2022 年 12 月 15 日,國際頂尖學術期刊 Science 發布了 2022 年十大科學突破,韋布空間望遠鏡當選年度突破之首。生命科學領域突破占比過半。
入選 2022 年度十大科學突破的還有:
更易于耕種的多年生水稻
AI 獲得創造性
驚人的巨型微生物
RSV 疫苗獲得突破進展
發現導緻多發性硬化症的病毒
美國通過具有裡程碑意義的氣候法
在歐洲人群中發現抵禦黑死病的基因變異
人類首次小行星防禦試驗
200 萬年前 DNA 重建古生态系統
本文重點介紹生命科學領域的 6 項年度科學突破。
更易耕種的多年生水稻
世界上主要的糧食作物——水稻、小麥、玉米,都是一年生作物,在每次收獲後都必須重新種植。這對農民來說是繁重的勞作,還可能導緻土壤侵蝕等環境問題。多年生作物可以減輕這些負擔,但培育足夠長壽和高産的作物一直是一個巨大挑戰。
而在今年,來自中國雲南大學的胡鳳益團隊的研究成果表明,多年生水稻是可行的,實現了一次種植、多年生長,而且高産,能夠為農民節省繁重勞動。這項研究成果于 2022 年 11 月 7 日以:Sustained productivity and agronomic potential of perennial rice 為題,發表在了 Nature Sustainability 期刊。
該研究詳細報道了胡鳳益團隊 20 多年來通過種間遠緣雜交創制多年生稻的研究成果。基于亞洲栽培稻與長雄野生稻種間雜交,研究團隊成功創制了多年水稻,培育了系列多年生稻品系,審定了 3 個多年生稻品種,在全球多年生糧食作物育種領域具有裡程碑意義。
多年生稻品種 "PR23" 連續種植 4 年,每年收獲 2 季,平均每季産量為 6.8 噸 / 公頃,與一年生稻産量相當。目前該品種正在快速推廣,去年,中國南方種植了 1.5 萬公頃,相比 2020 年增長了四倍。PR23 和類似品種也正在非洲進行試驗。
驚人的巨型微生物
早在 1999 年,海洋生物學家 Olivier Gros 發現了一種特殊的細菌,由于其過大的尺寸,一開始以為它是一種真菌。
2022 年 6 月 24 日,美國複雜系統研究實驗室的 Shailesh V. Date 團隊、Tanja Woyke 團隊、Jean-Marie Volland 團隊、與 Olivier Gros 團隊合作,在 Science 期刊上發表了題為:A centimeter-long bacterium with DNA contained in metabolically active, membrane-bound organelles 的研究論文。
這項研究鑒定了這種肉眼可見的厘米級絲狀硫氧化細菌,并命名為華麗硫珠菌,DNA 染色成像表明華麗硫珠菌具有龐大的基因組,是一個多倍體細胞。它含有超過 50 萬個基因組拷貝,基因組序列長度高達 11.5 至 12.2 兆 bp,遠遠高于其它細菌基因組,與釀酒酵母基因組長度相當,但卻擁有更多的基因數量,多達約 11788 個。
這項研究颠覆了對細菌的傳統認知,動搖了将生命劃分為真核生物和原核生物的傳統觀念。
RSV 疫苗獲得突破進展
呼吸道合胞病毒通常隻會引起輕微的類似感冒的症狀,但在嬰兒中,這種病毒會使肺部的小氣道炎症,在老年人中,它會惡化現有的肺部和心髒疾病。
50 多年前,一種預防 RSV 的實驗性候選疫苗在臨床試驗中導緻兩名兒童死亡,導緻了 80% 的接種者住院,此後,RSV 疫苗的研發中斷了數十年。之後發現了其中的關鍵原因:由整個 RSV 病毒的化學滅活版本制成的疫苗隻能引發相對較弱的抗體,不僅不能阻止病毒感染,還會幫助 RSV 破壞呼吸道。
美國國家過敏和傳染病研究所的 Barney Graham 等人在 2013 年取得的一項關鍵進展,使得新的 RSV 疫苗能夠避免上述問題。基于這一發現,GSK 和輝瑞開發的兩種 RSV 疫苗在大規模臨床試驗中證實,它們可以安全地保護受 RSV 影響最嚴重的兩個群體:嬰兒和老年人,而且都預防了 60 歲以上人群的嚴重疾病,沒有引起嚴重副作用。這些 RSV 候選疫苗可能會在明年獲得世界各地監管機構的批準。
發現導緻多發性硬化症的病毒
多發性硬化症,是一種免疫系統攻擊神經元的疾病,這種疾病在全球範圍内約有 280 萬患者,疾病一開始隻引起輕度症狀,包括視力模糊、疲勞和麻木,但逐漸會發展為無法說話或行走。
愛潑斯坦 - 巴爾病毒一直是多發性硬化症的主要懷疑對象,這種病毒在兒童時期就感染大多數人,然後潛伏在某些白細胞中。EB 病毒主要通過唾液傳播,在新感染的青少年和年輕人中會導緻傳染性單核細胞增多症。幾乎所有的多發性硬化症患者都存在 EB 病毒抗體,但 95% 的健康成年人也有,因此很難确定 EB 病毒是多發性硬化症的病因。
2022 年 1 月,Science 期刊和 Nature 期刊各發表了一篇研究論文,前者證實了感染 EB 病毒會使多發性硬化症發病風險增加 32 倍,這超過了吸煙對肺癌風險的增加。後者揭示了 EB 病毒感染增加多發性硬化症發病風險的潛在機制:EB 病毒的一種蛋白與大腦和脊髓中的一種蛋白類似,會欺騙免疫系統使其攻擊神經細胞。
這些發現為多發性硬化症的預防和治療奠定了基礎,如果針對 EB 病毒的疫苗在臨床試驗中有效,那麼就可以通過接種疫苗消滅多發性硬化症。
在歐洲人群中發現抵禦黑死病的基因變異
黑死病是由鼠疫耶爾森菌引起的,在公元 1346 年至 1353 年曾席卷整個歐亞大陸,據估計最多造成了 60% 的當地人口死亡。這種毀滅性的大流行病一定是一種強大的選擇性力量,有利于具有特别有效免疫防禦的人。科學家們一直想知道這種緻命瘟疫是如何在幸存者身上留下印記的。
2022 年 10 月 10 日,Nature 期刊發表了一篇題為:Evolution of immune genes is associated with the Black Death 的研究論文。
研究團隊分析了黑死病之前、期間和之後埋葬的 500 多人的骨骼中的古 DNA。他們發現,黑死病幸存者更有可能攜帶增強他們對鼠疫耶爾森氏菌免疫反應的基因變異,尤其是一種名為 ERAP2 的基因,其表達的内質網氨肽酶 2 蛋白能夠幫助免疫細胞識别和對抗病原體。
該基因有兩個版本,這兩種版本隻相差一個堿基,一個版本表達全長内質網氨肽酶 2 蛋白,另一個版本則表達截短的内質網氨肽酶 2 蛋白。表達該全長蛋白的人在黑死病中幸存的概率是表達截短體蛋白的人的 2 倍。
在黑死病大流行後一個世紀,ERAP2 基因的保護性突變在歐洲人群中的快速傳播是迄今為止人類基因組自然選擇的最有力例子。如今,45% 的英國人體内仍然存在 ERAP2 基因的保護性突變,這種保護性突變時仍在保護着他們,因為直到 19 世紀,黑死病仍在歐洲和亞洲流行。不過這種保護也是有代價的,這一基因突變也會增加自身免疫疾病的風險,例如克羅恩病和類風濕性關節炎。
200 萬年前 DNA 重建古生态系統
直到最近,科學界認為 DNA 隻能保存大約 100 萬年。比這更古老的遺傳物質會因為降解得太嚴重而無法被讀取。但這一觀點在今年 12 月份被打破了。
2022 年 12 月 7 日,丹麥哥本哈根大學的研究人員在 Nature 發表了題為:A 2-million-year-old ecosystem in Greenland uncovered by environmental DNA 的研究論文。
研究團隊通過分析迄今恢複的最古老的環境 DNA,繪制了格陵蘭北部約 200 萬年前生态系統的樣貌,包括曾存在的動物和植物物種。這項研究使我們能以前所未有的程度探究并理解一個古代生态系統,同時揭示了一個沒有現代等同物的生态系統。
研究團隊對位于北格陵蘭的皮裡地的 5 個不同遺址采集的 41 例有機質富集沉積物樣本進行了 DNA 提取和測序。這裡在 200~300 萬年前的氣候要比現在溫暖很多,然而,由于脊椎動物化石的稀缺,對當時居住在北極區的生物群落不甚了解。
研究團隊利用這些提取的環境 DNA 重現了古代生态系統的樣貌:一片生長着楊樹、桦樹和崖柏以及各種北極和北方灌木、草本植物的開闊北方林。DNA 記錄證實了野兔的存在,來自遺址的線粒體 DNA 還揭示了其他動物存在的痕迹,包括乳齒象、馴鹿、齧齒動物和雁類。研究團隊還恢複了海洋生物的古 DNA,這些古 DNA 提示曾存在一個大西洋鲎種群。
這或許意味着該地區在更新世早期有着更溫暖的地表水環境,與之前的預測一緻。這項研究結果證明了利用古代環境 DNA 追溯 200 萬年前生物群落演化的潛力。
此外,Science 雜志還評選了三個年度科學故障,本文不再贅述。
本文來自微信公衆号:生物世界 (ID:ibioworld),作者:王聰,編輯:王多魚,原文标題:《Science 年度十大科學突破:雲南大學胡鳳益團隊多年生水稻入選,生命科學占比過半》