从二氧化碳到淀粉的人工合成

淀粉是粮食最主要的成分，也是重要的工业原料。中国科学院天津工业生物技术研究所联合大连化物所等单位，抽提自然光合作用的化学本质，从头设计创建了从二氧化碳到淀粉合成的非自然途径，解决了途径代谢流从头计算、关键酶元件设计组装、生化途径精确调控等科学问题，以生物催化与化学催化耦合的11步反应，颠覆了自然光合作用固定二氧化碳合成淀粉的复杂生化过程，在国际上首 | 次实现了二氧化碳到淀粉的人工全合成，能效和速率超越玉米等农作物，突破了自然光合作用局限，为淀粉的车间制造打开了一扇窗，并为二氧化碳原料合成复杂分子提供了新思路。在国际上引起强烈反响，被认为是一项里程牌式突破，将在下一代生物制造和农业生产中带来变革性影响。

该成果发表在《科学》（Science，2021，373(6562):1523-1527）。

脊椎动物从水生到陆生演化的遗传创新机制

4亿多年前脊椎动物从水生到陆生是包括人类在内的陆生脊椎动物演化史上的重大事件，但长期以来对这一重大事件的遗传创新机制知之甚少。
西北工业大学生态环境学院王文、王堃团队与中科院水生生物研究所何舜平和昆明动物所张国捷等团队合作，发现硬骨鱼祖先已进化出了陆生适应性相关的初步遗传基础，在肺鱼代表的肉鳍鱼内得到进一步加强，到四足动物最终完善而成功登上了陆地。Science报道该成果揭示了“隐藏在现生鱼类中水生到陆生演化的遗传奥秘”；瑞典科学院院士Per Alhberg教授撰文指出该项成果克服了化石研究难以研究软组织器官和生理学问题的挑战，美国科学院院士、国际著名脊椎动物登陆研究专家Neil Shubin撰文指出该成果为理解脊椎动物水生到陆生的研究“提供了关键认知和长久期待的数据”。

该成果两篇研究论文以封面故事发表于《细胞》杂志（Cell，2021，184(5):1362-1376；1377-1391）。

新冠病毒肺炎疫情已持续两年，不断出现的突变株对发展广谱药物提出急迫需求。由病毒复制酶组成“转录复制复合体”，负责病毒转录复制的全过程，在各突变株中高度保守，是开发广谱药物的核心靶点。
清华大学饶子和院士、娄智勇教授课题组，在国际上首 | 次发现和重构了新冠病毒转录复制机器的完整组成形式。以此为基础，首 | 次明确了病毒mRNA“加帽”成熟的关键酶分子，回答了冠状病毒研究中近30年来悬而未决的问题，并且该分子在各突变株中高度保守，在人体中没有同源物，为发展新型、安全的广谱抗病毒药物提供了全新靶点。同时，他们还首 | 次发现病毒以“反式回溯”的方式对错配碱基和抗病毒药物进行“剔除”，阐明了瑞德西韦等药物效果不良的分子机制，为优化针对聚合酶的抗病毒药物提供了关键科学依据。

以上研究成果分别发表于《细胞》杂志（Cell, 184(1):184-193; Cell, 184(13):3474-3485）。

转录起始超级复合物组装机制

转录起始超级复合物是中心法则中转录步骤的核心，对理解基因表达调控和相关生理病理过程具有重要意义，一直是国际生命科学研究的核心和前沿问题。
复旦大学徐彦辉团队解析转录起始复合物PIC及其与Mediator（中介体）组成的转录起始超级复合物结构的三维结构，系统地展示转录机器识别不同类型启动子并完成组装的全过程，揭示了转录为何发生在几乎所有基因的启动子上，颠覆了关于启动子识别和转录起始复合物组装的传统认识，阐明了Mediator促进PIC组装和转录激活的机制。

上述成果以2篇研究长文发表于《科学》杂志（Science 372, eaba8490；Science 372, eabg0635），其中一篇被Science杂志选为封面文章，题目为“转录如何起始”。

提高中晚期鼻咽癌疗效的高效低毒治疗新模式

鼻咽癌是“中国特色”肿瘤，年新发病例占全球一半。放疗后的全身微小残留肿瘤是其治疗失败的根源，而由于放疗后患者身体状况差，难以耐受既往高强度的传统化疗（完成率仅约40%-50%），成为制约疗效提高的瓶颈。
中山大学肿瘤防治中心马骏研究团队提出了小剂量、长时间口服细胞毒药物卡培他滨的节拍化疗模式，其可通过抗血管生成、杀伤肿瘤干细胞等机制持续抑制肿瘤，同时提高机体耐受性。马骏教授通过牵头一项多中心、前瞻性临床研究发现，在放疗后使用“卡培他滨节拍化疗”可将失败风险显著降低45%，且严重毒副作用发生率减少了3/5，完成率达74%。同时卡培他滨口服用药方便可及，易于向基层推广。
由此，该研究打破了传统化疗的疗效瓶颈，建立了鼻咽癌国际领 | 先、高效低毒且简单易行的治疗新标准。

该成果发表于《柳叶刀杂志》（Lancet, 2021, 398(10297): 303-313）。

异源四倍体野生稻快速从头驯化

当前的栽培稻是从祖先二倍体野生稻经过数千年的人工驯化而来，同时伴随着遗传多样性的降低与优异基因的丢失。中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋团队与合作者首 | 次提出异源四倍体野生稻快速从头驯化的新策略，对应对未来粮食危机提供了新的可行路径，开辟了全新的育种方向。以此策略为蓝图，该项目筛选出一份四倍体高秆野生稻资源，建立了高效的组培再生、遗传转化与基因编辑体系，组装了高质量参考基因组，并成功创制了改良落粒性、芒性、株高、粒长、茎秆粗度、生育期等不同类型的四倍体水稻新材料，突破了全部技术瓶颈，证明异源四倍体野生稻快速从头驯化策略高度可行。未来四倍体水稻新作物的成功培育将有望对世界粮食生产带来颠覆性的革命。

该成果发表于《细胞》杂志（Cell，2021，184(5):1156-1170）。

冠状病毒的跨种识别和分子机制

近20年，人类遭受了三次由冠状病毒引发的重大疫情。大多数感染人的冠状病毒来源于动物，而我们发现病毒在人际间传播往往是滞后的，疾病防控的关口需要在“时间”上前移。
中国科学院微生物研究所高福院士团队建立了高效评估冠状病毒跨种识别能力的方法，利用这些方法对蝙蝠源性冠状病毒 RaTG13和穿山甲源性冠状病毒 GD/1/2019 和 GX/P2V/2017 的跨种传播潜在风险进行评估，并阐明其跨种识别的分子机制，研究发现上述三种冠状病毒存在跨种传播的潜在风险，提示我们要持续对动物源性冠状病毒进行监测，预防新的冠状病毒引发疫情，同时为理解病毒进化提供分子基础。

相关研究成果发表于《细胞》杂志（Cell,2021, 184(13):3438-3451.e10）和《欧洲分子生物学组织杂志》（EMBO J, 2021, 41(1):e109962）。

揭开鸟类长距离迁徙之谜

鸟类迁徙是最受关注的自然奇观之一。迁徙路线的形成过程、维持机制和在气候变化下的未来趋势，以及迁徙策略的遗传基础，一直是学界的研究热点和难点。
中国科学院动物研究所詹祥江团队历时12年，通过整合多年卫星追踪数据和种群基因组信息，建立了一套大陆尺度的的北极游隼（Falco peregrinus）迁徙研究系统。研究人员阐明了气候变化在鸟类迁徙路线形成、维持及未来变化趋势中的驱动作用，发现一个和记忆能力相关的基因ADCY8在迁徙距离更长的游隼种群中受到正选择，揭示了长时记忆可能是鸟类长距离迁徙的重要基础。该研究全面结合遥感卫星追踪、基因组学、神经生物学等新型研究手段，展现了学科交叉型的创新性研究在回答重大科学问题中的关键作用。

该成果以封面文章发表于《自然》杂志（Nature，2021，591(7849):259-264），并被《自然-生态进化》杂志评为12项年度回顾工作之一。

干涉单分子定位显微镜

细胞的生理过程是由纳米尺度的生物分子执行的，因此对生命活动更深入的理解需要纳米分辨率的成像技术。中国科学院生物物理研究所徐涛院士组和纪伟研究组组成的技术攻关团队，一直聚焦于突破光学显微成像分辨率的研究，前期发展的ROSE显微镜把侧向（X-Y）分辨率提高到纳米水平（Nature Methods，2019），基于干涉定位创新原理又研制出ROSE-Z显微镜，进一步突破了轴向（Z）分辨率，可解析纳米尺度的亚细胞结构，为生命科学研究提供了有力工具。该研究表明光学显微镜已经步入纳米分辨率时代，我国科学家在该领域具备多学科交叉技术创新能力，研制的具有自主知识产权的新型超分辨成像设备处于国际领 | 先地位。

该成果发表于《自然-方法》杂志（Nature Methods，2021，18:369-373）。

全脑单神经元多样性研究及信息学大数据平台

单神经元精度全脑图谱，对理解大脑至关重要。东南大学脑科学与智能技术研究院彭汉川、顾忠泽、谢维团队建立了世界上首 | 个完整的全脑单神经元分辨率大数据和信息学平台并应用于全鼠脑研究，针对神经元的全脑三维影像数据进行高通量神经元重建，全脑映射以及智能数据挖掘，并基于此平台生产了目前世界上数目最大的单细胞神经元形态数据集，首次揭示了长程投射规则和分子水平基础上的神经元形态亚类多样性，对研究大脑细胞分型和功能、脑连接环路、全脑大规模模拟、类脑计算、基于生物脑的新型人工智能算法和系统等会持续产生重要作用。本成果实现了首 | 个软硬件结合的PB级超大规模脑大数据平台和首 | 个完整的单细胞形态数据生产流水线，定量证明了完整单细胞解剖学分析对神经细胞类型鉴定至关重要。

主要科研成果分别发表于《自然》（Nature, 598: 174–181;）和《自然-方法》（Nature Methods, 19: 111–118）。