国家自然科学基金生命科学成果及人物选介（下）

国家自然科学基金生命科学成果及人物选介（下）

　　

生物通综合：

国家自然科学基金生命科学成果及人物选介（上）

国家自然科学基金生命科学成果及人物选介（中）

胸腺髓质区是胸腺细胞功能成熟及清除自身应答细胞的重要部位；T细胞对肿瘤的特异免疫应答是肿瘤免疫治疗的依据 

作者:北京大学医学部 陈慰峰　　

　　 在国家自然科学基金委员会基金支持下，北京大学医学部免疫学系T细胞研究室得以持续进行胸腺内T细胞发育及抗肿瘤免疫研究。

　　一、胸腺髓质区是胸腺细胞功能成熟及清除自身应答细胞的部位

　　（一）髓质型胸腺细胞的发育程序

　　经阳性选择的TCR+CD4/CD8SP细胞定位于胸腺髓质，几乎不表达免疫功能，北京大学免疫系陈慰峰院士在国际上首次提出髓质区的“二次胸腺选择”学说。为证明此设想，他们分析证明成年鼠髓质型胸腺细胞（mThyC）是不均一的，分为不同亚组，可能反映细胞处于不同发育阶段，初步分析出表型及功能分化程序；证明表型分化与功能分化相平行，为多步骤、渐进性获得过程。此程序在小鼠体内发育过程的研究中，获得证实，但揭示表型成熟后功能成熟仍进行。又以同种系小鼠，经胸腺内细胞回输试验，验证了CD4SP mThyC发育程序，且直接证明了前体和子代关系。在RelB-/-缺陷小鼠，显示mThyC发育障碍，最成熟的mThyC亚组细胞显著减少。

　　（二）清除凋亡胸腺细胞的新机制

　　小鼠胸腺内95%细胞发生凋亡，但在正常胸腺内，罕见凋亡细胞残骸，通常认为凋亡细胞被巨噬细胞（ΜΦ）吞噬清除。但胸腺内ΜΦ数目很少，何以能清除巨大数目的凋亡胸腺细胞（A-Thy）？他们发现：A-Thy活化ΜΦ，使之释放非特异酯酶，酶解A-Thy细胞膜，致细胞裂解破碎，易被ΜΦ吞噬清除。经此酶解机制，解释了少量ΜΦ清除大量凋亡胸腺细胞的原因。

　　（三）克隆参与T细胞发育的新分子

　　他们从MTSC中克隆的mEET， 为小鼠雌激素增强转录子，证明 mEET对雌激素有应答；经相应受体信号活化的mEET，抑制NF-κB进核，抑制MCP-1， SDF-1基因转录，负反馈调节MCP-1, SDF-1趋化性细胞因子的产生。

　　二、T细胞对肿瘤的特异免疫应答是肿瘤免疫治疗的依据

　　T细胞研究室克隆鉴定出多个肿瘤-睾丸（CT）抗原、肿瘤-胎盘抗原、肿瘤特异性抗原及肿瘤组织过表达的抗原，为人类肿瘤的临床诊断和免疫治疗提供了候选靶分子，受国际瞩目。

　　肝癌组织高表达多种CT抗原，以Tetramer、IFN-γ产生、Granzyme B 释放ELISPOT试验、证明肝癌患者对多种CT抗原有特异CD8+T细胞免疫应答。已申请肿瘤抗原肽疫苗用于肝癌患者免疫治疗的Ⅰ期临床试验，已完成会评。还发现肿瘤抗原肽在汉人中有功能超型，扩大了此类疫苗在中国汉人群中的使用范围。

　　研究了由他们新克隆的肿瘤抗原分子在肿瘤发生中的作用。HCA661为转录因子DP家族的新成员，抑制E2F转录，负调节细胞增殖。HCA520活化Calcineurin→NFAT 2、3进核→活化内皮素-1基因表达→促进细胞增殖，并促进肿瘤生成

高等植物杂交诱导基因组快速进化 

作者:东北师范大学植物分子表观遗传学实验室 刘宝　　

　　 近年来，东北师范大学植物分子表观遗传学实验室在国家杰出青年科学基金和国家自然科学基金重点项目支持下，在高等植物“杂交与进化”研究领域开展了系统研究工作，特别在异源多倍体化和远缘渐渗杂交对受体基因组稳定性影响方面取得创新性研究结果。他们以系列人工合成和天然多倍体小麦以及“水稻＋菰”渐渗杂交系为材料，通过在不同层面上的研究发现：

（1）小麦异源多倍体物种形成在最初1－5代内诱导亲本之一物种转化序列的迅速、非随即消除, 并由此增加异源多倍体基因组的稳定性；（2）菰（一种野生稻）染色质的微小渐渗诱导受体水稻发生了广泛的不能用孟德尔规律解释的表型变异；（3）水稻和菰之间的远缘杂交和渐渗诱导了MITE类转座子mPing 及copia-类反转座子Tos17的大量转座激活；（4）菰染色质的微小渐渗诱导水稻受体基因组广泛的遗传变异，包括碱基替换和小片段缺失/插入和表观遗传变异（甲基化模式改变）。这些研究结果促进了人们对杂交诱导基因组快速进化的理解，特别是首次在高等植物上为McClintock 20年前提出的假说“…远缘杂交可以激活亲本沉默转座子”（McClintock1984, Science 226: 792-801）提供了分子水平上的实验证据。此外，研究结果揭示了远缘渐渗杂交可能具有的一种新作用（即遗传和表观遗传诱变作用），这为利用远缘杂交进行作物遗传改良提出了新启示。

上述结果的部分内容已在本领域主流国际杂志，包括Molecular Biology and Evolution (2005, 22: 976-990), Genetics (2005, 170: 11239-1245; 170: 1945-1956), Plant Molecular Biology (2004, 54: 571-582), Theoretical and Applied Genetics (2006, in press; 2004, 109: 200-209; 109: 1070-1076), Genome (2006, in press; 2003, 46：716-723)， Molecular Phylogenetics and Evolution (2003, 29: 365-379) 等发表或待发表论文近20篇，在国际同行中产生了较大影响。

有色光调节屈光状态的实验研究 

作者:复旦大学 褚仁远　　

　 在国家自然科学基金的资助下，褚仁远教授对近视眼和色觉异常的关系作了首创的探索性研究，并获得了可喜的成果：国际上首次制作成功长波长红光诱导的近视眼模型，并对长波长红光诱导近视眼的发病机制进行了研究。他发现不同颜色、不同波长的光线可诱导色素细胞产生不同的细胞因子。在色光诱导近视眼的研究中，进行了大规模色觉异常的普查，观察红色盲或色弱的人群中是否近视眼的发病率明显降低。

　　在近视眼发病机制的其它研究中，褚仁远教授也颇有建树：通过大规模近视双生子的研究，发现同卵双生子的近视一致率明显高于异卵双生子的近视一致率。同卵双生子组内两个成员之间屈光参数的密切程度显著高于异卵双生子，这说明与近视有关的几项屈光参数均与遗传有关，从而证明了近视眼是一种遗传性疾病。褚仁远研究组首次测定了国人各屈光参数的遗传指数，综合遗传指数为64.96％，说明遗传并不是决定近视眼的唯一因素，大约起了60％的作用，还有40％取决于环境因素的影响。遗传和环境共同决定着近视眼的发生。利用临床上接触到的病理性近视眼的遗传资源，他们应用最大或然法对62个病理性近视眼大家系进行分离分析，确定病理性近视是单基因遗传，遗传模式主要是常染色体隐性遗传，也有部分是常染色体显性遗传或X连锁遗传。因此获得国际生命科学学会颁发的2005年奖。在寻找常染色体显性遗传病理性近视眼大家系的过程中，发现一个常显性先天性白内障大家系，并首次发现HSF4基因突变是其致病基因，证实热休克蛋白障碍是造成白内障的原因。论文发表在2002年Nature Genetics上。

创面延迟愈合发生机制与促愈合基因工程一类新药的研发与应用研究 

作者:解放军总医院第一附属医院（原解放军第三0四医院） 北京双鹭药业股份有限公司 付小兵、徐明波、王勇波、盛志勇、孙同柱、陈玉林、孙晓庆、李校坤、沈祖尧等
 
　　 创面延迟愈合发生机制与促愈合基因工程一类新药的研发与应用研究课题组在国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金面上项目以及国家企业技术创新基金等资助下，采用基础与临床相结合、科研与生产相结合的大协作方式，致力于在理论上从细胞、分子与基因水平探明几种严重危害我国广大人民群众身心健康的体表慢性难愈合创面的发生机制，提出创新性理论。与此同时要根据这些创新性理论建立有效的促愈合措施和方法，造福于患者。通过近10年的研究，该项成果在以下几方面获得突破：

　　1、课题组在国际上首先报告中国人体表慢性难愈合创面不同于发达国家的流行病学特征并阐明其病因学；

　　2、提出了中国人体表慢性难愈合创面发生机制的创新性学术观点，包括从细胞、分子与基因水平发现并阐明组织修复细胞过度凋亡是创面愈合延迟发生的细胞学基础，纤维连接蛋白基因表达下调致细胞外支架破坏，修复细胞、生长因子与靶细胞受体间信号转导“失偶联”以及多种因子间网络调节“失控”是体表慢性难愈合创面发生机制的重要学术观点；

　　3、研制出具有我国自主知识产权与中国人特征的用于促进急慢性创面愈合的基因工程国家一类新药并实现产业化和在临床推广应用；

　　4、针对探明的发病机制，建立和改进的生长因子综合治疗方法对慢性难愈合创面的治愈率达94%，较国际同期报告的60%增加34%，获大规模的慢性难愈合创面的多中心治疗结果并证明安全有效。整项研究将创伤医学与现代生物制药紧密结合，在获得理论创新的同时显著促进了临床治疗的进步。研究成果在国际上获得了较好的反响，先后有《国际组织修复与再生杂志》主编，国际著名创伤修复专家William J. Lindblad教授对该项工作撰写专题评述进行介绍，认为“该项研究不仅具有自己的特点，同时还结合了西方的先进理念和方法，这是独特的思路，是了解中国创伤愈合的窗口”。此外，还分别应《国际组织修复与再生杂志》(Wound Repair and Regeneration)和《国际下肢损伤杂志》（International Journal of Lower Extremity Wounds）主编邀请撰写专题评述，全面介绍中国在这一领域的进展。已获省部级科技进步奖一等奖2项，国家科技进步奖二等奖1项，国家一类新药1个，国家发明专利1项。出版专著1部，在国际著名医学杂志《柳叶刀》（The Lancet）等发表论文60篇。所建立的技术方法和开发的国家一类新药已在临床推广应用多年并获满意治疗效果。


微波消融治疗肝癌取得显著进展 

作者:董宝玮 解放军总医院　　

　　 解放军总医院超声科董宝玮研究组，在国家自然科学基金和军队科研基金的资助下，开展了一系列的基础及临床研究，深入探索了在超声引导下的多种灭活肿瘤的方法，如向肿块内注入无水酒精、醋酸、同位素，或是导入激光、微波能量等，可统称为肿瘤消融治疗，其核心目的是既要能直接杀灭整个肿瘤，又要尽可能少损害机体 。

　　在前期大量研究的基础上，他们选择了微波消融技术。为了实现对肝癌（≤5cm）能够一次治疗达到适形原位灭活，他们团队通过百折不回的艰苦努力，成功地解决了微波有效热场的球形调控以及多导组合热场技术，达到对肝癌肿瘤的适形消融治疗。他们借助模拟与实测相结合的方法，成功地建立了肝癌微波消融治疗的三维热场的计算机模拟预测及监控的实用系统，这是国际首例，为临床肝癌患者的治疗奠定了可靠的技术基础。

　　前瞻性临床研究自1994年5月至2002年10月，超声引导下经皮消融治疗原发性肝癌288例病人，共477个肿块，结果肿块完全坏死率达到91%，随访时间长达9年，其5年生存率分别为93.5%、82.6%、72.2%、63.2%和51.3%，取得了显著疗效。这是既往介入治疗方法所达不到的。随着研究的深入，他们发现微波消融治疗在造成主灶灭活的同时，能激活、增强机体及肝脏局部的细胞免疫功能，这有利于进一步探索规律，提高远期疗效。

　　该成果在2003年获得全军医疗成果奖一等奖，北京市科技进步奖一等奖，2005年获得国家科技进步奖二等奖。
精子发生相关基因的筛选及功能研究 

作者:南京医科大学生殖医学实验室 沙家豪 周作民 李建民　　

　　 南京医科大学生殖医学江苏省重点实验室近年来在国家自然科学基金的资助下，致力于精子发生基因及其相关功能的研究，取得了较为丰硕的成果。

　　首先，该项目组立足于国内自己的实验室，以源头创新作为研究的起点，构建了人类睾丸特异的cDNA array，并用于对人类睾丸发育过程中整个基因表达水平的研究，构建了一系列人类精子发生相关基因表达谱系。包括人类睾丸发育/精子发生相关基因表达谱系；人类睾丸发育/精子发生相关基因选择性剪接表达谱系；人类精子中与其发生成熟和功能相关的基因表达谱系；人类和小鼠同源睾丸发育/精子发生相关基因表达谱系。

　　随后，通过上述构建基因谱系的工作，大规模克隆筛选了生殖功能相关基因，共克隆了112个全长新基因，并将其输入了GenBank。以此为基石，运用各种分子生物学实验平台，分别对其中与精子发生、精子形成、精子获能、顶体反应和精卵融合等相关基因的功能进行了深入和系统的研究，取得了一些成果，阐明了一些科学问题。

　　举例来说，我们知道，受精是指精子和卵子自发融合为受精卵的过程，包括精卵识别、结合、顶体反应和融合等阶段。由该项目组发现并命名为NYD-SP8的蛋白可从精子中释放出来并结合至卵丘复合物，诱导卵丘复合物内胞质Ca2+ 浓度升高以及孕酮的释放。NYD-SP8蛋白特异性抗体对受精过程显示出抑制作用，并呈现出剂量依赖性正相关。小鼠体内免疫实验显示NYD-SP8蛋白可激起小鼠体内特异的免疫反应，使得受免疫小鼠受精率显著下降，提示NYD-SP8有望成为免疫避孕疫苗候选成分。

　　NYD-SP27是该项目组发现的另一条精子发生相关基因，属于PLC-zeta(磷脂酶C)家族的成员，生物信息学研究显示，NYD-SP27基因缺乏该酶的催化核心机构域，实验发现NYD-SP27可以抑制精子顶体反应中起关键作用的PLC酶的活性。NYD-SP27蛋白表达于精子顶体部，且其表达量随着精子获能过程的进行而逐渐减少，在顶体反应后几乎完全消失。抗NYD-SP27的特异性抗体可以通过阻止NYD-SP27蛋白的丢失而明显抑制精子的获能和自发性顶体反应。因此在生殖过程中，NYD-SP27作为一种生理性的PLC的抑制剂，能够抑制自发性的顶体反应，维持正常获能和顶体反应前精子顶体膜的完整性和稳定性，而其在获能过程中的丢失使得PLC能够发挥作用从而使顶体反应能够正常发生，保证了受精过程的顺利进行。此外，该项目组与香港中文大学上皮细胞研究中心的合作研究显示，在囊性纤维病中，NYD-SP27基因高表达于胰腺组织，它通过抑制PLC的活性从而使胰腺功能降低。（Zhu H, et al.,Lancet 2003; 362 (9401): 2059-2065）。

　　上述研究为寻找不育症及睾丸相关疾病的研究靶点打下了扎实的基础；而具有自主知识产权的相关新基因功能的深入研究不仅有助于揭示精子发生的分子机制，对理解精子发生及人类生殖的生物学意义，促进我国生殖健康和生殖生物学研究也大有裨益。

六足动物（昆虫）的起源与演化的研究 

作者:中国科学院上海植物生理生态研究所 尹文英　

　　 在国家自然科学基金支持下，由尹文英先生牵头，协同5单位的近30位学者，以中国物种为材料，运用进化形态学、细胞学和分子生物学等综合方法，开展了与六足动物（昆虫）的起源与演化有关的研究（2002－2005），初步结果摘要如下：

　　1.低等六足动物的起源与亲缘关系

　　以45种低等六足动物和其他节肢动物为材料，通过核糖体18S rRNA基因全序列和28S rRNA基因部分序列分析，结果认为原尾纲（Protura）、弹尾纲（Collenbola）、双尾纲（Diplura）和昆虫纲（狭义）（Insecta s.str.），各自都是单系群（monophyletic）；原尾纲和双尾纲优先聚为一支，关系最为密切；弹尾纲常与"原尾纲＋双尾纲"聚为一支，但支持率不高，分类地位不很明确。另外，六足动物与甲壳动物亲缘关系最为接近，泛甲壳动物的假说也有一定合理性，而多足动物与螯肢动物（Chelicerata）的亲缘关系较为接近。

　　其次在进化形态学、比较精子学和发育生物学等原理和方法研究了世界已知原尾虫2目3科的基础上，重新整理成为原尾纲3目10科的新系统，已经被国际同行广泛采用。

　　2.有翅昆虫系统分类的研究

　　选择古翅类中的蜉蝣目，新翅类中的直翅目和全变态类中的鞘翅目、捻翅目等从比较形态学和分子生物学等方面来探讨其演化。研究结果对有翅昆虫的起源与演化、直翅目各类群的系统发生和全变态昆虫的系统演化提出了新的观点。

　　3.其他节肢动物的系统演化以及与六足动物的亲缘关系

　　选择了唇足纲、倍足纲和综合纲的代表种，基于18S rDNA序列分析得到的结果，显示多足纲是单系群。为研究昆虫是否起源于软甲亚纲和鳃足亚纲等甲壳动物，研究了中华绒螯蟹的线粒体全基因组，发现1个蛋白编码基因、2个rRNA基因及12个tRNA基因的重排。揭示十足类，乃至非六足节肢动物的nad3-nad5和nad5-nad4基因结合部是经常发生重排的区域。

　　螯肢亚门蛛形纲与肢口纲亲缘关系的研究：对蜘蛛目中最原始类群的代表种中纺亚目的杭州七纺蛛和低等的后纺亚目虎纹捕鸟蛛的线粒体全序列测定。后者的7个tRNA基因的位置与螯肢亚门肢口纲的鲎（原始的水生节肢动物）及七纺蛛的不同，为中纺亚目比后纺亚目更接近基部的分支提供了新的分子证据。结果支持昆虫－甲壳类分支，并支持节肢动物是单系群。

　　虽然，本项研究已取得了明显的进展，但也只是一个开始，希望国家自然科学基金能够持续支持并引导分类学研究向系统进化方面发展。

2．72Å菠菜主要捕光复合物LHCII晶体结构 

作者:中国科学院生物物理研究所 常文瑞　　

　 2004年3月18日，英国科学杂志《自然》（Nature）以主题论文的方式发表了"菠菜主要捕光复合物 (LHC-II) 2.72 ?分辨率的晶体结构"的研究成果。该晶体的结构彩图被选作该期杂志的封面照片。《自然》杂志评审专家指出："这是光合作用研究领域的一大突破"，它"标志了光合作用研究的重大跨越"。
这一成果是在国家自然科学基金资助下由中国科学院生物物理研究所常文瑞研究员领导的研究组和植物所有关科技人员历经6年艰苦努力完成的。该项成果一经披露，就引起了众多国际同行的关注。截至2005年12月22日，本文已被国内外同行引用99次。2005年1月13日，这一成果又被我国两院院士评选为2004年"中国十大科技进展新闻"。

　　绿色植物、藻类和某些细菌的光合作用是通过镶嵌在细胞膜上的一系列色素-蛋白复合体构成的光合作用系统相互分工协作完成的。植物的光合作用系统中参与光能吸收、传递和转换的两类最基本的色素-蛋白复合体是反应中心和捕光天线复合物。捕光是光合作用中最原初的过程。捕光天线复合物的三维结构是认识植物高效利用光能的结构基础。然而，参与这些过程的蛋白都是膜蛋白，膜蛋白的晶体结构解析是国际公认的难题。

　　由中国科学院生物物理研究所常文瑞研究员主持的研究小组成功测定了菠菜主要捕光复合物2.72 ?分辨率的X射线晶体学结构，这一结果将人们关于光合作用中所涉及的光能收集和能量转移过程的知识深入到全面的原子分辨率水平。该项研究在膜蛋白结构生物学领域以及光合作用捕光机制和光保护机制研究领域均获得获得了创新性的成果：

　　1.研究结果展示：LHC-II膜蛋白-脂质体复合物是由60个LHC-II单体组装形成一个20面体形状的空心球体，再以此为基本单位在晶体中周期排列。这种堆积方式完全不同于以往所报道的I型和II型的膜蛋白晶体，是迄今为止所发现的膜蛋白结晶的一种全新方式。

　　LHC-II膜蛋白-脂质体复合物是由60个LHC-II单体组成一个具有典型正20面体对称特征的空心球体，其球壳结构提供了一个包括膜蛋白、色素分子和脂分子在内的一个类似光合膜的完整结构模型。这对于在分子水平上研究光合膜内蛋白和蛋白、蛋白和色素分子以及蛋白和脂分子之间的相互作用具有重要的学术意义。

　　2.在2.72埃分辨率上提供了包括蛋白质分子、色素分子、脂分子和水分子在内的近三万个独立原子的高精度三维结构模型；并对每一个复合物单体中的14个叶绿素分子和4个类胡萝卜素分子的具体归属进行准确的确认，每个色素分子在三维空间的取向和位置得到了精确的测定。首次揭示了色素分子在LHC-II复合物中的排布规律，为认识LHC-II高效捕光和能量传递的机制提供了重要的结构基础。

　　色素分子在LHC-II复合物中的排布。a, 三体内所有色素分子的排布。b, 单体内基质层中八个叶绿素排布成椭圆环状。c, 单体内腔层的六个叶绿素则呈簇状分布。色彩模式：绿色，叶绿素a；蓝色，叶绿素b；黄色，lutein；橙色，neoxanthin；洋红色，叶黄素循环类胡萝卜素。

　　3.基于精确的结构数据，首次完整地建立该复合体内的能量传递网络，并对高等植物在强光照条件下的光保护机理进行了讨论

高等植物蓝光受体作用机理和功能研究新进展 

作者:中国科学院 上海生命科学研究院 植物生理生态研究所 杨洪全、桑毅、李庆华、茅健等

　　 高等植物蓝光受体作用机理和功能研究小组在国家自然科学基金的资助下，通过将拟南芥菜CRY1 N-端功能区（CNT1）导入野生型拟南芥菜，获得了过量表达CNT1的转基因植株，它们呈现负显性的表现型，即表现cry1突变体的表型--长长的下胚轴和不完全展开的子叶。通过酵母双杂交、体外蛋白质的结合、体内化学交联和免疫共沉淀实验，发现CRY1通过CNT1发生不依赖于光的二聚化。功能分析表明：CNT1介导的二聚化对于激活CCT1、启动CRY1的信号传导途径是必须的。功能及蛋白质的非变性胶电泳分析表明：GUS的多聚化对组成型地激活CCT1、导致表达GUS-CCT1融合蛋白的转基因植株在黑暗条件下呈现组成型的光形态建成的表现型（COP表现型）是必须的。该研究表明：蓝光和黑暗条件下CNT1二聚体的构象可能不一样，只有蓝光形式的CNT1二聚体才能激活CRY1的光受体活性；另外，与果蝇CRY光受体活性调控模式不同，高等植物CRY通过光激发CNT正调控CCT的活性，而果蝇CRY通过其N端功能区直接与下游蛋白相互作用；同时该研究结果澄清了多年来一直认为CRY同光裂解酶一样以单体结构发挥作用的错误结论。

　　该研究小组还在CRY功能研究上取得了新进展，发现拟南芥菜CRY 和COP1的新功能--介导蓝光诱导的气孔开放。气孔是在高等植物叶表皮分布的由两个保卫细胞环绕形成的小孔，是二氧化碳和水份进出植物体的主要通道。气孔的开放和关闭程度直接决定植物水分蒸腾速率和光合作用效率。气孔的开放受光的调控。在黑暗条件下气孔关闭，见光后开放。蓝光被证明是调控气孔开放最为有效的光质。拟南芥菜除了存在CRY1和CRY2 蓝光受体外，还存在另外2个蓝光受体：PHOT1和PHOT2（phototropin，向光素）。PHOT的功能包括调节植物的向光性、叶绿体运动和气孔开放。该研究小组发现cry1 cry2双突变体高度抗旱。与此发现相一致的是，cry1 cry2双突变体的气孔开度比野生型（WT）的小，而过量表达CRY1（CRY1-ovx）和CRY2（CRY2-ovx）的转基因植株的气孔开度比WT的大；特别有意义的是，cop1突变体的气孔在黑暗条件下表现组成型开放的表型，其气孔开度与在蓝光、红光和远红光条件下的开度相当，由此证明COP1是气孔开放的主要负调控因子，即COP1的功能是促进气孔关闭。因此CRY对气孔开放的调节是通过CRY-COP1直接的蛋白相互作用负调控COP1的活性来实现的。通过构建cry1 cry2 phot1 phot2 四突变体和phot1 phot2 CRY1-ovx 三突变体, 发现cry1 cry2 phot1 phot2四突变体的气孔开度明显小于cry1 cry2和phot1 phot2双突变体的气孔开度，而phot1 phot2 CRY1-ovx 三突变体的气孔开度明显大于phot1 phot2 双突变体的气孔开度，由此证明了CRY和PHOT共同完成对气孔开放的调节。进一步通过构建cry1 cry2 cop1 和 phot1 phot2 cop1 三突变体，并分析了在蓝光下这2个三突变体的气孔开度，发现与cop1的单突变体的表型相似，即气孔完全开放。由此从遗传上证明了COP1位于CRY和PHOT的下游，即CRY和PHOT介导的蓝光信号都必须经过COP1来完成对气孔开放的调节
水稻高产的“分子奥秘” 

作者:中国科学院遗传与发育生物学研究所 李家洋 院士　 中国农业科学院中国水稻研究所 钱前 研究员

　　在国家自然科学基金等项目支持下，中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋院士、中国农业科学院中国水稻研究所钱前研究员所领导的课题组对"水稻分蘖"进行了深入的分子遗传学研究，取得令人瞩目的研究成果。

　　分蘖是决定水稻产量的重要农艺性状，在生产实践中主要通过栽培措施和育种手段来增加有效分蘖，减少无效分蘖。同时，分蘖又是水稻生长发育过程中的一种特殊的分枝现象。根据形态解剖学的研究，水稻分蘖的生长过程分为两个阶段：（1）在每个叶子的叶腋里分化形成一个分蘖芽；（2）分蘖芽进一步生长发育成分蘖。但是，对于分蘖芽形成和伸长的分子机理一无所知。分离鉴定各种分蘖突变体并且克隆相应的基因，将有助于揭示控制水稻分蘖乃至高等植物分枝的分子机理；分蘖机理的研究结果对于水稻的生产具有重要的指导意义。
1990年，在粳稻品种H89025中发现一株丧失分蘖能力的自发突变体，只有一个茎秆，而没有分离，我们将其命名为moc1(single tiller 1,st1)。组织解剖学的观察表明，在moc1突变体的叶腋里没有腋生分生组织和分蘖芽，因此推测MOC1基因是腋生分生组织的起始和分蘖芽的形成所必须的。遗传分析表明，moc1突变体是由单个细胞核基因的隐性突变造成的，并且初步定位在第6染色体的长臂上，位于分子标记R1559和S1437之间。我们采用图位克隆的方法分离了MOC1基因，它与番茄中控制侧枝形成的Lateral Suppressor 基因有比较高的同源性，在氨基酸水平上的一致性为44%，相似性为59%。序列分析表明，在突变体中，有一个1.9Kb的逆转座子插在MOC1基因的编码区内，导致蛋白质的翻译提前终止。将野生型的MOC1基因的基因组片段转入突变体内，恢复了分蘖能力，这说明我们克隆的基因是正确的。

　　MOC1蛋白属于GRAS 家族的转录因子，具有2个亮氨酸七聚体重复，1个VHIID结构域和1个SH2 like结构域。虽然没有发现典型的核定位信号序列，但是MOC1：GFP的融合蛋白却定位在了细胞核内。MOC1基因的组织原位杂交实验表明，在腋生分生组织之前，MOC1基因就已经在叶腋里的少数表皮或亚表皮细胞里表达，并且MOC1基因的表达伴随着腋生分生组织形态建成的整个过程；在腋生分生组织分化形成分蘖芽以后，MOC1仍然在整个分蘖芽中表达。这种表达模式与MOC1基因促进腋生分生组织的起始、分蘖芽的形成核分蘖芽的生长发育等功能相符合。我们发现MOC1基因的表达受到细胞分裂素的诱导，因此，在对分蘖生长发育的调控中，细胞分裂素可能位于MOC1基因的上游。另外我们还发现，在moc1突变体中由于MOC1基因功能突变，导致了分生组织特异性的OSHI1基因和控制侧枝伸长的OSTB1基因的表达水平降低。我们推测MOC1可能通过调控OSHI1等分生组织基因促进腋生分生组织的起始，通过调控OSTB1等基因调节分蘖芽的生长发育。

　　"科学家不仅发现了控制水稻'分蘖'的基因，而且成功分离和克隆了这一基因，从而在水稻分蘖分子调控机理方面取得突破性进展，在揭示水稻高产的分子奥秘上迈出重要一步"这一成果发表在2003年4月10日出版的《自然》杂志上，这是生命科学基础理论研究领域我国科学家在这一权威杂志发表的第一篇原始论文。该成果同时被两院院士评为2003年中国十大科技进展。

　　该研究将有助于阐明禾谷类作物分蘖调控的分子机理，并进而应用于水稻等禾谷类作物超级品种的培育，具有重大的理论与应用意义。
番茄、拟南芥吸收铁元素的分子机理 

作者:中国科学院遗传与发育生物学研究所 凌宏清　

　　在国家杰出青年科学基金的资助下，中国科学院遗传与发育生物学研究所凌宏清教授对番茄和拟南芥铁元素吸收代谢的分子机理方面开展了研究，取得了下列显著进展。

　　1.三价铁还原酶：三价铁还原酶是植物铁吸收代谢的关键酶，它不但参与铁元素的吸收，而且也是铁在植物体内代谢不可缺少的酶。从番茄基因组中分离出了LeFRO1基因，它编码的蛋白在酵母细胞中表现出很强的铁还原酶活性，表达谱分析展示LeFRO1在根部受低铁诱导表达，在地上部为组成型表达。LeFRO1是番茄基因组中一个主要铁还原酶基因，参与了铁元素在根部的吸收和在体内的代谢。另外，对拟南芥基因组中三价铁还原酶基因家族进行了生化和生物学功能分析。该基因家族共有8个成员，编码的蛋白都有铁还原酶活性，并且这8个铁还原酶基因的表达表现出组织特异性，从而也暗示它们在功能上的分工。

　　2.番茄吸收铁的调控机制：番茄 FER编码了一个bHLH类转录调控蛋白，是高等植物中分离出的第一个控制铁元素吸收的调控基因。FER的缺失导致突变体植株在低铁胁迫时不能启动整个缺铁适应性反应来从土壤中有效地获取铁。RT-PCR分析证明，FER参与了铁还原酶LeFRO1和铁离子转运蛋白基因（LeIRT1和LeNRAMP1）的转录调控。在低铁条件下，提高FER的表达量能相应增加它所调控下游基因的转录水平，从而转基因植株表现出更耐低铁。最近，从拟南芥基因组中分离出了FER的同源基因AtbHLH29，引入到FER缺失突变体T3238fer中，AtbHLH29能完全互补FER的缺失功能。与FER相反，CHLN编码一个nicotianamine合成酶，参与番茄缺铁适应性反应的负调控。CHLN突变体在铁充足条件下不能关闭缺铁适应性反应如三价铁还原酶和亚铁离子转运蛋白基因，吸入更多铁沉积于地上部。

　　这些研究成果不但为进一步揭示铁元素吸收代谢的分子调控机制奠定了坚实的基础，而且对培育铁高效农作物新品种和改善人类铁营养都有重要经济价值和理论意义

内蒙古典型草原生态系统稳定性与多样性关系的研究 

作者:中国科学院植物研究所 白永飞 韩兴国 邬建国 陈佐忠 李凌浩　

　　内蒙古典型草原生态系统稳定性与多样性关系的研究是在国家自然科学基金的长期支持下完成的，是中国科学院内蒙古草原生态系统定位研究站建站20余年来取得的长期生态学研究成果之一。

　　本项研究主要针对3个问题开展研究：（1）内蒙古典型草原生产力的主要气候驱动因子是什么？（2）从物种、功能群到群落水平，生产力对降水波动是如何响应的？（3）物种之间是否存在着补偿作用，以降低生产力的变异，从而导致群落稳定性的提高？

　　为了回答第一个问题，课题组选择了羊草群落和大针茅群落两个样地，对降水、积温以及植物有效生长天数等因素与群落生产力的关系进行了回归分析。结果显示，1-7月份的降雨量是草原生态系统群落生产力的主要驱动因子。为了回答第二个问题，我们以生产力的变异系数为生态系统稳定性的测度指标，对这一问题进行了分析，结果表明，从物种、功能群到群落水平，地上生物量的变异系数呈现显著降低的趋势。进一步的分析表明，导致群落水平生产力稳定性增加的重要原因是不同植物之间、不同功能群之间存在显著的补偿效应。

　　前人关于生态系统稳定性与多样性的关系大多基于人工群落的研究，其结果存在明显的分歧。本项成果从自然生态系统的不同组织层次入手，对生态系统稳定性和多样性的关系进行了深入剖析，发现了草原生态系统生产力稳定性维持的新机制。这一创新性研究成果以"Ecosystem stability and compensatory effects in the Inner Mongolia grassland"为题目于2004年9月在Nature （431:181-184）上发表。发表后，受到了国内外学者的高度重视。为此，Nature杂志专门于2005年6月组织发表了系列文章对课题组的研究结果进行探讨，课题组的答复文章发表于该刊物的435卷E6-7页。Nature杂志审稿专家对其科学价值给与了高度评价："这一发现和创新观点不仅是对生态学理论的重要学术贡献，也必将有助于已日趋严重的中国退化草地生态系统恢复重建与科学管理的实践。"其重要意义在于：首先，该研究从理论上揭示了生物多样性的重要性，对于制定合理的生物多样性保护的法律法规和实践具有重要指导意义。第二，对于指导天然草地的合理利用具有重要意义。第三，对于指导人工草地的建植具有重要意义。本项研究的一个重要技术成果"多年生混播人工草地建植技术"就是在这一理论指导下完成的，充分了利用了物种的补偿性效应。

从分子影像到医学影像 

作者:中国科学院自动化研究所 田捷　

　在国家自然科学基金的资助下，中国科学院自动化研究所田捷教授自2003年开始着手设计和研发一个用于医学影像处理的算法平台--MITK（Medical Imaging ToolKit），该平台集成了医学影像处理领域分割、配准、可视化等主要功能，提供给研究人员一套具有一致接口的、可复用的、灵活高效的算法开发工具。同时，在MITK的基础上，采用Plug-in架构，设计实现了一个三维医学影像处理应用软件--3DMed，面向最终用户提供了一套框架灵活、可扩充性强且界面友好的实用工具。目前MITK和3DMed均通过Internet发布，稳定版本分别为1.1和2.0，累积下载人次已过3000。除在医学影像领域外，在工业CT领域也得到广泛应用，其典型用户包括中国航天科技集团公司、北京航空材料研究院、中国科学院高能物理研究所等单位。此外，该平台的设计和实现及其前期积累获得2003年度国家科技进步奖二等奖。

　　在体生物光学成像与分析工作站(Molecular Optical Simulation Environment，MOSE)，是由中国科学院自动化研究所复杂系统与智能科学重点实验室医学影像处理研究组和美国爱荷华大学生物荧光断层成像实验室联合开发的。MOSE是基于蒙特卡洛方法来仿真在体生物自发光光子传播的平台，通过仿真可以预测小动物体表面的生物自发光信号。MOSE平台可以进行基于二维、三维解析模型和基于真实生物组织的模型的仿真；支持多种数据格式的输入；能够完成解析模型的建模和真实生物组织的分割、表面重建、模型化简。在MOSE平台中，所有的光子传播，包括光子的产生、吸收、散射、内部折射以及在边界上光子的透射，在仿真中都做了很好的刻画。在仿真中，每次光子散射时，对步长和角度偏移等相关的随机量都做了统计采样。如追踪大量光子(如一百万个光子)，在CCD探测器上探测到的生物自发光信号能够被准确的估计。MOSE采用了传统的面向对象设计方法，从而使面向用户的接口简单而易于理解，目前已向教育和研究结构免费提供，可在网站下载试用(www.mosetm.net).

　　考虑到大脑的杏仁核对于人的情绪、社会行为、认知行为等智能行为起到至关重要的作用，采用BOLD-fMRI的方法，通过大量的试验，分析和探讨杏仁核在情感反应机理方面起到的作用，取得了突破性的研究成果。

　　总共发表文章59篇（其中SCI 15篇，EI44篇）,获发明专利授权2项

猪优质高效饲料产业化关键技术研究与推广 

作者:中国农业大学 李德发　

　该项研究由中国农业大学李德发教授主持，在国家自然科学基金面上项目"酶联免疫法检测大豆饼粕抗胰蛋白酶因子浓度"、国家杰出青年科学基金"猪理想蛋白质氨基酸模式及作用机理研究"、国家自然科学基金重点项目"优化猪可消化氨基酸动态平衡体系的研究"等的资助下，取得的创造性成果。该成果于2002年获得国家科技进步奖二等奖。

　　该项研究着眼于影响我国猪饲料工业可持续发展的关键问题，在全国范围内进行合作研究，建立了中国猪理想蛋白质模式，探明了"理想蛋白质"促进猪蛋白质沉积的机理，提出了我国典型商品肉猪的氨基酸平衡模式；在方法学研究的基础上，测定了60种常用猪饲料的氨基酸回肠消化率，建立了我国首个猪饲料氨基酸消化率数据库；构建了我国第一个猪营养需要动态模型，修订了中国猪饲养标准；提出泌乳母猪和仔猪抗应急营养调控技术；确立了不同类型产品的加工工艺参数，研制各种配方技术105套。

　　这些成果的取得在理论上为理想蛋白质概念赋予了新的涵义，在实践上为我国饲料工业的产业升级和养猪业的技术进步发挥重要作用。依据该成果研制出高效超早期断奶乳猪料和泌乳母猪料配方技术7套，猪预混料、浓缩饲料和全价饲料配方技术98套。推广应用效果表明，仔猪成活率提高5～10个百分点，20～90kg体重猪的耗料增重比2.87～2.91：1，接近国际先进水平。开发出的低污染日粮配方技术，可以使猪粪和尿中氮的排出量减少25%～30%。到2001年底，已累计推广各类饲料2520万吨，实现直接经济效益15亿元。该成果对我国养猪业和猪饲料产业化生产健康可持续发展具有重要的指导作用，推广应用前景良好。

　　目前，该项目组根据饲料营养技术的新进展和养猪技术及猪生产潜力的进步，仍在继续进行研究与推广工作。

提高作物养分资源利用效率的根际调控机理研究 

作者:中国农业大学 张福锁 李晓林 李春俭 申建波 冯固　

　　中国农业大学张福锁等人在国家自然科学基金重大、重点和面上项目的持续支持下，对提高作物养分资源利用效率的根际调控机理进行了研究。创建了VA菌丝际养分动态和植物根分泌物活化养分能力的定量化等一系列根际研究新方法。这些方法已成为国际同行广泛采用的经典方法。在方法创新的基础上，研究取得了以下主要进展：

　　1) 发现缺铁缺锌都能诱导禾本科植物分泌铁载体，而铁载体能高效活化铁、锌、铜等元素。这一发现揭示了禾本科作物根分泌物活化土壤铁锌养分的机理，为根分泌物活化利用养分提供了科学证据和典型范例，也为阐明作物吸收利用其它元素的机理提供了研究思路和模式。

　　2) 发现VA菌根真菌可使作物吸收土壤磷的范围扩大60倍，菌丝具有酸化和分泌酸性磷酸酶的作用，对植物吸磷的贡献潜力高达70%。这一发现揭示了菌丝际养分活化的机理，将根际研究深入到菌丝际水平。

　　3) 发现根际互作是间套作体系养分高效利用的关键过程，禾本科与豆科作物间作使豆科作物结瘤固氮能力提高了近2倍，为高产高投入体系仍能充分利用共生固氮菌的生物学潜力提供了科学依据，也为研究作物生态系统地下生物相互作用机理提供了新模式，为挖掘利用间套作等我国传统农业之精髓提供了新的理论指导。

　　发表论文193篇，其中SCI期刊收录61篇，发表论文被SCI他引354次，主要科学发现被国际植物营养学经典教材多次引用，另被20多部国际专著和研究方法工具书广泛收录。

　　通过研究使我们认识到植物利用土壤养分的生物学潜力是巨大的。在深入理解植物根系是如何从根际土壤中活化和利用养分、根分泌物和菌根又是如何帮助植物根系增强养分活化能力的基础上，充分挖掘作物高效利用养分资源的生物学潜力，辅之以施肥管理等手段进行根际营养调控，就可改变过去盲目施肥的做法，起到"四两拨千斤" 的效果。这样不仅可以节约肥料，充分利用土壤和环境中的养分资源，而且还能实现作物高产优质、资源高效和生态环境保护的目标，进而走出高投入导致高污染的恶性循环，使作物高产、资源高效和环境保护间的尖锐矛盾得以协调。

　　该成果推动了植物营养学的发展，丰富和完善了根际营养理论，为认识和调控植物-土壤关系、实现养分资源的高效利用提供了理论依据，并将为中国农业走出一条作物高产、资源高效和环境保护并重的可持续发展之路提供理论指导

主要作物硫钙营养特性、机制与肥料高效施用技术 

作者:中国农业科学院农业资源与农业区划研究所 周卫　

　　在国家自然科学基金等项目的支持下，由中国农业科学院农业资源与农业区划研究所周卫研究员主持完成的研究成果"主要作物硫钙营养特性、机制与肥料高效施用技术"荣获2005年国家科学技术进步奖二等奖。
我国土壤严重缺硫，且呈急剧增长态势，酸性和砂质土壤缺钙以及果树和蔬菜的生理缺钙严重发生。迄今，有关作物大量元素和微量元素营养的研究很多，但中量元素硫、钙研究很少。本项目在全国九家单位长达11年的努力下，对作物硫和钙营养的技术理论和应用技术进行全面、系统和深入的研究，在基础理论上有重要突破，在应用技术上有明显的创新。主要创新之处如下：

　　1. 首次研究了淹水条件下土壤有机硫矿化、硫磺的氧化和外源硫在土壤中的转化与生物有效性，发现土壤中存在有机硫与无机硫相互转化的固定-释放机制，水稻根系可促进硫磺氧化,为硫肥高效施用提供科学依据。

　　2. 首次发现荚果组织钙通过共质体运输，跨膜吸收为主动过程;钙只有直接施在苹果幼果表面才能被果实有效吸收,萘乙酸可高效促进果实钙吸收。在此基础上提出了钙养分的非维管束吸收机理和果面营养概念，具有原创性，为作物高效补钙提供了理论基础和技术途径。

　　3. 深入研究了苹果果实的Ca2+-ATP酶与质膜微囊Ca2+的主动运输关系、苹果果实生理失调过程中钙信使的变化以及钙信使对果实崩解有关酶活性的调控等问题，首次从钙信使的角度系统揭示了缺钙导致苹果果实生理失调的机理，深化了对钙的营养生理功能的认识。

　　4. 系统研究阐明了水稻、小麦、玉米、大豆、油菜和蔬菜等作物硫素营养特点，研究提出了水田和旱地土壤的缺硫临界值；明确了典型区域土壤硫素状况、作物的硫肥效果、适宜肥料品种和用量；系统提出了水稻、小麦、玉米、大豆、油菜和蔬菜等作物硫肥高效施用技术。

　　5. 系统阐明花生、苹果、桃、大白菜和西红柿等作物钙素营养特点，建立了花生钙素营养土壤诊断新方法，系统提出了花生、苹果、桃、大白菜和西红柿等果树和蔬菜的高效补钙新技术。

　　该研究在Geoderma, Biology and Fertility of Soils, Soil Biology and Biochemistry等本学科国内外重要刊物上发表论文48篇；研究期间硫肥和钙肥得到了大面积推广应用，产生了巨大的经济效益。

鼻咽癌易感基因的定位和发现 

作者:中山大学肿瘤中心 曾益新　

　　鼻咽癌因高发于广东地区，故有"广东瘤"之称。在众多的恶性肿瘤中，以发病地区来命名的仅有鼻咽癌。鼻咽癌这种显著的地区分布特征引起了国内外学者的兴趣。究竟是什么原因引起该地区如此之高的发病率呢？学术界众说纷纭，某些地区甚至因其为高发区而影响当地的经济发展。在国家杰出青年科学基金、"863"、"973"项目的资助下，中山大学肿瘤中心曾益新教授带领课题组进行了为期六年的攻关研究，力图揭开中国南方尤其是广东鼻咽癌高发之迷。

　　早在70年代就发现了EB病毒和鼻咽癌密切相关。吸烟，咸鱼中的亚硝氨也被发现和鼻咽癌的发病危险相关。但这些都无法完全解释鼻咽癌的家族聚集现象，许多患者有家族史。研究者瞄准了EBV和遗传因素在发病中的作用。

　　为了明确是否存在特殊的EBV病毒高致病性的亚型，研究小组花了几年的时间，测定了广东鼻咽癌来源的EB病毒全长17万个碱基的基因组。和国际发表的EB病毒序列相比，有约2000个位点的变异，有些变异发生在很具有重要生物学功能的基因上。

　　许多研究发现众多的遗传病往往是因为单个或几个碱基位点的变异引起基因功能的改变所导致的。人类3万多个基因分布在30亿个碱基组成的染色体上，寻找易感基因犹如茫茫大海中捞针一般。研究小组运用"反向遗传学"的方法，在高发家系中寻找突破口，将鼻咽癌易感基因锁定在4号染色体短臂上。该成果发表在《Nature genetics》(自然遗传学)杂志上。但该区域包含100多个基因，长20多兆个碱基，要找到确切的变异位点，也不是一件容易的事情。人类基因组计划的完成为该研究项目提供了契机，对该区域的基因重测序进行筛查，发现了一个变异位点，在高发家系中绝大多数的NPC病人都携带这个变异位点。通过功能学实验的研究，该变异位点导致了转录因子AP1结合位点的形成，转录因子AP1结合上去以后，该基因的转录活性大大提高了（见图1）。该基因是个新发现的基因，编码的蛋白和脂类代谢密切相关，最近研究发现脂类代谢相关基因的异常和肿瘤密切相关。有理由相信，该基因很有可能就是NPC的易感基因。这项研究成果即将发表在国际著名杂志《Cancer Research》（癌症研究）。

　　运用交叉学科的理论和技术，包括生物信息学、遗传学、分子生物学等，研究小组对鼻咽癌进行了多层次的研究，鼻咽癌的病因的分子机理逐渐清晰，认为鼻咽癌是多个遗传基因的参与，加上病毒和环境因素的相互作用所导致的。华南鼻咽癌高发的谜团正逐步被揭开，研究者正努力朝着更深的方向前进。