中科院发布《2021研究前沿报告》,紧跟科研前沿!

2021-12-13 17:09:02 点将科技 419

农业科学、植物学和动物学

1.热点前沿及重点热点前沿解读
1.1农业科学、植物学和动物学领域Tp10热点前沿发展态势
      农业科学、植物学和动物学领域居于前十的热点前沿主要分布在食品科学与工程、植物基因组与编辑、动物传染病、健康饮食、植物进化、植物抗病研究等六个子领域(表1)。其中,食品科学与工程子领域有3个热点前沿,分别在研究肉制品加工中植物抗氧化剂的应用、多功能食品智能包装膜、褪黑素在果实储藏中的应用。植物基因组与编辑子领域也有3个热点前沿,分别在研究茶树基因组、植物泛基因组及动植物碱基编辑器。动物传染病、健康饮食、植物进化、植物抗病子领域各有1个热点前沿,分别在研究非洲猪瘟的流行病学和病毒学、间歇性禁食的影响、早期陆地植物进化、植物免疫受体NLR(富含亮氨酸的重复受体蛋白)及其介导的抗病机制。与往年相比,2021年入选的Top10热点前沿再次凸显近年食品科学与工程子领域的热点前 沿较受关注,其中智能包装持续出现两次,2020年重点在研究食品智能包装薄膜的制备与表征,2021年重点在研制多功能食品智能包装膜。此外,动物传染病研究也在近两年持续出现,2020年重点研究猪圆环病毒,2021年重点研究非洲猪瘟。此外,2021年首次出现了有关饮食方式的研究,即间歇性禁食对健康、衰老和疾病进程的影响。
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1.2重点热点前沿“植物泛基因组研究
     泛基因组是指存在于整个物种或群体而不是单个个体中的所有基因组序列的集合,分为核心基因组和附属基因组。核心基因组的序列存在于所有个体中,附属基因组序列仅存在于某个或某些个体中。近年来,随着不同物种参考基因组的公布及同一物种内不同个体基因组间的比较研究,人们逐渐认识到每个个体都有极具个性特征的遇传性状,单一参考基因组并不能代表物种内的多样性,因此出现了泛基因组这一概念。该概念最初于2005年由美国马里兰大学医学院微生物与免疫学系、基因组科学研究所的Herve Tettelin等人在做生物组学领域提出,之后很快被拓展并应用于动植物基因组学领域,有专家2019年发表综述文章指出,随着泛基因组从细菌到植物和动物的应用,基因组研究进入了泛基因组学时代。泛基因组研究对充分挖掘生物遗传变异资源、鉴定品系特有性状调控基因、培育更适应不同环境和高质优产的农业动植物品种等意义重大。
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      该前沿共有核心论文16篇,包括13篇研究性论文和3篇综述性论文。13篇研究性论文的研究对象涉及甘蓝型油菜、番茄、水稻、小麦和向日葵等,主要研究内容包括:甘蓝型油菜泛基因组的结构和生态型分化、组装与比较及抗病基因的鉴定,基于泛基因组研究的番茄水果风味基因的挖掘及拉丁美洲栽培番茄的驯化历史,栽培稻和野生稻的基因组变异,向日葵的遗传多样性及栽培种与野生种的亲缘关系等。3篇综述性论文主要综述了植物泛基因组学的研究方法、在作物改良中的应用和研究进展,并探讨了基因存在和缺失变异的起源,及泛基因组对植物生物学、育种和进化研究的影响等。在这16篇论文中,被引频次最高的1篇是研究性论文被引用了252次(图2)。该论文于2018年发表在《 Nature》期刊上,由来自中国农业科学院、国际水稻研究所、上海交通大学、深圳华大基因、美国亚利桑那大学等机构的研究人员合作完成,研究了3010个亚洲栽培水稻基因组的遗传变异、群体结构和多样性,为水稻基因组学研究和育种提供了重要资源。
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      核心论文Top10产出国家和机构中(表2),澳大利亚贡献率最高,超过一半,为56.3%;排在第二位的中国,贡献率也较高,为43.8%;美国贡献率为37.5%,排名第三。澳大利亚的西澳大利亚大学在Topl0机构中名列第一,贡献率为43.8%;中国的中国农业科学院贡献率为31.3%,位列第二。
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    施引论文产出国家和机构中(表3),核心论文产出排名第二的中国贡献最大,占比近4%;核心论文产出排名第三的美国排第二,占比近23%;核心论文产出排名第一的澳大利亚排名第三,占比约12%。中美澳在核心论文和施引论文贡献方面均名列前三,表现突出。施引机构方面,中国的中国农业科学院、中国科学院、华中农业大学依次排名前三。

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1.3“重点热点前沿“动植物碱基编辑器研究”

      碱基编辑器( Base Editor)是基于 CRISPR/Cas基因编辑系统发展起来的新型靶基因修饰技术,可以在不切断核酸骨架的情况下实现单核苷酸定点突变,在基因组和转录组编辑过程中能够直接化学修饰靶核碱基。有专家认为,如果说 CRISPR是基因编辑的皇冠,那么碱基编辑器就是皇冠上的明珠。2017年,哈佛大学 David Liu教授因创建新型碱基编辑器被评为“Science年度十大突破”,并入选“ Nature年度十大人物”该前沿共有核心论文46篇,其中42篇发表在《 Nature》、《 Science》或其子刊上。研究主要集中于DNA碱基编辑器,其中研究胞嘧啶碱基编辑器的论文偏多,研究腺嘌呤碱基绵辑器的论文数量相对较少。编辑对象涉及小鼠、斑马鱼、拟南芥、水稻、小麦、玉米、番茄、甘蓝型油菜、马铃薯等。对小鼠、斑马鱼和拟南芥的基因编辑主要是将其作为模式动植物开展研究,旨在改进碱基编辑或者构建人类疾病模型。对水稻、小麦、玉米、番茄等作物的编辑应用,主要是为了建立相应的编辑技术实现作物遗传改良,其中对水稻进行碱基编辑的研究应用较多。在这46篇论文中,被引频次排名前2位的分别被引了1174次和786次,均是哈佛大学教授David Liu团队的论文。第1篇论文即首度报道构建出一种新的碱基编辑器的论文,该论文于2016年发表在《 Nature》上开发出了胞嘧啶碱基编辑器( Cytidine base editors CBEs),将G.C碱基对变换为T.A碱基对。第2篇论文,于2017年发表于在《 Nature》上报道了他们开发的腺嘌呤碱基编辑器( Adenine Base Editor,ABEs),实现了腺嘌呤编辑,即A.T碱基对变換为G.C碱基对,这两篇论文意味着利用碱基编辑器可以实现碱基之间的自由转换。

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    核心论文产出国家和机构分析显示(表4),主要来自5个国家,分别是美国、中国、韩国、日本和德国,其中美国贡献率最高,有32篇,占比近70%;其次是中国,有14篇,占比约30%;其余三国贡献5篇或以下。机构中,美国的哈佛大学、麻省理工学院和博得研究所名列前三,占比分别为47.8%、37%和37%。

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总体而言,美国在该前沿表现突出,占据明显优势。41%,中国与核心论文排名一样,依然排在第二位,占比约为28%。其后依次是德国和英国,占比为6%左右。中国科学院、哈佛大学和麻省理工学院在机构排名中位于前三占比在5%~10%之间。

 

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2.新兴前沿及重点新兴前沿解读
2.1新兴前沿概述
农业科学、植物学和动物学领域有4个方向入选新兴前沿(表6),聚焦农田士壤污染修复和植物抗逆研究。
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2.2重点新兴前沿解读一“产ACC脱氨酶根际促生菌对作物干旱胁迫的缓解作用
 
     一直以来,植物与微生物的有益互作,尤其是植物根际促生菌(PGPR)如何调控和影响作物抗早性,是旱作农业重点关注的问题之一.其中含1-氨基环丙烷·1羧酸(ACC)脱氨酶活性的植物根际促生细菌更是目前国内外的研究热点之一,其在促进植物生长,延缓植物衰老和增强植物抗逆性等方面具有广阔的应用前景。ACC脱氨酶具有降解乙烯前体物ACC,能有效抑制割乙烯的生物合成,达到延缓植物衰老的效果。用含ACC脱氨酶的PGPR接种植物,可降低乙烯含量,从而减轻非生物胁迫对植物生长和发育产生的影响该新兴前沿共有核心论文6篇,主要研究内容包括:干旱胁迫下产生ACC脱氨酶的PGPR对小麦生长和产量参数的影响;在无菌条件下筛选含可以提高玉米耐旱性的ACC脱氨酶的PGPR;含ACC脱氨晦的PGPR和生物炭的联合施用对缓解小麦干旱,及干旱胁迫下提高玉米生长和生产力的有效性等。
 
生态与环境科学
1.热点前沿及重点热点前沿解读
1.1生态与环境科学领域Top10热点前沿发展态势
      生态与环境科学领域的Top10热点前沿主要分布在生态科学和环境科学两个子领域(表7和图4),全球性的生态环境问题及新冠肺炎疫情相关的生态环境问题是主要关注点。
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      具体来看,环境科学子领域的热点前沿主要涉及新冠肺炎疫情相关环境研究,空气污染相关研究,及全氟化合物、汞、微塑料等全球性传统和新污染物的环境特征、风险与控制研究。2020年新冠肺炎疫情在全球肆虐,该领域的2个热点前沿展现了新冠肺炎疫情与环境的相互影响,包括“空气、水体物体表面等环境中新型冠状病毒的检测与传播”和“新冠肺炎疫情期间的封锁隔离措施对空气质量的影响”。空气污染是2021年热点前沿的焦点,相关前沿包括3个,分别是“低成本大气颗粒物传感器性能评估”、“气溶胶与大气边界层相互作用及其对空气质量的影响和“全球空气污染造成的死亡率和疾病负担估计”。
       其中,“气溶胶与大气边界层相互作用及其对空气质量的影响”相关研究曾入选2020年的热点研究前沿。此外,“新冠肺炎疫情期间的封锁隔离措施对空气质量的影响”也同时是空气污染相关的前沿。全球性污染物相关前沿包括“燃煤及工业烟气中汞污染的消除”、“微塑料在土壤中的暴露及对士壤生态系统的影响”和“全氟和多氟烷基化合物的分布、暴露、毒理和污染控制技术”。这三个前沿所涉及污染物均是在全球范围内带来重大、长期生态环境风险,受到全球关注的典型污染物,多年入选环境领域的热点前沿。如汞污染相关研究分别在2016、2017、2020年入选热点前沿;微塑料污染相关研究分别在2015、2016、2017、2020年入选热点前沿;全氟化合物相关研究在2020年和2021年连续被列入热点前沿。生态科学子领域的热点前沿主要涉及生物多样性和物种分类两个方面,具体包括“昆虫衰退现状、灭绝危机与驱动因素”和“物种界定方法的改进”。
 
     昆虫是生态系统的重要组成部分,对整个生物圈包括人类的生存影响深远。昆虫在生态系统中扮演着分解者、植食者、传粉者、捕食者或寄生者的角色,而其本身又是其它动植物的猎物。昆虫生物多样性和数量的减少,不仅会影响包括植物授粉在内的生态系统服务功能,还会影响食物链中以它为食的动植物等的生存,造成食物网和生态系统的崩溃,引起巨大的生态环境级联效应,进而造成社会和经济损失。
    近年来,随着人类活动导致的生境破碎化、栖息地丧失、化肥农药的大量使用和有毒化学品在环境中的广泛扩散、气候变化等,全球昆虫生物多样性已经呈现急剧下降的趋势。但是,由于昆虫哀退的过程是很宏观的,身处其中的人类很难获得足够直观、深刻的体会,且除美欧等部分发达国家外,昆虫生物多样性的监測极不充分,其衰退和多样性丧失状况被严重低估。
     该热点前沿的核心论文有20篇,研究内容主要是飞虫、节肢动物等陆生和水生昆虫的种类和丰度在全球范围以及美欧等地区的监测与下降状况,昆虫衰退的主要驱动因素,及昆虫多样性的下降与生态系统功能的相互作用。该前沿的论文给出了全球多地出现昆虫多样性衰退的令人震惊的科学证据。2017年,荷兰奈梅亨大学等机构的研究人员在《 Plos One》上发表的论文显示,19892016年,德国各地飞虫生物量普遍减少了76%该文基于数据揭示的昆虫多样性和生物量衰退的现象引起很大动,论文被引频次最高,达到6次(图5).澳大利亚悉尼大学的研究人员2019年在《 Biological Conservation》上刊发了一篇关于全球范围内昆虫减少现状及其驱动因素的综述,强调了全球近一半的昆虫物种正在迅速减少,三分之一正濒危灭绝,指出栖息地丧失、农业集约化污染、病原体和生物入侵等生物因素,及气候变化是最主要的驱动因素。该论文被引用446次,是被引频次第二高的论文。
       2020年,欧盟发布了面向2030年的生物多样性战路,七国集团科学院发布关于全球昆虫衰退及对关键生态系统服务的潜在危害的联合声明,联合国第五版《全球生物多样性展》指出当前生物多样性的丧失速度之快在人类历史中前所未见。今年,《生物多样性公约》第十五次绵约方大会在中国召开。该热点前沿掲示的研究与这些国际行动共同为人类拉响了警报,呼吁人类亟需采取变革行动,保护地球的生物多样性。
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    统计分析核心论文产出的国家和机构(表8),核心论文来源国有23个,发表る篇及以上核心论文的国家有9个。美国核心论文数有10篇,占核心论文总数的一半;德国与英国分别以8篇核心论文排并列第二位;荷兰与澳大利亚分别以6篇并列第四位。发表核心论文最多的前两位机构分别是荷兰的奈梅享大学和奥地利的萨尔茨堡大学。
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        从施引论文的来源国家和机构来看(表9),美国、德国和英国是施引论文的前三位来源国。施引论文的Tp来源机构主要来自德国和法国等,施引论文前十位机构中,德国有5家,法国有3家。施引论文最多的3家机构分别是法国国家科学研究中心、德国亥姆霍联合会和法国国家农业食品与环境研究院。
        综合核心论文和施引论文的表现,美国、德国、英国、荷兰、法国等美欧发达国家表现突出,这些国家均是昆虫多样性研究与监測工作开展较早较系统的国家。机构中主要以德国、法国、荷兰和奥地利机构表现突出。荷兰奈梅享大学和瓦格宁根大学,德国生物多样性综合研究中心和亥姆霍兹联合会,法国国家科学研究中心和国家农业食品与环境研究院,奧地利萨尔茨堡大学等贡献了较大比例的核心论文或施引论文,在该前沿中具有重要地位。

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1.3重点热点前沿一“全氟和多氟烷基化合物的分布、暴露、毒理和污染控制技术”

      全氟及多氟烷基化合物(Perfluorinated alkyl substances,PFAS,下文简称全氟化合物是一大类新型持久性有机污染物(POPs),被广泛应用于工业生产和生活消费领域,如纺织品的表面防污处理剂、不粘锅炊具、方便食品包装等。全氟化合物具有持久性和远距离迁移性,可在生物体内蓄积与放大,可产生脏器毒性、神经毒性、免疫和内分泌毒性、生殖毒性和致癌性,已在全球各类环境介质及生物体内检出,其对人类和环境的危害已经引起了广泛关注和国际控制行动。全氟辛酸及其盐类和相关化合物(PFOA)及全氟辛基磺酸及其盐类和全氟辛基磺酰氟(PFOS)是代表性的全氟化合物,已被列入《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》的新增POPs名单。

     该热点前沿的核心论文有36篇,主要集中在4个方向:(1)全球全氟化合物的污染状况及来源解析,重点是地表水、地下水和饮用水等水环境中的污染;(2)全氟化合物的毒理学和健康风险研究,包括人体暴露途径、肝毒性、对胎
及儿童生长发育的影响等;(3)全氟化合物的控制技术,包括水体中的吸附技术、氧化还原技术等;(4)长链全氟化合物的潜在替代品,包括新的短链和超短链全氟及多氟化合物的环境和毒理特征。
  
     全氟化合物首次引起关注是其在美国引发的饮用水污染危哈佛大学陈曾煕公共卫生学院等机构的研究人员2016年发表在《Environmental Science TechnologyLetters》上的论文对全美饮用水中全氟化合物的浓度进行了分析,发现600万美国居民的饮用水中全氟化合物的浓度超过了美国环保局制定的终身健康建议量。该论文被引用267次,是该前沿被引频次最高的一篇核心论文(图6)。该前沿影响力较高的另一篇论文指出在3000多种全氟化合物中,只有少数长链化合物得到了较充分的研究并成为国际管控清单的对象或潜在候选物质,绝大多数其他的全氟化合物也需要得到关注。该文来自瑞典斯德哥尔摩大学等机构,发表在《 Environmental Science&Technology》上,被引频次为256次。
     随着全氟化合物研究持续成为研究热点,更多的科学证据不断呈现,越来越多的该类化合物得到了深入研究,不断引起国际关注并推动对其强化管制的国际行动。如近期,全氟己基磺酸( PFHXS)及其盐类已在美欧多国引起讨论,已经被纳入《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》的候选POPs名单。
 
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    统计分析核心论文产出的国家和机构(表10)表明,美国是贡献最大的核心论文产出国,核心论文占论文总数的47.2%,约占半数。瑞典贡献的核心论文占22.2%,排第二位,中国核心论文占16.7%,排第三。其他国家都低于10%。核心论文的产出机构主要来自美国和瑞典。其中,核心论文最多的两家机构为美国科罗拉多矿业大学和美国环保局,各有4篇。贡献核心论文达到2篇及以上的17家机构中,美国有10家,瑞典有3家。中国科学院也贡献了2篇核心论文。
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       从施引论文的来源国家和机构来看(表11),美国仍是贡献最大的国家,施引论文占总论文数的38.8%;中国贡献排第二位,占总施引论文数的28.1%;其他国家均低于0%。施引论文的前十位来源机构分别来自中国、美国和瑞典。其中,中国科学院以115篇施引论文排第一位,南开大学排第七位;美国有6家机构,美国卫生部贡献的施引论文有61篇,排第二位,哈佛大学排并列第三位;瑞典有两家机构,分别排并列第三和第八位。从核心论文和施引论文的贡献来看,美国、中国和瑞典在该前沿中表现最好。美国在该前沿中居于引领地位,贡献了最多的核心论文和施引论文,表现突出的研究机构也以美国最多。瑞典在核心论文和施引论文中也有较好的表现。中国是该前沿的重要参与者,有较高的核心论文和施引论文数量,中国科学院近年在该领域的追赶表现突出。

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2.新兴前沿及重点新兴前沿解读
2.1新兴前沿概述
    生态与环境科学领域有2个方向入选新兴前沿,即“气候环境因素对新冠肺炎疫情的影响”和“大气二氧化氮水平与新冠肺炎死亡率升高相关”。
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2.2重点新兴前沿解读一“大气二氧化氮水平与新冠肺炎死亡率升高相关”
     空气污染对人类健康具有重大影响。二氧化氮是由柴油车和其他化石燃料燃烧产生的一种空气污染物,可对人类的呼吸系统产生损害,导致高血压、糖尿病、心血管病等。随着新冠肺炎疫情的持续,科学家对新型冠状病毒的了解越来越深入。空气污染,如氮氧化物污染是否对新冠肺炎的流行及死亡率有所影响,引起了科学家的兴趣。
   该新兴前沿的主要内容是探讨长期接触二氧化氮与新冠肺炎致死率之间的关系。德国马丁路德大学的研究人员在《 Science of the Total Environment》上发表的论文对新冠肺炎疫情震中的空气污染数据进行了研究,结果发现,二氧化氮污染浓度与新冠病死率具有显著的相关性。在意大利、西班牙、法国和德国的共4443例死亡病例中,3487例(78%)都发生在五个氮氧化物浓度最高的地区。同样,来自丹麦奥胡斯大学等机构的研究小组发表在《 Environmental Pollution》
上的研究也指出,意大利的空气污染与新冠肺災死亡率之间存在显著的相关性。未来应进一步研究空气污染因素与新冠肺炎死亡率升高的确切因果关系。


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