矢志创新攻坚建设科技强国
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图①：乔杰（左）与团队成员交流课题进展。 |
国家自然科学奖二等奖“人类生殖发育表观遗传调控机制及代际传递规律研究”
“帮助育龄夫妇生育健康的宝宝”
本报记者刘诗瑶
“生养健康的孩子，是许多家庭最朴素的心愿。但生育障碍、出生缺陷等问题，仍困扰着不少育龄夫妇。”中国工程院院士、北京大学常务副校长兼医学部主任乔杰说，“我们的使命，是用更精准、更安全的办法，帮助育龄夫妇生育健康的宝宝。”
为了让育龄妇女实现健康生育愿望，乔杰带领团队历经10余年攻关，围绕人类生殖细胞发育调控这一基础研究难题，揭示了表观重编程调节父母源基因组信息变化以驱动生殖细胞命运转变的分子机制，为精准防治生育障碍与发育源性疾病打下坚实基础。
在以往临床实践中，乔杰发现一些疑难病例患者反复出现取卵失败、胚胎发育异常，甚至一些患者经过长年治疗，仍未获得成功妊娠，原因却难以解释。“人类对自身生殖细胞及胚胎发育的分子机制认识有限。特别是表观遗传修饰调控方式多样，物种间差异大，加之人类生殖细胞数量稀少、样本珍贵，缺乏有效的技术手段。”乔杰说。
2013年，单细胞测序技术为生物发育等研究提供了新途径。该技术可以在仅有一个细胞的情况下，解析全基因组的转录及表观特征。这为多角度深入研究发育机制提供了新的切入点，也推动了乔杰和北京大学教授汤富酬开展长期联合攻关。最终，团队在自主开发的单细胞表观多组学测序技术的基础上，突破单细胞水平多维表观遗传信息解析的技术壁垒，阐明表观遗传机制如何调节人类生殖细胞命运转变，明确了临床上胚胎无创诊断中游离DNA的来源，由此解决了长期困扰临床的重要问题，并开发出优质胚胎筛选技术，助力提高临床胚胎着床率。
合作过程中，实验室显微镜一度出现故障，按常规方法，后续实验无法正常开展。但大家灵机一动，想到是否可以创新手段而达到实验目的呢？团队精心思考、改进实验方法，运用分辨率更低的显微镜，调整显微操作技巧，反而让实验效率大大提升，结果可重复性更加稳定。
临床中，曾有一位患者连续经历6次不良孕史，包括胚胎停育2次，胎儿畸形4次。她专程找到乔杰寻求治疗。团队通过家系遗传检测和表观异常分析，发现该患者受表观调控的一个基因具有一个父源位点的突变。在鉴定出表观异常基因后，团队进一步使用胚胎诊断技术，帮助患者挑选了一个不携带父源突变的胚胎进行移植，最后成功生下一个健康宝宝。
针对不同类型的临床疑难疾病，团队又陆续建立了多个胚胎诊断新技术，进一步扩大了遗传病诊断范围，拥有完全自主知识产权并已成功应用于临床。截至目前，团队已完成600余种疾病的胚胎诊断，帮助上千家庭实现健康生育的愿望。
当前，我国辅助生殖医学每年贡献新生人口的3%左右。“我们希望通过不懈努力和持续创新，取得更多原创性科研成果，为我国生育问题提供科学依据，为我国人口安全和经济社会的可持续发展提供强有力的科技支撑。”乔杰说。
国家技术发明奖一等奖“深部能源开发岩体应力场透明解析技术及应用”
“看”清岩体应力场演化
本报记者喻思南
深地能源开发面临的重要挑战之一是开发活动可能诱发垮塌、瓦斯突出、冲击地压等工程灾害，而诱发这些灾害的根源就在于开采引起的岩体应力场演化。
然而，地下岩体不透明、结构复杂，开采扰动引发的岩体结构及应力场的变化就像一个“黑箱”，传统技术和方法难以直观、准确和量化表征，也难以对深部开采可能引发的工程灾害进行超前预警和精准治理。
为应对这一制约深部能源安全高效开发的核心难题，中国矿业大学（北京）教授鞠杨协同四川大学、深圳大学、煤炭科学技术研究院有限公司等组建研发团队，历经近20年攻关，发明了深部岩体结构及应力场透明解析技术，突破了工程扰动下岩体应力场演化“看不见、摸不着”、难以量化解析的难关。
鞠杨说，为了实现“透视”岩石复杂结构与应力场演化的目标，项目团队研发了国际首台套真三轴扰动荷载下岩石原位CT成像实验系统，解决了岩石复杂结构演化精细识别和准确刻画的难题；发明了岩石三维应力场透明解析方法与装置，攻克了现有技术无法获取扰动荷载下岩石内部三维应力场演化的难题，实现了岩石应力场透明解析方法和装置“从0到1”的突破。
“有了这些技术，我们就能像医生一样，使用CT等各种仪器设备‘透视’岩石内部结构及应力演化行为，找到引发岩石灾变的内在原因，并作出灾害的研判和预警。”鞠杨说。
该技术推广应用成效如何？国家能源集团神东保德煤矿是我国特大型高瓦斯矿井，这里开采扰动应力错综复杂，瓦斯含量高、精准治理困难。研究团队与现场工程技术人员紧密合作，指导了定向钻孔、采动卸压抽采等工艺措施，瓦斯被精准高效地抽采出来，确保了大型自动化和智能化采煤设备的安全使用。瓦斯治理理念实现了由“经验化”向“科学化”的转变，为煤矿安全高效生产提供了强有力的技术支撑。
在胜利油田，针对非常规油气开发过程中面临储层改造技术挑战多、采收效果评价难等问题，项目团队与油田技术人员密切合作攻关，运用该项目技术和成果，指导和优化了储层压裂设计方案，大幅提升了油藏采收率。
“随着能源开发不断向地球更深部进军，超高温、超高压、强扰动等更加严苛条件突显，岩体应力场演化变得愈加复杂，深部岩体灾害防控将面临更大挑战。”鞠杨说，目前，项目团队正在有针对性地开展深入研究，进一步提升和完善岩体应力场透明解析与灾变透明推演技术，以适应更严苛环境的需要。
作为一种基础通用性技术，该项目成果不仅在解决深部能源开发灾害防治等关键问题上发挥了重要作用，还拓展应用于川藏铁路、城市地铁等国家重大工程和重点民生工程，有效提升了工程安全性。
鞠杨介绍，战略性矿产资源开发、地热开发、二氧化碳地质封存与利用对保障我国能源安全和实现“双碳”目标具有重大意义，其核心技术均涉及岩体扰动应力场的定量表征问题。通过“看”清岩体结构及应力场演化，有助于实现能源安全高效开发和灾害源头治理及主动防控。
国家技术发明奖二等奖“玉米单倍体育种高效技术体系创建及规模化应用”
玉米育种跑出“加速度”
本报记者蒋建科
玉米品种是一般由两个亲本纯合自交系组配而成的杂交种，一般需要8个世代以上连续自交才能获得纯系。这个方法虽然容易操作，但周期长、速度慢。因此，如何研发出快速而先进的玉米育种技术成为焦点。由中国农业大学教授陈绍江联合李建生、刘晨旭、才卓、黎亮和段民孝等国内骨干研究单位的专家，通过长期协同攻关，终于研发成功玉米单倍体育种高效技术体系，只需2个世代即可获得育种所需纯系，让玉米育种跑出“加速度”。
陈绍江介绍，染色体是遗传物质的载体，一般情况下，植物细胞二倍体的染色体成对存在，而单倍体的染色体成单存在。单倍体虽然可以生长但一般高度不育，难以获得种子，而通过特殊技术让染色体加倍使其“脱单”，恢复至正常的二倍体状态，就能产生DH（加倍单倍体）纯系种子，进一步即可作为育种材料培育新品种，所以单倍体技术又称为双单倍体技术或DH技术。
自然出现单倍体的概率太低，难以达到育种需求。为此，科学家先后尝试了多种单倍体技术路径，虽取得了一定进展，但因操作复杂、易受遗传背景影响等，限制了广泛应用。
团队主攻方向是杂交诱导单倍体快速育种技术。该技术的基础是上世纪50年代发现的原始玉米诱导材料，利用诱导材料花粉与其他玉米杂交后，杂交当代果穗上就可产生一定比例的母本单倍体种子。该技术涉及单倍体诱导、鉴别和加倍三大环节，技术瓶颈首先是原始诱导系的诱导率很低，且单倍体诱导的遗传基础不明确；其次是杂交诱导当代籽粒中，单倍体少且与二倍体随机出现，通常依赖原有颜色基因标记进行挑选，但不易准确区分，需要寻找稳定可靠的高效鉴别标记系统；最后是自然条件下，单倍体一般高度不育，繁殖困难。
针对这些问题，团队聚焦高效技术的体系化研发，取得了覆盖全技术链的创新成果。在单倍体诱导系创制方面，通过创新表型选择方法、发明分子标记辅助选育方法，先后培育了三代单倍体诱导系，将单倍体诱导效率提高到20%以上，不仅开启了我国单倍体育种的先河，也为单倍体育种技术的规模化应用提供了核心材料。团队还成功克隆2个关键诱导基因，解析了诱导的遗传基础，占领了技术制高点，而且通过跨物种验证，为不同作物单倍体快速育种技术的创建开辟了新路径。
在鉴别和加倍技术方面，基于前期研究发现的籽粒油分花粉直感现象，团队在国际上率先提出利用杂交当代遗传效应进行单倍体鉴选的技术原理，并由此发明了基于籽粒油分标记的单倍体籽粒筛选方法，合作开发了全自动单倍体籽粒鉴别装备，实现了单倍体籽粒高通量、自动化鉴别。团队还进一步发明了单倍体幼胚鉴别加倍一体化组培方法，实现了快速高效的工厂化大规模DH纯系创制。
育种实践是技术价值的试金石。团队通过技术培训和科企合作，在国内数十家玉米种子骨干企业建立了单倍体育种技术平台，大幅提高了企业育种研发的效率。同时，大批DH纯系创制和杂交种的育成及大规模推广，为我国玉米增产增收注入了新的动能。
这项成果凝结着几代科研人员的持续努力，以及完成单位之间的精诚合作。陈绍江表示，将玉米单倍体育种的成功经验拓展到更多作物是团队下一步攻关的方向。未来，希望创建通用型跨作物单倍体快速育种技术体系，为我国种业科技创新贡献力量。
国家科技进步奖一等奖“多语种智能语音关键技术及产业化”
提升人机交互语义理解的准确率
本报记者谷业凯
在安徽合肥大蜀山脚下，科大讯飞有限公司的研发人员正在紧张有序地工作。办公区里张贴着不少技术海报，白板上写满了各类公式，墙壁上印着一句话“用正确的方法，做有用的研究”，字体不大却十分醒目。
语音是人类最自然便捷的沟通方式之一，也是智能设备人机交互的关键入口。多语种智能语音技术对于手机、家电、汽车等产业升级和产品“出海”具有重要的支撑作用。科大讯飞以“十年磨一剑”的决心，联合国内高校院所和企业，在多语种智能语音关键技术领域实现创新突破，使我国在该领域的整体技术达到了国际领先水平。
语音识别研究中，远场、噪声、多人语音混叠等现象导致的“鸡尾酒会”效应是一项极具挑战性的难题。“比如，送餐机器人来到一群顾客的中间，每个人都在讲话，声音非常嘈杂，这就是‘鸡尾酒会’效应的典型场景。机器人很难识别、服务客户的语音需求。”科大讯飞董事长刘庆峰举例说。为此，他带领团队创新性提出了多通道语音信号时空分离建模方法，用算法将不同说话人、噪声等语音信号精确分离，并实现解耦建模，大幅提升了复杂场景语音识别和个性化语音合成的效果。
刘庆峰介绍：“在工业领域，我们利用这项技术可以在上百米的距离判断是否出现气体泄漏，目前已在石化领域得到应用；在消费侧，导航软件得以通过少量的样本学习来‘捕捉’人物韵律和音色特点，进而合成个性化语音。”
在多语种智能系统构建过程中，语料匮乏、数据稀缺也是一大障碍。刘庆峰带领团队从底层入手，设计出全新的多语种通用音素体系和基本语言单元，显著提升了小语种语音系统的性能。“目前，我们的多语种智能语音技术已经能实现69个小语种的能听会说。”科大讯飞研究院院长刘聪说。
深层次语义理解是人机交互场景对语音技术更高的要求。“过去我们要先把语音识别成文字，经过翻译，再把它读出来，这是一个个分离的过程，也会造成不少歧义。”刘庆峰解释，“现在，我们通过语音语义联合建模，使歧义大幅减少，还能把一些专业性的知识融入其中，有效提升了语音交互、语音翻译等场景下语义理解的准确率。”
该项目还建立了自主可控的智能语音技术体系和产业生态。智能翻译每年提供服务51.5亿次，语音同传服务全球50余个国家超4亿观众。项目支持各主流手机厂商累计激活设备超10亿台，车载智能化产品累计前装超5300万套，开创了翻译机、智能录音笔等智能硬件新品类，输入法语音每天交互次数超10亿次。科大讯飞还承建了国家新一代人工智能开放创新平台，已聚集实名认证开发者700.7万人。
“虽然取得了一些成绩，但语音技术还有巨大发展空间，我们还在持续向前探索。”刘庆峰表示，在人工智能大模型等技术飞速发展的今天，团队将在源头技术研发、生态构建、产业应用落地方面继续努力，持之以恒推动人工智能技术和产业向前发展。
《 人民日报 》（ 2024年07月17日 17 版）
作者：网络
