矢志創(chuàng)新攻堅 建設科技強國——二〇二三年度國家科學技術獎獲獎項目巡禮（下）

國家自然科學獎二等獎“人類生殖發(fā)育表觀遺傳調控機制及代際傳遞規(guī)律研究”

“幫助育齡夫婦生育健康的寶寶”

本報記者  劉詩瑤

“生養(yǎng)健康的孩子，是許多家庭最樸素的心愿。但生育障礙、出生缺陷等問題，仍困擾著不少育齡夫婦。”中國工程院院士、北京大學常務副校長兼醫(yī)學部主任喬杰說，“我們的使命，是用更精準、更安全的辦法，幫助育齡夫婦生育健康的寶寶。”

為了讓育齡婦女實現(xiàn)健康生育愿望，喬杰帶領團隊歷經(jīng)10余年攻關，圍繞人類生殖細胞發(fā)育調控這一基礎研究難題，揭示了表觀重編程調節(jié)父母源基因組信息變化以驅動生殖細胞命運轉變的分子機制，為精準防治生育障礙與發(fā)育源性疾病打下堅實基礎。

在以往臨床實踐中，喬杰發(fā)現(xiàn)一些疑難病例患者反復出現(xiàn)取卵失敗、胚胎發(fā)育異常，甚至一些患者經(jīng)過長年治療，仍未獲得成功妊娠，原因卻難以解釋。“人類對自身生殖細胞及胚胎發(fā)育的分子機制認識有限。特別是表觀遺傳修飾調控方式多樣，物種間差異大，加之人類生殖細胞數(shù)量稀少、樣本珍貴，缺乏有效的技術手段。”喬杰說。

2013年，單細胞測序技術為生物發(fā)育等研究提供了新途徑。該技術可以在僅有一個細胞的情況下，解析全基因組的轉錄及表觀特征。這為多角度深入研究發(fā)育機制提供了新的切入點，也推動了喬杰和北京大學教授湯富酬開展長期聯(lián)合攻關。最終，團隊在自主開發(fā)的單細胞表觀多組學測序技術的基礎上，突破單細胞水平多維表觀遺傳信息解析的技術壁壘，闡明表觀遺傳機制如何調節(jié)人類生殖細胞命運轉變，明確了臨床上胚胎無創(chuàng)診斷中游離DNA的來源，由此解決了長期困擾臨床的重要問題，并開發(fā)出優(yōu)質胚胎篩選技術，助力提高臨床胚胎著床率。

合作過程中，實驗室顯微鏡一度出現(xiàn)故障，按常規(guī)方法，后續(xù)實驗無法正常開展。但大家靈機一動，想到是否可以創(chuàng)新手段而達到實驗目的呢？團隊精心思考、改進實驗方法，運用分辨率更低的顯微鏡，調整顯微操作技巧，反而讓實驗效率大大提升，結果可重復性更加穩(wěn)定。

臨床中，曾有一位患者連續(xù)經(jīng)歷6次不良孕史，包括胚胎停育2次，胎兒畸形4次。她專程找到喬杰尋求治療。團隊通過家系遺傳檢測和表觀異常分析，發(fā)現(xiàn)該患者受表觀調控的一個基因具有一個父源位點的突變。在鑒定出表觀異常基因后，團隊進一步使用胚胎診斷技術，幫助患者挑選了一個不攜帶父源突變的胚胎進行移植，最后成功生下一個健康寶寶。

針對不同類型的臨床疑難疾病，團隊又陸續(xù)建立了多個胚胎診斷新技術，進一步擴大了遺傳病診斷范圍，擁有完全自主知識產(chǎn)權并已成功應用于臨床。截至目前，團隊已完成600余種疾病的胚胎診斷，幫助上千家庭實現(xiàn)健康生育的愿望。

當前，我國輔助生殖醫(yī)學每年貢獻新生人口的3%左右。“我們希望通過不懈努力和持續(xù)創(chuàng)新，取得更多原創(chuàng)性科研成果，為我國生育問題提供科學依據(jù)，為我國人口安全和經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展提供強有力的科技支撐。”喬杰說。

國家技術發(fā)明獎一等獎“深部能源開發(fā)巖體應力場透明解析技術及應用”

“看”清巖體應力場演化

本報記者  喻思南

深地能源開發(fā)面臨的重要挑戰(zhàn)之一是開發(fā)活動可能誘發(fā)垮塌、瓦斯突出、沖擊地壓等工程災害，而誘發(fā)這些災害的根源就在于開采引起的巖體應力場演化。

然而，地下巖體不透明、結構復雜，開采擾動引發(fā)的巖體結構及應力場的變化就像一個“黑箱”，傳統(tǒng)技術和方法難以直觀、準確和量化表征，也難以對深部開采可能引發(fā)的工程災害進行超前預警和精準治理。

為應對這一制約深部能源安全高效開發(fā)的核心難題，中國礦業(yè)大學（北京）教授鞠楊協(xié)同四川大學、深圳大學、煤炭科學技術研究院有限公司等組建研發(fā)團隊，歷經(jīng)近20年攻關，發(fā)明了深部巖體結構及應力場透明解析技術，突破了工程擾動下巖體應力場演化“看不見、摸不著”、難以量化解析的難關。

鞠楊說，為了實現(xiàn)“透視”巖石復雜結構與應力場演化的目標，項目團隊研發(fā)了國際首臺套真三軸擾動荷載下巖石原位CT成像實驗系統(tǒng)，解決了巖石復雜結構演化精細識別和準確刻畫的難題；發(fā)明了巖石三維應力場透明解析方法與裝置，攻克了現(xiàn)有技術無法獲取擾動荷載下巖石內部三維應力場演化的難題，實現(xiàn)了巖石應力場透明解析方法和裝置“從0到1”的突破。

“有了這些技術，我們就能像醫(yī)生一樣，使用CT等各種儀器設備‘透視’巖石內部結構及應力演化行為，找到引發(fā)巖石災變的內在原因，并作出災害的研判和預警。”鞠楊說。

該技術推廣應用成效如何？國家能源集團神東保德煤礦是我國特大型高瓦斯礦井，這里開采擾動應力錯綜復雜，瓦斯含量高、精準治理困難。研究團隊與現(xiàn)場工程技術人員緊密合作，指導了定向鉆孔、采動卸壓抽采等工藝措施，瓦斯被精準高效地抽采出來，確保了大型自動化和智能化采煤設備的安全使用。瓦斯治理理念實現(xiàn)了由“經(jīng)驗化”向“科學化”的轉變，為煤礦安全高效生產(chǎn)提供了強有力的技術支撐。

在勝利油田，針對非常規(guī)油氣開發(fā)過程中面臨儲層改造技術挑戰(zhàn)多、采收效果評價難等問題，項目團隊與油田技術人員密切合作攻關，運用該項目技術和成果，指導和優(yōu)化了儲層壓裂設計方案，大幅提升了油藏采收率。

“隨著能源開發(fā)不斷向地球更深部進軍，超高溫、超高壓、強擾動等更加嚴苛條件突顯，巖體應力場演化變得愈加復雜，深部巖體災害防控將面臨更大挑戰(zhàn)。”鞠楊說，目前，項目團隊正在有針對性地開展深入研究，進一步提升和完善巖體應力場透明解析與災變透明推演技術，以適應更嚴苛環(huán)境的需要。

作為一種基礎通用性技術，該項目成果不僅在解決深部能源開發(fā)災害防治等關鍵問題上發(fā)揮了重要作用，還拓展應用于川藏鐵路、城市地鐵等國家重大工程和重點民生工程，有效提升了工程安全性。

鞠楊介紹，戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源開發(fā)、地熱開發(fā)、二氧化碳地質封存與利用對保障我國能源安全和實現(xiàn)“雙碳”目標具有重大意義，其核心技術均涉及巖體擾動應力場的定量表征問題。通過“看”清巖體結構及應力場演化，有助于實現(xiàn)能源安全高效開發(fā)和災害源頭治理及主動防控。

國家技術發(fā)明獎二等獎“玉米單倍體育種高效技術體系創(chuàng)建及規(guī)?；瘧?rdquo;

玉米育種跑出“加速度”

本報記者  蔣建科

玉米品種是一般由兩個親本純合自交系組配而成的雜交種，一般需要8個世代以上連續(xù)自交才能獲得純系。這個方法雖然容易操作，但周期長、速度慢。因此，如何研發(fā)出快速而先進的玉米育種技術成為焦點。由中國農業(yè)大學教授陳紹江聯(lián)合李建生、劉晨旭、才卓、黎亮和段民孝等國內骨干研究單位的專家，通過長期協(xié)同攻關，終于研發(fā)成功玉米單倍體育種高效技術體系，只需2個世代即可獲得育種所需純系，讓玉米育種跑出“加速度”。

陳紹江介紹，染色體是遺傳物質的載體，一般情況下，植物細胞二倍體的染色體成對存在，而單倍體的染色體成單存在。單倍體雖然可以生長但一般高度不育，難以獲得種子，而通過特殊技術讓染色體加倍使其“脫單”，恢復至正常的二倍體狀態(tài)，就能產(chǎn)生DH（加倍單倍體）純系種子，進一步即可作為育種材料培育新品種，所以單倍體技術又稱為雙單倍體技術或DH技術。

自然出現(xiàn)單倍體的概率太低，難以達到育種需求。為此，科學家先后嘗試了多種單倍體技術路徑，雖取得了一定進展，但因操作復雜、易受遺傳背景影響等，限制了廣泛應用。

團隊主攻方向是雜交誘導單倍體快速育種技術。該技術的基礎是上世紀50年代發(fā)現(xiàn)的原始玉米誘導材料，利用誘導材料花粉與其他玉米雜交后，雜交當代果穗上就可產(chǎn)生一定比例的母本單倍體種子。該技術涉及單倍體誘導、鑒別和加倍三大環(huán)節(jié)，技術瓶頸首先是原始誘導系的誘導率很低，且單倍體誘導的遺傳基礎不明確；其次是雜交誘導當代籽粒中，單倍體少且與二倍體隨機出現(xiàn)，通常依賴原有顏色基因標記進行挑選，但不易準確區(qū)分，需要尋找穩(wěn)定可靠的高效鑒別標記系統(tǒng)；最后是自然條件下，單倍體一般高度不育，繁殖困難。

針對這些問題，團隊聚焦高效技術的體系化研發(fā)，取得了覆蓋全技術鏈的創(chuàng)新成果。在單倍體誘導系創(chuàng)制方面，通過創(chuàng)新表型選擇方法、發(fā)明分子標記輔助選育方法，先后培育了三代單倍體誘導系，將單倍體誘導效率提高到20%以上，不僅開啟了我國單倍體育種的先河，也為單倍體育種技術的規(guī)?；瘧锰峁┝撕诵牟牧稀F隊還成功克隆2個關鍵誘導基因，解析了誘導的遺傳基礎，占領了技術制高點，而且通過跨物種驗證，為不同作物單倍體快速育種技術的創(chuàng)建開辟了新路徑。

在鑒別和加倍技術方面，基于前期研究發(fā)現(xiàn)的籽粒油分花粉直感現(xiàn)象，團隊在國際上率先提出利用雜交當代遺傳效應進行單倍體鑒選的技術原理，并由此發(fā)明了基于籽粒油分標記的單倍體籽粒篩選方法，合作開發(fā)了全自動單倍體籽粒鑒別裝備，實現(xiàn)了單倍體籽粒高通量、自動化鑒別。團隊還進一步發(fā)明了單倍體幼胚鑒別加倍一體化組培方法，實現(xiàn)了快速高效的工廠化大規(guī)模DH純系創(chuàng)制。

育種實踐是技術價值的試金石。團隊通過技術培訓和科企合作，在國內數(shù)十家玉米種子骨干企業(yè)建立了單倍體育種技術平臺，大幅提高了企業(yè)育種研發(fā)的效率。同時，大批DH純系創(chuàng)制和雜交種的育成及大規(guī)模推廣，為我國玉米增產(chǎn)增收注入了新的動能。

這項成果凝結著幾代科研人員的持續(xù)努力，以及完成單位之間的精誠合作。陳紹江表示，將玉米單倍體育種的成功經(jīng)驗拓展到更多作物是團隊下一步攻關的方向。未來，希望創(chuàng)建通用型跨作物單倍體快速育種技術體系，為我國種業(yè)科技創(chuàng)新貢獻力量。

國家科技進步獎一等獎“多語種智能語音關鍵技術及產(chǎn)業(yè)化”

提升人機交互語義理解的準確率

本報記者  谷業(yè)凱

在安徽合肥大蜀山腳下，科大訊飛有限公司的研發(fā)人員正在緊張有序地工作。辦公區(qū)里張貼著不少技術海報，白板上寫滿了各類公式，墻壁上印著一句話“用正確的方法，做有用的研究”，字體不大卻十分醒目。

語音是人類最自然便捷的溝通方式之一，也是智能設備人機交互的關鍵入口。多語種智能語音技術對于手機、家電、汽車等產(chǎn)業(yè)升級和產(chǎn)品“出海”具有重要的支撐作用?？拼笥嶏w以“十年磨一劍”的決心，聯(lián)合國內高校院所和企業(yè)，在多語種智能語音關鍵技術領域實現(xiàn)創(chuàng)新突破，使我國在該領域的整體技術達到了國際領先水平。

語音識別研究中，遠場、噪聲、多人語音混疊等現(xiàn)象導致的“雞尾酒會”效應是一項極具挑戰(zhàn)性的難題。“比如，送餐機器人來到一群顧客的中間，每個人都在講話，聲音非常嘈雜，這就是‘雞尾酒會’效應的典型場景。機器人很難識別、服務客戶的語音需求。”科大訊飛董事長劉慶峰舉例說。為此，他帶領團隊創(chuàng)新性提出了多通道語音信號時空分離建模方法，用算法將不同說話人、噪聲等語音信號精確分離，并實現(xiàn)解耦建模，大幅提升了復雜場景語音識別和個性化語音合成的效果。

劉慶峰介紹：“在工業(yè)領域，我們利用這項技術可以在上百米的距離判斷是否出現(xiàn)氣體泄漏，目前已在石化領域得到應用；在消費側，導航軟件得以通過少量的樣本學習來‘捕捉’人物韻律和音色特點，進而合成個性化語音。”

在多語種智能系統(tǒng)構建過程中，語料匱乏、數(shù)據(jù)稀缺也是一大障礙。劉慶峰帶領團隊從底層入手，設計出全新的多語種通用音素體系和基本語言單元，顯著提升了小語種語音系統(tǒng)的性能。“目前，我們的多語種智能語音技術已經(jīng)能實現(xiàn)69個小語種的能聽會說。”科大訊飛研究院院長劉聰說。

深層次語義理解是人機交互場景對語音技術更高的要求。“過去我們要先把語音識別成文字，經(jīng)過翻譯，再把它讀出來，這是一個個分離的過程，也會造成不少歧義。”劉慶峰解釋，“現(xiàn)在，我們通過語音語義聯(lián)合建模，使歧義大幅減少，還能把一些專業(yè)性的知識融入其中，有效提升了語音交互、語音翻譯等場景下語義理解的準確率。”

該項目還建立了自主可控的智能語音技術體系和產(chǎn)業(yè)生態(tài)。智能翻譯每年提供服務51.5億次，語音同傳服務全球50余個國家超4億觀眾。項目支持各主流手機廠商累計激活設備超10億臺，車載智能化產(chǎn)品累計前裝超5300萬套，開創(chuàng)了翻譯機、智能錄音筆等智能硬件新品類，輸入法語音每天交互次數(shù)超10億次?？拼笥嶏w還承建了國家新一代人工智能開放創(chuàng)新平臺，已聚集實名認證開發(fā)者700.7萬人。

“雖然取得了一些成績，但語音技術還有巨大發(fā)展空間，我們還在持續(xù)向前探索。”劉慶峰表示，在人工智能大模型等技術飛速發(fā)展的今天，團隊將在源頭技術研發(fā)、生態(tài)構建、產(chǎn)業(yè)應用落地方面繼續(xù)努力，持之以恒推動人工智能技術和產(chǎn)業(yè)向前發(fā)展。