科学家发现家牛杂种优势预测新标记

杂交育种技术广泛应用于农业生产领域。这一技术通过引入遗传关系较远的亲本开展杂交，在杂交后代中实现优于亲本的生产性能。然而，杂种优势的遗传机制复杂，优势预测是亟待突破的技术。同时，杂交育种需要克服和排除杂种劣势的影响。 动物细胞中的线粒体DNA（mtDNA）和核基因组遵循不同的遗传模式。线粒体与细胞核之间的相互作用是维持线粒体功能的关键。远缘物种之间的杂交干扰杂交子代中mtDNA与核基因组之间的相互作用，影响线粒体电子传递呼吸链的组装与功能，导致繁殖力、生产性能、生长发育、环境适应能力下降等杂交劣势现象，表现为核质不兼容。目前，协调杂交后代的mtDNA与核基因组之间的匹配是进化生物学研究领域的热点。 中国科学院院士、昆明动物研究所研究员张亚平团队联合国内外畜牧研究团队，选取家牛杂交育种广泛采用的普通牛和瘤牛杂交体系为研究对象，以核质互作为切入视角，分析了近1000份家牛基因组数据，揭示了杂交群体中mtDNA与核基因组相互作用的动态规律。研究发现，在非洲杂交家牛群体中，mtDNA全部来自普通牛，核基因组主要来自瘤牛，表现为mtDNA与核基因组明显不匹配。研究显示，选择作用不断清除非洲家牛核基因组中的普通牛组分，增加了mtDNA与核基因组之间不匹配程度，减弱了核质互作，或对线粒体的组装与功能产生不利影响。同时，研究发现，选择作用通过富集瘤牛组分，影响线粒体相关的基因表达，提升线粒体拷贝数，改善线粒体功能并缓解和补偿削弱的线粒体-细胞核相互作用。 该研究提出了核质互作进化中通过改变线粒体数量的新型核基因补偿机制，表明mtDNA拷贝数可作为预测杂交优势或劣势的新型分子标记。 相关研究成果以Selection increases mitonuclear DNA discordance but reconciles incompatibility in African cattle为题，发表在《分子生物学与进化》（Molecular BiologyEvolution）上。研究工作得到国家自然科学基金委员会、科学技术部和中国科学院的支持。 论文链接：https://academic.oup.com/mbe/advance-article/doi/10.1093/molbev/msaf039/8005707?login=true 核补偿机制通过调控核基因的表达水平缓解核质不相容 家牛群体mtDNA拷贝数的动态变化规律，可作为杂种优势预测的新型分子标记

研究揭示杏仁核皮质区在塑造社会交往中的关键作用

攻击行为在进化中是一种保守行为，有助于动物保护有价值的资源，如食物、领土、配偶和幼崽等。通常，攻击行为由欲求阶段和满欲阶段组成。小鼠中，欲求阶段涉及接近和探嗅目标动物，而满欲阶段涉及一系列运动行为如咬、踢或摔跤。先前研究已确定下丘脑、僵核、后侧杏仁核和后侧无名质等几个脑区的调控影响攻击行为，但攻击行为的欲求阶段和满欲阶段之间过渡的神经机制尚无报道。 2月12日，中国科学院生物物理研究所李龙研究组与美国西奈山伊坎医学院Scott Russo课题组，在《自然》（Nature）上，发表了题为A crucial role for the cortical amygdala in shaping social encounters的研究论文。该研究揭示了杏仁核皮质区雌激素受体α神经元在调控攻击行为和亲社会行为之间的转变中的重要作用。 该研究利用Swiss-Webster小鼠品系，通过“居民-入侵者”行为范式，筛选出一些高攻击性小鼠和无攻击性小鼠。进一步，研究建立了一套新型检测攻击欲望和攻击奖赏的行为范式，利用改造过的斯金纳箱训练小鼠学会按压杠杆，打开一道电动门，得到攻击其他小鼠的机会并对目标小鼠实施攻击。研究发现，Swiss-Webster小鼠热衷于上述操作，提示其具有极强的攻击欲望，且该攻击欲望得到满足后会形成明显的攻击奖赏加强，具体表现为按压杠杆频率急速增加、实施攻击的潜伏期迅速降低以及攻击时间明显增长。 该研究采用全脑透明化技术和c-Fos神经元标记方法，分析出在攻击行为中可能发挥关键作用的核团-后外侧杏仁核皮质区（COApl）。荧光原位杂交实验及光纤记录神经元活动发现，COApl中表达的雌激素受体α神经元（COAplEsr1）在雄性小鼠中表征了攻击行为的欲求阶段和满欲阶段之间的过渡。 上述研究表明，在具有攻击性的雄性小鼠中，COAplEsr1神经元能够特异性响应社交信息刺激并促进攻击行为发生。 论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08540-4 左图：攻击奖赏训练范式；右图：调控COAplEsr1神经元导致攻击能力降低，社交行为增加

【科技日报】水下中微子望远镜探测器单元样机布放任务完成

记者2月5日从中国科学院高能物理研究所获悉，来自该所、中国海洋大学和中国科学院声学研究所等单位的科研人员，日前在南海顺利完成高能水下中微子望远镜（HUNT）探测器单元样机的布放任务。这些探测器单元样机被精准投放至1600米水深处的预定点位，并接入国家重大科技基础设施海底科学观测网—南海海底观测子网的电路与网络系统，实现稳定正常运行。 高能水下中微子望远镜的构想由中国科学院高能所科研团队提出，计划建在千米以下的水底，旨在探测能量在十万亿电子伏特以上的中微子。中国科学院高能物理研究所科研团队原创设计了探测器单元方案，历时两年成功研发新型探测器单元，并于2024年3月在贝加尔湖布放12个探测器单元样机，完成实地论证。此次布放的探测器设备包括4个新型探测器单元和1个LED光源刻度单元等。 “此次全尺寸探测器单元样机在我国南海的投放工作，为高能水下中微子望远镜项目在我国南海的预研筑牢了根基，也为今年样机阵列的实施提供了有力技术支撑。”中国科学院高能物理研究所研究员陈明君说，“高能水下中微子望远镜探测器样机阵列将覆盖约600平方公里海域，预期两年内观测到中微子天体点源，十年内发现数十个中微子天体，从而引领中微子天文学发展。” （原载于《科技日报》 2025-02-11 第05版）

新型单细胞谱系追踪技术问世

近日，中国科学院广州生物医药与健康研究院彭广敦研究团队开发出新型单细胞谱系示踪技术（DuTracer）。这一技术通过巧妙结合CRISPR-Cas9和Cas12a两种基因编辑工具，提升了细胞谱系追踪的精度和深度，为解析胚胎发育、器官再生和疾病机制提供了新工具。相关研究成果发表在《细胞报告》（Cell Reports）上。 生物学中，细胞谱系示踪类似于绘制细胞家族树，来追溯细胞从起源到分化的完整历程。传统方法因技术限制致使信息记录不全，而基于CRISPR的基因编辑技术提高了分辨率，却存在靶点间大片段删除难题，如同在记录家族历史时丢失关键代际信息。   DuTracer的创新之处在于同时利用Cas9和Cas12a两种核酸酶，并通过控制它们的激活时间，避免多靶点同时编辑引发的干扰。实验显示，该技术在小鼠胚胎干细胞和类器官模型中降低了90%以上的有害删除事件，且记录的细胞分裂层级更深，能够更精准地还原细胞分化路径。 该研究在HEK293T细胞和小鼠胚胎类器官中验证了DuTracer的性能。结果显示，该技术能够清晰区分心脏细胞的不同起源如第一心域和第二心域，并可以揭示神经中胚层前体细胞的分化偏好性。 DuTracer为单细胞水平的谱系追踪设立了新标准。同时，这一技术适用于胚胎发育研究，并有望用于解析癌症转移、器官再生等复杂过程。 研究工作得到国家重点研发计划和国家自然科学基金等的支持。 论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211124724014566 DuTracer设计及其在类器官中的应用示意图

研究破解耳蜗听觉毛细胞发育“基因密码”

1月31日，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心刘志勇研究组在《科学》（Science）上在线发表了题为Casz1 is required for both inner hair cell fate stabilizationouter hair cell survival的研究论文。该研究报道了锌指转录因子Casz1在听觉毛细胞命运稳定与生存维持中的双重作用，解析了Casz1发挥功能的分子机制，为研究基因操纵修复听觉损伤提供了新的思路和靶点。 哺乳动物的声音感知依赖于耳蜗中的内毛细胞和外毛细胞两类听觉毛细胞。它们顶部均具有纤毛结构，声音振动使纤毛发生偏转并激活外毛细胞和内毛细胞。其中，外毛细胞通过改变其细胞长度以发挥声音放大器的作用；内毛细胞则是主要的声音感受细胞，与螺旋神经节形成突触连接。全球约有1/5人群受到不同程度听力损伤，遗传突变、噪音和耳毒性药物等导致的听觉毛细胞死亡是感音性耳聋的重要因素之一。然而，哺乳类动物不具备再生修复听觉毛细胞的能力。因此，研究外毛细胞和内毛细胞命运决定和维持存活的分子机制，对帮助耳聋患者恢复听觉功能具有重要的临床意义。 近年来的研究发现，Tbx2是内毛细胞命运决定、分化和命运维持的关键转录因子，而Insm1和Ikzf2对于外毛细胞的命运维持、存活和功能至关重要。当前，耳蜗前体细胞最终如何发育为外毛细胞和内毛细胞的精确基因调控网络尚不清楚。该团队分析了外毛细胞和内毛细胞的显著差异表达基因，发现了物种间保守的锌指转录因子Casz1。Casz1在胚胎晚期至成年内毛细胞中一直高表达，却只在胚胎晚期和幼年期外毛细胞中瞬时表达。 该研究通过分析条件性Casz1敲除小鼠发现，在胚胎期缺失Casz1后，内毛细胞可以正常产生，但其细胞命运状态变得不稳定，开始表达外毛细胞基因并逐步下调内毛细胞基因，完成内毛细胞向外毛细胞的命运转变，产生一类外毛细胞样细胞。同时，研究显示，出生后条件性敲除Casz1，内毛细胞发育不受影响或影响甚微。这表明，Casz1的核心作用在于胚胎阶段，如同“守护者”一般，确保内毛细胞命运不偏离轨道，防止其转变为外毛细胞。在外毛细胞中，Casz1的主要任务是维持内毛细胞存活，发挥着不同作用。尽管失去Casz1的外毛细胞能够完成早期发育，但随着小鼠成长至成年，这些细胞开始死亡。由于外毛细胞和内毛细胞异常，条件性Casz1敲除小鼠表现出严重的听力障碍。 为探讨Casz1调控听觉毛细胞发育的分子机制，该研究借助全长单细胞转录组分析技术，解析缺失Casz1后外毛细胞和内毛细胞的基因表达变化。进一步，研究通过遗传学回补实验确认转录因子Gata3是Casz1的重要下游效应分子。研究显示，Gata3在Casz1-/-内毛细胞中显著下降，在Casz1-/-小鼠中回补Gata3, 可抑制Casz1-/-内毛细胞的异常和缓解外毛细胞的死亡表型，实现Casz1-/-小鼠听觉功能的部分恢复。 研究发现，Tbx2在内毛细胞分化中发挥重要作用，而Insm1在外毛细胞分化早期发挥作用。因此，研究通过小鼠体内遗传学实验证明，Tbx2对Casz1发挥上位调控作用，过表达Tbx2能够彻底阻止Casz1-/-内毛细胞向外毛细胞转分化。进而，研究表明，Casz1-/-内毛细胞向外毛细胞转变的过程不依赖于Insm1，提示Casz1敲除介导的内毛细胞向外毛细胞的转分化过程不一定完全重复外毛细胞正常的发育轨迹。 该团队通过单细胞转录组、电生理记录、电镜、细胞功能分析和小鼠遗传学模型等技术，首次解析了Casz1在听觉毛细胞中的双重作用，揭示了Tbx2-Casz1-Gata3转录调控通路参与早期内毛细胞的命运稳定，发现了Casz1在纤毛发育和外毛细胞存活中重要作用。这一成果为基础听觉科学研究领域增添了重要一环，为未来促进听觉毛细胞再生与纤毛功能恢复提供了潜在基因靶点，有望推动听觉毛细胞损伤基因治疗领域的发展，为听力障碍患者带来治疗新思路。 研究工作得到科学技术部、国家自然科学基金委员会、中国科学院及上海市的支持。 论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado4930                                                                         耳蜗听觉上皮柯蒂式器及纤毛结构 Casz1在耳蜗听觉毛细胞发育中的表达特征及功能 耳蜗听觉毛细胞发育的基因调控机制示意图

全超导托卡马克装置实现亿度千秒高约束模等离子体运行

1月20日，位于合肥科学岛上的全超导托卡马克EAST装置获得重要成果，成功实现了上亿度1066秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行，再次创造了托卡马克装置高约束模运行新的世界纪录。亿度千秒量级稳态高约束模的实现，充分验证了聚变堆高约束模稳态运行的可行性，是聚变研究从基础科学研究迈向工程实践的重要进展，把聚变能源的研发进程往前推进了一大步，对聚变堆的建设和运行具有重要意义。 高约束运行模式因其效率高、经济性强，是未来聚变实验堆和工程堆稳态运行的基本模式。高约束模面临的最大挑战是高约束条件下边缘局域模引起的等离子体边缘区温度、密度台基的突然崩塌，该过程释放的强脉冲热流会导致偏滤器热负荷过载、靶板材料溅射损伤，大量杂质进入芯部等离子体引起大破裂，在实验装置上实现长脉冲稳态高约束模挑战大、难度高。正在开展的第22轮物理实验中，中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所EAST大科学团队瞄准托卡马克稳态高性能等离子体前沿物理研究，解决了等离子体芯部与边界的物理集成、等离子体与壁相互作用、高功率加热系统注入耦合、第一壁材料排热、精密控制、实时诊断、主动冷却等系列前沿物理和工程技术问题，实现了超过1亿度1066秒的高约束模等离子体运行。 EAST装置自2006年建成运行以来，等离子体运行次数超过15万次，通过开放共享的建制化管理模式，在稳态等离子体运行的工程和物理上持续保持国际引领。就长脉冲高约束模运行而言，先后跨越60秒、100秒、400秒等重要里程碑，始终不断突破自我、挑战极限，冲击更高参数的长脉冲高约束模等离子体运行。2012年实现30秒高约束模，2016年实现60秒高约束模，2017年实现101秒高约束模，2023年实现403秒高约束模，2025年实现1066秒高约束模。 世界首个全超导托卡马克装置EAST 实现亿度千秒高约束模等离子体运行

超导直线等离子体装置“赤霄”建成投入运行

1月14日，由中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所建设运行的国家重大科技基础设施“聚变堆主机关键系统”的关键子系统“偏滤器等离子体与材料相互作用研究平台”完成测试，该平台的关键设施——超导直线等离子体装置“赤霄”全面建成并开始投入运行。 经专家组现场测试，该装置最大粒子流大于10的24次方每平方米每秒，单次放电时间超过1000 秒，最高中心磁场高于3特斯拉，是目前国际上综合参数水平最高的直线等离子体装置。 偏滤器是未来聚变堆主机内部服役环境最严苛的部件，其材料在等离子体轰击下的性能演化关系着聚变堆的安全运行。超导直线等离子体装置“赤霄”能够稳定且持续产生高密度等离子体，显著提升偏滤器材料测试效率。 依托该装置科研人员能够模拟聚变堆偏滤器的严苛环境和极端条件，深入研究材料在高热流和强粒子流协同环境下的性能表现，为未来聚变堆材料的选择和部件优化提供关键可靠的数据支持。 超导直线等离子体装置“赤霄”的建成，为聚变堆壁材料及部件的研发与测试提供了世界一流的实验条件，并为国内外材料科学、等离子体物理等相关领域提供了一流研究平台。 超导直线等离子体装置

嫦娥五号玄武岩研究揭示20亿年前月球存在弱磁场

由发电机产生的月球磁场可以反映其内部结构和热状态，并能够影响月表环境。因此，研究月球磁场的变化过程可以为剖析月球演化历史提供重要约束。阿波罗时代至今的遥感数据和月表原位测量表明，月球现在不存在类似地磁场的全球性偶极磁场，但阿波罗返回样品的古强度数据以及部分磁化的月壳指示，月球可能曾有发电机磁场。已有的现代月球古强度数据集中在30亿年前，而30亿年后的阿波罗数据均来自经历过强烈冲击改造的表土角砾岩，致使部分学者质疑其记录的磁场可能受撞击影响，并使得准确限定这些角砾岩的形成年龄相对困难。目前，关于月球发电机磁场持续时间及其中晚期演化过程存在较大争议。 我国嫦娥五号任务在风暴洋区域采集了人类首批月球中纬度玄武岩样品。玄武岩受到撞击改造程度一般较小，能够代表火山喷发时的月球古磁场强度。中国科学院地质与地球物理研究所李献华团队获得的嫦娥五号玄武岩喷发年龄为~20亿年，代表迄今为止最年轻的月球玄武岩返回样品。这些年轻玄武岩为获取月球中晚期古磁场数据提供了机遇。地质地球所研究员朱日祥和副研究员蔡书慧团队，联合中国科学院国家天文台、中国地质大学（武汉）等的科研人员，对获批的9颗毫米级玄武岩岩屑样品开展了磁学分析。相关成果为认识月球发电机中晚期演化历史提供了关键约束。 针对月球返回样品稀有量少、磁信号弱等特点，该研究建立了一套适合地外微小、弱磁样品的高精度、低损耗磁学方法研究体系，为嫦娥五号及后续深空探测返回样品磁学研究提供了技术支持和保障。该研究采用多种古强度测试方法，获得了月球20亿年前可靠的发电机磁场信息。研究显示，月球在距今20亿年前存在一个较弱的发电机过程，所产生的磁场强度为~2-4 μT。这表明，20亿年前月球深部保持一定的热对流或热传导且其驱动能量可能来源于内核结晶、进动、钛铁矿堆晶下沉等过程，具有活力的月球深部可能为月球年轻火山活动贡献了一定热量。 相关研究成果作为封面文章发表在《科学进展》（Science Advances）上。《科学进展》同期刊出了美国麻省理工学院教授Benjamin P. Weiss撰写的聚焦文章。研究工作得到国家自然科学基金委员会和中国科学院的支持。 论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp3333                                                                                                 月球磁场强度演化图 嫦娥五号玄武岩样品揭示20亿年前月球存在弱的发电机磁场，指示该时期月球深部仍具有一定活力

目前国际最大超导磁体动态测试设施建成

2024年12月29日，中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所建设运行的国家重大科技基础设施“聚变堆主机关键系统”子系统“聚变工程堆中心螺管系统”完成首轮测试实验，最大测试电流达到稳态48千安，超过47千安的设计值。实验结果表明，该设施达到总储能406.7兆焦、可用测试磁体内径1500毫米、最高场强12特斯拉、接头电阻0.1纳欧，全面达到设计指标，成为目前国际尺寸最大、实验条件最完善的大型超导磁体动态性能测试系统。 “聚变工程堆中心螺管系统”的目标是建成大型超导磁体及实验系统，开展针对未来聚变工程堆运行工况下，超导中心螺管磁体强电磁场、高压快速变化、系统可靠性等实验，获得充分的运行工况数据。历时近10年，项目组攻克了大型聚变堆超导磁体设计、低阻超导接头、超低温磁体绝缘、失超保护、大型低温、高电流电源及快速磁场变化安全控制等多项关键科学技术问题，成功研制并建成迄今为止最大的超导磁体及测试系统，实现了超导磁体材料、设备、系统100%国产化。 后续，项目组将进一步优化系统控制，开展深入的高磁场变化率、更大电流、更高磁场、极端事故工况等科学研究。 聚变工程堆中心螺管系统的建成，能够为未来聚变堆提供良好的实验条件，并为低温、材料、凝聚态物理、超导应用等其他领域提供一流的大型测试平台。                                                                                                     超导磁体系统示意图

我国首次公开发布《中国空间站科学研究与应用进展报告》 未来将陆续开展千余项研究项目

新华社北京12月30日电（李国利、邓孟）我国于12月30日首次公开发布《中国空间站科学研究与应用进展报告》，对两年来中国空间站科学研究与应用进展进行了系统性总结，后续将根据实施进展情况按年度例行发布。 《报告》重点围绕空间生命与人体研究、微重力物理科学研究、空间新技术与应用等领域，从目前已下行样品、取得研究数据、完成在轨实验、获得突出进展的科学与应用项目中，择优遴选了34项代表性科学研究与应用成果，集中回应了社会各界对中国空间站建设发展的关切期待，全面展示了我国在空间科技领域的能力水平和创新精神，同时也为后续空间科学研究取得突破性科学机理认知、加速成果转化和取得广阔应用效益总结了有益经验。 据中国载人航天工程办公室介绍，目前，在中国空间站开展的首批空间科学、应用实验与技术试验项目进展顺利、成果丰硕，具有一定的前沿性和创新性。截至2024年12月1日，已在轨实施181项科学与应用项目，上行近2吨科学物资，下行实验样品近百种，获取科学数据超过300TB，取得了国际上首次获得空间发育的水稻和再生稻新的种质资源、国际上首次实现空间人胚胎干细胞分化为造血干/前体细胞、国际上首次实现空间微重力条件下的冷原子干涉陀螺、国际上首个建立高通量在轨微生物防控试验平台、国际上空间水生态系统在轨运行最长时间等多项开创性成果。各领域科学团队累计发表500多篇高水平SCI论文，获得150多项专利，部分成果已实现转移转化和推广应用，显著推动我国空间科学与应用快速发展。 空间站全面建成两年来，我国先后组织完成4次载人飞行、3次货运补给、4次飞船返回任务，5个航天员乘组、15人次在轨长期驻留，累计进行10次航天员出舱和多次应用载荷出舱，开展多次舱外维修任务，刷新航天员单次出舱活动时长的世界纪录，完成包括2名港澳载荷专家的第四批预备航天员选拔、低成本货物运输系统择优并启动研制等工作。目前，中国空间站在轨运行稳定、效益发挥良好。 据介绍，中国空间站作为国家太空实验室，将在今后10-15年的运营中陆续开展千余项研究项目，促进我国空间科学、空间技术、空间应用全面发展，为推动科技强国、航天强国建设作出更大贡献。