Science年度十大科学突破：生命科学占比过半

本文来自微信公众号：生物世界 （ID：ibioworld），作者：王聪，编辑：王多鱼，原文标题：《Science年度十大科学突破：云南大学胡凤益团队多年生水稻入选，生命科学占比过半》，题图来自：视觉中国

2022年12月15日，国际顶尖学术期刊 Science 发布了2022年十大科学突破（2000 Breakthrough of the year），韦布空间望远镜当选年度突破之首。生命科学领域突破占比过半。

入选2022年度十大科学突破的还有：

• 更易于耕种的多年生水稻

• AI获得创造性

• 惊人的巨型微生物

• RSV疫苗获得突破进展

• 发现导致多发性硬化症的病毒

• 美国通过具有里程碑意义的气候法

• 在欧洲人群中发现抵御黑死病的基因变异

• 人类首次小行星防御试验

• 200万年前DNA重建古生态系统

本文重点介绍生命科学领域的6项年度科学突破。

更易耕种的多年生水稻

世界上主要的粮食作物——水稻、小麦、玉米，都是一年生作物，在每次收获后都必须重新种植。这对农民来说是繁重的劳作，还可能导致土壤侵蚀等环境问题。多年生作物可以减轻这些负担，但培育足够长寿和高产的作物一直是一个巨大挑战。

而在今年，来自中国云南大学的胡凤益团队的研究成果表明，多年生水稻是可行的，实现了一次种植、多年生长，而且高产，能够为农民节省繁重劳动。这项研究成果于2022年11月7日以：Sustained productivity and agronomic potential of perennial rice 为题，发表在了 Nature Sustainability 期刊^【2】。

该研究详细报道了胡凤益团队20多年来通过种间远缘杂交创制多年生稻的研究成果。基于亚洲栽培稻与长雄野生稻种间杂交，研究团队成功创制了多年水稻，培育了系列多年生稻品系，审定了3个多年生稻品种，在全球多年生粮食作物育种领域具有里程碑意义。

多年生稻品种“PR23”连续种植4年，每年收获2季，平均每季产量为6.8吨/公顷，与一年生稻产量（6.7吨/公顷）相当。目前该品种正在快速推广，去年，中国南方种植了1.5万公顷，相比2020年增长了四倍。PR23和类似品种也正在非洲进行试验。

惊人的巨型微生物

早在1999年，海洋生物学家 Olivier Gros 发现了一种特殊的细菌，由于其过大的尺寸，一开始以为它是一种真菌。

2022年6月24日，美国复杂系统研究实验室的 Shailesh V. Date 团队、Tanja Woyke 团队、Jean-Marie Volland 团队、与 Olivier Gros 团队合作，在 Science 期刊上发表了题为：A centimeter-long bacterium with DNA contained in metabolically active， membrane-bound organelles 的研究论文^【3】。

这项研究鉴定了这种肉眼可见的厘米级丝状硫氧化细菌，并命名为华丽硫珠菌，DNA染色成像表明华丽硫珠菌具有庞大的基因组，是一个多倍体细胞。它含有超过50万个基因组拷贝，基因组序列长度高达11.5至12.2兆bp，远远高于其它细菌基因组，与酿酒酵母基因组长度相当，但却拥有更多的基因数量，多达约11788个。

这项研究颠覆了对细菌的传统认知，动摇了将生命划分为真核生物和原核生物的传统观念。

RSV疫苗获得突破进展

呼吸道合胞病毒（RSV）通常只会引起轻微的类似感冒的症状，但在婴儿中，这种病毒会使肺部的小气道炎症，在老年人中，它会恶化现有的肺部和心脏疾病。

50多年前，一种预防RSV的实验性候选疫苗在临床试验中导致两名儿童死亡，导致了80%的接种者住院，此后，RSV疫苗的研发中断了数十年。之后发现了其中的关键原因：由整个RSV病毒的化学灭活版本制成的疫苗只能引发相对较弱的抗体，不仅不能阻止病毒感染，还会帮助RSV破坏呼吸道。

美国国家过敏和传染病研究所的 Barney Graham 等人在2013年取得的一项关键进展，使得新的RSV疫苗能够避免上述问题。基于这一发现，GSK和辉瑞开发的两种RSV疫苗在大规模临床试验中证实，它们可以安全地保护受RSV影响最严重的两个群体：婴儿和老年人，而且都预防了60岁以上人群的严重疾病，没有引起严重副作用。这些RSV候选疫苗可能会在明年获得世界各地监管机构的批准。

发现导致多发性硬化症的病毒

多发性硬化症（Multiple Sclerosis，MS），是一种免疫系统攻击神经元的疾病，这种疾病在全球范围内约有280万患者，疾病一开始只引起轻度症状，包括视力模糊、疲劳和麻木，但逐渐会发展为无法说话或行走。

爱泼斯坦-巴尔病毒（EB病毒）一直是多发性硬化症的主要怀疑对象，这种病毒在儿童时期就感染大多数人，然后潜伏在某些白细胞中。EB病毒主要通过唾液传播，在新感染的青少年和年轻人中会导致传染性单核细胞增多症。几乎所有的多发性硬化症患者都存在EB病毒抗体，但95%的健康成年人也有，因此很难确定EB病毒是多发性硬化症的病因。

2022年1月，Science 期刊和 Nature 期刊各发表了一篇研究论文^【4、5】，前者证实了感染EB病毒会使多发性硬化症发病风险增加32倍，这超过了吸烟对肺癌风险的增加。后者揭示了EB病毒感染增加多发性硬化症发病风险的潜在机制：EB病毒的一种蛋白与大脑和脊髓中的一种蛋白类似，会欺骗免疫系统使其攻击神经细胞。

这些发现为多发性硬化症的预防和治疗奠定了基础，如果针对EB病毒的疫苗在临床试验中有效，那么就可以通过接种疫苗消灭多发性硬化症。

在欧洲人群中发现抵御黑死病的基因变异

黑死病是由鼠疫耶尔森菌（Yersinia pestis）引起的，在公元1346年至1353年曾席卷整个欧亚大陆，据估计最多造成了60%的当地人口死亡。这种毁灭性的大流行病一定是一种强大的选择性力量，有利于具有特别有效免疫防御的人。科学家们一直想知道这种致命瘟疫是如何在幸存者身上留下印记的。

2022年10月10日，Nature 期刊发表了一篇题为：Evolution of immune genes is associated with the Black Death 的研究论文^【6】。

研究团队分析了黑死病之前、期间和之后埋葬的500多人的骨骼中的古DNA。他们发现，黑死病幸存者更有可能携带增强他们对鼠疫耶尔森氏菌（Yersinia pestis）免疫反应的基因变异，尤其是一种名为ERAP2的基因，其表达的内质网氨肽酶2蛋白能够帮助免疫细胞识别和对抗病原体。

该基因有两个版本，这两种版本只相差一个碱基，一个版本表达全长内质网氨肽酶2蛋白，另一个版本则表达截短的内质网氨肽酶2蛋白。表达该全长蛋白的人在黑死病中幸存的概率是表达截短体蛋白的人的2倍。

在黑死病大流行后一个世纪，ERAP2基因的保护性突变在欧洲人群中的快速传播是迄今为止人类基因组自然选择的最有力例子。如今，45%的英国人体内仍然存在ERAP2基因的保护性突变，这种保护性突变时仍在保护着他们，因为直到19世纪，黑死病仍在欧洲和亚洲流行。不过这种保护也是有代价的，这一基因突变也会增加自身免疫疾病的风险，例如克罗恩病和类风湿性关节炎。

200万年前DNA重建古生态系统

直到最近，科学界认为DNA只能保存大约100万年。比这更古老的遗传物质会因为降解得太严重而无法被读取。但这一观点在今年12月份被打破了。

2022年12月7日，丹麦哥本哈根大学的研究人员在 Nature 发表了题为：A 2-million-year-old ecosystem in Greenland uncovered by environmental DNA 的研究论文^【7】。

研究团队通过分析迄今恢复的最古老的环境DNA（eDNA），绘制了格陵兰北部约200万年前生态系统的样貌，包括曾存在的动物和植物物种。这项研究使我们能以前所未有的程度探究并理解一个古代生态系统，同时揭示了一个没有现代等同物的生态系统。

研究团队对位于北格陵兰的皮里地（Peary Land）的5个不同遗址采集的41例有机质富集沉积物样本进行了DNA提取和测序。这里在200~300万年前的气候要比现在温暖很多，然而，由于脊椎动物化石的稀缺，对当时居住在北极区的生物群落不甚了解。

研究团队利用这些提取的环境DNA重现了古代生态系统的样貌：一片生长着杨树、桦树和崖柏以及各种北极和北方灌木、草本植物的开阔北方林。DNA记录证实了野兔的存在，来自遗址的线粒体DNA还揭示了其他动物存在的痕迹，包括乳齿象、驯鹿、啮齿动物和雁类。研究团队还恢复了海洋生物的古DNA，这些古DNA提示曾存在一个大西洋鲎（Limulus polyphemus）种群。

这或许意味着该地区在更新世早期有着更温暖的地表水环境，与之前的预测一致。这项研究结果证明了利用古代环境DNA追溯200万年前生物群落演化的潜力。

此外，Science 杂志还评选了三个年度科学故障（Breakdowns），本文不再赘述。

参考文献

1. https://www.science.org/content/article/breakthrough-2022

2. https://www.nature.com/articles/s41893-022-00997-3

3. https://www.science.org/doi/10.1126/science.abb3634

4. https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj8222

5. https://www.nature.com/articles/s41586-022-04432-7

6. https://www.nature.com/articles/s41586-022-05349-x

7.https://www.nature.com/articles/s41586-022-05453-y

本文来自微信公众号：生物世界 （ID：ibioworld），作者：王聪，编辑：王多鱼