【科创热榜前沿科技周报】-22期转贴

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前沿科技盘点〔22〕｜我国科学家成功克隆可提高玉米蛋白含量的野生玉米变异基因 、晶界弛豫可大幅提升纳米晶高温合金的抗蠕变性能 原文链接：https://www.ncsti.gov.cn/kjdt/zt ... 0230627_125835.html

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• 晶界
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近日，我国科学家在《Nature》、《Science》、《Cell》、《PNAS》等期刊密集发表了一系列科研成果：中科院与上海师大联合研究组成功克隆野生玉米变异基因，实验证明可有效提升玉米蛋白含量；中科院与武汉大学联合研究组利用弛豫晶界大幅提升纳米晶高温合金的抗蠕变性能；中科院上海药物所首次揭示强效镇痛药芬太尼和吗啡作用机理的结构基础……基于国际科技创新中心网络服务平台科创热榜每日榜单形成的一周科技记忆，我们推出《一周前沿科技盘点》专栏。今天，为大家带来第二十二期。

1.《Nature》｜科学家成功克隆野生玉米变异基因 有效提高玉米蛋白含量

野生玉米THP9提高玉米蛋白含量和氮素高效利用效率

早前研究发现，普通玉米自交系蛋白含量约为10%，而玉米祖先野生玉米在未施加氮肥条件下种子蛋白含量达30%。为了挖掘控制野生玉米高蛋白的优良变异基因，中科院巫永睿团队与上海师大王文琴团队合作，从野生玉米中成功克隆了控制玉米高蛋白品质形成和氮素高效利用的关键变异基因Teosinte High Protein 9 (THP9)。

研究组采用三代测序技术和三维基因组相结合的策略，摸索并拼装出既杂合又复杂的野生玉米单倍体基因组，用于野生玉米高蛋白基因的定位和克隆。科研人员连续创制了超过10代的遗传材料，构建出野生玉米和普通玉米自交系B73的高世代近等基因系群体。

在这一过程中，研究组提取了超过4万个样本的DNA进行基因型鉴定，测定了超过2万个样本的蛋白含量进行表型分析，并进行了3次大规模高蛋白遗传群体的测序以及精细的图位克隆，最终在野生玉米中克隆到首个控制玉米高蛋白含量的主效基因THP9。

2.《Science》｜晶界弛豫可大幅提升纳米晶高温合金的抗蠕变性能

具有弛豫晶界的纳米晶MP35N合金的蠕变性能，及其与其它牌号高温合金性能对比

晶界一直被普遍认为在高温下是合金抗蠕变的“短板”。如何有效提升热-力-时间耦合作用下晶界的结构稳定性，进而抑制晶界高温软化和扩散蠕变成为发展高性能高温合金的主要瓶颈之一。

为此，中科院金属研究所与武汉大学合作，在这一科学难题研究上取得重要突破。研究团队利用自主研发的特种塑性变形技术，在一种商用单相高温合金Ni-Co-Cr-Mo中将晶粒细化至9nm，晶界结构发生明显弛豫。研究发现，弛豫态晶界在热及热/力耦合下均保持稳定，大幅提升了高温合金的高温强度、高温蠕变等关键力学性能。该结构在700摄氏度、1GPa应力下的蠕变速率可低至10-7s-1，显著优于目前常用多晶高温合金以及单晶高温合金的性能。这是由于弛豫晶界可有效抑制晶界扩散，阻碍了高温下晶界迁移、晶界滑动、晶界扩散蠕变等失稳机制的启动，从而保持了晶界的强化作用。

此外这种晶界弛豫纳米晶高温合金可大幅降低对合金元素的依赖，为高性能高温合金的可持续发展开辟了一条新路。

3.《Cell》｜上海药物所揭示强效镇痛药芬太尼和吗啡作用机理的结构基础

不同化学结构阿片类药物结合人源μOR的结构

作为“阿片危机”的主要产生因素以及目前临床仍在使用的一个强效镇痛药物，芬太尼与其受体μOR相互作用的分子机制长期处于未知状态，阐明相关分子机制对于合理设计更为安全且高效的芬太尼衍生物类镇痛药意义重大。

近日，中科院上海药物所徐华强、庄友文团队、谢欣团队和王明伟团队等合作，解析了芬太尼、吗啡及Oliceridine等阿片类镇痛药物分别激活μ型阿片受体（μOR）的高分辨率三维结构，首次揭示了芬太尼和吗啡识别并激活μOR的作用机制。该研究进一步结合多种细胞水平功能分析和分子动力学模拟等方法，阐明了芬太尼系列衍生物与药靶μOR相互作用的构效关系以及μOR介导阻遏蛋白信号的关键结构基础等，系统地发掘和深化了对于μOR信号传导调控机理的理解和认识，为推动开发新型高效低毒的阿片类镇痛药物指明了方向。

4.《PNAS》｜高山倭蛙皮肤适应强紫外环境的分子机制

高山倭蛙皮肤抵御紫外辐射的分子调控网络 

近日，中科院昆明动物研究所车静课题组在前期研究基础上，联合国内外5个研究团队，以活动在海拔4500米左右的高山倭蛙为主要研究对象，采用整合生物学的分析方法，通过与其低海拔近缘物种双团棘胸蛙和棘胸蛙的比较，揭示了高山倭蛙皮肤适应高海拔强紫外环境的分子调控机制。 

生理实验结果表明，紫外照射后，高山倭蛙相对于低海拔近缘种皮肤的损伤程度较小，具有更快速清除自由基的能力。代谢组数据显示紫外照射后，高山倭蛙相较于棘胸蛙皮肤，分泌较多的与抗氧化、抗炎症、损伤修复等相关的代谢物，提示高山倭蛙演化出了高效的抵御紫外辐射及修复紫外损伤的策略。 

时序转录组学分析显示，免疫反应、炎症及抗氧化、热激反应、细胞周期调节等不同应答功能通路呈现出交替的时序表达差异，表明了高山倭蛙在强紫外环境下，多系统表达互作，协同实现紫外抵御。

该研究结果不仅有助于理解自然环境下生物对紫外环境的适应抵御策略，也对人类皮肤方面的医学健康具有重要的参考和应用价值。 

5.《Nano Today》｜西安交大在非易失性磁性调控领域取得新进展

图a为测试方法示意图、器件结构PN-Si/Ta/CoFeB/Cu示意图与截面TEM

图b为不同光强下Ta作为插层结构的磁化强度变化

图c为在开光/关光下的自旋态非易失性变化

通过对电子自旋属性的调控将逻辑运算和高密度信息存储相结合，是电子信息领域的重大关键技术。然而，传统的电流驱动自旋翻转不可避免地存在高温发热问题。

为此，西安交大电信学部刘明教授团队开发了光伏/铁磁异质结，引入中间缓冲层，实现了自然光对自旋翻转的非易失性调控。当Ta为中间层时，饱和磁化强度降低了8.3%并且展现出非易失性。这是由于Ta原子5d电子轨道具有更高的能级，会导致部分光电子停留在铁磁层中，从而实现器件的三重自旋态变化。

这一设计为下一代具有快速响应和低能耗的自旋电子器件拓宽了视野与思路，对新型光伏自旋电子器件应用提供重要思路与指导意义。

6.《Nature Communications 》｜清华大学在机器学习增强的石墨烯水诱导发电及功能应用上取得进展

2D-WEG石墨烯水诱导发电机研究成果示意及效果图

水诱导发电机是一种新型的清洁能源材料技术，然而，水与纳米材料相互作用产生电能过程受到纳米级通道结构、规模集成度、多重材料参数等的耦合影响，阻碍了发电机性能提升。

为此，清华大学化学系曲良体、程虎虎团队利用旋转冷冻工艺，制备了具有长程有序二维通道结构的石墨烯水诱导发电机（2D-WEG），将大规模二维孔道有序集成，通过与水相互作用直接产生电能。同时，基于WEG发电器件的发电原理与流动电势的相似性，研究者开发了基于迁移学习技术的性能优化框架，其能够使用小规模的实验数据和大规模的流动电势数据，实现发电性能的准确预测，并利用差分进化算法实现多个参数的耦合优化，最终，构建了一系列具有不同发电行为的高性能水诱导发电机WEG，实现了水诱导发电机的定制化开发。

此外，研究团队开发的2D-WEG器件优异的力学性能使得其在不同的拉伸和弯曲变形下均能保持性能稳定，研究者还展示了所开发的水流诱导发电器件驱动LED阵列、科学计算器、电子墨水屏等多种商用电子器件的应用场景。