表观遗传学和遗传学的区别范文

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篇1

基因表达正确与否，既受控于DNA序列，又受制于表观遗传学信息。表观遗传学主要通过DNA的甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑和非编码RNA调控等方式控制基因表达。近年发现，副突变也包含有表观遗传性质的变化。

1.DNA甲基化

DNA甲基化是由酶介导的一种化学修饰，即将甲基选择性地添加到蛋白质、DNA或RNA上，虽未改变核苷酸顺序及组成，但基因表达却受影响。其修饰有多种方式，即被修饰位点的碱基可以是腺嘌呤N-6位、胞嘧啶的N-4位、鸟嘌呤的N-7位和胞嘧啶的C-5位，分别由不同的DNA甲基化酶催化。在真核生物DNA中，5-甲基胞嘧啶是唯一存在的化学性修饰碱基，CG二核苷酸是最主要的甲基化位点。DNA甲基化时，胞嘧啶从DNA双螺旋突出，进入能与酶结合的裂隙中，在胞嘧啶甲基转移酶催化下，有活性的甲基从S-腺苷甲硫氨酸转移至胞嘧啶5-位上，形成5-甲基胞嘧啶（5mC）。DNA甲基化不仅可影响细胞基因的表达，而且这种影响还可随细胞分裂而遗传并持续下去。因此，它是一类高于基因水平的基因调控机制，是将基因型与表型联系起来的一条纽带。在哺乳动物细胞的基因组DNA中，约有3%～5%的胞嘧啶是以5-甲基胞嘧啶形式存在的，同时70%的5-甲基胞嘧啶参与了CpG序列的形成，而非甲基化的CpG序列则与管家基因以及组织特异性表达基因有关。因而CpG的甲基化与否在基因的表达中起重要作用。高度甲基化的基因，如女性两条X染色体中的一条处于失活状态，而为细胞存活所需一直处于活性转录状态的持家基因则始终处于低水平的甲基化。在生物发育的某一阶段或细胞分化的某种状态下，原先处于甲基化状态的基因，也可以被诱导去除甲基化，而出现转录活性。

2.组蛋白修饰

组蛋白是真核生物染色体的基本结构蛋白，是一类小分子碱性蛋白质。组蛋白有两个活性末端：羧基端和氨基端。羧基端与组蛋白分子间的相互作用和DNA缠绕有关，而氨基端则与其他调节蛋白和DNA作用有关，且富含赖氨酸，具有极度精细的变化区，这类变化由乙酰化、磷酸化、甲基化等共价修饰引起。这些修饰可作为一种标记或语言，是“组蛋白密码”的基本组成元素。这种组蛋白密码可被一系列特定的蛋白质所识别，并将其转译成一种特定的染色质状态以实现对特定基因的调节，这显著地扩大了遗传密码的信息储存量。

3.染色质重塑

真核生物染色质是一切遗传学过程的物质基础，染色质构型局部和整体的动态改变，是基因功能调控的关键因素。染色体重塑是指染色质位置和结构的变化，主要涉及在能量驱动下核小体的置换或重新排列，它改变了核小体在基因启动子区的排列，增加了基因转录装置和启动子的可接近性。染色质重塑的发生和组蛋白N端尾巴修饰密切相关，尤其是对组蛋白H3和H4的修饰。修饰直接影响核小体的结构，并为其他蛋白提供了和DNA作用的结合位点。染色质重塑主要包括两种类型：一类是含有组蛋白乙酰转移酶和脱乙酰酶的化学修饰;另一类是依赖ATP的物理修饰，利用ATP水解释放的能量解开组蛋白和DNA的结合，使转录得以进行。

4.非编码RNA

调控有多种功能性非编码RNA可对基因表达水平进行干扰。各种生物中双链RNA（dsRNA）可通过不同途径被分割成小的干涉RNA（siRNA）或RNAi。RNA干涉（RNAi）属于转录后基因沉默，它可使转录后的同源mRNA降解，使同系的DNA序列发生修饰性变化（甲基化），使rRNA甲基化，从而使目的基因表达沉默。

5.副突变

副突变是指一个等位基因可以使其同源基因的转录产生稳定可遗传变化，即一个等位基因被另外一个等位基因在转录水平上被沉默且这种能力可遗传。这种现象是1956年R.A.Brink在研究玉米的R基因座位时发现的。此后在其他植物、真菌甚至小鼠中发现。

二、遗传学和表观遗传学的关系

传统遗传学认为遗传信息储存于DNA的序列中，它主要研究基因序列改变所致的基因表达水平的变化，是基因质的变化;表观遗传学则认为遗传信息是DNA甲基化形式和组蛋白密码、RNA干涉等，它实际上是以基因表达水平为主的量变遗传学。表观遗传变异也能遗传，并具重要的表型效应，但其不同于基因突变。在整个生命过程中，表观遗传学机制能对激素、生长因子等调节分子传递的环境信息在不改变DNA序列的情况下做出反应。因此，只有二者彼此协同，生命过程才能按序正常进行，否则就会出现异常。由此可见，遗传学和表观遗传学系统既相区别、彼此影响，又相辅相成，共同确保细胞的正常功能。

三、表观遗传学研究的应用前景

表观遗传学补充了“中心法则”忽略的两个问题，即哪些因素决定了基因的正常转录和翻译以及核酸并不是存储遗传信息的唯一载体;在分子水平上，表观遗传学解释了DNA序列所不能解释的诸多奇怪的现象。例如，同一等位基因可因亲源性别不同而产生不同的基因印记疾病，疾病严重程度也可因亲源性别而异。表观遗传学信息还可直接与药物、饮食、生活习惯和环境因素等联系起来，营养状态能够通过改变表观遗传以导致癌症发生，尤其是维生素和必需氨基酸。

篇2

[关键词]桔梗；同源四倍体；DNA甲基化；MSAP

[Abstract]In order to investigate the epigenetic variations between diploid and autotetraploid of Platycodon grandiflorus.the diploid buds of P. grandiflorus were soaked in the mixture of different concentration colchicines and 0.002 g・mL-1 dimethyl sulphoxide （DMSO）.The identification of autotetraploid plants were based on morphological characteristics，chromosome number and flow cytometry. And then the level and pattern of DNA methylation explored by using the technology of methylation sensitive amplified polymorphism （MSAP）.The result demonstrated that the buds soaked in 0.2% colchicines and 0.002 g・mL-1 DMSO solution for 12 h was ideal conditions to induce autotetraploid of P. grandiflorus，with induction rate of 32.0%.The diploid and tetraploid plants existed distinctly differences in morphological indexes.Totally，1 586 bands were amplified by 20 pairs of selective primers，of which 764 and 822 bands were detected in diploid and autotetraploid respectively.The total methylation ratio，full methylation ratio and hemimethylated ratio were 91.25%，61.25% and 30.65% in diploid of P. grandiflorus，respectively.However，the total methylation ratio，full methylation ratio and hemimethylated ratio of autotetraploid of P. grandiflorus were 86.13%，54.38% and 31.75%， respectively. Compared with diploid，the genomic DNA total methylate ratio and full methylation ratio of autotetration plants decreased by 6.02% and 7.14%.But the hemimethylated ratio of autotetraploid was higher than that of diploid，which more than 1.6%.All this results indicated that DNA methylation patterns have adjusted during the polyploidy process.

[Key words]Platycodon grandiflorus； autotetraploid； DNA methylation； MSAP

多倍体是指含有3套或3套以上完整染色体组的生物体[1]。由于多倍体将1个或多个整套染色体累加到基因组上，对生物体的基因组产生了一定冲击，这种“基因组冲击”使生物体的新陈代谢和基因调控等发生改变，从而使植株的形态器官、生理指标、遗传特性等产生变异[2-5]，这些变异会增强植株的生态适应性和环境的抗逆性，降低蒸腾作用，提高光合效率等，对植株的生物量和某些次生代谢产物含量及品质有促进作用[6]。因此多倍体植物具有更大的生存潜能和更强的选择优势。研究表明，多倍化不仅能导致植物的基因组结构改变、碱基序列消除、转座子激活等，还能影响表观遗传调控模式[7-8]。表观遗传变异是指不改变DNA碱基序的一种可遗传的基因表达变化，包括DNA甲基化修饰、组蛋白的各种修饰等[9]，其中DNA甲基化修饰是研究多倍体表观遗传变异的最佳途径之一[10]。DNA甲基化能在分子水平上对基因的表达进行调控，保护基因组结构的完整性，并控制冗余基因的表达，保持多倍体植物基因组的稳定性 [11-12]。多倍化能够诱导DNA甲基化的改变，而DNA甲基化又在基因组调控和基因表达上起到一个枢纽的作用，因而用甲基化敏感扩增多态性技术（MSAP）研究不同倍性植株基因组DNA甲基化的表达水平及模式变化，在一定程度上对解释多倍体植株出现的新的表型具有重要的意义。

目前多倍体方面的研究主要集中于异源多倍体的物种[13-16]，而对同源多倍体化后所产生的一系列变化方面的相关文章较少，这是因为异源多倍体化后较同源多倍体化后引起的变化更为明显[17-18]。但是，异源多倍体带来的杂交效应将混淆于倍性引起的后果[19]，因此，仅依赖于倍性调控变化方面的研究应通过同源多倍体来体现，揭示仅由基因组加倍而不涉及杂交等其他因素所造成的基因组冲击以及随后多个基因组趋于稳定的内在机制也需通过同源多倍体的研究来阐明。

桔梗为常用大宗药材，具有开宣肺气，祛痰排脓的功效[20]，在我国南北各地大面积栽培。但长期以来只种不选，导致品种退化，药材产量和品质下降[21]。本研究在采用生物技术离体诱导并鉴定获得桔梗同源四倍体的基础上，采用甲基化敏感扩增多态性（MSAP）技术对二倍体和四倍体基因组DNA的甲基化变化情况进行分析，一方面为桔梗的品种选育提供材料，另一方面从表观遗传学的角度探讨桔梗四倍体表型变化的分子机制，为多倍体育种提供一定的理论依据。

1材料

挑选籽粒饱满的桔梗种子，经流水冲洗40 min后置于超净工作台，用75%乙醇消毒30 s后转入0.1%升汞（HgCl2）中灭菌6 min，无菌水清洗3～5次，接入MS培养基，25～30 d后获得桔梗无菌系。

2方法

2.1桔梗无菌快繁体系的建立和优化

以桔梗幼芽为材料，接种到增殖和生根培养基上，增殖培养基以MS为基本培养基，分别添加不同浓度6-BA（6-苄氨基嘌呤）、NAA（α-萘乙酸）和2，4-D（2，4-二氯苯氧乙酸）；生根培养基以1/2MS为基本培养基，并添加不同浓度NAA（α-萘乙酸）和IBA（吲哚丁酸）进行生根培养，试验设计见表1，2。每个处理15个幼芽，5瓶重复，培养30 d后分别统计增殖系数和生根率。

2.2桔梗同源四倍体的离体诱导及鉴定

2.2.1桔梗同源四倍体的离体诱导具体方法参照王红娟等[22]，并作适当调整。质量分数为0.05%，0.1%，0.2%的秋水仙素（加0.02 g・mL-1二甲亚砜）混合液经20 mL的注射器和0.22 μm的水系滤头抽滤灭菌后将桔梗不定芽浸泡在其中，置于震动摇床内处理12，24，36，48，60 h，然后用无菌水冲洗3次后接种到MS培养基中进行培养。以清水浸泡作为对照，共15个处理，每个处理15个幼芽，做5次重复。

2.2.2桔梗同源四倍体的鉴定采用形态鉴别、流式细胞仪分析和根尖染色体鉴定相结合的方法来确定倍性株系。先将形态变异明显的植株进行流式细胞仪分析，具体方法参照张俊娥等[23]，称取0.5 g组培苗叶片，用滤纸吸干水分后置于干净培养皿中，加入2 mL预冷的组织解离液（80 mmol・L-1KCl，20 mmol・L-1NaCl，15 mmol・L-1Tris-HCl，20 mmol・L-1Na2EDTA，0.1% TritonX-100，2.0% PVP-K30，pH 7.5），用刀片一次性快速切碎叶片，过滤后于4 ℃环境下2 000 r・min-1离心5 min，漂洗2～3次，加入2 mL DAPI染液室温下反应1 h后即可上样测定。流式细胞仪鉴定的株系进一步采用根尖压片法确定植株染色体数目。具体方法参照张振超等[24]，早上9：00～11：00点取幼苗根尖（0.5～1 cm），在0.002 mol・L-1的八羟基喹啉预处理2～3 h，于4 ℃冰箱中卡诺固定液（乙醇-冰醋酸 3∶1）处理24 h，在60 ℃的1 mol・L-1 HCL中解离8 min，卡宝品红染色10 min，然后制片、镜检。

2.3总DNA提取

称取0.5 g二倍体和四倍体桔梗试管苗幼叶，采用改良的CTAB法进行DNA提取，具体方法参照陈昆松等[25]，提取的DNA经紫外-可见分光光度计测定浓度和纯度后用并1.0%琼脂糖凝胶电泳检测，总DNA 置于-20 ℃冰箱待用。

2.4MSAP分析及聚丙烯酰胺凝胶电泳

2.4.1酶切、链接反应MSAP试验步骤参照Portis等[26]方法，用双切酶组合EcoRⅠ/HpaⅡ和EcoR Ⅰ/ MspⅠ对基因组DNA进行酶切，在酶切片段的两端加上人工设计的与EcoRⅠ和Hpa Ⅱ/Msp Ⅰ酶切位点互补的人工接头，然后用AFLP扩增体系进行扩增，接头和引物序列见表3。引物由北京博友顺生物科技有限公司合成。

2.4.2预扩增、选择性扩增和电脉预扩增反应体系为20 μL，其中含有10 mmol・L-1 dNTPs 0.4 μL，10×Buffer 2 μL，5 U・μL-1Taq酶0.2 μL，10 μmol・L-1 E00-primer 0.5 μL，10 μmol・L-1 M00-primer 0.5 μL，其余用水补齐。反应条件为：94 ℃ 30 s，56 ℃ 1 min，72 ℃ 1 min，26个循环，72 ℃延伸10 min。预扩增产物稀释20倍，供选择扩增用。

选择扩增体系同预扩增体系，条件为：94 ℃ 30 s，65 ℃至56 ℃ 30 s，72 ℃ 1 min，13个循环，每个循环降0.7 ℃进行降式PCR 扩增；94 ℃ 30 s，56 ℃ 30 s，72 ℃ 1 min，23个循环，72 ℃延伸10 min。

选择性扩增完成后在扩增PCR产物中加入上样缓冲液，94 ℃变性10 min 后然后立即转移到冰上冷却防止复性，取5 μL变性产物于6%变性聚丙烯酰胺凝胶进行垂直电泳分析，银染后观察。

2.5条带统计与数据处理

由于甲基敏感扩增多态性技术中分别用EcoRⅠ/HpaⅡ和EcoRⅠ/MspⅠ双切酶对基因组DNA进行酶切。因此每个样品同时拥有2条泳道：第1条泳带采用EcoRⅠ/HpaⅡ进行酶切，记为H，第2条泳带采用EcoRⅠ/ MspⅠ进行酶切，记为M。同一位点有条带的记为“1”，无带的记为“0”。

3结果与分析

3.1增殖及生根培养基优化

将长1.5～2 cm的桔梗不定芽接到7种增殖培养基中，经30 d培养后均出现不定芽增殖的现象，具体结果见表4，在4号培养基中，分化的芽数最多，增殖系数平均达9.3±0.24，且出芽整齐，生长健壮，叶色浓绿。因此，桔梗无菌苗增殖的最适培养基为MS+6-BA 1.5 mg・L-1+ NAA 0.3 mg・L-1。

生根培养基优化结果见表5，不同浓度的NAA和IBA对桔梗试管苗生根率、根生长状况均有影响，随着NAA和IBA浓度的增大，生根率逐渐降低，且出根不整齐，根细短。当培养基蔗糖含量为28 g・L-1，NAA质量浓度为0.6 mg・L-1时，平均生根率高达82.6±3.8，且根粗壮，整齐。由此可见，桔梗的最佳生根培养基为1/2MS+NAA 0.6 mg・L-1。

3.2桔梗同源四倍体的诱导结果

将桔梗不定芽用抽滤灭菌的秋水仙素（加0.02 g・mL-1二甲亚砜）混合液浸泡处理后，成功得到了桔梗同源四倍体植株。诱导结果见表6，不同的质量浓度和处理时间对不定芽的诱导效果不同，低浓度和短时间处理下诱导率低，但成活率高，随着质量浓度和处理时间的增加，诱导率逐渐提高，但不定芽成活率降低。根据四倍体植株的诱导率和成活率，筛选出最佳处理浓度和时间，即用0.1%的秋水仙素溶液处理48 h或0.2%的秋水仙素溶液处理12 h为桔梗同源四倍体诱导的最佳条件。

3.3桔梗同源四倍体的鉴定

一般而言，四倍体植株具有巨型化特征，将形态变异明显的植株先经流式细胞仪分析后，再用根尖压片法鉴定，见图1。结果表明，桔梗二倍体植株根尖染色体数为2n=2x=18，DNA相对含量在100处有1个单峰；同源四倍体植株染色体数为2n=4x=36，DNA相对含量在200处有1个单峰，见图2。

3.4桔梗二倍体和同源四倍体基因组DNA甲基化水平差异

MSAP技术中同裂酶HpaⅡ和MspⅠ都能识别并切割CCGG序列，但二者识别甲基化的位点不同，HpaⅡ能切割无甲基化和单链甲基化位点而不能切割双链甲基化位点；MspⅠ能切割无甲基化和内甲基化位点而不能切割外甲基化位点，因此经HpaⅡ和MspⅠ切割后在聚丙烯酰胺凝胶电泳分析胶上能检测出4种条带类型，即：Ⅰ型，H，M都有带，说明CCGG位点无甲基化；Ⅱ型，H有带，M无带，说明CCGG位点发生单链外甲基化，即半甲基化；Ⅲ，H无带，M有带，说明CCGG位点发生双链内甲基化，即全甲基化；Ⅳ，H，M都无带，说明CCGG位点有双链内外侧甲基化、双链外甲基化或无CCGG序列[16]。桔梗二倍体和同源四倍体DNA经MSAP扩增的条带数及甲基化水平见表7，用20对引物组合共扩增后共有1 586条条带，其中二倍体764条，四倍体822条。二倍体总甲基化率、全甲基化率和半甲基化率分别为92.15%，61.52%，30.65%，而四倍体的为86.13%，54.38%，31.75%，与桔梗二倍体相比，其同源四倍体总甲基化率降低6.02%，全甲基化率降低7.14%，而半甲基化率升高1.6%，这说明染色体加倍后其DNA甲基化水平发生了变化。

3.5桔梗二倍体和同源四倍体基因组DNA甲基化类型

二倍体和同源四倍体桔梗基因组DNA甲基化类型见表8，二倍体和四倍体共有15种条带，见图3。其中A型为单态性位点，包括3个亚类，表示二倍体与四倍体甲基化状态相同；B型为去甲基化位点，包括5个亚类，说明在该位点二倍体存在甲基化，而四倍体发生了去甲基化；C型为过或超甲基化类型，也有5个亚类，即与二倍体相比，四倍体甲基化升高；D型为次甲基类型，有2个亚类，表示相比于二倍体来说，四倍体甲基化降低，但仍有甲基化现象[17]。与二倍体相比，桔梗试管苗染色体加倍后，其基因组DNA有23.54%发生了去甲基化现象，29.07%发生了过或超甲基化现象，2.97%发生了次甲基化现象，只有44.42%的基因组DNA未发生任何改变。

4讨论与结论

4.1桔梗同源四倍体的离体诱导及鉴定

本研究中采0.2%抽滤灭菌的秋水仙素溶液浸P11～P20.其中的10对引物，每对引物下有4条泳道，从左往右依次为2H，2M，4H，4M；2H和4H分别表示二倍体和四倍体桔梗EcoR Ⅰ/Hpa Ⅱ酶切的扩增结果；2M和4M表示二倍体和四倍体桔梗EcoR Ⅰ/Msp Ⅱ酶切的扩增结果。

泡桔梗顶芽12 h，获得了诱导率为32.0%的四倍体植株。高山林等[27]采用培养基中添加40 mg・L-1秋水仙素的方法诱导桔梗四倍体，诱导率达到37.5%；王小华等[28]采用0.1%秋水仙素处理桔梗嫩茎40 h，诱导率达到50%。前人诱导率较高的原因可能是在鉴定过程中仅用形态学和细胞学的方法鉴定倍性，并没有排除嵌合体的干扰，从而将嵌合率也计算到诱导率中，出现诱导率较高的现象，本研究采用了形态鉴别、流式细胞仪分析和根尖染色体鉴定相结合的方法进行倍性鉴定，排除了嵌合体的干扰，提高了结果的可靠性，为进一步研究桔梗同源四倍体的遗传稳定性和农艺性状评价提供可靠的材料。

4.2桔梗二倍体与四倍体基因组DNA甲基化水平差异及模式变化

多倍体植物具有器官巨大、活性成分含量高、抗逆性强等优点，这可能是多倍化后植物体内基因组结构和表观遗传修饰发生了广泛变化[3]，进而导致植物出现新的性状。但在对拟南芥[5]、水稻[29]、白菜[18]的同源多倍体及二倍体的比较研究中发现这些植物同源多倍化后基因组结构并没有发生明显改变，且多倍化后多倍体的基因表达谱也与二倍体十分相似。表明同源多倍化后基因组并没有同异源多倍化一样发生大规模的基因组结构调整事件。本研究中，从图1可以明显看出桔梗同源四倍体比二倍体植株粗大，叶片增厚增大，叶柄叶脉粗大等现象，同源多倍体桔梗新出现的区别于亲本的性状则可能与表观遗传调控密切相关。

甲基化是一种常见的表观遗传修饰形式，在基因表达中起着重要的调节作用，同源多倍化过程中，DNA甲基化会参与多倍体的适应性调整，并发生特异性的变化以调控基因表达和转座子的活性等，所以不同倍性材料中DNA甲基化水平会发生一定程度的改变[29]。杨岚等[30]采用MSAP技术对甜叶菊同源四倍体与二倍体的表观遗传进行研究后发现四倍体基因组DNA的总甲基化率和全甲基化率略有所降低，甲基化模式主要以过和超甲基化为主；长春花[31]多倍化后基因组CCGG位点的 DNA的总甲基化率、全甲基化率和半甲基化率较二倍体植株均有所提高，甲基化类型以C型即过或超甲基化类型最多。本研究中，桔梗同源四倍化后基因组DNA的总甲基化率和全甲基化率有所降低，其中总甲基化率降低6.02%，全甲基化率降低7.14%，且甲基化模式主要以过或超甲基化类型（C型）为主，占29.07%，其次是去甲基化（B型），占23.54%，最少的是次甲基化（D型），占2.97%。由此可推测同源四倍体出现新的表型与DNA甲基化模式的重新调整尤其是大量过或超甲基化变异有关，过或超甲基化就可能导致相应位点所在基因表达的关闭或抑制，进而维持四倍体植株这自身基因组的稳定性。有关染色体加倍后DNA甲基化模式调整的程度对多倍体性状和表型改变的机制还有待进一步的研究。

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美国东部时间8月6日凌晨，远征5.67亿公里的美国“好奇”号火星车历经8个月飞行，在位于火星盖尔陨坑中心山脉的山脚下成功着陆，开始其探索火星生命痕迹的旅程。登陆火星数分钟后，“好奇”号陆续向地球传回火星图像。

“好奇”号被誉为人类在其他星球登陆的最精密移动科学实验室，是美国太空探索历史上又一重要里程碑，是行星探索的巨大一步。“好奇”号长约2.8米，重900多千克，长度是2004年在火星着陆的“勇气”号和“机遇”号火星车的2倍，重量是它们的5倍多。它共有6个轮子，每个均拥有独立的驱动马达，两个前轮和两个后轮还配有独立的转向马达。这一系统可以使“好奇”号在火星表面原地360度转圈。“好奇”号的动力由一台多任务放射性同位素热电发生器提供，其本质上是一块核电池，使用寿命可长达14年。

2 加拿大科学家开发出人造大脑

加拿大一个科学家小组称，他们已经开发出迄今为止最接近真实大脑的机能大脑模型。这个利用超级电脑运行的模拟大脑拥有的一个数码眼睛，可以用来进行视觉输入，它的机械臂能绘制出它对视觉输入作出的反应。这个模拟大脑非常先进，甚至能通过IQ测试的基本测试。加拿大滑铁卢大学的神经学家和软件工程师表示，这是迄今为止世界上最复杂、最大规模的人类大脑模型模拟。这个名叫Spaun的大脑由250万个模拟神经元组成，它能执行8种不同类型的任务。这些任务的范围从描摹到计算，再到问题回答和流体推理，可谓五花八门。测试期间，科学家亮出一系列数字和字母，让Spaun记入储存器，然后科学家亮出另一种字母或符号，作为指令，告诉Spaun借助它的记忆力做什么。随后机械臂会描绘出任务输出。该研究成果发表在《科学》杂志上。此前也有不少模拟大脑的项目，但仅模拟大脑的功能形式，而Spaun则能展示这些功能如何作用于各种行为。

3 科学家设计出世界上最细的纳米导线

澳大利亚和美国科学家组成的研究团队1月6日在《科学》杂志上报告说，他们成功设计出迄今世界上最细的纳米导线，厚度仅为人类头发的万分之一，但导电能力可与传统铜导线相媲美。这项技术有望应用于量子计算机研制领域。科学家利用精心设计的原子精度扫描隧道显微镜，在硅表面以1纳米间隔安放1个磷原子的方式制备了纳米导线，其宽度相当于4个硅原子，高度相当于1个硅原子。通过这种方式设计的纳米导线可以使电子自由流动，有效解决了电阻问题。这一新技术表明，计算机元件可以降低到原子尺度，这是个巨大突破。量子计算机与传统计算机的一个主要区别是，传统计算机只使用1和0两种状态来记录数据和进行计算，而量子计算机可以同时使用多个不同的量子态，因此具有更大的信息存储和处理能力，被认为是未来计算机发展的方向。

4 癌症干细胞研究获新证据

很多时候，那些似乎已经被治疗消灭的癌症又会卷土重来。一些科学家将此归罪于所谓的癌症干细胞，它们是癌细胞的一个子集，能够保持休眠状态，从而逃避化疗或放疗，并在几个月或几年后形成新的肿瘤。这种想法一直存在争论，然而，8月1日，《自然》、《科学》杂志网络版发表的3篇论文提供了新的证据，表明在某些脑、皮肤和肠道肿瘤中，癌症干细胞确实是肿瘤生长的源头。

癌症干细胞模式有别于认为肿瘤生长机会均等的传统理论，后者相信，任何以及所有的癌性细胞都能够分裂并导致肿瘤的生长及扩散。而癌症干细胞模式则认为，肿瘤生长具有更多的层次，主要由一个能够进行自我复制的细胞子集所驱动，进而生成肿瘤所包含的其他类型的细胞。在这些新的研究中，3个独立的研究团队利用遗传细胞标记技术追踪了特定细胞在生长的肿瘤内部的增殖情况。这种细胞追踪技术是检验癌症干细胞模式的正确方法。

5 科学家发现“疑似”上帝粒子

欧洲核子研究中心宣布，该中心的两个强子对撞实验项目——ATLAS和CMS均发现一种新的粒子，具有和科学家们多年以来一直寻找的希格斯玻色子相一致的特性。

ATLAS和CMS研究小组在4日上午的学术研讨会上介绍各自研究成果，分别确认目前通过大型强子对撞机取得的数据发现了在125-126吉电子伏特质量区间存在一种新的粒子，数据的确定性为5西格玛，即理论物理界可以确认“发现”的水平。

希格斯玻色子是物理学基本粒子“标准模型”预言的一种自旋为零的玻色子，也被称为“上帝粒子”。

尽管相关负责人表示，这仅是初步结果，但其足以引起全球科学界的关注。这是一项无与伦比的成就。这是粒子物理学和科学探索史上的重大时刻，意义深远。这一新发现将开拓实验和理论物理的新领域。

6 日本科学家首次用“人造”卵子产下小鼠

在利用源自干细胞的产下了正常幼鼠后，日本京都大学的一个研究小组又通过同样的方式利用卵子完成了这一壮举。这项研究最终有望为帮助那些不育夫妇怀孕带来新的方法。

上述两项研究所使用的干细胞都是胚胎干（ES）细胞和诱导多能干（iPS）细胞。研究人员从ES细胞和iPS细胞入手，并且在一种蛋白质的“鸡尾酒”中对其进行培育，从而形成了与原生殖细胞类似的细胞。为了得到卵母细胞或前体卵细胞，研究人员随后将这些原始细胞与小鼠胎儿的卵巢细胞相混合，从而形成了再造的卵巢，并最终将其移植到活体小鼠的正常卵巢中。4周零4天后，那些与原生殖细胞类似的细胞发育成为卵母细胞。研究小组去除掉卵巢，得到卵母细胞，并且对其进行体外授精，然后再将得到的胚胎移植进代孕母亲体内。大约3周后，正常的小鼠崽诞生了。研究人员在10月4日的美国《科学》杂志上报告了这一研究成果。

7 英国研究发现一种高速磁存储原理

英国约克大学等机构的研究人员在《自然—通讯》杂志上报告说，他们发现一种可用于开发高速磁存储设备的原理，由此带来的存储速度可高出现有硬盘数百倍。

据介绍，现在硬盘等存储器多使用磁性物质，如果要记录信息，就需要把磁性物质的磁极颠倒，这个过程中常用的方式是使用外加磁场。

研究人员发现，不使用外加磁场，单纯使用热量也能起到同样的效果。其具体方式是向磁性物质发射含有热量的激光脉冲，它在吸收热量后磁极也会颠倒。

参与研究的托马斯·奥斯特勒说，这是一项革命性的发现，可在此基础上开发出存储速度高出现有硬盘数百倍的存储器，每秒钟存储的信息可以高达上万亿字节。由于不需要使用外加磁场，在此基础上开发出的存储器所消耗的能量也会更少。

8 天文学家发现质量是太阳170亿倍的黑洞

霍比·埃伯利望远镜大质量星系调查项目的天文学家发现了可能是迄今质量最大的黑洞。这一罕见黑洞质量达170亿个太阳，位于NGC 1277星系，其质量占了该星系质量的14%，而通常黑洞只占其所在星系的1%。这一发现可能改写黑洞与星系的形成演化理论。相关在11月29日的《自然》杂志上。

NGC 1277位于距地球2.5亿光年之外的英仙座星团，大小只有银河系的1/10。此前哈勃太空望远镜已经给NGC 1277拍过照。本次研究又结合了霍比·埃伯利望远镜数据，并在超级计算机上运行了多种模型计算，结果发现其中存在一个质量达太阳170亿（误差范围30亿）倍的黑洞。 研究人员还发现，NGC 1277星系是一个较小的透镜星系（在星系型态分类上是介于椭圆星系和螺旋星系之间的星系），内部均为古老恒星，其中最“年轻”的恒星寿命也有80亿年。

9 德国首次从皮肤细胞中培养出成体干细胞

德国马克斯·普朗克协会3月22日宣布，该机构研究人员成功从已分化体细胞——皮肤细胞中培养出成体干细胞，为全球首创。

现阶段，具有分化多种组织细胞潜能的诱导多功能干细胞（iPS细胞）成为不少干细胞专家的研究重点，人类已能从已分化的体细胞中培养出iPS细胞。不过，这种干细胞虽可分化成任意组织，但由于其分化能力过强，导致有时不但无法实现目标组织再生，反而分化出癌细胞，形成肿瘤。而本次研究人员利用皮肤细胞培养成体干细胞的方法刚好可解决这一问题。成体干细胞是一种存在于已分化组织中的未分化细胞，可自我更新并形成特定组织。研究人员将实验鼠皮肤细胞放在特定培养环境中，皮肤细胞在特殊生长因子的诱导下，成功“变身”成体神经干细胞。通过成体干细胞的培养可更有针对性、更安全地实现特定组织再生。这种方法具有巨大的医学应用前景。

10 首个“超电子”电路问世

美国科学家们用光子取代电子，制造出首个由光子电路元件组成的“超电子”电路。相关研究发表在《自然—材料学》杂志上。

“超电子”中的“超”指的是超材料——嵌入材料中的纳米图案和结构，使其能采用以前无法做到的方法操控波。宾夕法尼亚大学电子和系统工程学院纳德·恩西塔团队在实验中利用亚硝酸硅制造出梳状的长方形纳米棒阵列。这种新型纳米棒的横截面和其间的孔隙形成的图案能复制电阻器、感应器和电容器这三个最基本电路元件的功能，只不过其操纵的是光波。在实验中，他们用一个光子信号照射该纳米棒，并在波通过时用光谱设备进行测量。他们使用不同宽度和高度组合的纳米棒重复该实验后证明，不同大小的光电阻器、感应器和电容器都可以改变光“电流”和光“电压”。恩西塔表示：“我们能通过安排不同的电路元件制造出无数个电路，我们也希望设计出更复杂的光学元件，以获得具有不同功能的光子电路。”

获得提名的其他候选条目

（按报道时间先后为序）

荷兰发明能提高太阳能电池效率的纳米涂层

荷兰原子和分子物理学研究所发表新闻公报说，其科学家研制出一种特殊的纳米涂层，能够大幅提高太阳能电池效率。荷兰科学家设计了一种特殊的纳米涂层。涂层中的纳米粒子是圆筒状结构，而且这些圆筒的几何尺寸恰好适合捕捉太阳光。

在实验中，荷兰科学家使用飞利浦公司开发的一种新型“印刷”技术，成功将纳米涂层直接印刷到现有太阳能电池的硅晶片上。结果发现，印刷完涂层的硅晶片呈黑色，反射率被大幅降低。

研究小组负责人阿尔伯特·普尔曼说，“新涂层不仅适用于太阳能电池，在普通照相机和摄像机的镜头以及光学仪器等领域也有广泛应用前景。”

大猩猩基因组测序完成

自从人类基因组在10年前测序完毕后，研究人员一直梦想能够破解其他3种类人猿（黑猩猩及矮黑猩猩、大猩猩、猩猩）的脱氧核糖核酸（DNA）。如今，最后剩下的大猩猩基因组测试也已完成，从而揭示了这种最大的灵长目动物与我们之间的一些有趣的联系。令人感到惊讶的是，部分人类基因组与大猩猩基因组的相似性居然高于后者与黑猩猩基因组的相似性，并且一些之前认为对人类的独特进化很关键的基因对于黑猩猩而言同样重要。

来自英国辛克斯顿市维康信托基金会桑格研究所的研究人员3月7日在《自然》杂志上报告了这一研究成果。

首个初级量子网络构建成功

十多年来，物理学家一直在试图用量子力学方法传递机密信息，进而不必担心其被截获。但他们一直没有创造出一个真正的量子网络。如今，一个德国研究小组使用两个完全分离的原子建立了首个真正的量子连接。研究人员表示，很多这样的连接结合在一起便能够构建一个完整的网络。

德国加尔兴市马普量子光学研究所的Stephan Ritter和同事，在4月12日出版的《自然》杂志上报告了一个初级的量子网络，该网络有两个基于束缚在位于街道两侧单独实验室内光腔中的单个原子的量子节点。这是科学家首次实现这种初级的量子网络，为实现真正意义上的量子网络迈出关键一步。

法国研制的纳米级塑料具有高导电性

来自法国国家科研中心和斯特拉斯堡大学的研究人员在《自然—科学》杂志网络版上介绍说，一种最新研制的塑料纤维实际上综合了目前常见的两种导电材料——金属和塑性有机聚合物的优点。它成本低，易处理，像塑料一样轻且柔韧，而导电性能又类似金属，可媲美铜线。

法国国家科研中心已为此项科研成果注册了专利。研究人员认为，21世纪电子工业面临的一大挑战就是如何将组件微缩至纳米尺度。这种导电性能极佳的塑料纳米纤维将有助于解决这个问题。他们表示，下一步会尝试把这种塑料纳米纤维应用于电子设备的生产中，如制造可弯曲的显示屏或太阳能电池等。

美首次向国际空间站发射商业飞船

美国太空探索技术公司5月22日凌晨向国际空间站发射“龙”飞船，这是世界第一艘向空间站发射的商业飞船。

“龙”飞船高约6.1米，直径约3.7米，于22日携带500多公斤货物发射升空，25日与空间站对接，返程时承载约600多公斤载荷，成功完成首次由商业飞船向空间站运送补给的任务。5月31日，“龙”飞船已于当天中午坠入太平洋海域。回收后，“龙”飞船被运往太空探索技术公司位于得克萨斯州的工厂进行检测并卸货，其中一些高价值试验载荷将在48小时内送交航天局。

“龙”飞船未来将放弃水上着陆技术，而通过推进器进行地面着陆。

多国科学家完成西红柿基因组测序

一个国际研究团队5月31日在英国《自然》杂志上以封面文章形式发表研究报告说，他们完成了对西红柿的基因组测序，这将有助于将来培育更优良的西红柿品种。

这个项目由一个称作“西红柿基因组联盟”的研究团队完成，成员包括14个国家的研究人员。其中，中国科学家高质量地完成了测序总任务的1/6。据报告介绍，他们选取了农产品中常见的一种西红柿开展基因组测序，结果显示其基因组约含3.5万个基因。研究人员同时还对另一种野生西红柿进行基因组测序，这两个基因组高度相似，差异只有约0.6%。对普通消费者来说，这一成果意味着今后可能会出现更好吃的西红柿品种。

科学家造出全新量子物质形态

美国斯坦福大学宣布，他们用金属镝造出世界上第一个双极量子费米子气体。研究人员认为，该费米子气体兼具晶体和超流液二者看似矛盾的特征，是一种全新的量子物质形态。这标志着人们在理解费米子系统性质，将凝聚物质物理学中的超自然现象引入现实应用等方面，迈出了重要的一步。相关在《物理评论快报》上。

研究人员指出，这种费米子气体有望带来量子液晶，也就是那些构成大部分显示器所用液晶的量子力学版；或者带来一种超级固体，这是一种假设的物质态，理论上这种固体具有超流液的特征。

小体积十亿像素相机问世

英国《自然》杂志刊登报告说，研究人员开发出首个体积较小的十亿像素相机，它不仅在清晰度方面远远超出普通相机，而且体积也不像天文台所用的十亿像素观测设备那样庞大。

美国杜克大学等机构研究人员报告说，他们研发出的名为AWARE-2的相机不仅像素能达到十亿以上，并且体积相对较小，其长宽均为0.75米，高0.5米。与一些高清相机拍摄角度狭窄不同，这种相机能拍摄的角度水平可达120度，竖直可达50度。

据介绍，这种十亿像素相机可能会首先用于军事侦察等领域。潜在客户是一些需要高清晰度照片的媒体公司或专业研究人员。

人类基因功能“详图”问世

国际科学界9月5日宣布，“DNA元素百科全书”计划（简称ENCODE）获得迄今最详细的人类基因组分析数据，其成果以30多篇论文的形式发表在《自然》杂志等多份学术刊物上。这是“人类基因组计划”之后国际科学界在基因研究领域取得的又一重大进展。科学家正在利用ENCODE的信息开展多种疾病和表观遗传学的研究。

ENCODE的研究结果，将改变人们对人类基因组的思维方式和实际应用。如果说人类基因组计划提供了一张地图，那么ENCODE计划就在这张地图上标出了各个基因的功能信息。ENCODE计划有多个国家和地区的32个研究机构参与。

全球最强射电望远镜在澳建成启用