2013：《Nature》的中国声音（上）    
本刊记者  姜莹    

        《Nature》杂志是世界最有影响力的两种综合类学术期刊之一，该杂志在科学文献中被引用的频率高于其他任何杂志，其2012年“影响因子”（计算方法是，用被引用的次数除以所发表的论文数）为38.597，高于世界上其他任何一个综合性科学杂志。此外，《Nature》杂志被列入了世界上使用最频繁的一些图书馆数据库中，并被所有的主要索引系统所检索。《Nature》杂志发表科学和技术所有领域的论文，该杂志每星期收到论文约150篇，由于版面有限，其中能够发表的只有约20篇。 
        《Nature》杂志总是处于科学的前沿。它是最先报道电子的发现、机械飞行的成功和电视的可能性的杂志。后来，又是它报道了中子的发现、维生素C的分离、原子的分裂和铀的裂变。20世纪50年代，Watson和Crick关于DNA结构的论文在《Nature》杂志发表，这一成果标志着分子生物学的诞生，生物学研究也由此而发生了改变。60年代，《Nature》杂志报道了板块构造的发现，从而迎来了地学研究的一场革命。70年代，该杂志发表了关于生产单克隆抗体的原始论文。80年代，《Nature》杂志报道了关于艾滋病、癌症、超导体和遗传疾病等方面的重大发现。90年代，该杂志继续创造着其辉煌的历史，陆续发表了人类基因组的第一个目录、富勒烯的结构、以及震惊世界的克隆羊“多利”（世界上第一只由成年动物体细胞克隆出的绵羊）的培育成功等等，凡此种种，不胜枚举。来自《自然》和自然子刊的统计数据表明，中国正迅速成长为科技论文发表和科研产出的国际领先力量。除传统强项物质科学之外，中国在生命科学领域的高质量论文产量也有明显的增长。
        2013年度，我国科研团队（不含客座或兼职教授）共在《Nature》发表研究性论文27篇。研究内容涵盖纳米材料、气候学、神经生物学、环境科学、基因组、量子物理、古生物学、结构生物、农业作物等学科领域。本年度，来自清华大学生命科学学院的施一公院士领导的科研团队共在《Nature》上发表了3篇论文。该团队主要成员应包括，施一公院士在美国普林斯顿大学任教期间指导的博士生、现清华大学医学院教授颜宁，指导的博士后、现清华大学生命科学学院教授柴继杰，以及施一公教授现重要助手清华大学生命科学学院助理教授王佳伟。     
        此外，我国学者在古生物学领域的论文发表方面也取得了亮眼的成绩。过去十年，有颌类的早期分化、硬骨鱼类的起源与早期分化逐渐成为国际演化生物学界关注的重点，相关研究成果在《Nature》、《Science》等杂志上屡有报道。中国科学院古脊椎动物与古人类研究所的朱敏研究员所带领的早期脊椎动物课题组的研究“探索有颌类的早期分化以及硬骨鱼类的起源”提供了迄今为止最好、最完整的化石资料。新发现的古鱼将有颌脊椎动物几大类群的特征汇于一身，大大填充了它们之间的形态学鸿沟，第一次近乎完整地呈现了有颌脊椎动物祖先可能具有的特征组合。来自沈阳师范大学古生物学院的周长付副教授与美国芝加哥大学和德国波恩大学合作，发现了我国迄今最原始的具毛发的哺乳动物——“哺乳形巨齿兽”化石，证实了早期原始形哺乳动物已广泛具有哺乳类皮肤结构。此外，临沂大学地质与古生物研究所的郑晓廷教授发现了一种新的树栖贼兽类--金氏树贼兽，系统分析显示贼兽属于有冠类哺乳动物，表明了有冠类起源于晚三叠纪时期并且在侏罗纪发生分化，体现了中生代哺乳动物演化中存在许多趋同演化或逆转现象。 
        杂志从本期开始将对2013年我国的科研人员和科研团队在《Nature》上发表的论文做逐一介绍。    

许琛 研究员
中国科学院上海生命科学研究院
        2004年赴美国哈佛大学医学院Dana-Farber肿瘤研究所从事免疫学研究，先后为博士后(受美国关节炎基金会资助)，教授。2009年6月回生化与细胞所工作，担任研究员，研究组长。主要研究方向包括：生物膜对受体功能的动态调控和T细胞介导型自身免疫病的发病机制 。
钙离子提高T淋巴细胞对外来抗原的敏感性
        细胞发挥功能的基础是识别外来的抗原，这项功能由T细胞抗原受体（TCR）来行使。每一个T细胞表面都有几千个TCR，像哨兵一样担任警戒任务；TCR的周围是脂质分子，它们通过静电力将TCR的活化位点屏蔽起来，保证它们在没有抗原的时候不会活化，接受抗原刺激后则快速活化，由此调控着“哨兵”的战斗力。抗原激活TCR是T细胞免疫反应关键性的一步。经过长期的进化，TCR能够监测到非常微量的抗原信号，从而保证机体能高效以及快速地清除入侵的病原体。TCR如何被抗原活化以及T细胞如何获得这么高的抗原敏感性还是悬而未决的问题。
        钙离子是人体内必需的金属离子，除了组成骨骼和牙齿外，还在细胞内担任非常重要的“信号使者”的角色。T细胞被抗原活化后，细胞外的钙离子会通过钙离子通道流入细胞内，细胞内钙离子浓度会在数秒之内提高10倍，并维持几个小时。这些钙离子能够直接结合TCR周围的脂质分子，中和它们的负电荷，从而解除脂质分子对TCR活化位点的屏蔽，帮助TCR活化，将比较弱的抗原刺激信号放大，使得T细胞获得完全的效应功能。这种机制大大提高了T细胞对抗原的敏感性。
译文引自：Nature 493, 111－115 (03 January 2013)    

 
施一公 院士 教授    
清华大学生命科学学院院长
清华大学医学院常务副院长
清华大学生命科学与医学研究院副院长     
        世界著名结构生物学家。1967年5月生于河南驻马店。1989年毕业于清华大学生物科学与技术系。1995年获约翰·霍普金斯大学生物物理博士学位。1998年1月获聘美国普林斯顿大学分子生物学系助理教授，2001年10月获得该校终身教授，成为该系建系以来最年轻的终身教授和讲席教授。2003年3月被聘为正教授，2007年4月受聘普林斯顿大学终身讲席教授。2007年被聘为教育部长江学者讲座教授。2008年2月至今，受聘清华大学教授。2009年，入选第一批“千人计划”。2005年，当选华人生物学家协会会长。现任清华大学生命科学学院院长、医学院常务副院长、生命科学与医学研究院副院长。2013年当选为中国科学院院士。
        研究涉及细胞凋亡领域、膜蛋白结构与功能领域、蛋白降解与质量控制领域和SMAD蛋白信号转导领域。主要运用结构生物学和生物化学的手段研究肿瘤发生和细胞调亡的分子机制，集中于肿瘤抑制因子和细胞凋亡调节蛋白的结构和功能研究，与重大疾病相关膜蛋白的结构与功能的研究，细胞内生物大分子机器的结构与功能研究。    
一个presenilin/SPP家族膜内天冬氨酸蛋白酶的晶体结构
        受控膜内蛋白水解（Regulated intramembrane proteolysis,RIP）是近年发现一种新的信号传导机制，即跨膜蛋白能够在它们的跨膜区被裂解并释放出其胞质部分，进而进入核内控制基因的转录。在从细菌到人类的广泛生物中RIP蛋白均采用保守的模式。至今发现参与RIP的蛋白酶家族有三种，包括金属蛋白酶S2P(site-2 protease)；天冬氨酸蛋白酶早老素（presenilin，PS）家族和信号肽肽酶家族（SPP）；丝氨酸蛋白酶rhomboid家族。天冬氨酸蛋白酶PS家族的底物包括淀粉样前体蛋白（Amyloid precursor protein,APP）和质膜受体Notch等。
        研究人员报告了来自黑海甲烷袋状菌JR1的presenilin/SPP同源物（PSH）的晶体结构。这一蛋白酶包括9个跨膜区(TMs)，采用了一种从前未报告过的蛋白质折叠方式。其氨基（N）端区域，由TM16构成，形成了一种马蹄形状的结构，环绕着TM79构成的羧（C）基端区域。两个催化天冬氨酸残基定位在TM6和TM7的胞质侧上，空间上相互接近。水分子通过N端和C端区域之间的一个大口袋接近催化天冬氨酸。
译文来自：Nature 493, 56－61 (03 January 2013）

田永君 教授 燕山大学材料科学与工程学院院长 
        1963年3月生，1987年于东北重型机械学院材料学专业获工学硕士学位，1994年于中科院物理所获得理学博士学位，1996-1998作为洪堡学者留学德国Jena大学（耶拿大学）固体物理研究所，教授，博士生导师。田永君教授1996年入选国家人事部“百千万”人才工程第一、二层次人选，国务院政府特贴专家，2001年被教育部聘为长江学者奖励计划特聘教授。2002年获得国家杰出青年科学基金。
        2011年，田永君教授科研团队所完成的“硬度的微观理论及新型亚稳材料设计”项目成果获得国家自然科学二等奖。该项目从化学键入手，创建了硬度的微观理论模型，建立了布居离子性新标度，实现了极性共价晶体硬度的定量预测，解决了硬度与晶体微观电子结构间定量关联这一理论难题。以此理论模型为基础，项目设计出了系列的新型亚稳材料，部分材料已被实验合成，使超硬材料探索从“定性”进入到了“定量化”的可设计阶段，推动了计算材料科学的发展。23个国家和地区的100多个研究机构使用本模型开展跟踪和拓展研究。硬度微观模型已成为材料设计的一个实用工具，并被拓展到纳米、缺陷和薄膜等研究领域。
超高硬度的纳米孪晶结构立方氮化硼
        立方氮化硼是一种重要的超硬材料，在铁基材料加工行业中获得了广泛应用。遗憾的是人工合成立方氮化硼单晶的硬度还不到金刚石单晶的一半。根据著名的霍尔-佩奇（Hall-Petch）关系，多晶材料硬度随晶粒尺寸减小而增大。因此，合成纳米结构立方氮化硼已成为提高硬度的有效手段。利用类石墨结构氮化硼前驱物在高温高压下的马氏体相变，科学家们已合成出纳米晶立方氮化硼，所能达到的最小晶粒尺寸为14nm。田永君及其合作者采用一种具有特殊结构的洋葱氮化硼为前驱物成功地合成出透明的纳米孪晶结构立方氮化硼，孪晶的平均厚度仅为3.8nm，其硬度达到甚至超过人工合成的金刚石单晶，断裂韧性高于商用硬质合金，抗氧化温度高于立方氮化硼单晶本身。这些优异的综合性能表明纳米孪晶结构立方氮化硼是一种工业界期盼已久的刀具材料。
        业已证明：在临界尺寸（约10-15nm）以上，金属及合金材料的硬度和强度随晶粒尺寸减小而增大（霍尔-佩奇效应），但在临界尺寸以下，强度和硬度却随晶粒尺寸减小而减小（反霍尔-佩奇效应）。令人惊奇的是，纳米孪晶结构立方氮化硼随孪晶厚度减小能够持续硬化到3.8nm却不发生软化。他们的理论分析表明：在纳米尺度边，多晶极性共价材料的硬化机制除了大家熟知的Hall-Petch效应还有量子限域效应的附加贡献。研究成果突破了人们对材料硬化机制的传统认识，向人们展现了合成高性能超硬材料的新途径——获得超细纳米孪晶结构。
译文来自：Nature 493, 385－388 (17 Janurary 2013)

刘健 教授 南京师范大学地理科学学院
        1966年4月生，四川合江人，汉族。1983年至1993年就读于南京大学气象系气候学专业，先后获得南京大学理学学士、硕士和博士学位。现为南京师范大学地理科学学院特聘教授，博士生导师，兼任中国第四纪科学研究会高分辨率气候记录专业委员会委员、中国气象学会冰冻圈与极地气象委员会委员、江苏省气象学会常务理事、江苏省气象学会气候学与气候变化专业委员会副主任。主要从事气候模拟与全球变化研究。
        在国际上首次成功地模拟了与气候代用资料重建结果一致的东亚地区末次盛冰期（21ka BP）和中全新世暖期（6ka BP）的古气候特征，并进行了动力学机制阐释；在认识全球和东亚季风年代-百年际尺度的变化规律及成因机制、揭示自然和人为因子对全球降水和海表温度的不同影响与机理、定量区分自然和人类活动对湖泊环境变化的影响等方面取得了国际领先成果，论文发表在国际顶级学术刊物Nature、Science和PNAS上。
自然与人为强迫因子对全球降水变化的不同影响
        研究发现，自然因子（SV）和人为因子（GHG）引起的增暖都会使全球平均降水量增加，但增加的幅度差异显著。在SV强迫下模拟的全球平均温度每增加1℃全球平均降水量增加2.1%，而GHG强迫下对应的全球平均降水量仅增加1.2%；两种情况下热带陆地区域平均降水量增加的幅度差异更大（5.5%与2.4%）。研究揭示其主要机制在SV增暖与GHG增暖情况下分别为海洋恒温机制与大气稳定机制：在SV增暖情况下，地表受太阳辐射加热，由于热带太平洋东部温跃层较西部浅，海洋恒温效应使得相同的SV加热引起的东部增温比西部小，从而加大热带太平洋东西向的海表温度（SST）梯度，使热带太平洋东西向的气压梯度相应增大，导致赤道东风和Walker环流加强，有利于水汽向热带季风及暖池区的辐合，使得全球平均降水量显著增加，此为海洋恒温机制；而在GHG增暖情况下，大气中上层吸收长波辐射加热，会使大气上下层间的温度梯度减小，大气稳定度相应增大，从而削弱Walker环流，减小热带太平洋东西向的SST梯度，不利于水汽向热带季风及暖池区辐合，导致全球降水增量减少，此为大气稳定机制。
        该研究区分了两种类型的增暖及其降水效应并阐明了其主要机制，化解了古气候重建与IPCC气候预估关于增暖将导致热带太平洋东西向SST梯度增与减（La Nia型与El Nio型）的学术争端，对人们更好地认识并预估气候变化具有重要意义；同时该研究发现GHG增加导致的增暖与太阳辐射增加导致的增暖具有不同的大气稳定度、SST、降水效应，这意味着通过地球工程（在大气上层施放气溶胶粒子以减少到达地表的太阳辐射量）进行太阳辐射管控并不能完全抵消GHG对全球增暖的影响，这对于地球工程的规划实施具有现实意义。
        译文来自：Nature 493, 656－659 (31 January 2013)

周嘉伟 研究员 中国科学院上海生命科学研究中心
        毕业于江苏南通大学医学院，获江苏南通大学医学院医学硕士、英国帝国理工医学院（Imperial College of Science, Technology and Medicine）生化系博士学位。曾任江苏南通大学医学院助教、讲师；1991年英国剑桥大学访问学者、1992年日本冈山大学访问学者 ；美国Hahnemann大学博士后。现中国科学院上海生命科学研究中心研究员。
        周嘉伟研究方向：基底神经节包括纹状体（尾状核和壳核）、苍白球、黑质和丘脑底核等在内的一群密切关联的脑结构，它们参与了自主运动的控制和调节。临床病理学研究已经表明，这些核团为帕金森病、亨廷顿氏病等神经退行性疾病所累及。研究它们的发育过程、工作原理和病理状态下功能与结构变化，有助于进一步阐述这些疾病的发病机理和寻找疾病治疗的新靶点。    
多巴胺D2受体通过调控aB-晶状体蛋白抑制神经炎症反应
        周嘉伟实验室的研究发现，星形胶质细胞在多巴胺D2受体（Drd2）缺失的情况下也会主导炎症反应的发生，而Drd2及其配体多巴胺的水平在中老年人群中均呈现进行性下降。生理情况下，星形胶质细胞的Drd2能够通过控制其下游的aB-晶状体蛋白（aB-crystallin, Cryab）的水平来抑制免疫反应。Drd2缺失可导致Cryab明显下调，小鼠脑内多个区域炎症反应显著增强，而在神经毒素MPTP所致的帕金森病小鼠动物模型中，Drd2的缺失加剧了胶质细胞的激活，使炎症反应更趋严重，中脑多巴胺能神经元对神经毒素更加敏感，死亡率上升。但选择性地提高星形胶质细胞中的Cryab水平则可有效对抗Drd2缺失导致的慢性炎症反应。他们还发现，给予野生型小鼠注射Drd2激动剂可以部分缓解MPTP等神经毒素导致的急性神经炎症反应以及多巴胺能神经元死亡。
        上述结果表明，星形胶质细胞中的Drd2/Cryab信号转导通路在抑制因Drd2缺失所致的神经炎症过程中发挥关键作用。Drd2决定了星形胶质细胞作用的两面性——Drd2缺失可使星形胶质细胞从生理状态下神经元的支持细胞转化为对神经元不利的促炎症细胞。一直以来，Drd2被公认为主要参与多巴胺能神经传导，此项研究则揭示了Drd2的一个与传统认识迥然不同的新功能，即在星形胶质细胞中发挥抑制其异常活化和神经炎症反应的作用。
        星形胶质细胞中的多巴胺D2受体（Drd2）正常情况下通过αB-晶状体蛋白抑制炎症介质相关基因的表达，从而发挥抑制炎症的作用，而小胶质细胞表达的Drd2则对该类细胞炎症因子的产生没有显著影响。
译文来自：Nature 494,90－94 (07 February 2013)

张福锁 教授
中国农业大学资源环境学院
        出生于1960年10月，陕西凤翔人，教授，博士生导师。1990年2月从中国农业大学农学博士后流动站出站，1997年1月-2011年11月担任中国农业大学资源与环境学院院长，现任中国农业大学资源环境与粮食安全研究中心主任一职。
        一直从事植物根际生态调控与养分资源综合管理的基础和应用研究工作。在根际养分活化机理以及不同基因型植物适应养分胁迫的生理机制研究方面取得了可喜的进展，提出根际生态调控理论与技术体系，并通过对间套作、水旱轮作、重迎茬作物生长障碍机制，各种作物生产体系（包括大田作物、蔬菜、果树、烟草等）以及盐生植物根际生态调控机制的系统研究，把理论与生产实际相结合，进一步提出养分资源综合管理的思路，通过全国大协作及国际合作项目的开展，在深化根际理论，提高养分资源利用效率，保护生态环境等方面做出了贡献。
中国氮沉降显著增加
        研究结果表明，从1980年至2010年中国陆地生态系统氮素沉降显著升高，从1980年代每公顷年均13.2公斤氮增至2000年代21.1公斤氮，增幅约8公斤/公顷，比1980年代高60%；并以人口相对密集和农业集约化程度更高的中东部地区（华北、东南和西南）的氮素沉降量和年增幅显著高于人口密度相对较低和氮肥及其他人为活性氮排放相对较低的东北、西北和青藏高原地区。目前我国中东部地区（尤其是华北平原）的氮素沉降量已经高于北美任何地区氮素沉降量，与西欧上世纪80年代（采取大气活性氮减排措施/政策之前）氮沉降高峰时的数量相当。研究还发现，从1980年代至2000年代，同样在长期不施氮肥条件下农田生态系统水稻、小麦和玉米三大粮食作物的吸氮量平均增加16%，而非农田生态系统木本、草本和所有物种的叶片含氮量平均增加33%；而同时期的植物叶片含磷量没有发生显著改变，指示土壤环境保持相对稳定，氮素增加主要来自大气沉降。
该小组的研究结果还表明，中国氮素沉降的增加主要受氮肥、畜牧业等农业源和工业、交通源等非农业源活性氮排放的影响。目前主要来自农业源氨排放的铵态氮沉降是氮素沉降的主体，占总沉降量的2/3左右，氮肥的直接排放（农田）和间接排放（养殖场畜禽粪便等）是铵态氮沉降的主要贡献者；而以来自非农业源（燃煤和汽车尾气等化石能源燃烧）氮氧化物排放为主的硝态氮沉降约占总沉降量的1/3，硝态氮在沉降中的比例已经从1980年代的1/6增至1/3，说明来自非农业源的排放增速更快。 
        这一研究成果揭示了过去30年（1980-2010年），我国出现了区域性大气活性氮污染、氮素沉降以及农田与非农田生态系统“氮富集”加剧的现象；中国氮素沉降的显著升高与氮肥施用（农田不合理施氮及畜禽粪便等管理）和化石能源消费大幅度增加所导致的人为活性氮排放有密切关系；实现氮肥和畜牧业等农业源氨的减排是当前中国控制氮素沉降的主要立足点，同时，大幅度减少各种化石能源等非农业源活性氮的排放已越来越迫切。 
        译文来自：Nature 494, 459－462 (28 February 2013)   

中国农业科学院作物科学研究所
小麦D基因组供体种—粗山羊草基因组草图
        通过D基因组草图的研究发现，在漫长的进化过程中，D基因组的抗病相关基因（如NBS-LRR基因等）数量发生显著扩张，大大增强了它的抗病性；对抗非生物应激反应的基因也发生显著扩张，从而大大增强其抗逆性与适应性；在D基因组发现了小麦特有的品质相关基因，其中许多也发生了显著扩增，从而使小麦的品质性状大大得到改良，成为唯一能够制作馒头、面包、饺子等多种食品粮食作物；正是由于D基因组的加入，才使小麦的抗病性、适应性与品质得到大大改良，从而才使小麦走出发源地，走向世界各地，成为世界上种植区域最广的第一大粮食作物。研究还发现大约在300万年前，由于重复序列的大量插入，使小麦基因组急剧膨大，这一事件可能与当时地球的气候变化有关。
小麦的基础与应用基础研究对于小麦的育种与生产产生了巨大的推动作用。在细胞遗传学时代，小麦细胞遗传学走在各主要农作物的前列，由于小麦矮秆基因、光周期不敏感基因与抗病基因的发掘与利用，促成了全球范围的第一次“绿色革命”。在进入基因组学时代之后，由于小麦基因组巨大而复杂，因而使其研究严重滞后，大大制约了小麦品种改良的进展。基因组组测序已成为制约小麦科学研究与生产发展的关键，同时也对世界小麦研究工作者提出了巨大的挑战。
译文来自：Nature 496, 91–95 (04 April 2013)    
 
中国科学院遗传与发育生物学研究所
小麦A基因组的测序  
        小麦是全球最重要的粮食作物，养活了世界上40%的人口，提供全球20%的人类营养所需热能和蛋白质。生产上广泛种植的普通小麦是一个异源六倍体，含有A、B和D三个基因组。追本溯源，普通小麦是由祖先野生的一粒小麦（乌拉尔图小麦，含AA基因组）与拟斯卑尔托山羊草（Aegilops speltoides，含BB基因组）杂交形成四倍体小麦（Triticum turgidum，含有AABB基因组）。大约在8000年前，四倍体小麦与粗山羊草（Aegilops tauschii, 含DD基因组）再一次自然杂交，经自然和人类的选择形成如今广泛栽培的普通小麦（Triticum aestivum, 含AABBDD基因组）。由于普通小麦基因组大（17000Mb，是水稻基因组的40倍）而复杂，85%以上序列为重复序列，致使基因组测序研究困难重重，进展缓慢，成为了限制小麦基础和应用研究进一步发展的一个瓶颈。含有A基因组的乌拉尔图小麦是小麦A基因组的原始二倍体供体种，也是小麦进化的基础性基因组（世界上所有小麦包括二、四、六倍体小麦、Timopheevii和Zhukoviskyi小麦等都含有A基因组），在小麦进化过程中起着核心作用。 
        研究团队利用新一代测序技术，对二倍体乌拉尔图小麦G1812系的基因组进行了测序、组装、注释及相关分析。鉴定出了34,879个编码蛋白基因，其基因数量与已知禾本科植物基因组的基因数相似。基因组比较研究发现，在进化过程中由于大量反转座子重复序列在基因间的插入，导致了小麦A基因组的剧烈扩增。与已知禾本科作物基因组比较分析，鉴定出了3,425个A基因组特异基因和24个新小RNA，并发现含NB-ARC功能域的抗病基因在小麦A基因组明显增多。这些基因和小RNA的扩张可能是赋予小麦抵御恶劣生存环境和广适性的主要原因。通过同源基因的比对和关联分析，还鉴定出了一批控制重要农艺性状的基因，如控制籽粒长度和千粒重的TuGASR7基因。此外，该研究还筛选出大量的遗传分子标记，将有助于重要数量农艺性状基因的克隆及基因组选择，促进小麦的分子育种。 
        译文来自：Nature 496, 87－90 (04 April 2013)