打破紀錄！高彩霞，潘建偉，劉海燕，陳仙輝等1天8篇Nature

2022年2月9日，中國學者/華人學者在Nature 上同時發表了8項研究成果，在生命科學，物理化學，地球科學等領域取得了重大進展，iNature系統盤點這些研究成果：

【1】破壞作物易感性 (S) 基因是一種有吸引力的育種策略，可用於賦予抗病性。然而，S 基因與許多基本的生物學功能有關，這些基因的缺失通常會導致不希望的多效性效應。一種這樣的 S 基因的功能喪失突變，黴菌抗性基因座 O (MLO)，賦予各種植物物種對白粉病的持久和廣譜抗性。然而，與 mlo 相關的抗性也伴隨着生長受限和產量損失，從而限制了其在農業中的廣泛使用。2022年2月9日，中國科學院遺傳與發育生物學研究所高彩霞，肖軍和中國科學院微生物研究所邱金龍共同通訊在Nature 在線發表題爲“Genome-edited powdery mildew resistance in wheat without growth penalties”的研究論文，該研究描述了 Tamlo-R32，這是一種在小麥 MLO-B1 基因座中具有 304 千鹼基對靶向缺失的突變體，可保持作物生長和產量，同時賦予強大的白粉病抗性。該研究表明，這種缺失導致局部染色質景觀發生改變，導致液泡膜單糖轉運蛋白 3 (TaTMT3B) 的異位激活，並且這種激活減輕了與 MLO 破壞相關的生長和產量損失。值得注意的是，TMT3 的功能在擬南芥等其他植物物種中是保守的。此外，精確的基因組編輯有助於將這種 mlo 抗性等位基因 (Tamlo-R32) 快速引入優質小麥品種。這項工作展示了疊加遺傳變化以挽救由隱性等位基因引起的生長缺陷的能力，這對於開發具有強大和持久抗病性的高產作物品種至關重要。

【2】雙原子分子的超冷組裝在受控化學、超冷化學物理和分子量子模擬方面取得了巨大進展。將超冷關聯擴展到三原子分子將在這些領域提供許多新的研究機會和挑戰。一種可能的方法是通過使用它們之間的 Feshbach 共振在超冷原子和雙原子分子的混合物中形成三原子分子。儘管最近觀察到超冷原子-雙原子-分子 Feshbach 共振，但使用這些共振形成三原子分子仍然具有挑戰性。2022年2月9日，中國科學技術大學潘建偉，趙博及中國科學院化學研究所白春禮共同通訊在Nature 在線發表題爲“Evidence for the association of triatomic molecules in ultracold 23Na40K + 40K mixtures”的研究論文，該研究報告了在旋轉振動基態的 23Na40K 分子和 40K 原子之間的 Feshbach 共振附近三原子分子關聯的證據。該研究應用射頻脈衝來驅動 23Na40K 和 40K 的超冷混合物中的自由結合躍遷，並監測 23Na40K 分子的損失。三原子分子的結合表現爲射頻光譜中的附加損失特徵，可以與原子損失特徵區分開來。觀察到締合特徵和原子躍遷之間的距離隨磁場的變化而變化，爲三原子分子的形成提供了有力的證據。三原子分子的結合能從測量中估計。該研究工作有助於理解複雜的超冷原子-分子 Feshbach 共振，並可能爲製備和控制超冷三原子分子開闢一條途徑。

【3】如果存在大量可自主摺疊到其中的氨基酸序列，則可以設計蛋白質骨架結構。有人提出，主鏈的可設計性主要受側鏈獨立或側鏈類型不敏感的分子相互作用控制，表明一種基於連續採樣和優化設計新主鏈（準備用於氨基酸選擇）的方法以主幹爲中心的能量表面。然而，尚未爲此目的建立足夠全面和精確的能量函數。2022年2月9日，中國科學技術大學劉海燕和陳泉共同通訊在Nature 在線發表題爲“A backbone-centred energy function of neural networks for protein design”的研究論文，該研究展示了一個名爲 SCUBA（用於側鏈未知骨幹排列）的統計模型滿足了這一目標，該模型使用神經網絡形式的能量項。這些術語是通過兩步方法學習的，包括核密度估計和神經網絡訓練，並且可以分析地表示已知蛋白質結構中的多維、高階相關性。該研究報告了九種從頭蛋白質的晶體結構，其骨架使用 SCUBA 設計爲高精度，其中四種具有新穎的、非天然的整體結構。通過避免使用現有蛋白質結構中的片段，SCUBA 驅動的結構設計促進了對可設計骨架空間的深遠探索，從而擴展了適合從頭設計的蛋白質的新穎性和多樣性。

【4】電子向列性，其中旋轉對稱性被電子自由度自發打破，已被證明是相關量子流體中普遍存在的現象，包括高溫超導體 (HTS) 和量子霍爾系統。更引人注目的是，HTS 中的電子向列性表現出與超導性的有趣糾纏，產生了複雜的超導配對和相互交織的電子順序。最近，在具有二維釩 kagome 網的 AV3Sb5 (A = K, Rb, Cs) 系列中發現了超導性和電荷密度波 (CDW) 階之間的不尋常競爭。這些現象是否涉及電子向列性仍然難以捉摸。2022年2月9日，中國科學技術大學陳仙輝、吳濤及王震宇共同通訊在Nature 在線發表題爲“Charge-density-wave-driven electronic nematicity in a kagome superconductor”的研究論文，該研究使用彈性電阻測量、核磁共振 (NMR) 和掃描隧道顯微鏡/光譜 (STM/S) 的組合報告了 CsV3Sb5 中存在電子向列性的令人信服的證據。與溫度相關的彈性電阻係數 (m11-m12) 和 NMR 譜清楚地表明，除了平面外調制導致 2a0×2a0 超晶胞的 C2 結構變形外，在 CDW 轉變 (TCDW ~ 94 K），最後在 Tnem ~ 35 K 以下發生向列轉變。STM 實驗直接顯示了低於 Tnem 的 C2 結構固定的長程向列順序，表明三態 Potts 模型描述了一種新的向列性。該研究結果明確地證明了 CsV3Sb5 正常狀態下的內在電子向列性，這爲揭示電子向列性在非常規超導體配對機制中的作用樹立了新的範式。

【5】開發具有超強強度、大彈性應變極限和對溫度不敏感的彈性模量（Elinvar 效應）的高性能超彈性金屬對於從執行器和醫療設備到高精度儀器的各種工業應用非常重要。由於位錯易滑移，塊狀結晶金屬的彈性應變極限通常小於 1%。形狀記憶合金——包括膠質金屬和應變玻璃合金——可以達到高達百分之幾的彈性應變極限，儘管這是僞彈性的結果並且伴隨着大量的能量耗散。最近，化學複雜的合金，如“高熵”合金，由於其良好的性能而引起了極大的研究興趣。2022年2月9日，香港城市大學楊勇，香港大學D. J. Srolovitz及臺北大學Chun-Wei Pao共同通訊在Nature 在線發表題爲“A highly distorted ultraelastic chemically complex Elinvar alloy”的研究論文，該研究報告了一種化學複雜的合金，其具有大原子尺寸的失配，通常在傳統合金中是無法承受的。該合金在室溫下表現出高彈性應變極限（約 2 per cent）和非常低的內摩擦（小於 2 × 10−4）。更有趣的是，這種合金表現出非凡的 Elinvar 效應，在室溫和 627° 攝氏度（900° 開爾文）之間保持近乎恆定的彈性模量，這是迄今爲止報道的現有合金所無法比擬的。

【6】地球內核 (IC) 的密度低於純鐵，表明其中存在氫元素。硅、硫、碳、氧和氫被認爲是候選者，並且已經研究了鐵輕元素合金的性質以限制 IC 成分。輕元素對地震速度、熔化溫度和鐵合金的熱導率有很大的影響。但是，很少考慮 IC 中輕元件的狀態。2022年2月9日，中國科學院地球化學研究所何宇團隊在Nature 在線發表題爲“Superionic iron alloys and their seismic velocities in Earth’s inner core”的研究論文，該研究使用從頭算分子動力學模擬，發現六方密排鐵中的氫、氧和碳在 IC 條件下轉變爲超離子狀態，顯示出像液體一樣的高擴散係數。這表明 IC 可以處於超離子狀態而不是正常的固態。液體狀輕元素導致地震速度顯著降低，接近 IC 的地震觀測。剪切波速度的大幅下降爲軟 IC 提供瞭解釋。此外，輕元素對流對IC的地震結構和磁場有潛在的影響。

【7】表皮生長因子受體（EGFR）在人類癌症中經常發生突變，是一個重要的治療靶點。EGFR 抑制劑在肺癌中取得了成功，其中細胞內酪氨酸激酶結構域的突變激活了受體，但在多形性膠質母細胞瘤 (GBM) 中卻沒有，其中突變僅發生在細胞外區域。2022年2月9日，耶魯大學Mark A. Lemmon（胡淳爲第一作者）團隊在Nature 在線發表題爲“Glioblastoma mutations alter EGFR dimer structure to prevent ligand bias”的研究論文，該研究顯示常見的細胞外 GBM 突變阻止 EGFR 區分其激活配體。不同的生長因子配體穩定不同的 EGFR 二聚體結構，這些結構以不同的動力學發出信號以指定或偏向結果。EGF 本身會誘導強對稱二聚體，這些二聚體會瞬時發出信號以促進增殖。上皮調節蛋白 (EREG) 誘導更弱的不對稱二聚體，驅動持續的信號傳導和分化。GBM 突變降低了 EGFR 在細胞測定中區分 EREG 和 EGF 的能力，並允許 EGFR 形成強（EGF 樣）二聚體以響應 EREG 和其他低親和力配體。使用 X 射線晶體學，該研究進一步表明 R84K GBM 突變是 EREG 驅動的細胞外二聚體對稱，因此它們類似於通常在 EGF 中看到的二聚體。相比之下，第二個 GBM 突變 A265V 重塑了關鍵的二聚化接觸，以增強不對稱 EREG 驅動的二聚體。該研究結果證明了 EGFR 在 GBM 中改變配體識別的重要作用，對治療靶向具有潛在影響。

【8】動物必須以上下文相關的方式設置行爲優先級，並在適當的時候從一種行爲切換到另一種行爲。2022年2月9日，加州大學聖地亞哥分校王競團隊在Nature 在線發表題爲“A nutrient-specific gut hormone arbitrates between courtship and feeding”的研究論文，該研究探討了在黑腹果蠅中協調從進食到求偶的轉變的分子和神經元機制。該研究發現在飢餓的雄性中，餵食優先於求愛，而富含蛋白質的食物的消費會在幾分鐘內迅速逆轉這一順序。在分子水平上，一種腸道衍生的營養特異性神經肽激素——利尿激素 31 (Dh31)——推動了從進食到求愛的轉變。該研究通過鈣成像實驗進一步解決了潛在的動力學問題。食物中的氨基酸會急性激活腸道中的 Dh31+ 腸內分泌細胞，從而增加循環中的 Dh31 水平。此外，完整果蠅的三光子功能成像顯示 Dh31+ 腸內分泌細胞的光遺傳學刺激迅速激發了表達 Dh31 受體 (Dh31R) 的腦神經元子集。腸道衍生的 Dh31 在幾分鐘內通過循環系統激發大腦神經元，與餵食 - 求愛行爲轉換的速度一致。在神經迴路層面，大腦中有兩個不同的 Dh31R+神經元羣，一個羣通過 allatostatin-C 抑制進食，另一個羣通過 corazonin 促進求愛。總之，該研究結果說明了一種機制，即食用富含蛋白質的食物會觸發腸道激素的釋放，這反過來又優先通過兩條平行的途徑求愛而不是進食。

植物病害每年在全球範圍內造成 11-30% 的作物減產，威脅全球糧食安全。分子育種是提高植物抗病性的有效且可持續的策略。顯性抗性 (R) 基因經常被用於培育對特定病原體的抗性。大多數 R 基因編碼核苷酸結合位點 - 富含亮氨酸的重複蛋白，可直接或間接識別致病效應蛋白並觸發免疫。R 基因介導的抗性是物種特異性的，病原體可以通過在其各自的效應基因中引入逃逸突變來輕鬆克服抗性。因此，破壞 S 基因是作物抗性育種的一種有吸引力的替代方法。

S 基因是被病原體利用以實現成功感染的植物基因。S 基因突變賦予的抗病性是遺傳隱性的和非種族特異性的。MLO 是一個充分表徵的 S 基因。有超過 650 種白粉病真菌感染約 10,000 種植物。MLO 中的功能喪失突變導致對白粉病的持久和廣譜抗性。然而，mlo 突變通常會導致顯著的生長損失。在大麥和擬南芥中，功能喪失的 mlo 突變體與自發性胼胝質沉積、細胞死亡和早期衰老相關。因此，只有具有平衡抗性和生長表型的弱 mlo 等位基因，如大麥中的 mlo-11，已被用於培育優良品種。儘管在植物物種中保持了 mlo 抗性，但生長權衡阻礙了其在農業中的廣泛應用。

小麥 (Triticum aestivum) 是世界各地的主要主糧作物。白粉病嚴重威脅小麥產量，必須提高小麥產量以滿足不斷增長的全球人口的需求。之前生成了一個小麥 mlo 突變體 Tamlo-aabbdd（使用基因組編輯同時敲除 Kenong 199 小麥中 TaMLO1 的所有三個同源物）。儘管這種小麥突變體表現出對白粉病的強效和廣譜抗性，但它受到多效性影響，例如加速衰老。

該研究描述了 Tamlo-R32，這是一種在小麥 MLO-B1 基因座中具有 304 千鹼基對靶向缺失的突變體，可保持作物生長和產量，同時賦予強大的白粉病抗性。該研究表明，這種缺失導致局部染色質景觀發生改變，導致液泡膜單糖轉運蛋白 3 (TaTMT3B) 的異位激活，並且這種激活減輕了與 MLO 破壞相關的生長和產量損失。

值得注意的是，TMT3 的功能在擬南芥等其他植物物種中是保守的。此外，精確的基因組編輯有助於將這種 mlo 抗性等位基因 (Tamlo-R32) 快速引入優質小麥品種。這項工作展示了疊加遺傳變化以挽救由隱性等位基因引起的生長缺陷的能力，這對於開發具有強大和持久抗病性的高產作物品種至關重要。

參考消息：

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