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廣州地化所賀依琳等：微生物驅動氟碳鈰礦溶解為風化殼型稀土礦床提供成礦物源（GCA）

風化殼型稀土礦床（又稱離子吸附型稀土礦床）是全球中重稀土資源的主要來源。在該類礦床形成過程中，原生（含）稀土礦物風化釋放稀土元素是稀土最終在風化殼中以離子吸附態富集成礦的關鍵，但各類稀土賦存礦物的溶解行為及其對成礦的貢獻尚未明晰。氟碳鈰礦在成礦基巖中廣泛分布，同時也是三大稀土工業礦物之一。氟碳鈰礦等稀土氟碳酸鹽礦物通常在半風化層便完全風化，因此認為它們的抗風化能力較弱，是成礦的重要物質來源。然而，溶解反應熱力學計算結果卻表明氟碳鈰礦在風化殼型稀土礦床的弱酸性地下水環境中（pH=5.4–6）無法溶解（Li et al.,?2022）。野外觀測與模擬計算結果的不一致引發了對氟碳鈰礦風化溶解機制的疑問。為此，中國科學院廣州地球化學研究所何宏平研究員團隊基于其前期研究（He et al.,2023,2024）提出“微生物作用可能是驅動氟碳鈰礦風化釋放稀土元素的重要動力”這一假設并利用風化型稀土礦床風化殼中原位棲息的微生物菌株開展了礦物溶解實驗。研究發現，與熱力學計算結果一致，在與風化殼深部地下水環境相近的pH?= 6條件下，氟碳鈰礦難以通過酸解反應被溶解。然而，相似條件下，微生物顯著增強了氟碳鈰礦溶解，稀土元素的溶解量提升約2個數量級。微生物釋放的葡萄糖酸、酒石酸等強有機配體，通過絡合和酸解作用協同促進稀土元素活化。在風化殼中氟碳鈰礦等稀土氟碳酸礦物通常在弱風化層已大量風化，過快的風化速率可能導致稀土元素過早流失，反而限制了其對成礦的有效貢獻。經估算，在pH = 6條件下，實驗測定的氟碳鈰礦的溶解速率（RCe?= 10?13?10?12?mol?m?2?s?1）接近或略低于相似條件下估算的部分長石和云母類礦物的溶解速率。由此推斷，氟碳鈰礦溶解釋放出的稀土元素能被這些造巖礦物風化形成的黏土礦物吸附富集，從而為成礦提供物質來源。上述發現表明微生物是驅動氟碳鈰礦自然風化的重要因素，為氟碳鈰礦溶解的熱力學計算結果與自然現象之間的矛盾提供了可能的解釋，同時也為認識風化殼型稀土礦床成礦物源以及完善其生物地球化學成礦模型提供了新視角。本研究得到了以下項目的聯合資助：國家自然科學基金；國家重點研發計劃；廣東省科技計劃項目；廣州市科技計劃項目。相關成果已在線發表于地球化學期刊Geochimica et Cosmochimica Acta。論文信息：Yilin He (賀依琳),Lingya Ma (馬靈涯),Xurui Li (李旭銳),Xun Liu (劉洵),Xiaoliang Liang (梁曉亮),Jianxi Zhu (朱建喜),Hongping He (何宏平).?Microbial-mediated bastnaesite dissolution as a viable source of clay-adsorbed rare earth elements in the regolith-hosted deposits. Geochimica et Cosmochimica Acta,2025,394: 43-52.文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.gca.2025.02.027.圖 1?本研究中氟碳鈰礦的溶解速率（以RCe表示）與前人研究在相似條件下測定的（A）斜長石（Pl）和鉀長石（Kfs）、（B）黑云母（Bt）和白云母（Ms）的溶解速率（以RSi表示）。Buffered-biow RCe是指恒定pH = 6條件下的微生物風化實驗中測得的Ce釋放速率。同時將本研究中未添加緩沖劑的微生物風化實驗（Exp-Biow）中穩定酸性條件下（pH ~3.7）第8至30天Ce的釋放速率以及無菌化學溶解實驗中的Ce釋放速率置于圖中以作比較.?參考文獻:[1] He Y,Ma L,Li X,Wang H,Liang X,Zhu J,He H. Mobilization and fractionation of rare earth elements during experimental bio-weathering of granites. Geochimica et Cosmochimica Acta,?2023,343: 384-395.文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.gca.2022.12.027.?[2] He Y,Ma L,Liang X,Li X,Zhu J,He H. Resistant rare earth phosphates as possible sources of environmental dissolved rare earth elements: Insights from experimental bio-weathering of xenotime and monazite. Chemical Geology,2024,661: 122186.?文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2024.122186.[3] Li MYH.,Kwong HT,Williams-Jones AE,Zhou M-F. The thermodynamics of rare earth element liberation,mobilization and supergene enrichment during groundwater-regolith interaction. Geochimica et Cosmochimica Acta,2022,330:?258-277.文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.gca.2021.05.002.

2025-03-20

廣州地化所楊奕煊、朱潤良等：不同表面對MnOx納米顆粒結晶生長的耦合誘導效應（GCA）

納米礦物指僅以納米尺寸存在的礦物；礦物納米顆粒指以納米尺寸存在，但仍可以更大尺寸存在的礦物顆粒。納米礦物和礦物納米顆粒（Nanominerals and mineral nanoparticles,NMMNs）在大氣、海洋、地表水、土壤和沉積物環境中廣泛存在，具有高遷移能力和高表面反應性，對環境物質的遷移和轉化具有重要作用。NMMNs的反應性受物相、尺寸和形貌制約，其微觀形成機制受到地球化學、環境科學、礦物學等領域廣泛關注。地球系統中各種物理化學反應大多始于礦物表面；NMMNs的結晶生長過程同樣受礦物表面制約：礦物表面可通過界面相互作用制約NMMNs的成核速率和生長途徑，影響產物的物相、尺寸、形貌等。前人對NMMNs在純相表面上的異相結晶生長開展了大量研究；然而，尚不清楚共存不同物相表面如何影響上述過程。自然環境中，各種礦物普遍共存，常以異質聚集體形式出現（例如地表環境中常見的鐵氧化物-黏土礦物聚集體）。異質聚集體可以表現出各礦物組分耦合的表面反應性（例如吸附、催化），因而極有可能對NMMNs的結晶生長產生復雜的耦合效應。因此，了解異質聚集體表面對NMMNs結晶生長的微觀作用機制有助于我們進一步認識自然環境中NMMNs的形成過程。針對上述問題，中國科學院廣州地球化學研究所楊奕煊、朱潤良、何宏平等研究人員制備了鐵氧化物（水鐵礦）-黏土礦物（高嶺石/蒙脫石）異質聚集體，探究了其對Mn(II)異相氧化及錳（氫）氧化物（MnOx）納米顆粒異相結晶生長的影響，主要得到以下認識：水鐵礦可催化Mn(II)逐漸氧化去除，誘導MnOx納米顆粒異相成核。高嶺石、蒙脫石可快速吸附Mn(II)，但對Mn(II)氧化的催化作用較弱。水鐵礦表面形成的MnOx納米顆粒可遷移至高嶺石/蒙脫石表面，與其發生相互作用，使不同體系中MnOx的生長途徑、微觀形貌產生顯著差異：水鐵礦體系中的MnOx可自由聚集并組裝形成納米線（圖1）；水鐵礦-高嶺石體系中，高嶺石表面靜電吸引使MnOx難以聚集，MnOx主要通過自催化Mn(II)氧化形成納米棒（圖2）；水鐵礦-蒙脫石體系中，蒙脫石表面強烈的靜電吸引使大量弱結晶MnOx納米纖維附著其在表面，后者進而組裝形成塊狀MnOx（圖3）。上述結果表明，共存鐵氧化物、黏土礦物在誘導Mn(II)氧化和MnOx納米顆粒結晶生長過程中存在“合作”關系，共同制約產物中Mn的氧化態與空間分布、MnOx的微觀形貌（圖4、5）。本研究率先揭示了不同表面在誘導NMMNs異相結晶生長過程中的耦合效應。上述發現還對進一步理解環境中MnOx的形成-轉化、Mn的遷移-固定具有重要意義。本研究受國家杰出青年科學基金、國家自然科學基金、廣東省杰出青年基金等項目聯合資助。相關成果近期在線發表于Geochimica et Cosmochimica Acta。論文主要實驗數據在中國科學院廣州地球化學研究所電鏡中心完成測試。論文信息：Yang Y.?(楊奕煊),Chen Q.(陳情澤),?Liu J.?(劉晶),?Xing?J.?(邢介奇),Yang Y.?(楊宜坪),Zhu R.*(朱潤良),He H.?(何宏平),Hochella?M.F. (2025) Coupled effects of iron (hydr)oxides and clay minerals on the heterogeneous oxidation of aqueous Mn(II) and crystallization of manganese (hydr)oxides.?Geochimica et Cosmochimica Acta. 388,167–181.論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.gca.2024.09.034圖 1 水鐵礦體系（Fhy）產物微觀結構特征：（A）TEM圖；（B）元素分布圖；（C）MnOx顆粒寬度分布圖（C）；（D）圖A中選區的HRTEM圖，顯示MnOx產物具有顆粒組裝結構；（E）圖D中選定區域的IFFT圖，顯示顆粒邊界處位錯。圖 2 水鐵礦-高嶺石體系（Fhy-Kln）產物微觀結構特征：（A）TEM圖；（B）元素分布圖；（C）MnOx顆粒寬度分布圖；圖A中選區的HRTEM圖，顯示MnOx產物具有不同結構：顆粒組裝（D）、核殼（E）、單晶（F）。圖 3水鐵礦-蒙脫石體系（Fhy-Mnt）產物微觀結構特征：（A）TEM圖；（B）元素分布圖；圖A中不同選區的HRTEM圖，顯示MnOx產物具有顆粒組裝結構：（C）MnOx納米纖維、（D）塊狀MnOx、（E）MnOx納米纖維-塊狀MnOx交界處；（F、G、c1-c4）對應圖D全局、圖E全局、圖C選區的FFT圖。圖 4 水鐵礦、水鐵礦-高嶺石、水鐵礦-蒙脫石體系產物的Mn-L2,3電子能量損失譜（EELS）面掃結果，顯示Mn平均氧化態（AOS）的納米尺度二維空間分布特征。圖 5 水鐵礦-高嶺石、水鐵礦-蒙脫石體系中MnOx納米顆粒的結晶生長機制示意圖。

2025-03-20

南海所?|?南海海草床碳儲能力及變化機制獲新認知

近日，中國科學院南海海洋研究所黃小平研究團隊在南海海草床的碳儲能力及變化機制的研究獲得新認知。相關成果“Improving carbon budgets by accounting for inorganic carbon in seagrass ecosystems”發表在生態學領域頂級期刊Global Change Biology上（博士生任玉正為第一作者，副研究員劉松林和研究員黃小平為共同通訊作者），以及“Nutrient loading accelerates breakdown of refractory dissolved organic carbon in seagrass ecosystem waters”發表在環境科學領域頂級期刊Water Research上（副研究員張霞和副研究員劉松林為論文共同第一作者，研究員黃小平為通訊作者）。海草床是重要的藍碳生態系統，盡管其分布面積小于海洋面積的0.2%，但其對海洋有機碳埋藏的貢獻卻超過10%，對調節全球氣候變化具有重要作用。海草床有機碳是貢獻碳儲的關鍵，但海草床無機碳的原位生產會導致CO2的釋放從而抵消其有機碳存儲，但目前關于海草床無機碳的生產會抵消多少有機碳存儲，在國際上仍有巨大爭議。同時，海草床有機碳中的惰性組分是其有機碳存儲穩定性的重要表征，但會受到營養負荷等人類活動的影響，營養負荷對海草床有機碳穩定性的影響機制，仍缺乏深入認知。因此，厘清海草床無機碳對有機碳存儲的影響，并揭示有機碳存儲穩定性對營養負荷的響應，可為準確評估海草床碳儲能力，以及海草床有機碳的長期儲存的變化機理提供科學依據。以我國南海近岸海草床為研究對象，通過大范圍調查研究，南海近岸海草床沉積物無機碳儲量為1.53~203.17 Mg C ha-1，其儲量主要受到海草生物量和底質類型的調控。利用無機碳的碳-氧同位素技術探究其無機碳的來源，研究發現受陸地徑流影響的海草床其無機碳幾乎全部來自于陸源輸入，而主要受海水控制的大部分海草床多來源于鄰近珊瑚礁生態系統的輸入。利用貝葉斯模型計算其外源輸入貢獻，發現約70~100%的海草床沉積物無機碳通過陸源或臨近的珊瑚礁生態系統輸入（圖1）。這表明海草床僅有較少部分沉積物無機碳在原位生產，對有機碳存儲能力的影響有限，該成果為準確評估全球海草床碳儲能力提供了重要的技術方法。利用近1年的連續室內模擬實驗，探究營養負荷對南海海草床溶解有機碳存儲能力的影響。研究發現，營養負荷通過促進細菌中海洋球菌屬（Oceanococcus）和磁螺旋菌屬（Magnetospira），以及真菌的金黃擔子菌屬（Aureobasidium）和外瓶霉屬（Exophiala）的等K-選擇微生物的豐度，促進了海水中芳香類腐殖質的轉化，使南海海草床水體中惰性溶解有機碳含量下降了15~27%（圖2）。通過估算，營養負荷可導致南海海草床溶解有機碳的儲量下降了16~51 Mg yr-1。該研究表明營養負荷會顯著降低海草床溶解有機碳存儲的穩定性，這對海草床溶解有機碳存儲穩定性的變化機制形成了新的認知，并為海草床保護與管理提供了重要的科學依據。該研究主要得到了國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金項目、廣東省科技計劃項目、中國科學院青年創新促進會項目，以及海南省科技專項資助等的資助。圖1?南海海草床無機碳的來源貢獻概念圖圖2?營養負荷對海草床有機碳組分影響的概念圖相關論文信息：Yuzheng Ren,Songlin Liu*,Jiening Liang,Anirban Akhand,Hongxue Luo,Zhijian Jiang,Yunchao Wu,Xiaoping Huang*,Peter I. Macreadie. Improving carbon budgets by accounting for inorganic carbon in seagrass ecosystems. Global Change Biology,2025,31: e70060.Xia Zhang+,Songlin Liu+,Yunchao Wu,Hongxue Luo,Yuzheng Ren,Jiening Liang,Xiaoping Huang*,Peter I. Macreadie. Nutrient loading accelerates breakdown of refractory dissolved organic carbon in seagrass ecosystem waters. Water Research,2025,273,123017.文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/gcb.70060??????????https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135424019171

2025-03-20

南海所科研人員在南海北部發現橈足類新物種

中國科學院南海海洋研究所發現并描述了橈足類怪水蚤目新物種——擬巨大怪水蚤Monstrilla pseudograndis（圖1），相關成果于3月18日在經典分類學雜志ZooKeys上正式發表，這是首個由我國科研工作者發現的怪水蚤屬Monstrilla新物種。文章作者為南海海洋生物標本館周志乾，連喜平和譚燁輝。圖1?擬巨大怪水蚤新種Monstrilla pseudograndis?sp. nov.，雌性正模。A. 整體背面觀；B. 整體側面觀；C. 整體腹面觀。A–C共用同一比例尺。怪水蚤目物種因其復雜而又有趣的生活史而備受解剖學家和動物學家的關注。其幼體寄生于多毛類、軟體動物等海洋底棲無脊椎動物，成體轉變為浮游生活進行繁殖，期間不再攝食。研究團隊于2023年6月在廣西北部灣近岸海域（21°22'53"N,108°19'38"E）15米水深處采集到擬巨大怪水蚤雌性標本。擬巨大怪水蚤雌性頭胸部表面光滑；額區中部凹陷，第一觸角基部兩側具短感覺毛和小剛毛；頭胸部腹面具4對對稱排列的乳頭狀疤痕。第1-4胸足外肢刺較短。第5胸足雙葉型，外葉細長具3羽狀剛毛，內葉較短具2羽狀剛毛且內緣基部具指狀突起。尾叉各具6根發達尾剛毛（圖2）。通過顯微解剖和形態比較與近似種區分開來（表1）。圖2擬巨大怪水蚤新種Monstrilla pseudograndis sp. nov.，雌性正模。A. 頭胸部腹面觀（箭頭示乳頭狀疤痕）；B. 頭胸部前部腹面觀（s1 = 感覺毛；s2 = 剛毛）；C. 生殖后體節及尾叉腹面觀；D–G. 第1–4胸足。D–G共用同一比例尺。表1 雌性近似種與擬巨大怪水蚤新種Monstrilla pseudograndis sp. nov.的主要特征對比該研究得到中國科學院生物分類學科學家崗位、國家動物標本資源庫、粵西熱帶海洋生態環境廣東省野外科學觀測研究站以及中國科學院戰略生物資源能力建設項目支持。中國科學院南海海洋研究所南海海洋生物標本館碩士研究生周志乾為第一作者，高級工程師連喜平擔任通訊作者。相關論文信息：Zhou,Zhiqian,Lian Xiping*,Tan Yehui. 2025. A new species of Monstrilla(Copepoda,Monstrilloida)in coastal waters of northern South China Sea. ZooKeys 1232: 237-248.文章鏈接：https://doi.org/10.3897/zookeys.1232.144830

2025-03-19

南極真菌來源抗呼吸道合胞病毒籠狀螺環酰胺的發現及機制研究獲新進展

近日，中國科學院南海海洋研究所熱帶海洋生物資源與生態重點實驗室（LMB）劉永宏團隊在南極來源抗呼吸道合胞病毒次級代謝產物的發現領域取得新進展。相關成果“Spirochrains A?D,Four Caged [5,6,5] Spirocyclic Amides from an Antarctic Fungus Aspergillus ochraceopetaliformis SCSIO 05702 with Anti-RSV Activities”以封面文章發表于Organic Letters《有機化學通訊》。中國科學院南海海洋研究所博士生叢夢靜、助理研究員李艷芹，南方醫科大學博士生李銀燕為共同第一作者，LMB研究員王俊鋒、劉永宏，南方醫科大學教授楊潔為共同通訊作者。呼吸道合胞病毒（RSV）是全球幼兒和高危人群急性下呼吸道感染最常見的誘因之一。據估計，呼吸道合胞病毒每年導致超過3300萬例5歲以下兒童感染。但利巴韋林等治療藥物由于其毒性和有限療效，臨床應用受到限制。團隊前期從南極真菌A. ochraceopetaliformis SCSIO 05702中發現一系列結構新穎的次級代謝產物，包括抑制H1N1,H3N2流感病毒活性混源萜Ochraceopones A?E（J. Nat. Prod.,2016,79,59）,抗炎活性蛇麻烷型倍半萜Ochracenes A?I（J. Nat. Prod.,2017,80,1725）和戊酮噻吩Ochrathinols A 和 B（Phytochemisty, 2023,208,113593）。此外聯合中國科學院南海海洋研究所研究員閆巖團隊闡明了混源萜Ochraceopone A生物合成機制（Angew. Chem. Int. Ed.,2024,63,e202403365）。其中直線型混源萜Ochraceopone及蛇麻烷型倍半萜Ochracene被Natural Product Reports評選為熱點化合物Hot off the Press。研究團隊進一步優化發酵A. ochraceopetaliformis SCSIO 05702發現了4個結構新穎的氮雜螺環酰胺Spirochrains A?D，通過波譜學分析與量子化學計算確定了Spirochrains立體結構。當3位羥基未甲基化時，分子中酮酰胺結構會導致自發互變。基因組學及生物信息學分析定位了負責螺環酰胺生物合成基因簇，并對其生物合成途徑進行了推測。抗病毒研究表明，Spirochrains A?D對RSV病毒具有不同程度的抑制作用，通過檢測RSV病毒入侵宿主細胞不同時期的基因轉錄和蛋白表達，揭示Spirochrain B靶向結合RSV-G蛋白來阻止病毒吸附宿主細胞。構效關系分析表明螺環酰胺分子中環己烷鄰二醇構型以及3位羥基在抗RSV感染中發揮重要作用。圖1. 南極真菌A. ochraceopetaliformis代謝產物類型多樣性與合成途徑解析圖2. Spirochrain B抗RSV病毒感染研究該研究挖掘南極真菌次級代謝潛能，為抗RSV感染治療提供了新的先導分子。上述研究工作得到了國家重點研發計劃、廣東省區域聯合基金重點項目、國家自然科學基金、廣東省特支計劃本土創新團隊項目等資助。論文信息：Mengjing Cong#,Yinyan Li#,Yanqin Li#,Xiangliu Chen,Xiaoyan Pang,Yan Yan,Xinpeng Tian,Yonghong Liu*,Jie Yang*,Junfeng Wang*.Spirochrains A–D,Four Caged [5,6,5] Spirocyclic Amides from an Antarctic Fungus Aspergillus ochraceopetaliformis SCSIO 05702 with Anti-RSV Activities,2025,27,2295-2299.文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.orglett.4c04371

2025-03-17

亞熱帶所?|?CCKBR調控山羊小腸淀粉消化的胰腺外分泌功能機制研究取得突破進展

2024年我國牛存欄量為10204萬頭，全國羊存欄量為32074萬只。反芻動物消化系統在結構上與單胃動物不同，對營養物質的消化存在差異。營養物質在瘤胃內被微生物降解，產生的揮發性脂肪酸被瘤胃壁吸收供能；微生物蛋白與未降解的飼料流入小腸，由腸道內消化酶消化成小分子物質被小腸上皮直接吸收利用。反芻動物小腸過瘤胃營養物質可為機體提供17%-30%能量，這一過程主要依賴于胰腺消化酶的分泌。不同于單胃動物小腸淀粉降解率高達98%以上，反芻動物小腸淀粉消化率相對較低，約有40%~60%的過瘤胃淀粉未被消化利用，造成牛羊糞便淀粉殘留高。理論上反芻動物小腸內淀粉類營養物質化學性消化利用效率遠高于瘤胃，但淀粉小腸內的消化受到胰腺淀粉酶分泌不足的限制。因此，解析反芻動物胰腺外分泌功能分子調控機制，挖掘小腸淀粉降解受限的調控靶點有助于反芻動物日糧精準設計，為提高飼料利用效率、減少飼料資源浪費、降低環境污染提供理論依據。2024年我國牛存欄量為10204萬頭，全國羊存欄量為32074萬只。反芻動物消化系統在結構上與單胃動物不同，對營養物質的消化存在差異。營養物質在瘤胃內被微生物降解，產生的揮發性脂肪酸被瘤胃壁吸收供能；微生物蛋白與未降解的飼料流入小腸，由腸道內消化酶消化成小分子物質被小腸上皮直接吸收利用。反芻動物小腸過瘤胃營養物質可為機體提供17%-30%能量，這一過程主要依賴于胰腺消化酶的分泌。不同于單胃動物小腸淀粉降解率高達98%以上，反芻動物小腸淀粉消化率相對較低，約有40%~60%的過瘤胃淀粉未被消化利用，造成牛羊糞便淀粉殘留高。理論上反芻動物小腸內淀粉類營養物質化學性消化利用效率遠高于瘤胃，但淀粉小腸內的消化受到胰腺淀粉酶分泌不足的限制。因此，解析反芻動物胰腺外分泌功能分子調控機制，挖掘小腸淀粉降解受限的調控靶點有助于反芻動物日糧精準設計，為提高飼料利用效率、減少飼料資源浪費、降低環境污染提供理論依據。中國科學院亞熱帶農業生態研究所畜禽健康養殖與農牧復合生態研究中心譚支良研究員團隊在反芻動物小腸淀粉消化受限的胰腺外分泌調控機制研究研究領域取得重要進展。相關成果以Low expression of CCKBR in the acinar cells is associated with insufficient starch hydrolysis in ruminants為題發表于Communications Biology（中國科學院1區top）。該研究首先明確反芻動物存在小腸淀粉降解率低的現象；之后以山羊為試驗動物，成功構建首個山羊胰腺單細胞圖譜；并利用細胞試驗證明山羊膽囊收縮素受體（CCKBR）低表達限制胰腺消化酶胞吐過程，為深入理解反芻動物胰腺外分泌功能不足以及提高反芻動物腸道飼料利用提供了新靶點。主要研究結果包括：1）作者首先通過比較反芻動物全消化道淀粉殘留情況，明確十二指腸是過瘤胃淀粉的主要消化部位（圖1A-B）；通過比較生長和育肥階段反芻動物（羊和牛）與單胃動物（豬）的糞便淀粉殘留情況，明確反芻動物存在淀粉消化受限的現象（圖1C-D）。2）作者以山羊為試驗動物，首次繪制生成了新生山羊（非反芻模式）和斷奶山羊（反芻模式）胰腺單細胞圖譜，共鑒定到了包括胰腺外分泌腺泡細胞、導管細胞和內分泌胰島細胞β，δ，ELC等在內的11種細胞類型（圖2），并鑒定到了兩種腺泡細胞亞型，即高胰酶分泌特征的成熟型腺泡細胞亞型AC-s和低胰酶分泌特征的未成熟腺泡細胞亞型AC-i。胰酶（胰淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶）、胞吐關鍵基因（IRF2，RAB27A，VAMP2，VAMP8，COPZ2，STX2，STX3）在成年山羊AC-s亞型表達增強。單細胞轉錄組和蛋白質組聯合分析進一步表明反芻模式下的成年山羊的胰腺外分泌功能增強。值得注意的是，淀粉酶的活性在兩種消化模式下并未檢測到差異，說明胰腺α-淀粉酶活性較低可能是反芻動物淀粉水解的限制因素之一。3）胰腺單細胞細胞互作的結果顯示，與新生山羊相比，成年山羊預測到的腺泡與內分泌細胞之間相互作用的數量減少；在成年山羊AC-ELC互作中發現了特有的配受體對JAG1-NOTCH1，此外，研究人員還發現JAG1和NOTCH1在AC-s中表達增強，與此同時胰島激素INS、PPY、GCG和SST表達降低，與之一致的是，成年山羊血清INS的含量顯著低于新生山羊。這些結果表明成年山羊AC-s中活化的NOTCH通路可能通過阻止腺泡細胞向內分泌細胞β細胞轉化來維持“較強的胰腺外分泌功能”（圖3）。轉錄噪聲的結果顯示成年山羊內分泌細胞轉錄噪聲表達增加伴隨著非典型激素表達增強；且成年山羊腺泡細胞轉錄噪聲表達降低伴隨著胰酶表達增強。結果暗示反芻動物消化模式轉變，可能通過轉錄噪聲調節“典型”酶和“非典型”激素的表達，產生增強外分泌功能、抑制內分泌功能的生理基礎。4）單細胞轉錄組結果顯示反芻模式下成年山羊的腺泡細胞膜上關鍵調控受體CCKBR表達顯著降低。推測成年山羊腺泡細胞膜上CCKBR的低表達，加上十二指腸中Ⅰ型細胞的低分布，可能共同導致腸胰反射反應緩慢，并誘導食物進入小腸和消化酶釋放的異步過程，最終限制淀粉消化（圖4）。5）之后作者開展胰腺細胞實驗，通過CCK（10 pmol/L）處理高CCKBR豐度新生山羊和低CCKBR豐度斷奶山羊腺泡細胞，測定腺泡細胞轉錄組特征、鈣離子振蕩反應和胞吐反應。結果顯示鈣離子信號通路和胞吐信號通路在低CCKBR豐度成年山羊均要弱于高CCKBR豐度新生山羊（圖5），證明了成年山羊腺泡細胞CCKBR低表達抑制淀粉酶分泌。此研究得到了中國科學院戰略先導項目、湖南省自然科學基金和湖南省創新型省份項目等項目的支持，亞熱帶生態所博士生程艷為本論文第一作者，賀志雄研究員和譚支良研究員及耶路撒冷希伯來大學(The Hebrew University of Jerusalem) 的Oren Parnas教授為論文共同通訊作者。論文鏈接圖 1 反芻動物淀粉消化不足圖 2 新生和成年山羊胰腺單細胞圖譜圖 3 新生和成年山羊胰腺細胞互作網絡圖 4 CCKBR是成年山羊小腸淀粉消化受限的潛在靶點圖 5 成年山羊腺泡細胞CCKBR低表達抑制淀粉酶分泌機制

2025-03-19

深圳先進院｜解析多巴胺微環路共調控睡眠和記憶鞏固過程（eLife）

3月12日，中國科學院深圳先進技術研究院腦認知與腦疾病研究所/深港腦科學創新研究院劉暢團隊在eLife雜志上發表題為：Brief disruption of activity in a subset of dopaminergic neurons during consolidation impairs long-term memory by fragmenting sleep的研究論文。3月12日，中國科學院深圳先進技術研究院（簡稱“深圳先進院”）腦認知與腦疾病研究所/深港腦科學創新研究院劉暢團隊在eLife雜志上發表題為：Brief disruption of activity in a subset of dopaminergic neurons during consolidation impairs long-term memory by fragmenting sleep的研究論文。記憶鞏固與睡眠高度相關，且這種關聯在無脊椎動物和脊椎動物中都存在。記憶鞏固是一個依賴于時間、將新形成的不穩定的記憶向穩定記憶的過程。睡眠作為影響記憶的最重要的生理過程之一，已被證明對記憶的幾個不同階段產生影響。且有研究表明，在睡眠期間，特定的腦區和神經核團會出現對某種記憶的神經元發放特征重現的現象，被認為是主動的記憶鞏固過程。然而，將這兩個過程聯系起來的神經機制在很大程度上仍不明確。盡管果蠅的大腦相對簡單，但其行為的復雜性和基因操作的可行性使其成為剖析這類問題的理想模型。多巴胺能神經元在睡眠和記憶調控中均發揮重要作用。在果蠅中，劉暢研究員早期工作里鑒定了PAM多巴胺能神經元（DAN）投射到蘑菇體（MB）水平葉，特異性的參與獎賞性學習記憶（Liu et al.,?Nature,2012）。隨后，多個團隊的研究不僅將PAM神經元類型根據圖譜特征進行了精細區分，更發現多個亞型在記憶以及它們在睡眠中的促醒功能。在果蠅腦內，一對背側成對內側（DPM）神經元投射到整個蘑菇體，被鑒定其在記憶鞏固過程中的不可或缺性，以及其通過抑制性的作用發揮促睡的功能（Waddell，Cell，2000；Haynes et al.,?eLife,2015）。然而，DAN-DPM的功能連接及該微環路的活動狀態在睡眠和記憶鞏固中的作用尚不清楚。研究團隊結合免疫組化、特異標記的順行示蹤遺傳工具以及離體功能成像技術，揭示了PAM神經元與DPM神經元之間存在結構性連接，DPM神經元位于PAM神經元的下游，且二者之間的突觸連接是抑制性突觸連接的，進一步發現在DPM神經元中Dop1R1受體主導參與抑制功能（圖1）。經過一系列的行為學檢測，確定DPM神經元在LTM的記憶鞏固過程中是必需的，并發現PAM神經元如在記憶鞏固關鍵時間窗口短暫被激活，也可導致LTM受損。短暫的抑制DPM或者激活PAM均導致眠量減少且碎片化，覺醒閾值降低。這些結果表明這兩類神經元都參與記憶鞏固和睡眠的調控（圖2）。研究團隊為進一步鑒定參與睡眠和記憶鞏固調控的PAM多巴胺能神經元的特異亞型，通過行為學檢測，結合解剖學分析，發現PAM-α1神經元的短暫增強或減弱，睡眠時長減少且碎片化，LTM受損（圖3）。接下來，結合果蠅全腦連接組學分析、離體功能鈣成像、新型的捕捉定格神經元活動的工具CRTC，研究團隊發現：PAM-α1神經元與DPM神經元之間形成抑制性的突觸連接，且PAM-α1-DPM微環路在記憶形成時及記憶鞏固關鍵時間窗口呈現出協同的神經活動變化（圖4）。為確定這兩種神經元是通過平行且獨立的環路還是整合的環路實現對睡眠和長時記憶的調控，研究團隊利用精致的遺傳學方法，同時失活兩類神經元，結果發現，在饑餓狀態下，睡眠減少及碎片化的程度與單獨失活其中一類神經元的程度相同，闡釋了PAM-DPM微環路共調控睡眠和記憶的工作模型。最后，為了加固這一微環路通過協同作用導致睡眠干擾與記憶損傷的結論，研究團隊采用了一種藥理學方法，發現在喂食促眠的THIP（GABA激動劑）后，挽救了因短暫激活 PAM-α1所引起的睡眠紊亂，同時恢復了受損的長時記憶（圖5）。在果蠅中，蘑菇體（MB）中高度反饋的神經環路在特異功能定位方面已經取得了顯著進展。而在本研究中，研究團隊揭示并鑒定了一個由兩種類型的蘑菇體投射神經元所形成的抑制性微環路和一種特定的多巴胺能神經元亞型，通過影響睡眠的動態變化來介導長時記憶的穩定，為理解連接記憶鞏固與睡眠的環路機制提供了新的見解。深圳先進院劉暢研究員為最后通訊作者，美國布蘭迪斯大學Leslie C. Griffith教授以及汕頭大學李凡教授為共同通訊作者，深圳先進院和南方醫科大學深圳市婦幼保健院聯培博士后顏琳為本文第一作者。該研究主要受到國家自然科學基金項目、廣東省基礎與應用基礎研究項目等項目資助以及深港腦科學創新研究院的支持。文章上線截圖圖1. PAM多巴胺能神經元與DPM的結構和功能連接圖2. 記憶鞏固期抑制DPM神經元或者短暫激活PAM影響睡眠和記憶圖3. 鑒定特異的多巴胺能神經元亞型PAM-α1圖4. PAM-α1-DPM抑制性微環路及其動態協同變化圖5. PAM-α1-DPM抑制性微環路橋接睡眠和記憶

2025-03-14

深圳先進院?|?生成式AI賦能腦機接口雙模態信號采集新范式（IEEE TMI）

腦機接口（BCI）技術作為連接人腦與外部設備的重要橋梁，近年來在醫療、康復、智能家居等領域展現出了巨大的應用潛力。然而，傳統的BCI系統多依賴單一的EEG信號，其空間分辨率低且易受干擾，限制了其性能的進一步提升。為此，研究者們開始探索將EEG與fNIRS（功能性近紅外光譜）相結合的雙模態BCI系統，以期通過兩種信號的互補優勢，實現更高效、更準確的腦機交互。然而，同時記錄EEG和fNIRS信號并非易事。由于兩種傳感器在頭皮上的布局存在沖突，同時記錄高質量的混合信號面臨諸多挑戰。腦機接口（BCI）技術作為連接人腦與外部設備的重要橋梁，近年來在醫療、康復、智能家居等領域展現出了巨大的應用潛力。然而，傳統的BCI系統多依賴單一的EEG信號，其空間分辨率低且易受干擾，限制了其性能的進一步提升。為此，研究者們開始探索將EEG與fNIRS（功能性近紅外光譜）相結合的雙模態BCI系統，以期通過兩種信號的互補優勢，實現更高效、更準確的腦機交互。然而，同時記錄EEG和fNIRS信號并非易事。由于兩種傳感器在頭皮上的布局存在沖突，同時記錄高質量的混合信號面臨諸多挑戰。為突破這一瓶頸，中國科學院深圳先進技術研究院的王書強課題組提出了一種創新的解決方案——SCDM（Spatio-Temporal Controlled Diffusion Model），即時空控制擴散模型。該模型利用生成式AI技術，從EEG信號中生成fNIRS信號，從而實現雙模態信號的采集。 2025年3月4日團隊相關工作在IEEE Transactions on Medical Imaging發表了題為SCDM: Unified Representation Learning for EEG-to-fNIRS Cross-Modal Generation in MI-BCIs的研究成果，首次實現了基于生成式人工智能的EEG到fNIRS跨模態生成。SCDM模型的核心在于其兩個關鍵模塊：空間跨模態生成（SCG）模塊和多尺度時序表示（MTR）模塊。SCG模塊通過改進的二維注意力機制，學習EEG和fNIRS信號的空間表示，并實現從EEG到fNIRS的準確映射。MTR模塊則通過因果擴張卷積和深度可分離卷積，捕捉多樣化的時序特征，同時減少空間特征的干擾，從而提高表示的準確性。研究團隊通過對比真實fNIRS信號和合成fNIRS信號的分類性能，發現合成信號在多項指標上與真實信號相當，甚至在某些情況下表現更優。這表明，SCDM模型生成的fNIRS信號不僅在質量上接近真實信號，而且在實際應用中具有潛在的替代價值。此外，研究還發現，合成fNIRS信號在空間分布和時間特征上與真實信號高度一致。通過對比fNIRS通道與EEG通道的相關性，發現合成信號保留了與EEG信號的空間對應關系，這為雙模態信號的融合提供了有力支持。 SCDM模型不僅解決了同時記錄EEG和fNIRS信號的難題，還為未來BCI系統的性能提升提供了新的可能性。數字所研究生李逸升為第一作者，王怡珊研究員為共同作者，王書強研究員為論文通訊作者，該研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金等科技項目資助。SCDM模型圖合成fNIRS信號與真實fNIRS信號的血流動力學響應曲線對比

2025-03-10

深圳先進院?| 開發碳基納米材料增強植物光合作用，加速納米技術在農業領域應用（Communications Materials）

近期，中國科學院深圳先進技術研究院副研究員高翔團隊聯合上海交通大學教授楊琛團隊，在國際期刊Communications Materials上發表題為“Closed-loop enhancement of plant photosynthesis via biomass-derived carbon dots in biohybrids”的最新研究成果，團隊成功研發了一種以農業廢棄物生物質為原料合成的碳基納米材料——碳量子點（CDs），并將其用于增強植物的光合作用。光合作用是植物、藻類和藍細菌利用太陽能將二氧化碳和水轉化為氧氣和有機物的過程，為地球上幾乎所有生命提供了食物和能量。然而，傳統的植物光合作用效率較低，通常不到1%，且植物的光合系統只能利用太陽光中的40%可見光，其中對藍光和紅光的吸收效率較高，但對綠光的吸收效率較低。隨著全球氣候變化和糧食需求的增加，提高光合作用效率成為科學研究的重要方向。為提升光合作用的效率，研究人員長期以來都致力于探索創新解決方案。近期，中國科學院深圳先進技術研究院副研究員高翔團隊聯合上海交通大學教授楊琛團隊，在國際期刊Communications Materials上發表題為“Closed-loop enhancement of plant photosynthesis via biomass-derived carbon dots in biohybrids”的最新研究成果，團隊成功研發了一種以農業廢棄物生物質為原料合成的碳基納米材料——碳量子點（CDs），并將其用于增強植物的光合作用（圖1）。研究團隊開發的功能化納米碳量子點材料（CDs），不僅具備將植物無法吸收的紫外光、吸收效率低的綠光轉換為紅光（光譜轉換器）的能力，還能夠將吸收的光子激發產生電子，為光合電子傳遞鏈提供額外的電子（光電轉化劑）（圖1）。團隊將這種新型農業生物質碳量子點直接添加至藍藻液體培養基中或噴施在植物上，實驗結果表明，藍藻的二氧化碳固定率提高了2.4倍（圖2），甘油的產量增加了2.2倍，而擬南芥的植物生物量則提高了1.8倍（圖3），這一結果充分展示了碳量子點在提高光合效率和植物生長方面的巨大潛力。進一步地，研究通過技術經濟分析顯示，這種基于農業廢棄生物質合成的碳量子點材料不僅表現出了出色的光能吸收利用能力，還具備了低成本和高生物相容性的優勢，顯示在未來農業生產和光驅生物制造領域的應用前景。該研究開發的新技術不僅能夠提高光合作用效率，還能在改善植物生長的同時為環境保護作出貢獻，為農業領域的創新提供潛在的解決思路。基于該技術申請的發明專利已進入成果轉化，并在中國科學院深圳先進技術研究院成立轉化中心，共同推動該技術在農業中的應用示范。另外，高翔團隊基于該研究成果，已與多個團隊開展進一步研究合作，初步實驗顯示，該納米材料對浮萍、花生、玉米和大豆等農作物的生長具有不同程度的促進作用，目前正在計劃開展戶外大田實驗。中國科學院深圳先進技術研究院副研究員高翔和上海交通大學教授楊琛為本文通訊作者，上海分子植物卓越創新中心博士生程文波、深圳先進院助理研究員王雪云和研究助理胡海濤、云南大學博士生楊宇、南方科技大學碩士生余雪盟為共同第一作者。云南大學教授劉軍鐘、南方科技大學教授陳熹翰、哈爾濱工業大學教授（深圳）路璐和新加坡國立大學林藝良教授為本研究提供了重要幫助。該項研究得到了合成生物學重點研發計劃、國家自然科學基金委員會、深圳市科技創新委員會等多家單位的資助。通訊作者簡介：高翔實驗室主要研究方向為材料合成生物學，聚焦生物-材料雜合體的設計與合成技術，通過將半導材料整合至生物體(微生物、植物等)，利用光電特性優異的材料捕獲光能并傳遞至細胞內，為生物體提供額外能量來源，從而增強其光能驅動的代謝與合成能力，開發雜合體在農業、能源和環境等應用。研究成果發表在Nature Sustainability、Nature Chemistry、Chemical Reviews、Science Advances、Advanced Science等期刊上。招聘信息：課題組現招聘有合成生物學、微生物學、電化學、光電催化、半導體材料等相關背景的博士后2名，開展微生物細胞工廠的設計與優化、納米材料與細胞雜合以及利用光電技術驅動生物反應等技術的研究，歡迎對合成生物學與材料交叉領域感興趣的同學前來咨詢并加入我們的研究團隊（聯系郵箱：gaoxiang@siat.ac.cn）。文章上線截圖圖1：碳量子點材料的閉環生產系統在增強自然光合作用及農業與生物制造中的應用示意圖圖2：碳量子點材料提高了藍細菌的光合作用效率圖3：碳量子點材料提高了擬南芥的光合作用效率

2025-03-10

華南植物園在枸杞新品種選育取得重要進展

近日，國家林業和草原局公告（2024年第16號）公布了2024年第二批授予植物新品種權目錄，由中國科學院華南植物園王瑛研究員領銜的枸杞種質創新研發團隊申請的三個枸杞良種‘中科皇杞1號’‘中科鼎杞1號’和‘百瑞源1號’均獲得國家植物新品種保護權。其中，‘中科鼎杞1號’、‘百瑞源1號’由中國科學院華南植物園聯合寧夏百瑞源枸杞股份有限公司共同申報。‘中科鼎杞1號’是以果實成熟期集中，適宜機械采收為育種目標，從‘中科綠川1號’和‘蒙杞1號’的雜交后代中優選獲得，該良種有望提升枸杞采摘效率，降低采收成本。‘百瑞源1號’是以培育市場流行的時尚枸杞產品鎖鮮枸杞為育種目標，從‘中科綠川1號’組培苗變種產生，該品種不僅豐富了枸杞產品種類，還能滿足消費者對高品質、新鮮枸杞產品的需求。此外，中國科學院華南植物園獨立申報的‘中科皇杞1號’是以培育鮮食枸杞為育種目標，從‘中科綠川1號’和‘寧杞4號’的雜交后代中優選獲得，該良種果實金黃、色澤鮮亮、個頭飽滿，鮮食時口感清甜多汁、無澀味，果肉細膩，咀嚼起來毫無渣感，這種絕佳的口感讓其在鮮食水果領域具備強大競爭力。為枸杞產業開辟了全新的鮮食賽道，有力推動我國枸杞產業向多元化、高質量方向邁進，引領 21 世紀新水果發展的新風尚。三個枸杞良種均是在團隊前期獲批的首個國審枸杞新品種‘中科綠川1號’（國S-SC-AV-022-2011）基礎上的創新研發，標志著以‘中科綠川1號’為基礎的枸杞新品種選育進入2.0時代。圖1. ‘中科鼎杞1號’（右）及其親本 ‘中科綠川1號’（左）【名稱】中科鼎杞1號【品種權號】20240761【品種權人】中國科學院華南植物園、百瑞源枸杞股份有限公司【培育人】王瑛、李重、曾少華、郝向峰、楊天順、張金宏、龔海光、楊麗麗【核心特色】大部分枝條呈現有限生長方式，果實成熟期相對集中，適合機械化集中采收。圖2. ‘中科皇杞1號’與傳統制干品種‘寧杞1號’【名稱】中科皇杞1號【品種權號】20240764【品種權人】中國科學院華南植物園【培育人】曾少華、王瑛、楊天順、李重、胡偉明【核心特色】果大、黃色，果實清香味甜、無澀味，適合鮮食圖3. ‘百瑞源1號’（左，四心室）及其親本‘中科綠川1號’（右，兩心室）【名稱】百瑞源1號【品種權號】20240763【品種權人】百瑞源枸杞股份有限公司、中國科學院華南植物園【培育人】王瑛、李重、曾少華、郝向峰、楊天順、張金宏、龔海光、楊麗麗、潘麗珠、郝向琴、郝萬亮、馬濤、陸文靜【核心特色】果大、四心室，果肉厚，適合鎖鮮枸杞

2025-03-17