量子纠缠分发

▲大亚湾中微子实验站

Bt棉花种植促进害虫生物控制

通过孤雄单倍体胚胎干细胞获得的转基因小鼠

TAL效应蛋白dHax3的高分辨率晶体结构

    1.神舟九号和天宫一号成功实现载人交会对接

    北京时间2012年6月18日14时14分，神舟九号载人飞船与天宫一号目标飞行器成功对接，航天员景海鹏、刘旺与我国首位女航天员刘洋首次成功访问在轨飞行器。6月24日，在航天员刘旺的操纵下，神舟九号飞船与天宫一号顺利对接，圆满完成我国首次手控交会对接任务。这标志着我国具备了向在轨航天器可靠地往返运送人员和物资的能力，使我国成为世界上第三个独立掌握载人空间交会对接技术的国家，对我国航天科技事业的发展具有极大的促进和推动作用。

    2.可扩展量子信息处理取得系列重要进展

    实现实用化量子计算和远距离量子通信的关键是，通过发展多粒子量子系统相干操纵技术实现可扩展的量子信息处理。中国科学技术大学潘建伟研究小组，利用自主发展的高亮度、高纯度量子纠缠源技术，在国际上首次实现了八光子薛定谔猫态。同时，他们利用八光子纠缠簇态，在国际上首次实验实现了拓扑量子纠错，证明拓扑编码可以显著减少量子比特错误率，显示了容错量子信息处理的强大能力。此外，潘建伟小组还发展了高精度时间同步技术，并与中国科学院上海技术物理研究所、光电技术研究所等单位合作发展了高精度光跟瞄技术。在上述核心技术的基础上，他们在国际上首次实现了百公里量级的自由空间量子隐形传态和双向纠缠分发，证明了借助卫星实现全球量子通信网络和开展大尺度基本物理问题检验的可行性。相关研究结果发表在《自然·光子学》（Nature Photonics）和《自然》（Nature）杂志上。

    专家点评

    中国科学院院士、中国科学院半导体研究所研究员李树深：要实现可拓展量子计算和量子通信仍面临诸多挑战，主要包括如何提升量子相干操纵和多粒子纠缠的数目、如何实现量子态的远距离传输等。针对这些重大挑战，潘建伟小组开展了系统性的研究工作，并于2012年取得一系列重要突破，受到国际学术界的广泛关注和高度评价，体现了我国量子信息研究领域日渐强大的国际竞争力。

    3.阐明二叠-三叠纪之交生物大灭绝模式及其原因

    地质历史时期发生了几次影响地球生命演化进程的重大生物事件，其中发生在约2.5亿年前的二叠纪末生物大灭绝是最具灾难性的一次灭绝事件，这次生物大灭绝以后地球生态系统历经近5百万年才得以复苏。确定这次事件发生的精确时间、速度和过程是探明其原因的关键。中国科学院南京地质古生物研究所沈树忠和王玥研究组与合作者, 在华南、西藏、西南等地开展了海洋和陆地生态系统二叠-三叠系界线剖面研究，建立了高分辨率化石生物地层以及十万年级高精度综合年代框架，并运用最新的CONOP化石生物多样性定量统计和多种地球化学指标分析，论证了此次生物集群灭绝事件的时空模式及其与古环境演变的关系。他们的研究表明，二叠-三叠纪之交生物大灭绝事件发生的时间约在252.28±0.08百万年前，其灭绝的整个过程不超过20万年。他们并通过中国海、陆相剖面的系统对比和碳循环模拟，认为二叠纪末由于大规模地下岩浆活动造成温室气体大规模快速释放以及与火山喷发等的共同作用，使得温室效应迅速加剧，这是最终导致整个地球海陆生态系统同时在极短时间内全面崩溃的主要原因。另一方面，中国地质大学（武汉）赖旭龙和孙亚东研究组与合作者，通过对华南地区二叠纪末至中三叠世的海相牙形石进行氧同位素分析，定量地构建了该时期赤道低纬度地区高精度古海水温度变化曲线，揭示了二叠-三叠纪之交发生的一次快速极热事件，并在此后近5百万年的时间内一直延续极端高温的过程。从而以实际数据证实了二叠纪末快速极热事件是导致这次生物大灭绝的原因，并且揭示持续高温抑制了赤道低纬度地区早三叠世生态系统的复苏。相关研究结果发表在《科学》（Science）杂志上。

    专家点评

    中国科学院院士、中国科学院南京地质古生物研究所研究员戎嘉余：地史时期发生过多次生物大灭绝事件，以二叠纪末的最为惨烈，世界各国各领域科学家对此开展了广泛深入的探究。上述成果基于二叠-三叠系界线生物与年代地层框架和晚二叠—早三叠世牙形石氧同位素分析，用最新化石多样性定量和多种地化指标，确定了这次大灭绝发生的精确时间和速率以及复苏模式，并认为火山活动致温室气体快速释放和全球极热化是生态系快速崩溃和随后生物复苏迟缓的根本原因，这对认识地球环境变化趋势有重要的启示作用。

    4.大亚湾中微子实验发现新的中微子振荡模式

    中微子是构成物质世界的一类基本粒子，它包括电子型中微子、μ子型中微子和τ子型中微子3种类型。这3种中微子在飞行中可以从一种类型转变成另一种类型，即中微子振荡。其振荡模式在理论上有3种，分别由θ23、θ12和θ13表示。前两种振荡已被多个实验所证实，第三种振荡因测量难度更大，一直没有被实验证实。θ13的大小关系到中微子物理研究未来的发展方向，并和宇宙起源中的反物质消失之谜相关，是国际上中微子研究的热点。由中国科学院高能物理研究所牵头的大亚湾反应堆中微子实验，是利用大亚湾核电站反应堆测量sin22θ13的实验计划，其设计精度比过去国际最好水平提高近一个量级。该合作组利用55天获取的中微子事例，测量得到sin22θ13的大小为0.092，误差为1.7%。测量结果的显著性为5.2个标准偏差，也就是说无振荡的可能性只有千万分之一。相关研究结果发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上。

    专家点评

    中国科学院院士、中国原子能研究院研究员张焕乔：大亚湾反应堆中微子实验的主要科学目标是精确测量中微子混合角θ13。θ13是物理学中28个基本参数之一，它的大小关系到中微子研究未来的发展方向，大亚湾实验对θ13的测量，将为今后中微子物理、天体物理、宇宙学等前沿科学研究提供精确的初值输入，对基本粒子物理的大统一理论、寻找与鉴别新物理，甚至揭开“宇宙反物质消失之谜”具有重要意义。

    5.揭示两种天然产物靶向特异蛋白治疗白血病的机制

    急性髓系白血病(AML)是一组异质性血液肿瘤。其中多数AML，如具有t(8;21)(q22;q22)染色体易位的M2型AML患者不能获得长期无病生存。利用天然化合物特异地诱导白血病细胞分化和凋亡是肿瘤研究的重要热点之一。在诱导AML细胞凋亡方面，上海交通大学医学院陈竺和陈赛娟研究组与合作者的研究显示，冬凌草甲素可与谷胱甘肽和硫氧还蛋白/硫氧还蛋白还原酶相互作用，增加细胞内的活性氧，进而活化t(8;21)细胞中促凋亡的半胱氨酸蛋白酶-3，促进肿瘤细胞凋亡。而且，冬凌草甲素还可通过半胱氨酸蛋白酶-3使肿瘤融合蛋白AML1-ETO发生酶裂解，生成截短形式的AML1-ETO(ΔAML1-ETO)。而ΔAML1-ETO可与AML1-ETO相互作用，干扰AML1-ETO的反式调节功能，作为肿瘤抑制剂介导了冬凌草甲素的抗白血病效应。在诱导AML细胞分化方面，上海交通大学医学院陈国强研究组与合作者的研究发现，一种植物中分离出来的双萜化合物——腺花素可诱导多种类型AML细胞分化。腺花素可直接靶向过氧化还原酶Prx I和Prx Ⅱ的保守的半胱氨酸，抑制其过氧化物酶活性，使细胞内H2O2增加，进而导致细胞外信号调控激酶的活化和CCAAT/增强子结合蛋白β转录的增加，这将促进腺花素诱导的分化。腺花素是目前已知的第一个可用于研发Prx I和Prx Ⅱ靶向治疗药物的先导天然化合物，靶向Prx I和Prx Ⅱ可能成为白血病诱导分化治疗的新途径。相关研究结果分别发表在《科学·转化医学》（Science Translational Medicine）和《自然·化学生物学》（Nature Chemical Biology）杂志上。

    专家点评

    中国科学院院士、上海中医药大学教授陈凯先：AML是一组异质性血液肿瘤，目前多数患者尚不能获得长期无病生存。利用天然化合物特异地诱导白血病细胞分化和凋亡是肿瘤研究的重要热点之一。陈竺与陈赛娟研究组和陈国强研究组在这方面取得了具有开拓性的进展。他们的研究不仅为AML治疗提供了天然来源的先导化合物，而且为治疗白血病新药研究开辟了方向，提供了新的靶点和新的方法，具有重要科学意义。

    6.证实单倍体孤雄干细胞具有可替代精子和快速传递基因修饰的能力

    单倍体细胞及其发育成的个体是研究隐性遗传的理想模型。自然状态下哺乳动物的单倍体细胞仅局限于卵子和精子这类结构和功能均已特化的细胞，但卵子和精子不能在体外进行培养，也难以进行遗传操作。如能在体外建立哺乳动物的单倍体细胞系，将极大地促进哺乳动物基因功能及遗传学等方面的研究。针对单倍体孤雄胚胎干细胞能够替代精子的特性，对单倍体干细胞进行基因操作可以将基因修饰直接遗传给后代，避免了其它转基因方法在种系嵌合等方面的苛刻要求，从而可极大地提高基因修饰效率及其应用范围。中国科学院上海生物化学与细胞生物学研究所李劲松与徐国良合作团队以及中国科学院动物研究所周琪与赵小阳合作团队，分别成功地利用核移植和干细胞技术建立了小鼠孤雄单倍体干细胞系，这些单倍体干细胞具有典型的小鼠胚胎干细胞特征和发育潜能，并能够形成嵌合体小鼠；当把这些细胞注入卵母细胞后能够代替精子完成授精并产生健康小鼠；对这些细胞进行基因修饰后可以快速便捷地获得健康存活的转基因和基因敲除小鼠，大大缩短了基因修饰的流程，提高了基因修饰效率。这一成果为遗传与发育调控机理研究提供了新的体系，并为获得遗传操作动物模型提供了重要手段。相关研究结果分别发表在《细胞》（Cell）和《自然》（Nature）杂志上。

    专家点评

    中国科学院院士、同济大学教授裴钢：生殖细胞是单倍体细胞，不能在体外培养和增殖，成为生殖发育研究和辅助生殖技术发展的重要障碍和瓶颈。2012年，两组中国科学家分别成功地利用核移植和干细胞技术建立了小鼠孤雄胚胎干细胞系，这些单倍体干细胞能够功能性替代精子并产生健康小鼠。这一成果为揭示有性繁殖的奥秘，深入进行生殖发育的转化研究，造福人类生殖健康提供了重要的工具。

    7.生态学试验证实Bt转基因棉花种植可促进对害虫的生物控制

    过去10多年中，多种Bt转基因作物在世界范围内的商业化生产，有效控制了几种重要的靶标害虫，并减少了杀虫剂的使用量。由于广谱性杀虫剂可以杀死有害昆虫的节肢动物天敌，因此减少使用杀虫剂有利于对非靶标害虫的生物控制。然而，科学界并没有从景观生态学尺度阐明天敌昆虫与非靶标害虫的种群长期演替机制。中国农业科学院植物保护研究所吴孔明研究团队与合作者，基于长期的田间系统生态学试验研究和观测数据分析，发现伴随Bt棉花的广泛种植和杀虫剂的减少使用，三类主要捕食性节肢动物（瓢虫、草蛉和蜘蛛）的种群数量显著上升，并通过它们的捕食作用显著降低了棉花伏蚜的自然种群数量。同时，这些天敌还从Bt棉田进入邻近的田地，对多种蚜虫发挥了自然控制作用。上述研究拓展了对抗虫转基因作物生态效应的认识。相关研究结果发表在《自然》（Nature）杂志上。

    专家点评

    中国科学院院士、中国农业科学院研究员李家洋：转Bt基因抗虫作物在世界范围内的广泛种植，引起了科学界和公众对其长期大规模种植生态影响的高度关注和争议。该项成果通过长期的生态学研究，在国际上首次明确了Bt作物可增强农业生态系统害虫自然控制的能力，深化和丰富了对转基因作物环境影响的认知，对发展利用转基因技术促进农业生产力的提高和生物多样性保护有重要科学意义。

    8.解析出TAL效应蛋白特异性识别DNA的结构基础

    TAL效应蛋白是植物致病菌注入到植物细胞内的一类蛋白质因子，其奇特之处在于它的DNA结合结构域是由不同数量的重复单元组成，每个重复单元中第12和13位的氨基酸残基变化较大被命名为RVD，且与识别的核苷酸种类有特殊的一一对应关系。TAL效应蛋白独特的DNA序列识别特性以及灵活的可组装性极大地方便了它们在分子生物学中的应用。对于基因组特别是高等生物基因组的定点改造一直以来是生物学研究中的一个难题。近年来以TALEN（TAL效应蛋白核酸酶）为代表的技术突破使得基因组改造便捷有效，利用TALEN已经成功地实现了对斑马鱼、爪蟾、家畜猪甚至人类细胞的定向改造。清华大学颜宁研究组、施一公研究组与合作者选择了一个经过改造的TAL效应蛋白dHax3，进行结构生物学和生物化学研究。最终获得了未结合DNA 的dHax3和与DNA结合的复合物的两个高分辨率晶体结构。他们的研究清晰揭示了TAL效应蛋白特异识别DNA的机理。结构还显示RVD这两个残基中只有第二位的氨基酸才与碱基特异识别，从而使得设计新型TAL效应蛋白序列更加简便。结构比较还展示了TAL效应蛋白的类似

    于弹簧的伸展性。这些结构信息提供了TAL效应蛋白的改造基础，极大地拓宽了TAL效应蛋白在生物技术应用上的前景。相关研究结果发表在《科学》（Science）杂志上。

    专家点评

    北京大学工学院教授席建忠：致病菌能利用其TAL效应蛋白调控植物细胞基因的表达，这一现象为科学家研发定点基因修饰技术提供了新的思路。然而，之前我们对TAL效应蛋白是如何特异识别DNA的分子机理并不清楚。清华大学颜宁、施一公等小组通过解析TAL效应蛋白与DNA复合物的晶体结构，为我们揭开了其中的奥秘。该工作的重要性还体现在，它为人工优化改造TAL效应蛋白提供了坚实的理论指导，为日后TAL效应蛋白的临床应用奠定了基础。

    9.揭示营养匮乏引发细胞自噬的分子机制

    细胞自噬是指细胞降解胞内自身细胞结构或变性蛋白质的一种重要生物学过程。在受到如饥饿等外界压力时，细胞会将细胞质的一部分包裹并运输到溶酶体或液泡中，对其进行降解，从而达到物质重新利用的目的。细胞自噬功能的异常会导致包括癌症、神经退行性疾病等众多疾病的发生。厦门大学林圣彩研究小组与合作者研究发现，乙酰转移酶TIP60的激活是生长因子缺乏诱发细胞自噬所必需的。在多细胞动物中，细胞的能量平衡依赖于细胞外生长因子。当糖原合成酶激酶3(GSK3)因细胞失去生长因子而去抑制时，它会通过磷酸化乙酰基转移酶(TIP60)而激活TIP60。活化的TIP60会直接乙酰化并激活自噬启动过程中的关键蛋白激酶ULK1。他们的研究揭示了一个整合了蛋白质磷酸化和乙酰化的信号通路，将生长因子缺乏同自噬联系起来，阐明了细胞能量平衡的维持依赖于生长因子这一重要生物学现象的分子机制。与此同时，清华大学俞立研究组与合作者，利用酿酒酵母作为研究材料，研究确认乙酰转移酶Esa1和去乙酰化酶Rpd3是细胞自噬水平的重要调控元件，并确认细胞自噬信号的核心组件Atg3是Esa1/Rpd3的作用底物。Atg3通过其第19和第48位的赖氨酸乙酰化来控制Atg3和Atg8的相互作用以及Atg8的脂化，从而调控细胞自噬的发生。在饥饿诱导下，Esa1和Rpd3通过在自噬体前体结构(PASs)上的定位以及与Atg3的相互作用，调控Atg3蛋白的乙酰化水平，进而影响细胞自噬的发生。这些研究结果揭示了乙酰化如何通过修饰细胞自噬的核心元件从而调控细胞自噬发生这一重要生物学现象的分子机制。相关研究结果发表在《科学》（Science）杂志上。

    专家点评

    中国科学院院士、清华大学教授孟安明：自噬是细胞在营养缺乏情况下回收利用自身物质的一种行为。林圣彩教授和俞立教授的两项研究成果阐明了细胞如何传递营养缺乏信息到执行自噬核心元件的信号通路。他们的工作对单细胞生物和高等动物因营养物质缺乏诱导细胞自噬这一重要生物学现象的分子机制做出了阐明。他们的工作同时也证明了蛋白质的乙酰化修饰是一种高度保守的调控细胞自噬的机制，并为开发用于临床治疗的自噬抑制剂和激活剂提供了新的切入点。

    10.发现利用倒置结构可提高聚合物太阳能电池的能量转换效率

    聚合物-富勒烯异质结太阳能电池(PSC)是一种基于共轭有机小分子/聚合物和富勒烯衍生物的新型的光伏器件，可大面积、低成本、柔性化制备，是当今科技界的一个研究热点和世界各国竞相研发的新能源器件。近期的研究报道表明，这种太阳电池的能量转化效率可超过8%。但是这种光伏技术要能得到大规模生产和应用，还需要进一步提高其能量转换效率达到10%左右。华南理工大学曹镛和吴宏滨研究组，利用一种倒置结构实现了能量转换效率达到9.2%的聚合物太阳电池，刷新了文献报道中此类器件能量转换效率的世界纪录。他们研制的装置可以同时提供实现高效光生载流子收集的欧姆接触以及最优的太阳光子利用。由于他们提出的器件结构可方便利用并能大幅度提高能量转化效率，所以这一发现还可为其他材料体系所借鉴，并为实现能量转换效率达到10%的聚合物太阳电池提供了新的希望。相关研究结果发表在《自然·光子学》（Nature Photonics）杂志上。

    专家点评

    中国科学院院士、中国科学院上海技术物理研究所研究员褚君浩：聚合物太阳电池是一种新型光伏器件，具有制备成本低、重量轻、可制备成柔性器件等优点，与无机半导体太阳电池有非常强的互补性。华南理工大学曹镛院士团队利用一种倒置结构实现了效率达到9%以上的聚合物太阳电池。他们的研究表明，小面积聚合物太阳电池的实验室效率已经十分接近非晶硅太阳电池的水平，通过进一步进行大面积电池均匀性研究和提高能量转换效率以及加强长期室外稳定性的研究，有可能具有规模化生产和应用的前景，是一类值得大力支持发展的薄膜太阳电池。