Science，一期兩篇！
雙節長假剛過，上班第一天，你還在揉著惺忪睡眼？中國科學技術大學一大早就發出了一條令人瞬間振作的消息：今天凌晨，該校兩項科研成果在國際頂尖雜誌《科學》上在線發表，而且會在今天出版的紙質版雜誌上同時刊發。
這兩篇論文分別來自該校趙忠教授團隊和季恆星教授團隊，一篇是發現了植物幹細胞廣譜抗病毒機制，而另一篇則是發現了一種有助於發展鋰電子電池快充技術的新型電極材料。
植物如何抵抗病毒？科學家發現植物幹細胞廣譜抗病毒機制
中國科學技術大學生命科學學院趙忠教授團隊通過發育生物學和植物病毒學兩個領域的交叉研究，找到了植物幹細胞免疫病毒的關鍵因子—WUSCHEL（WUS）蛋白，揭示了植物幹細胞的廣譜抗病毒機制。
植物幹細胞廣譜抗病毒機制示意圖（美術設計：馬子頌，梁琰）
目前，植物病毒病害已經成為農業生產中的第二大病害，植物一旦染上病毒將帶來毀滅性的後果，比如在水稻中由稻飛蝨傳播的病毒（條紋葉枯病和黑條矮縮病）一旦爆發，輕則減產16%左右，重則絕收。
儘管國內外研究人員已經從多個角度進行了大量的研究，包括RNA幹擾，細胞自噬和植物激素等途徑，但是對於植物幹細胞存在廣譜抗病毒能力的原因仍然不清楚。由於病毒種類繁多，已知的植物病毒就有1000多種，現有的抗病毒手段只能針對少數的病毒，且隨著病毒不斷進化，抗性也會逐漸減弱。「莖尖脫毒」是少有的可以應用於大多數植物、清除體內病毒的最有效的生物技術，但其深層機理一直未被揭示。
中國科學技術大學趙忠團隊另闢蹊徑，以傳統的莖尖脫毒技術為靈感來源，歷經8年潛心研究，發現WUS是一個存在於植物幹細胞中的關鍵抗病毒蛋白。幹細胞內的WUS是一個非常保守的蛋白，從低等植物到高等植物中普遍存在。這個蛋白受病毒感染誘導，並且通過直接抑制一類甲基轉移酶基因，影響了細胞參與蛋白質合成的主要細胞器-核糖體的組裝，從而降低了蛋白質合成速率。這將直接導致病毒不能利用植物細胞完成自身蛋白質的翻譯，以及病毒的複製和組裝的過程，從而抑制了病毒的傳播。
幹細胞抗病毒蛋白廣譜抗病毒示意圖（美術設計：武海軍等）
同時，WUS蛋白也可以成為其他細胞抵抗病毒的「利器」，研究人員在植物其它細胞中表達WUS蛋白，可以保護植物免受病毒的感染。同時研究人員還檢查了多種病毒，並證實WUS蛋白均可以抑制這些病毒對植物細胞的感染，說明WUS蛋白介導的幹細胞病毒免疫具有廣譜性。
植物細胞中的WUS通過破壞細胞蛋白質合成來阻止病毒複製，保持了細胞的健康狀態。（美術設計：陳磊 梁琰）
這項工作研究了植物分生組織存在的廣譜抗病毒免疫活性，第一次發現在病毒抗性和分生組織維持基因之間存在如此精確的分子連接。同行專家評論：「此研究解決了一個長期存在且備受關注的問題，是植物病理學和植物發育領域的一個開創性研究。」
下一步，研究團隊計劃怎樣將其應用到育種中，基於蛋白質人工進化技術，篩選高抗病蛋白，並利用生物技術轉入多種作物中，以得到廣譜高抗病的作物新品種。團隊研究人員表示， WUS作為一個保守的幹細胞調節蛋白，其同源蛋白存在於多種植物中。WUS蛋白介導的廣譜抗病毒機制可以為多種作物抗病毒防治提供一個新的研究思路，可能為解決全球糧食穩產帶來新曙光。
新型電極材料助力鋰電子電池快充技術
電動汽車愈發受到市場青睞，但漫長的充電時間也讓人望而卻步。傳統燃油汽車僅需五分鐘即可滿油增程500公裡，而目前市售最先進的電動汽車則需要「坐等」充電一小時才能達到同樣的增程效果。發展具有快速充電能力的大容量鋰離子電池一直是該行業的重要目標。一項最新研究突破使該目標更加接近。
中國科學技術大學季恆星教授研究組與合作者們在新型鋰離子電池電極材料研究方面取得重大突破：全新設計的黑磷複合材料使兼具高容量、快速充電且長壽命的鋰離子電池成為可能。
電極材料是決定電池性能指標的關鍵因素之一。「我們希望能夠發現一款既能在綜合性能指標方面給行業以期待，又能適應工業化電池生產流程的電極材料。」季恆星教授說。
論文第一作者金洪昌博士介紹：「能量通過鋰離子與電極材料的化學反應進出電池，因此電極材料對鋰離子的傳導能力是決定充電速度的關鍵；另一方面，單位質量或體積的電極材料容納鋰離子的多少也是一個重要因素。「
黑磷是白磷的同素異形體，特殊的層狀結構賦予它很強的離子傳導能力和高理論容量，是極具潛力的滿足快充要求的電極材料。然而黑磷容易從層狀結構的邊緣開始發生結構破壞，實測性能遠低於理論預期。季恆星團隊採用「界面工程」策略將黑磷和石墨通過磷碳共價鍵連接在一起，在穩定材料結構的同時提升了黑磷石墨複合材料內部對鋰離子的傳導能力。
但電極材料在工作過程中會被電解液逐漸分解的化學物質所包裹，部分物質會阻礙鋰離子進入電極材料，就像玻璃表面的灰塵阻礙光線穿透。研究團隊用輕薄的聚合物凝膠做成防塵外衣「穿」在黑磷石墨複合材料表面，使鋰離子得以順利進入。
通過碳磷共價鍵連接在一起的黑磷複合材料具備更加穩定的結構和更高的鋰離子傳輸能力。
美術設計：上圖/董逸涵，石千惠，梁琰 下圖/石千惠，董逸涵，梁琰
「我們採用常規的工藝路線和技術參數將黑磷複合材料做成電極片。實驗室的測量結果表明，電極片充電9分鐘即可恢復約80%的電量，2000次循環後仍可保持90%的容量。」共同第一作者，中國科學院化學研究所的辛森研究員介紹說，」如果能夠實現這款材料的大規模生產，找到匹配的正極材料及其他輔助材料，並針對電芯結構、熱管理和析鋰防護等進行優化設計，將有望獲得能量密度達350瓦時/千克並具備快充能力的鋰離子電池。」
具備能量密度350瓦時/千克的鋰離子電池能夠使電動汽車的行駛裡程接近1000千米，而特斯拉Model S滿電後的行駛裡程為650千米。而快速充電能力將使電動汽車的用戶體驗上升一個臺階。
在新技術的基礎上，團隊將在基礎研究層面和規模製備技術方面繼續探索。「深入認識電極材料的微觀結構、理化性質和電化學反應過程等基礎科學問題，掌握以界面工程為例的化學手段，同時了解產業界對核心材料的性能需求是實現電池技術突破，推進相關領域如消費電子、電動汽車行業發展的必備條件。」季教授說道，「我們將在現有基礎上持續努力，使論文中的研究結果更加貼近電池產業的要求。」
作者：許琦敏
編輯：許琦敏
責任編輯：任荃
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