2021年是“十四五”開局之年。這一年，上海在基礎(chǔ)前沿領(lǐng)域奮勇爭先，制定發(fā)布了《上海市人民政府關(guān)于加快推動基礎(chǔ)研究高質(zhì)量發(fā)展的若干意見》，積極探索實施改革舉措，全力營造更好環(huán)境，支持科研人員心無旁騖開展研究。這一年，我們見證了一系列重大創(chuàng)新成果在上海誕生。上海科技整理了其中的部分成果，快來看看吧！

破解豆科植物結(jié)瘤固氮之謎　　

　　完成單位：中科院分子植物科學(xué)卓越中心

豆科植物-根瘤菌共生固氮，大大降低了豆科植物對化肥的依賴性。但“為什么豆科植物能結(jié)瘤固氮”是個百年未解之謎。中科院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王二濤團隊首次揭示皮層細胞獲得SHR-SCR干細胞程序是豆科植物區(qū)別于其他植物、擁有根瘤器官形成和共生固氮能力的決定性節(jié)點。該研究成功通過SHR-SCR干細胞程序賦予非豆科植物水稻等根系皮層細胞分裂的能力，是非豆科植物結(jié)瘤固氮領(lǐng)域的重大突破，為提高豆科植物固氮效率和推進非豆科植物共生固氮改造、有效降低農(nóng)業(yè)化肥使用和綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)。該成果于2021年1月在《自然》發(fā)表，受F1000推薦，并被Nature Plants, Science Bulletin, Molecular Plant等期刊專評。

　　揭示基因轉(zhuǎn)錄起始超級復(fù)合物組裝機制　　

　　完成單位：復(fù)旦大學(xué)

幾乎所有轉(zhuǎn)錄因子及轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子都是通過作用在PIC-Mediator復(fù)合物上激活轉(zhuǎn)錄起始，對其進行結(jié)構(gòu)解析和功能闡釋是分子生物學(xué)領(lǐng)域幾十年來的難題和期待。今年，復(fù)旦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究院/附屬腫瘤醫(yī)院徐彥輝教授團隊在這一領(lǐng)域連續(xù)取得突破。4月在《科學(xué)》上報道了包含轉(zhuǎn)錄因子TFIID（一種多蛋白復(fù)合物）的轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物結(jié)構(gòu)，揭示了基因啟動子識別及PIC（以RNA聚合酶II為核心的轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物）裝配的動態(tài)過程，該工作一經(jīng)發(fā)表就得到了國內(nèi)外廣大同行的高度認(rèn)可。5月再度在《科學(xué)》上長文發(fā)表了首個結(jié)構(gòu)與功能完整的PIC-Mediator復(fù)合物，揭示了PIC-Mediator的動態(tài)組裝過程以及Mediator調(diào)控Pol II CTD磷酸化的分子機制。這兩篇關(guān)于PIC的研究論文前后呼應(yīng)，所揭示的結(jié)構(gòu)及其功能關(guān)聯(lián)性對后續(xù)的轉(zhuǎn)錄機制研究具有重要的指導(dǎo)意義。權(quán)威專家評價稱，這項工作較全面地回答了轉(zhuǎn)錄起始過程的若干重要科學(xué)問題，是國內(nèi)分子生物學(xué)領(lǐng)域的又一重大突破性成果。

　　首次確定內(nèi)源性谷氨酸能遞質(zhì)系統(tǒng)　　

　　完成單位：同濟大學(xué)

作為興奮性遞質(zhì)系統(tǒng)，谷氨酸能遞質(zhì)系統(tǒng)控制神經(jīng)元的興奮性和傳導(dǎo)性。鑒于心房沒有與心室相似的明確的解剖傳導(dǎo)系統(tǒng)，研究人員假設(shè)某些信號傳導(dǎo)劑可能在心房心肌的電傳導(dǎo)傳導(dǎo)中起補償作用。同濟大學(xué)陳義漢院士團隊的研究證明心房心肌細胞具有內(nèi)在的谷氨酸能遞質(zhì)系統(tǒng)，該系統(tǒng)調(diào)節(jié)動作電位的產(chǎn)生和傳播，進而直接調(diào)節(jié)心房心肌細胞的興奮性和傳導(dǎo)性。上述發(fā)現(xiàn)在人誘導(dǎo)的多能干細胞衍生的心房心肌細胞、人心房心肌組織和人心房心肌細胞中得到了部分驗證。該系統(tǒng)的操縱可能會為心律不齊的治療干預(yù)開辟潛在的新途徑。該成果發(fā)表在《細胞研究》（Cell Research,2021,31(9):951-964）。

　　發(fā)現(xiàn)特殊DNA的合成機制　　

　　完成單位：上?？萍即髮W(xué)

上海科技大學(xué)趙素文團隊和國內(nèi)外研究伙伴合作，解析了一種特殊DNA的合成機制，并發(fā)現(xiàn)一種遍布全球的、能感染細菌的病毒（噬菌體）都含有這種DNA。這項重大發(fā)現(xiàn)對生命起源、物種進化、系統(tǒng)生物學(xué)的研究具有重要理論意義，具有廣闊的潛在應(yīng)用價值，包括治療超級耐藥菌感染、新型納米材料制備、DNA信息存貯等。相關(guān)成果于4月30日在國際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上發(fā)表。這種特殊DNA合成機制能夠?qū)崿F(xiàn)低成本量產(chǎn)，在新材料、信息存儲、抗超級耐藥菌等多領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。

　　系統(tǒng)揭示豆科物種起源分化及共生演化假說　　

　　完成單位：復(fù)旦大學(xué)

復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院黃建勛副研究員團隊聯(lián)合美國賓夕法尼亞州立大學(xué)馬紅教授、中科院昆明植物所伊廷雙研究員于2021年5月以封面文章的形式在植物科學(xué)領(lǐng)域國際頂級期刊《分子植物》上發(fā)表研究，揭示了豆科物種的起源分化、基因組多倍化以及根瘤菌固氮共生演化假說。在該項豆科植物系統(tǒng)進化研究中，新獲得了391個豆科物種的七百多萬核基因轉(zhuǎn)錄本的序列數(shù)據(jù)，結(jié)合其他已發(fā)表基因序列數(shù)據(jù)集，覆蓋了豆科所有的6個亞科59個族或相當(dāng)支系的共計463個種，得到了高支持度的豆科系統(tǒng)樹，解決了一些長期存在爭議或者懸而未決的豆科植物系統(tǒng)關(guān)系，在豆科中鑒定到28次全基因組二倍化或者三倍化事件，發(fā)現(xiàn)豆科植物早期全基因組復(fù)制事件可能為穩(wěn)定有效的固氮根瘤提供豐富的遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)，為一系列生理、生態(tài)性狀的衍生提供了內(nèi)在條件，為了解新生代物種多樣性提供了重要視角。

　　

　　神經(jīng)精神領(lǐng)域藥物靶標(biāo)結(jié)構(gòu)解析接連取得重大突破　　

　　完成單位：中科院上海藥物研究所

多巴胺、五羥色胺受體是帕金森氏癥、抑郁癥、精神分裂癥、偏頭痛等多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病藥物的重要靶標(biāo)，涉及學(xué)習(xí)、記憶、情緒以及疼痛感知等功能的代謝型谷氨酸受體，是阿爾茲海默癥和精神分裂癥等疾病的治療靶標(biāo)。徐華強研究組、吳蓓麗研究組、趙強研究組、王明偉研究組、柳紅研究組通過解析多巴胺受體D1R、D2R和D3R三個亞型共8個近原子分辨率結(jié)構(gòu)，五羥色胺受體1A、1D、1E和1F四個亞型共6個結(jié)構(gòu)，解決了該兩類受體與配體結(jié)合選擇性，以及五羥色胺受體脂質(zhì)調(diào)節(jié)機制、本底激活機制等重大科學(xué)問題；通過解析多種人源代謝型谷氨酸受體處于不同功能和不同二聚化狀態(tài)下的三維結(jié)構(gòu)，以及此基礎(chǔ)上系統(tǒng)的功能研究，首次對代謝型谷氨酸受體從非活化到完全活化狀態(tài)精細構(gòu)象變化過程的全面闡釋，并揭示了其同源和異源二聚體復(fù)雜的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)模式，為深入認(rèn)識該類受體在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的功能調(diào)控機理提供了重要的依據(jù)。上述研究陸續(xù)發(fā)表于《自然》、《細胞》等期刊，為設(shè)計療效好、副作用低的神經(jīng)精神類疾病藥物奠定了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

代謝型谷氨酸受體結(jié)構(gòu)示意圖

　　小型化自由電子激光研究　　

　　完成單位：中科院上海光學(xué)精密機械研究所

上海光機所的強場物理國家重點實驗室研究團隊利用自行研制的具有國際領(lǐng)先綜合性能的超強超短激光裝置，在基于激光加速器的小型化自由電子激光研究方面取得突破性進展。研究團隊通過顯著提升激光尾波場加速的電子束品質(zhì)，并結(jié)合創(chuàng)新設(shè)計的緊湊型束流傳輸與輻射系統(tǒng)，經(jīng)過10余年來團隊的共同努力，首次實現(xiàn)了基于激光加速器的自由電子激光放大輸出，典型激光波長27納米，最短激光波長可達10納米級，單脈沖能量可達100納焦級，率先在國際上完成了臺式化自由電子激光原理的實驗驗證，對于發(fā)展小型化、低成本自由電子激光器具有重大意義。相關(guān)成果成果于2021年7月22日作為封面文章發(fā)表于《自然》期刊。

　　

　　顛覆纖維鋰離子電池內(nèi)阻傳統(tǒng)認(rèn)知　　

　　完成單位：復(fù)旦大學(xué)

如何通過設(shè)計新結(jié)構(gòu)如創(chuàng)建纖維鋰離子電池，滿足電子產(chǎn)品高度集成化和柔性化發(fā)展要求，是鋰離子電池領(lǐng)域面臨的一個重大挑戰(zhàn)。長期以來有個共識：纖維鋰離子電池內(nèi)阻隨長度增加而顯著增大，導(dǎo)致無法實現(xiàn)其高性能化與應(yīng)用。復(fù)旦大學(xué)彭慧勝團隊顛覆了上述傳統(tǒng)認(rèn)知，發(fā)現(xiàn)纖維鋰離子電池內(nèi)阻與長度之間獨特的雙曲余切函數(shù)關(guān)系（即內(nèi)阻隨長度增加并不增大，反而先下降后趨于穩(wěn)定），提供了纖維鋰離子電池發(fā)展的理論基礎(chǔ)。構(gòu)建的纖維鋰離子電池，能量密度較過去提升了近2個數(shù)量級，在柔性電池領(lǐng)域開拓出一個新方向。該成果于2021年發(fā)表在《自然》上，被評述為“纖維鋰離子電池領(lǐng)域的一個里程碑”，被美國化學(xué)會Chemical & Engineering News評為2021年度全球10項“頂尖化學(xué)研究成果”。

　　證明鏡像對稱中的一個重要猜想　　

　　完成單位：復(fù)旦大學(xué)

　　

鏡像對稱是近三十年受數(shù)學(xué)物理沖擊而興起的一個數(shù)學(xué)分支。在數(shù)學(xué)上，鏡像對稱預(yù)言Calabi-Yau三維流形中虧格0曲線的計數(shù)可以與其鏡像流形上的周期積分相等同。對高虧格曲線的計數(shù)，即成為數(shù)學(xué)上的Gromov-Witten不變量。著名物理學(xué)家Vafa和他的合作者Bershadsky-Cecotti-Ooguri通過使用拓撲弦的費曼路徑積分，發(fā)現(xiàn)了一系列關(guān)于高虧格Gromov-Witten不變量必須滿足的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，并預(yù)示高虧格勢函數(shù)應(yīng)該具有某種有限生成性質(zhì)，以及可控的初始條件。對于五次超曲面這一典型Calabi-Yau三維流形，基于BCOV理論Yamaguchi-Yau給出了一個更為精確的數(shù)學(xué)描述，稱為多項式結(jié)構(gòu)猜想。復(fù)旦大學(xué)李駿、郭帥、張懷良團隊的文章通過使用他們建立的NMSP理論，在數(shù)學(xué)上對五次超曲面實現(xiàn)了BCOV猜想的有限生成性質(zhì)和有限初始條件，完成了證明Yamaguchi-Yau多項式結(jié)構(gòu)猜想。該成果發(fā)表于國際頂尖數(shù)學(xué)期刊《數(shù)學(xué)年刊》。

　　首次在超導(dǎo)體系實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”　　

　　完成單位：上海量子科學(xué)研究中心，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)

祖沖之號是我國自主研制的超導(dǎo)量子計算系統(tǒng)，包含了形成二維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的62個超導(dǎo)量子比特，通過全棧式開發(fā)超導(dǎo)量子比特芯片及配套軟硬件控制系統(tǒng)，在該原型機上實現(xiàn)了二維量子行走的實驗研究，為進行更進一步的量子模擬、量子算法、量子優(yōu)越性展示等應(yīng)用開辟了一條新的道路，展示了我國在超導(dǎo)量子計算領(lǐng)域躋身世界先進水平的強勁實力。祖沖之號由上海量子科學(xué)研究中心、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)雙聘的科學(xué)家團隊完成，得到了上海市級科技重大專項的大力支持。2021年10月25日，團隊又成功構(gòu)建了66比特可編程超導(dǎo)量子計算原型機“祖沖之二號”。根據(jù)現(xiàn)有理論，“祖沖之二號”處理的量子隨機線路取樣問題的速度比目前最快的超級計算機快7個數(shù)量級，計算復(fù)雜度比谷歌公開報道的53比特超導(dǎo)量子計算原型機“懸鈴木”提高了6個數(shù)量級，使得我國首次在超導(dǎo)體系達到了“量子計算優(yōu)越性”里程碑。

　　

　　超導(dǎo)體中首次實現(xiàn)分段費米面　　

　　完成單位：上海交通大學(xué)

是否擁有費米面決定了固體材料的電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)等各種關(guān)鍵物性，普通超導(dǎo)體沒有費米面。早在1965年，理論預(yù)言超導(dǎo)體中如果庫珀對的動量足夠大，就能產(chǎn)生出一種特殊的“分段費米面”，但由于普通超導(dǎo)體庫珀對動量很大時會破壞超導(dǎo)電性，因此該預(yù)言一直未被證實。上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院鄭浩、賈金鋒團隊設(shè)計、制備了Bi2Te3/NbSe2超導(dǎo)體系，利用Bi2Te3拓撲表面態(tài)費米速度大的優(yōu)勢，用很弱的水平磁場在NbSe2上產(chǎn)生較小的超導(dǎo)電流，但在Bi2Te3中產(chǎn)生足夠大的庫珀對動量，從而巧妙地解決了長久以來的困難，首次在超導(dǎo)體中實現(xiàn)分段費米面。該工作開辟了調(diào)控物態(tài)、構(gòu)建拓撲超導(dǎo)的新思路。該成果發(fā)表于《科學(xué)》。

　　單質(zhì)新原理開關(guān)器件　　

　　完成單位：中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所

大數(shù)據(jù)信息時代急需海量高速存儲技術(shù)。三維相變存儲器是目前最成熟的新型存儲技術(shù)，其核心是開關(guān)單元和存儲單元，商用的開關(guān)器件組分復(fù)雜、毒性大，制約存儲密度的進一步提升。針對以上問題，中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所宋志棠、朱敏團隊在Science (2021, 374, 1390) 上提出一種單質(zhì)新原理開關(guān)器件：該器件通過單質(zhì)Te與電極產(chǎn)生的高肖特基勢壘降低了器件在關(guān)態(tài)的漏電流，而單質(zhì)Te晶態(tài)（半導(dǎo)體）到液態(tài)（類金屬）轉(zhuǎn)變時肖特基結(jié)消失、產(chǎn)生類金屬的大開態(tài)電流。單質(zhì)Te器件基于晶態(tài)-液態(tài)新開關(guān)機理，不同于傳統(tǒng)晶體管，是一種全新的開關(guān)器件，Science同期評論是“前所未有的新成果，為三維高密度存儲芯片提供了新方案”。

單質(zhì)Te開關(guān)器件結(jié)構(gòu)與性能

單質(zhì)Te器件新型開關(guān)機理：晶態(tài)-液態(tài)-晶態(tài)轉(zhuǎn)變

　　電卡制冷效應(yīng)工程應(yīng)用瓶頸獲突破　　

　　完成單位：上海交通大學(xué)

電卡制冷系統(tǒng)使用介電電容制冷，電能損耗小、能效高，具有零溫室效應(yīng)潛能、易于小型化/輕量化等特點，是實現(xiàn)雙碳目標(biāo)的前瞻技術(shù)之一。然而，目前最優(yōu)的制冷電介質(zhì)仍需極高外加電場，極易造成材料老化與擊穿，如何提升材料在低電場下的電致熵變是應(yīng)用領(lǐng)域亟需攻克的重大難題。12月23日，上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院錢小石率領(lǐng)跨學(xué)科交叉研究團隊在上海市自然科學(xué)基金首屆原創(chuàng)探索項目的支持下，通過精巧設(shè)計分子缺陷調(diào)控，制備了一種極化高熵高分子，顯著提高低電場下的巨電卡效應(yīng)，在較低外加電場（50 MVm-1）的驅(qū)動下，電卡效應(yīng)是目前最優(yōu)制冷高分子的近4倍，并首次將循環(huán)壽命提高至逾百萬次。相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然》，這是我國科研單位首次在《自然》發(fā)表以電卡制冷為主題的論文。

　　解析指紋花紋背后的基因　　

　　完成單位：復(fù)旦大學(xué)、中科院上海營養(yǎng)與健康研究所

中科院上海營養(yǎng)與健康研究所汪思佳研究員團隊、愛丁堡大學(xué)Denis Headon教授團隊和復(fù)旦大學(xué)金力院士團隊聯(lián)合國內(nèi)外十余家科研機構(gòu)對此展開深入研究，通過對較大樣本人群的分析，精確量化了多種族群體的指紋花紋，經(jīng)分析幾百萬遺傳位點和指紋花紋之間的關(guān)系后指出，人類肢體發(fā)育相關(guān)基因在指紋花紋表型的形成中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，有望為研究通過膚紋表型實現(xiàn)特定疾病的早期識別與篩查提供新思路。2022年1月7日，相關(guān)研究成果以《肢體發(fā)育基因構(gòu)成人類指紋花紋差異的基礎(chǔ)》為題發(fā)表于2022年第一期《細胞》。