Science，一期两篇！

双节长假刚过，上班第一天，你还在揉着惺忪睡眼？中国科学技术大学一大早就发出了一条令人瞬间振作的消息：今天凌晨，该校两项科研成果在国际顶尖杂志《科学》上在线发表，而且会在今天出版的纸质版杂志上同时刊发。

这两篇论文分别来自该校赵忠教授团队和季恒星教授团队，一篇是发现了植物干细胞广谱抗病毒机制，而另一篇则是发现了一种有助于发展锂电子电池快充技术的新型电极材料。

植物如何抵抗病毒？科学家发现植物干细胞广谱抗病毒机制

中国科学技术大学生命科学学院赵忠教授团队通过发育生物学和植物病毒学两个领域的交叉研究，找到了植物干细胞免疫病毒的关键因子—WUSCHEL（WUS）蛋白，揭示了植物干细胞的广谱抗病毒机制。

植物干细胞广谱抗病毒机制示意图（美术设计：马子颂，梁琰）

目前，植物病毒病害已经成为农业生产中的第二大病害，植物一旦染上病毒将带来毁灭性的后果，比如在水稻中由稻飞虱传播的病毒（条纹叶枯病和黑条矮缩病）一旦爆发，轻则减产16%左右，重则绝收。

尽管国内外研究人员已经从多个角度进行了大量的研究，包括RNA干扰，细胞自噬和植物激素等途径，但是对于植物干细胞存在广谱抗病毒能力的原因仍然不清楚。由于病毒种类繁多，已知的植物病毒就有1000多种，现有的抗病毒手段只能针对少数的病毒，且随着病毒不断进化，抗性也会逐渐减弱。“茎尖脱毒”是少有的可以应用于大多数植物、清除体内病毒的最有效的生物技术，但其深层机理一直未被揭示。

中国科学技术大学赵忠团队另辟蹊径，以传统的茎尖脱毒技术为灵感来源，历经8年潜心研究，发现WUS是一个存在于植物干细胞中的关键抗病毒蛋白。干细胞内的WUS是一个非常保守的蛋白，从低等植物到高等植物中普遍存在。这个蛋白受病毒感染诱导，并且通过直接抑制一类甲基转移酶基因，影响了细胞参与蛋白质合成的主要细胞器-核糖体的组装，从而降低了蛋白质合成速率。这将直接导致病毒不能利用植物细胞完成自身蛋白质的翻译，以及病毒的复制和组装的过程，从而抑制了病毒的传播。

干细胞抗病毒蛋白广谱抗病毒示意图（美术设计：武海军等）

同时，WUS蛋白也可以成为其他细胞抵抗病毒的“利器”，研究人员在植物其它细胞中表达WUS蛋白，可以保护植物免受病毒的感染。同时研究人员还检查了多种病毒，并证实WUS蛋白均可以抑制这些病毒对植物细胞的感染，说明WUS蛋白介导的干细胞病毒免疫具有广谱性。

植物细胞中的WUS通过破坏细胞蛋白质合成来阻止病毒复制，保持了细胞的健康状态。（美术设计：陈磊 梁琰）

这项工作研究了植物分生组织存在的广谱抗病毒免疫活性，第一次发现在病毒抗性和分生组织维持基因之间存在如此精确的分子连接。同行专家评论：“此研究解决了一个长期存在且备受关注的问题，是植物病理学和植物发育领域的一个开创性研究。”

下一步，研究团队计划怎样将其应用到育种中，基于蛋白质人工进化技术，筛选高抗病蛋白，并利用生物技术转入多种作物中，以得到广谱高抗病的作物新品种。团队研究人员表示， WUS作为一个保守的干细胞调节蛋白，其同源蛋白存在于多种植物中。WUS蛋白介导的广谱抗病毒机制可以为多种作物抗病毒防治提供一个新的研究思路，可能为解决全球粮食稳产带来新曙光。

新型电极材料助力锂电子电池快充技术

电动汽车愈发受到市场青睐，但漫长的充电时间也让人望而却步。传统燃油汽车仅需五分钟即可满油增程500公里，而目前市售最先进的电动汽车则需要“坐等”充电一小时才能达到同样的增程效果。发展具有快速充电能力的大容量锂离子电池一直是该行业的重要目标。一项最新研究突破使该目标更加接近。

中国科学技术大学季恒星教授研究组与合作者们在新型锂离子电池电极材料研究方面取得重大突破：全新设计的黑磷复合材料使兼具高容量、快速充电且长寿命的锂离子电池成为可能。

电极材料是决定电池性能指标的关键因素之一。“我们希望能够发现一款既能在综合性能指标方面给行业以期待，又能适应工业化电池生产流程的电极材料。”季恒星教授说。

论文第一作者金洪昌博士介绍：“能量通过锂离子与电极材料的化学反应进出电池，因此电极材料对锂离子的传导能力是决定充电速度的关键；另一方面，单位质量或体积的电极材料容纳锂离子的多少也是一个重要因素。“

黑磷是白磷的同素异形体，特殊的层状结构赋予它很强的离子传导能力和高理论容量，是极具潜力的满足快充要求的电极材料。然而黑磷容易从层状结构的边缘开始发生结构破坏，实测性能远低于理论预期。季恒星团队采用“界面工程”策略将黑磷和石墨通过磷碳共价键连接在一起，在稳定材料结构的同时提升了黑磷石墨复合材料内部对锂离子的传导能力。

但电极材料在工作过程中会被电解液逐渐分解的化学物质所包裹，部分物质会阻碍锂离子进入电极材料，就像玻璃表面的灰尘阻碍光线穿透。研究团队用轻薄的聚合物凝胶做成防尘外衣“穿”在黑磷石墨复合材料表面，使锂离子得以顺利进入。

通过碳磷共价键连接在一起的黑磷复合材料具备更加稳定的结构和更高的锂离子传输能力。

美术设计：上图/董逸涵，石千惠，梁琰    下图/石千惠，董逸涵，梁琰

“我们采用常规的工艺路线和技术参数将黑磷复合材料做成电极片。实验室的测量结果表明，电极片充电9分钟即可恢复约80%的电量，2000次循环后仍可保持90%的容量。”共同第一作者，中国科学院化学研究所的辛森研究员介绍说，”如果能够实现这款材料的大规模生产，找到匹配的正极材料及其他辅助材料，并针对电芯结构、热管理和析锂防护等进行优化设计，将有望获得能量密度达350瓦时/千克并具备快充能力的锂离子电池。”

具备能量密度350瓦时/千克的锂离子电池能够使电动汽车的行驶里程接近1000千米，而特斯拉Model S满电后的行驶里程为650千米。而快速充电能力将使电动汽车的用户体验上升一个台阶。

在新技术的基础上，团队将在基础研究层面和规模制备技术方面继续探索。“深入认识电极材料的微观结构、理化性质和电化学反应过程等基础科学问题，掌握以界面工程为例的化学手段，同时了解产业界对核心材料的性能需求是实现电池技术突破，推进相关领域如消费电子、电动汽车行业发展的必备条件。”季教授说道，“我们将在现有基础上持续努力，使论文中的研究结果更加贴近电池产业的要求。”

作者：许琦敏
编辑：许琦敏
责任编辑：任荃

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