破纪录！几位中国学者玩转科研——1天8篇Nature如此简单
2022年2月9日，中国学者/华人学者在Nature 上同时发表了8项研究成果，在生命科学，物理化学，地球科学等领域取得了重大进展，iNature系统盘点这些研究成果：
【1】破坏作物易感性 (S) 基因是一种有吸引力的育种策略，可用于赋予抗病性。然而，S 基因与许多基本的生物学功能有关，这些基因的缺失通常会导致不希望的多效性效应。一种这样的 S 基因的功能丧失突变，霉菌抗性基因座 O (MLO)，赋予各种植物物种对白粉病的持久和广谱抗性。然而，与 mlo 相关的抗性也伴随着生长受限和产量损失，从而限制了其在农业中的广泛使用。2022年2月9日，中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞，肖军和中国科学院微生物研究所邱金龙共同通讯在Nature 在线发表题为“Genome-edited powdery mildew resistance in wheat without growth penalties”的研究论文，该研究描述了 Tamlo-R32，这是一种在小麦 MLO-B1 基因座中具有 304 千碱基对靶向缺失的突变体，可保持作物生长和产量，同时赋予强大的白粉病抗性。该研究表明，这种缺失导致局部染色质景观发生改变，导致液泡膜单糖转运蛋白 3 (TaTMT3B) 的异位激活，并且这种激活减轻了与 MLO 破坏相关的生长和产量损失。值得注意的是，TMT3 的功能在拟南芥等其他植物物种中是保守的。此外，精确的基因组编辑有助于将这种 mlo 抗性等位基因 (Tamlo-R32) 快速引入优质小麦品种。这项工作展示了叠加遗传变化以挽救由隐性等位基因引起的生长缺陷的能力，这对于开发具有强大和持久抗病性的高产作物品种至关重要。
【2】双原子分子的超冷组装在受控化学、超冷化学物理和分子量子模拟方面取得了巨大进展。将超冷关联扩展到三原子分子将在这些领域提供许多新的研究机会和挑战。一种可能的方法是通过使用它们之间的 Feshbach 共振在超冷原子和双原子分子的混合物中形成三原子分子。尽管最近观察到超冷原子-双原子-分子 Feshbach 共振，但使用这些共振形成三原子分子仍然具有挑战性。2022年2月9日，中国科学技术大学潘建伟，赵博及中国科学院化学研究所白春礼共同通讯在Nature 在线发表题为“Evidence for the association of triatomic molecules in ultracold 23Na40K+40K mixtures”的研究论文，该研究报告了在旋转振动基态的 23Na40K 分子和 40K 原子之间的 Feshbach 共振附近三原子分子关联的证据。该研究应用射频脉冲来驱动 23Na40K 和 40K 的超冷混合物中的自由结合跃迁，并监测 23Na40K 分子的损失。三原子分子的结合表现为射频光谱中的附加损失特征，可以与原子损失特征区分开来。观察到缔合特征和原子跃迁之间的距离随磁场的变化而变化，为三原子分子的形成提供了有力的证据。三原子分子的结合能从测量中估计。该研究工作有助于理解复杂的超冷原子-分子 Feshbach 共振，并可能为制备和控制超冷三原子分子开辟一条途径。
【3】如果存在大量可自主折叠到其中的氨基酸序列，则可以设计蛋白质骨架结构。有人提出，主链的可设计性主要受侧链独立或侧链类型不敏感的分子相互作用控制，表明一种基于连续采样和优化设计新主链（准备用于氨基酸选择）的方法以主干为中心的能量表面。然而，尚未为此目的建立足够全面和精确的能量函数。2022年2月9日，中国科学技术大学刘海燕和陈泉共同通讯在Nature 在线发表题为“A backbone-centred energy function of neural networks for protein design”的研究论文，该研究展示了一个名为 SCUBA（用于侧链未知骨干排列）的统计模型满足了这一目标，该模型使用神经网络形式的能量项。这些术语是通过两步方法学习的，包括核密度估计和神经网络训练，并且可以分析地表示已知蛋白质结构中的多维、高阶相关性。该研究报告了九种从头蛋白质的晶体结构，其骨架使用 SCUBA 设计为高精度，其中四种具有新颖的、非天然的整体结构。通过避免使用现有蛋白质结构中的片段，SCUBA 驱动的结构设计促进了对可设计骨架空间的深远探索，从而扩展了适合从头设计的蛋白质的新颖性和多样性。
【4】电子向列性，其中旋转对称性被电子自由度自发打破，已被证明是相关量子流体中普遍存在的现象，包括高温超导体 (HTS) 和量子霍尔系统。更引人注目的是，HTS 中的电子向列性表现出与超导性的有趣纠缠，产生了复杂的超导配对和相互交织的电子顺序。最近，在具有二维钒 kagome 网的 AV3Sb5 (A = K, Rb, Cs) 系列中发现了超导性和电荷密度波 (CDW) 阶之间的不寻常竞争。这些现象是否涉及电子向列性仍然难以捉摸。2022年2月9日，中国科学技术大学陈仙辉、吴涛及王震宇共同通讯在Nature 在线发表题为“Charge-density-wave-driven electronic nematicity in a kagome superconductor”的研究论文，该研究使用弹性电阻测量、核磁共振 (NMR) 和扫描隧道显微镜/光谱 (STM/S) 的组合报告了 CsV3Sb5 中存在电子向列性的令人信服的证据。与温度相关的弹性电阻系数 (m11-m12) 和 NMR 谱清楚地表明，除了平面外调制导致 2a0×2a0 超晶胞的 C2 结构变形外，在 CDW 转变 (TCDW ~ 94 K），最后在 Tnem ~ 35 K 以下发生向列转变。STM 实验直接显示了低于 Tnem 的 C2 结构固定的长程向列顺序，表明三态 Potts 模型描述了一种新的向列性。该研究结果明确地证明了 CsV3Sb5 正常状态下的内在电子向列性，这为揭示电子向列性在非常规超导体配对机制中的作用树立了新的范式。
【5】开发具有超强强度、大弹性应变极限和对温度不敏感的弹性模量（Elinvar 效应）的高性能超弹性金属对于从执行器和医疗设备到高精度仪器的各种工业应用非常重要。由于位错易滑移，块状结晶金属的弹性应变极限通常小于 1%。形状记忆合金——包括胶质金属和应变玻璃合金——可以达到高达百分之几的弹性应变极限，尽管这是伪弹性的结果并且伴随着大量的能量耗散。最近，化学复杂的合金，如“高熵”合金，由于其良好的性能而引起了极大的研究兴趣。2022年2月9日，香港城市大学杨勇，香港大学D. J. Srolovitz及台北大学Chun-Wei Pao共同通讯在Nature 在线发表题为“A highly distorted ultraelastic chemically complex Elinvar alloy”的研究论文，该研究报告了一种化学复杂的合金，其具有大原子尺寸的失配，通常在传统合金中是无法承受的。该合金在室温下表现出高弹性应变极限（约 2 per cent）和非常低的内摩擦（小于 2 × 10−4）。更有趣的是，这种合金表现出非凡的 Elinvar 效应，在室温和 627° 摄氏度（900° 开尔文）之间保持近乎恒定的弹性模量，这是迄今为止报道的现有合金所无法比拟的。
【6】地球内核 (IC) 的密度低于纯铁，表明其中存在轻元素。硅、硫、碳、氧和氢被认为是候选者，并且已经研究了铁轻元素合金的性质以限制 IC 成分。轻元素对地震速度、熔化温度和铁合金的热导率有很大的影响。但是，很少考虑 IC 中轻元件的状态。2022年2月9日，中国科学院地球化学研究所何宇团队在Nature 在线发表题为“Superionic iron alloys and their seismic velocities in Earth’s inner core”的研究论文，该研究使用从头算分子动力学模拟，发现六方密排铁中的氢、氧和碳在 IC 条件下转变为超离子状态，显示出像液体一样的高扩散系数。这表明 IC 可以处于超离子状态而不是正常的固态。液体状轻元素导致地震速度显著降低，接近 IC 的地震观测。剪切波速度的大幅下降为软 IC 提供了解释。此外，轻元素对流对IC的地震结构和磁场有潜在的影响。
【7】表皮生长因子受体（EGFR）在人类癌症中经常发生突变，是一个重要的治疗靶点。EGFR 抑制剂在肺癌中取得了成功，其中细胞内酪氨酸激酶结构域的突变激活了受体，但在多形性胶质母细胞瘤 (GBM) 中却没有，其中突变仅发生在细胞外区域。2022年2月9日，耶鲁大学Mark A. Lemmon（胡淳为第一作者）团队在Nature 在线发表题为“Glioblastoma mutations alter EGFR dimer structure to prevent ligand bias”的研究论文，该研究显示常见的细胞外 GBM 突变阻止 EGFR 区分其激活配体。不同的生长因子配体稳定不同的 EGFR 二聚体结构，这些结构以不同的动力学发出信号以指定或偏向结果。EGF 本身会诱导强对称二聚体，这些二聚体会瞬时发出信号以促进增殖。上皮调节蛋白 (EREG) 诱导更弱的不对称二聚体，驱动持续的信号传导和分化。GBM 突变降低了 EGFR 在细胞测定中区分 EREG 和 EGF 的能力，并允许 EGFR 形成强（EGF 样）二聚体以响应 EREG 和其他低亲和力配体。使用 X 射线晶体学，该研究进一步表明 R84K GBM 突变使 EREG 驱动的细胞外二聚体对称，因此它们类似于通常在 EGF 中看到的二聚体。相比之下，第二个 GBM 突变 A265V 重塑了关键的二聚化接触，以增强不对称 EREG 驱动的二聚体。该研究结果证明了 EGFR 在 GBM 中改变配体识别的重要作用，对治疗靶向具有潜在影响。
【8】动物必须以上下文相关的方式设置行为优先级，并在适当的时候从一种行为切换到另一种行为。2022年2月9日，加州大学圣地亚哥分校王竞团队在Nature 在线发表题为“A nutrient-specific gut hormone arbitrates between courtship and feeding”的研究论文，该研究探讨了在黑腹果蝇中协调从进食到求偶的转变的分子和神经元机制。该研究发现在饥饿的雄性中，喂食优先于求爱，而富含蛋白质的食物的消费会在几分钟内迅速逆转这一顺序。在分子水平上，一种肠道衍生的营养特异性神经肽激素——利尿激素 31 (Dh31)——推动了从进食到求爱的转变。该研究通过钙成像实验进一步解决了潜在的动力学问题。食物中的氨基酸会急性激活肠道中的 Dh31+ 肠内分泌细胞，从而增加循环中的 Dh31 水平。此外，完整果蝇的三光子功能成像显示 Dh31+ 肠内分泌细胞的光遗传学刺激迅速激发了表达 Dh31 受体 (Dh31R) 的脑神经元子集。肠道衍生的 Dh31 在几分钟内通过循环系统激发大脑神经元，与喂食 -求爱行为转换的速度一致。在神经回路层面，大脑中有两个不同的 Dh31R+神经元群，一个群通过 allatostatin-C 抑制进食，另一个群通过 corazonin 促进求爱。总之，该研究结果说明了一种机制，即食用富含蛋白质的食物会触发肠道激素的释放，这反过来又优先通过两条平行的途径求爱而不是进食。
植物病害每年在全球范围内造成 11-30% 的作物减产，威胁全球粮食安全。分子育种是提高植物抗病性的有效且可持续的策略。显性抗性 (R) 基因经常被用于培育对特定病原体的抗性。大多数 R 基因编码核苷酸结合位点 -富含亮氨酸的重复蛋白，可直接或间接识别致病效应蛋白并触发免疫。R 基因介导的抗性是物种特异性的，病原体可以通过在其各自的效应基因中引入逃逸突变来轻松克服抗性。因此，破坏 S 基因是作物抗性育种的一种有吸引力的替代方法。
S 基因是被病原体利用以实现成功感染的植物基因。S 基因突变赋予的抗病性是遗传隐性的和非种族特异性的。MLO 是一个充分表征的 S 基因。有超过 650 种白粉病真菌感染约 10,000 种植物。MLO 中的功能丧失突变导致对白粉病的持久和广谱抗性。然而，mlo 突变通常会导致显著的生长损失。在大麦和拟南芥中，功能丧失的 mlo 突变体与自发性胼胝质沉积、细胞死亡和早期衰老相关。因此，只有具有平衡抗性和生长表型的弱 mlo 等位基因，如大麦中的 mlo-11，已被用于培育优良品种。尽管在植物物种中保持了 mlo 抗性，但生长权衡阻碍了其在农业中的广泛应用。
小麦 (Triticum aestivum) 是世界各地的主要主粮作物。白粉病严重威胁小麦产量，必须提高小麦产量以满足不断增长的全球人口的需求。之前生成了一个小麦 mlo 突变体 Tamlo-aabbdd（使用基因组编辑同时敲除 Kenong 199 小麦中 TaMLO1 的所有三个同源物）。尽管这种小麦突变体表现出对白粉病的强效和广谱抗性，但它受到多效性影响，例如加速衰老。
该研究描述了 Tamlo-R32，这是一种在小麦 MLO-B1 基因座中具有 304 千碱基对靶向缺失的突变体，可保持作物生长和产量，同时赋予强大的白粉病抗性。该研究表明，这种缺失导致局部染色质景观发生改变，导致液泡膜单糖转运蛋白 3 (TaTMT3B) 的异位激活，并且这种激活减轻了与 MLO 破坏相关的生长和产量损失。
值得注意的是，TMT3 的功能在拟南芥等其他植物物种中是保守的。此外，精确的基因组编辑有助于将这种 mlo 抗性等位基因 (Tamlo-R32) 快速引入优质小麦品种。这项工作展示了叠加遗传变化以挽救由隐性等位基因引起的生长缺陷的能力，这对于开发具有强大和持久抗病性的高产作物品种至关重要。
参考消息：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04395-9
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04297-2
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04383-5
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04493-8
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04309-1
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04361-x
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04393-3
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04408-7
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