一周前沿科技盘点〔172〕丨新方法破解植物单细胞测序难题；蓝光开关调控酿酒酵母代谢通量

针对植物单细胞测序中样本制备难的问题，中国科学院科研团队开发出FX-Cell系列新技术，显著提升效率与数据质量。

科研人员开发光遗传工具OptoPdc1，通过蓝光精准、可逆地调控酿酒酵母的糖酵解与产物合成，为代谢工程提供新范式。

基于国际科技创新中心网络服务平台科创热榜每日榜单形成的一周科技记忆，我们推出《一周前沿科技盘点》专栏。今天，为大家带来第172期。

1《Nature Methods》丨新方法破解植物单细胞测序难题

FX-Cell及其衍生技术流程

高通量单细胞转录组测序（scRNA-seq）在植物和农学研究中受限于单细胞制备的技术瓶颈。中国科学院分子植物科学卓越创新中心等单位通过底层技术创新，开发了新型植物单细胞制备方法FX-Cell。

该方法改进了传统原生质体制备流程：研究团队首先发现提高酶解温度可增强效率，但为避免高温引起的转录组扰动，在酶解前使用Farmer溶液对组织进行固定；同时，通过GMP Sepharose/Agarose柱亲和纯化去除酶解液中的RNase，并在体系中添加tRNA和tri-GMP等RNase抑制剂，有效保护mRNA稳定性，从而提升单细胞基因捕获数。在水稻和拟南芥根尖测试中，FX-Cell表现出高重复性，其数据质量与常规scRNA-seq相当，优于snRNA-seq，且基本消除了原生质体化带来的转录组偏差。基于此，团队进一步开发出两种衍生技术：FXcryo-Cell（先固定后-80°C保存再酶解）和cryoFX-Cell（先冷冻保存再固定与酶解）。以水稻根尖为例，二者获得的单细胞图谱质量与FX-Cell相当。

这些技术实现了对难以酶解组织、农田实地样品及冻存样本的高质量scRNA-seq，为构建植物单细胞图谱和推动农业精准研究提供了重要工具。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41592-025-02900-2

2《ACS Synthetic Biology》丨蓝光开关调控酿酒酵母代谢通量

光控酿酒酵母代谢调控系统示意图

中国科学院天津工业生物技术研究所研究团队在酿酒酵母代谢通量动态调控方面取得重要进展。

团队以糖酵解关键酶丙酮酸脱羧酶Pdc1为靶点，开发出蛋白质层面的光遗传学调控工具OptoPdc1。通过引入蓝光响应结构域，构建多种光敏突变体，使其可在蓝光与黑暗切换下直接、快速、可逆地调控Pdc1的催化活性。基于此，团队构建了光控酿酒酵母菌株Opto-S. cerevisiae，实现了对细胞生长与乙醇合成的高效动态调控：在蓝光照射下，乙醇产量调控范围达120倍，且与光强呈正相关。该系统组分简单、响应迅速、调控可逆，在黑暗条件下支持细胞高效积累生物量，而蓝光照射则抑制乙醇生成，为依赖呼吸代谢的合成途径创造有利环境。团队进一步将该系统应用于异丁醇合成，通过不同蓝光脉冲模式，实现异丁醇滴度的响应式调节，光控菌株产量可达非光控菌株的120%。

该研究不仅为酿酒酵母代谢工程提供了全新的蛋白质层面调控策略，也为高值化学品的动态、精准生物合成开辟了创新路径。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acssynbio.5c00411

3《IEEE JSSC》丨双边沿乒乓架构提升毫米波时钟性能

乒乓亚采样锁相环电路结构

聚焦5.5G/6G无线通信及下一代高速串行接口，针对毫米波本振时钟超低抖动的严苛需求，中国科学院微电子研究所与清华大学合作，在亚采样锁相环（SSPLL）技术上取得重要突破。

传统SSPLL虽具高鉴相增益优势，但在环路带宽、带内相位噪声与参考杂散之间存在难以兼顾的设计折衷。为此，团队创新提出“双边沿乒乓亚采样锁相环”架构，通过同时利用参考时钟的上升沿和下降沿，实现等效参考频率倍频，有效缓解上述矛盾，显著提升环路性能。此外，团队还开发了一种高功率与面积效率的注入锁定缓冲器，可在高效提取压控振荡器二次谐波的同时进行谐波整形，进一步抑制带外相位噪声。基于这两项核心技术，研究团队采用65nm CMOS工艺研制出一款K波段锁相环时钟芯片，输出频率覆盖22.4–25.6 GHz，整体功耗低于18 mW，RMS积分抖动优于50 fs，抖动—功耗优值（FoM）达到−254 dB以下。

该成果为未来6G通信、太赫兹系统及超高速数据接口提供了高性能、低功耗的时钟解决方案。

原文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/11227144

4《Advanced Science》丨多任务AI框架加速功能酶发现

基于多任务模型的新功能酶智能挖掘与筛选框架

中国科学院上海营养与健康研究所针对功能酶高效筛选难题，构建了端到端、多任务的计算框架CACLENS。

现有深度学习方法因缺乏对多模态输入和多任务输出的统一建模能力，难以满足高性能酶挖掘需求。CACLENS创新融合CGC门控机制、对比学习与交叉注意力技术，实现反应类型分类、EC号预测和反应可行性评估三项关键任务的一体化预测。该框架在多项指标上优于现有模型：在去除ADP/ATP/H⁺等常见辅因子干扰后，反应类型分类更准确；EC号预测整体性能超越主流模型CLEAN；在反应可行性评估中，即使采用偏向ESP或EnzRank的策略，仍表现更优，并对低相似度或未见序列具有强泛化能力。研究团队将CACLENS应用于玉米赤霉烯酮（ZEN）降解酶的挖掘，在大规模序列空间中筛选出10个候选酶。经基因合成、异源表达与体外验证，其中5个展现ZEN降解活性，ZD4与ZD7的降解效率超过90%。

该工作证明了CACLENS在功能酶发现中的实用价值，为智能化酶工程平台建设和真菌毒素生物降解新酶开发提供了关键技术支撑。

原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202518063

5《Science》丨决定大麦“睡”多久的基因被发现

中国科学院青藏高原研究所等团队揭示了大麦种子休眠时长的遗传调控机制。

种子休眠是作物驯化中的关键性状——过短易致穗发芽，过长则影响复种与出苗整齐。研究发现，MKK3基因通过“拷贝数+激酶活性”双重机制精细调控休眠强度：其串联重复拷贝数（1–15个）越多，表达量越高，休眠越弱；同时，T260、Q165等关键氨基酸变异增强激酶活性，也削弱休眠。二者协同决定MKK3总体活性，进而塑造全球大麦的休眠节律。团队分析1000余份大麦种质发现，人类根据气候与用途定向选择MKK3类型：东亚季风区偏好“低活性”MKK3以延长休眠、防穗发芽；北欧为保障啤酒酿造品质，选用“弱休眠”类型，并辅以提前收获和干燥工艺规避风险；青藏高原青稞则携带全球“最高活性”MKK3，休眠最弱、萌发最快，配合未熟采收与焙炒等传统农艺，适应高寒环境。

该研究将基因变异、气候适应与饮食文化统一于MKK3演化史，提出可直接用于分子育种的调控模块——通过调整拷贝数或单碱基编辑，精准微调休眠期，为应对气候变化、发展可持续农业提供新策略。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx2022

6《Astronomy and Astrophysics》丨电离反馈驱动恒星形成区多尺度碎裂

左图为目标区域I19074中的S形态结构特征；右图为目标区域I19074中的S形态云核间距的分布

中国科学院上海天文台等研究团队利用阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵列（ALMA），在1.3mm波段以约6000天文单位分辨率对大质量恒星形成区IRAS 19074+0752（I19074）开展高精度观测，发现一条长约2.8秒差距、形似舞动之龙的S形丝状结构，由北部片段Fn和南部片段Fs组成。

Fn紧邻红外明亮的电离氢区，Fs则位于较宁静的红外暗区，推测S形结构由电离区膨胀挤压原始丝状云所致。研究揭示该区域呈现“丝状结构→团块→云核”的多尺度碎裂模式：Fn受电离反馈驱动，表现为壳层碎裂，形成三个间距约1秒差距的团块，符合“聚集—坍缩”模型；Fs则仅在末端形成一个团块，体现引力主导的“末端坍缩”机制。值得注意的是，两区域内部云核平均间距均为约0.17秒差距，符合金斯碎裂理论，表明小尺度碎裂具有环境普适性。团队共识别出26个致密云核（1–23倍太阳质量），92%处于引力束缚状态，且未发现典型的大质量无星云核，有力支持“团块供给”模型——即大质量恒星通过持续吸积团块内及周围物质成长。

该成果为理解大质量恒星形成的动态过程与外部反馈作用提供了关键观测证据。

原文链接：https://doi.org/10.1051/0004-6361/202556572

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