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2024年8月21日，中國(guó)科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院潘光錦課題組在Nature Communications上發(fā)表了題為“METTL3/METTL14 maintain human nucleoli integrity by mediating SUV39H1/H2 degradation”的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)了RNA甲基轉(zhuǎn)移酶復(fù)合物METTL3/METTL14維持人胚胎干細(xì)胞中核仁相分離及功能完整性的新功能。2024年8月21日，中國(guó)科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院潘光錦課題組在Nature Communications上發(fā)表了題為“METTL3/METTL14maintain human nucleoli integrity by mediatingSUV39H1/H2 degradation”的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)了RNA甲基轉(zhuǎn)移酶復(fù)合物METTL3/METTL14維持人胚胎干細(xì)胞中核仁相分離及功能完整性的新功能。核仁是rRNA合成和核糖體亞基裝配的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，決定細(xì)胞蛋白的合成及細(xì)胞穩(wěn)態(tài)。目前研究表明，核仁主要通過(guò)多種生物大分子的液-液相分離（liquid-liquid phase separation，LLPS）方式維持正常多層級(jí)結(jié)構(gòu)和功能。然而，核仁的正常液-液相分離及功能完整性是如何維持的尚不清楚。METTL3/METTL14是已經(jīng)被證明的經(jīng)典甲基轉(zhuǎn)移酶復(fù)合物（MTC），通過(guò)催化mRNA上的N6-腺苷甲基化（m6A）參與多種RNA代謝過(guò)程，包括RNA穩(wěn)定性、剪切、轉(zhuǎn)運(yùn)和翻譯等過(guò)程，進(jìn)而調(diào)控多種生物學(xué)過(guò)程和疾病發(fā)生。此項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)在人胚胎干細(xì)胞中敲除METTL3或METTL14后，并沒(méi)有導(dǎo)致傳統(tǒng)認(rèn)為的mRNA變化，而是引起核仁結(jié)構(gòu)和功能的劇烈異常，包括核仁變小、數(shù)目異常增多、rRNA合成減少、核糖體裝配障礙、核仁功能異常導(dǎo)致的核仁應(yīng)激導(dǎo)致的細(xì)胞生長(zhǎng)停滯等。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，缺失METTL3或METTL14后，徹底破壞了核仁的液-液相分離，從而核仁不能形成完整且規(guī)則的由多種大分子相分離形成的正常多層級(jí)聚集體結(jié)構(gòu)。隨后，研究發(fā)現(xiàn)在METTL3/METTL14缺陷的細(xì)胞中，H3K9me3甲基轉(zhuǎn)移酶SUV39H1/H2蛋白顯著升高，導(dǎo)致H3K9me3在整個(gè)核仁中積累和浸潤(rùn)，并損害LLPS。從機(jī)制上說(shuō)，METTL3/METTL14復(fù)合物作為CRL4 E3泛素連接酶的必要接頭，靶向SUV39H1/H2并促進(jìn)其多泛素化和蛋白酶體降解，從而阻止H3K9me3在核仁中的積累，并維持其正常的LLPS和結(jié)構(gòu)。科研人員這些新的發(fā)現(xiàn)揭示METTL3/METTL14雖然作為經(jīng)典的mRNA修飾酶，但在維持核仁的相分離和功能方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。該發(fā)現(xiàn)不僅揭示了METTL3/METTL14維持細(xì)胞功能的一個(gè)從未報(bào)道的機(jī)制和作用，而且也有助于體現(xiàn)核仁這樣一個(gè)無(wú)膜亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)如何維持其正常結(jié)構(gòu)和功能。潘光錦研究員和單永禮副研究員為論文的共同通訊作者，單永禮副研究員、張燕琪博士后、衛(wèi)焱星博士為論文的共同第一作者。該研究工作得到了科技部、中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、廣東省及廣州市科技計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。論文鏈接METTL3/METTL14維持人胚胎干細(xì)胞中核仁完整性的模式圖

2024-08-28

華南植物園在重金屬毒性調(diào)控研究取得重要進(jìn)展

????環(huán)境中的有毒金屬通過(guò)各種途徑進(jìn)入食物鏈，并可能對(duì)人體造成多種危害，例如鎘過(guò)量攝入引起骨脆性或腎損傷，鉛會(huì)導(dǎo)致腎、腦中毒(神經(jīng)膠質(zhì)瘤)等。某些特定膳食補(bǔ)充劑（維生素族、抗氧化劑、礦質(zhì)元素）具有緩解重金屬脅迫和毒性的作用，但其對(duì)腸道過(guò)程中降低重金屬生物有效性的影響機(jī)制尚不清楚，因此探索飲食干預(yù)對(duì)重金屬的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和積累的影響因素及其調(diào)控機(jī)制對(duì)減輕或預(yù)防鎘和鉛對(duì)人體的毒性和危害具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。????中國(guó)科學(xué)院華南植物園海岸帶生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程與環(huán)境健康組博士生孫碩、碩士生陳香華等人研究了多種抗氧化劑和礦質(zhì)元素對(duì)模擬胃腸和小鼠中重金屬生物有效性的抑制作用，發(fā)現(xiàn)添加蜂膠及其提取物顯著降低了糙米中鉛的生物有效性(p?<?0.05)；中劑量原花青素對(duì)糙米和精米中鎘的生物可給性和生物有效性均有顯著的降低作用(達(dá)76%?)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)糙米中鉛的生物可給性和生物有效性的下降與鐵含量顯著負(fù)相關(guān)。蜂膠提取物和原花青素能有效降低小鼠肝臟中H2O2含量、MDA水平，恢復(fù)還原性谷胱甘肽(GSH)水平(p<0.05)，說(shuō)明它們對(duì)減輕體內(nèi)Pb、Cd的氧化損傷有一定作用。本研究證實(shí)抗氧化劑能更好地抑制重金屬的生物利用度，蜂膠及其提取物和原花青素等可能是干預(yù)人體鉛和鎘暴露的替代膳食補(bǔ)充劑。????原花青素、金屬硫蛋白和葡萄糖酸鋅顯著降低模擬胃腸消化和Caco-2細(xì)胞中Cd生物有效性，分別降低了60.5?%、82.5?%和73?%，有效降低鎘的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，并增強(qiáng)了跨膜電阻(TEER)，表明這些補(bǔ)充劑對(duì)鎘誘導(dǎo)的屏障功能障礙具有保護(hù)作用。轉(zhuǎn)錄組學(xué)結(jié)果顯示膳食補(bǔ)充劑下調(diào)了相關(guān)基因的表達(dá)，揭示了這些成分可以調(diào)節(jié)與膳食鎘毒性和吸收相關(guān)的特定途徑基因的表達(dá)，如凋亡途徑(Jun,Ddit3)、抗氧化相關(guān)途徑(Cat,Hmox1)和礦物質(zhì)吸收途徑(Mt,Slc39a4)。多食用富含原花青素和鋅的果蔬可以一定程度上控制經(jīng)口攝入鎘的負(fù)面影響。????相關(guān)研究成果于近期（在線）發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Science of The Total Environment（《總環(huán)境科學(xué)》）和Environmental Technology & Innovation（《環(huán)境技術(shù)與創(chuàng)新》）上。中國(guó)科學(xué)院華南植物園博士生孫碩為論文第一作者，莊萍副研究員為通訊作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目聯(lián)合資助。論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.175697和https://doi.org/10.1016/j.eti.2024.103771圖1. 蜂膠及其提取物顯著降低了糙米中鉛的生物有效性圖2. 原花青素、金屬硫蛋白和葡萄糖酸鋅對(duì)鎘脅迫的響應(yīng)機(jī)制模型

2024-08-28

廣州地化所趙時(shí)真、張干等-ES&T觀點(diǎn)：重視大氣中的高揮發(fā)性持久性有機(jī)污染物（HV-POPs）

中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所張干研究員團(tuán)隊(duì)趙時(shí)真副研究員、肖雨薇博士生，與英國(guó)蘭卡斯特大學(xué)Kevin Jones教授和聯(lián)合國(guó)化學(xué)品管理（UNEP/Chemicals）顧問(wèn)Roland Weber博士近期聯(lián)合撰文，呼吁應(yīng)重視大氣中的高揮發(fā)性持久性有機(jī)污染物（HV-POPs）。大氣是持久性有機(jī)污染物（POPs）重要的賦存介質(zhì)，在POPs的地表系統(tǒng)循環(huán)中起著重要作用，同時(shí)也是理想的POPs監(jiān)測(cè)介質(zhì)。大氣POPs監(jiān)測(cè)提供的POPs的分布、來(lái)源和傳輸?shù)刃畔ⅲ捎糜赑OPs的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和管控政策有效性的評(píng)估。在已發(fā)表的絕大多數(shù)資料中，對(duì)POPs的揮發(fā)性特征的表述，均籠統(tǒng)地以“半揮發(fā)性”（Semi-volatile）一以概之，認(rèn)為POPs可在大氣氣相—顆粒相間動(dòng)態(tài)配分，在大氣—地表界面頻繁交換。但一些污染物或新列入《斯德哥爾摩公約》的POPs在大氣中表現(xiàn)為高揮發(fā)性（如VOCs）或低揮發(fā)性。目前，主要存在于氣相中的高揮發(fā)性POPs（HV-POPs），鮮有關(guān)注。在環(huán)境大氣科學(xué)中，對(duì)揮發(fā)性組分的劃分，是一個(gè)貫穿低揮發(fā)性（LVOCs）—半揮發(fā)性（SVOCs）—中等揮發(fā)性（IVOCs）—揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）的“連續(xù)譜”（Continuum），或全揮發(fā)性區(qū)間有機(jī)物組分，而有機(jī)污染化學(xué)范疇內(nèi)的泛化的“半揮發(fā)性”概念，實(shí)際暗含了SVOCs/IVOCs中的許多化合物，卻無(wú)明確的邊界界定。這一不同學(xué)科方向上在概念的“割裂”，無(wú)疑將使對(duì)POPs大氣環(huán)境行為的研究，與環(huán)境大氣科學(xué)的敘事“若即若離”，從而在客觀上妨礙對(duì)POPs在大氣環(huán)境中賦存、遷移、轉(zhuǎn)化乃至環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的深入認(rèn)知，尤其表現(xiàn)在與大氣二次有機(jī)氣溶膠（SOA）或PM2.5研究的脫節(jié)上。有鑒于此，我們認(rèn)為，應(yīng)將POPs納入環(huán)境大氣科學(xué)的范疇，而對(duì)其揮發(fā)性進(jìn)行細(xì)分界定。下圖顯示了基于真實(shí)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)的典型POPs與正構(gòu)烷烴同系物色譜峰疊加的質(zhì)量色譜圖。例如，IVOCs定義為有效飽和濃度（C*）300<C*<3×106 μg/m3，飽和蒸汽壓為0.01至10 Pa（298K），對(duì)應(yīng)C12-C20正構(gòu)烷烴的飽和蒸汽壓。我們認(rèn)為，HV-POPs可定義為揮發(fā)性從IVOCs到VOCs的POPs，包括六氯丁二烯（HCBD）、五氯苯（PeCB）和六氯苯（HCB）、以及甲基硅氧烷（VMSs）和氟調(diào)醇（FTOHs）等新污染物。除了下圖中標(biāo)識(shí)的化合物外，超短鏈全氟和多氟烷基化合物（PFASs），如三氟乙酸（TFA）及其酯類(lèi)衍生物，以及超短鏈氯化石蠟（vSCCPs，C6-C9）也可能為HV-POPs。值得關(guān)注的是，許多傳統(tǒng)POPs，如六氯環(huán)己烷（HCHs）以及多氯聯(lián)苯（PCBs）、多溴二苯醚（PBDEs）和多氯萘（PCNs）的低鹵同系物，也屬于HV-POPs范疇。與歷史遺留POPs相比，目前對(duì)大氣中HV-POPs的研究還相對(duì)較少且分散。圖1. 典型POPs和C6-C30正構(gòu)烷烴疊加的色譜圖。圖中橫坐標(biāo)為正構(gòu)烷烴碳數(shù)。大氣HV-POPs的采樣方法，包括主動(dòng)和被動(dòng)采樣兩種。主動(dòng)大氣采樣器包括使用濾膜和采樣筒（cartridge）的小/大流量采樣器、以及脫附（denuder）采樣器。前者易于操作，而脫附采樣器在捕集氣態(tài)HV-POPs上更有效，可降低采樣誤差。被動(dòng)大氣采樣器（PAS）易于準(zhǔn)備和大范圍部署，無(wú)需用電，因此在涉及偏遠(yuǎn)地區(qū)和采樣站點(diǎn)較多的研究中更為合適。強(qiáng)吸附劑如XAD、Tenax樹(shù)脂和活性炭通常用于捕集高揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）。此外，HV-POPs也可以通過(guò)基于XAD浸漬的聚氨酯泡沫（PUF）被動(dòng)大氣采樣裝置（SIP-PAS）采集。有報(bào)道表明，以HCBD為代表的HV-POPs很容易在PUF中發(fā)生穿透，導(dǎo)致實(shí)際大氣濃度被低估。因此，需要針對(duì)HV-POPs的樣品采集和實(shí)驗(yàn)室前處理，制定特定的質(zhì)量控制和保證（QA/QC）措施，確保可靠的回收率。HV-POPs的大氣采樣亦可通過(guò)規(guī)范操作流程，使得來(lái)自不同實(shí)驗(yàn)室的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更具可比性。大氣中的HV-POPs不容忽視。其一，多數(shù)HV-POPs均是重要的化工原料乃至化工溶劑，用途廣、產(chǎn)量大、歷史長(zhǎng)。如，氯苯類(lèi)（CBs）被廣泛用作農(nóng)藥生產(chǎn)、染料生產(chǎn)和電子工業(yè)的原料、助劑和溶劑，我國(guó)氯苯類(lèi)產(chǎn)品的生產(chǎn)能力和消費(fèi)能力均居世界第一，分別占全球總規(guī)模的74%和65%。HCBD主要用作化工溶劑、熱交換劑和水力系統(tǒng)用液體，禁用后多來(lái)自含氯溶劑生產(chǎn)過(guò)程中（如一氯甲烷和四氯乙烯）等非經(jīng)意排放。我國(guó)僅在2016年就排放近千噸HCBD。VMSs作為重要有機(jī)合成原料，廣泛用于工業(yè)、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、食品、化妝品等領(lǐng)域，全球甲基硅氧烷年均產(chǎn)量800-1000萬(wàn)噸，主要在我國(guó)生產(chǎn)。其二，正是由于HV-POPs的高揮發(fā)性和大量生產(chǎn)使用，它相較于其他POPs可能在大氣中以高濃度存在，并傳輸至北極等偏遠(yuǎn)地區(qū)。我們對(duì)廣州城市大氣樣品中HV-POPs的初步分析表明，HCBD和VMSs的濃度在ng-μg/m3范圍內(nèi)，與眾所周知的空氣毒害物多環(huán)芳烴（PAHs）濃度接近甚至更高。在四氯乙烯廠區(qū)周邊，HCBD濃度從μg到mg/m3不等，超過(guò)其職業(yè)暴露限值210 μg/m3。大量證據(jù)表明HCBD、HCB和α-HCH在北極地區(qū)廣泛存在。其三，HV-POPs的高揮發(fā)性，使其能夠在大氣中存在很長(zhǎng)的時(shí)間，利于其與自由基發(fā)生反應(yīng)。這將導(dǎo)致其礦化和轉(zhuǎn)化為親水性氧化產(chǎn)物，這些產(chǎn)物可以通過(guò)大氣沉降被去除。例如，HCB可能轉(zhuǎn)化為更易溶于水的五氯苯酚（PCP）；FTOH可能轉(zhuǎn)化為全氟辛酸（PFOA）。對(duì)于在室內(nèi)空氣中濃度較高的VMSs，持續(xù)生成的硅醇產(chǎn)物可能參與SOA的形成。大氣模型研究人員可將HV-POPs視為“長(zhǎng)壽命”氣體，而無(wú)須特別考慮其多介質(zhì)交換過(guò)程。基于觀測(cè)的反演模型可用于估算HV-POPs的一次排放量，為化學(xué)品管理和政策制定提供理論支持。最后，HV-POPs在生物、人體內(nèi)廣泛檢出。呼吸攝入可能是HV-POPs進(jìn)入動(dòng)物和人類(lèi)食物鏈的關(guān)鍵途徑。大部分HV-POPs具有低KOW（<105）-高KOA（>106）的特征，容易進(jìn)入含有包括人在內(nèi)的呼吸動(dòng)物的食物鏈，進(jìn)而發(fā)生生物富集或食物鏈放大。HCBD可在人體中形成有毒代謝物，美國(guó)環(huán)保部（US EPA）將其歸類(lèi)為可能的人類(lèi)致癌物（C類(lèi)）。PeCB、HCB、PFAS及其前體物廣泛存在于人類(lèi)乳汁和血清中，并能夠在人體胎盤(pán)中積累。由上可見(jiàn)，未來(lái)的研究應(yīng)將HV-POPs的概念納入《斯德哥爾摩公約》的監(jiān)管框架。強(qiáng)有力的全球合作對(duì)于HV-POPs的標(biāo)準(zhǔn)化監(jiān)測(cè)、基于觀測(cè)的反演模擬、技術(shù)領(lǐng)域的減緩策略、以及區(qū)域和全球尺度上的直接和間接大氣傳輸研究，至關(guān)重要。此研究成果近期發(fā)表于國(guó)際期刊《Environmental Science & Technology》上，得到中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金和廣東省自然科學(xué)基金等的資助。?論文信息：Zhao, S.（趙時(shí)真）; Jones, K. C.; Weber, R.; Xiao, Y.（肖雨薇）; Zhang, G*（張干）., 2024. Overlooked Highly Volatile Persistent Organic Pollutants in the Atmosphere. Environmental Science & Technology 58, 14062-14064.論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.4c02731

2024-08-26

廣州地化所李繼兵等ISME + JGR：石油污染區(qū)功能微生物的原位代謝特征、地球化學(xué)驅(qū)動(dòng)因子、群落組裝機(jī)制與功能解析

我國(guó)是石油生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，在原油開(kāi)采、運(yùn)輸和冶煉過(guò)程中，污染事故頻發(fā)，嚴(yán)重威脅生態(tài)安全與土壤健康。微生物在污染物生物地球化學(xué)循環(huán)中扮演著至關(guān)重要的角色，尤其在石油烴類(lèi)污染物的分解過(guò)程中，降解功能微生物能夠?qū)⒂卸疚廴疚镛D(zhuǎn)化為無(wú)毒化合物，是降解過(guò)程的核心執(zhí)行者。然而，在實(shí)際環(huán)境中，功能微生物通常以群落形式協(xié)同作用，而非單獨(dú)發(fā)揮功能。因此，深入挖掘石油污染土壤中的微生物資源，準(zhǔn)確識(shí)別復(fù)雜微生物群落中起到關(guān)鍵降解作用的功能菌群，明確其驅(qū)動(dòng)因子和群落構(gòu)建機(jī)制，是深入理解石油烴類(lèi)污染物生物降解和調(diào)控機(jī)理的關(guān)鍵。現(xiàn)有研究大多聚焦石油污染土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，對(duì)石油烴降解功能微生物的關(guān)注仍然有限。如何在復(fù)雜的自然環(huán)境中精準(zhǔn)甄別具有實(shí)際降解能力的微生物，并解析其作用機(jī)制，仍是亟待解決的挑戰(zhàn)。近期，中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所李繼兵副研究員、羅春玲研究員團(tuán)隊(duì)，將穩(wěn)定同位素示蹤（SIP）、單細(xì)胞拉曼分選（RACS）、16S rRNA擴(kuò)增子測(cè)序、基因組測(cè)序和地球化學(xué)因子分析等技術(shù)相結(jié)合，以正十六烷和菲作為模型化合物，深入揭示了石油污染區(qū)域功能微生物群落的組成差異、代謝機(jī)制及其受控因素。研究發(fā)現(xiàn)，功能菌群盡管整體組成有所不同，但關(guān)鍵菌種中的假單胞菌、海洋桿菌、食烷菌、蒼白桿菌和鞘氨醇單胞菌等始終是正十六烷和/或菲的功能降解菌。其中，假單胞菌、蒼白桿菌、食烷菌和鞘氨醇桿等功能菌表現(xiàn)出代謝多樣性，能夠有效降解兩種污染物。進(jìn)一步通過(guò)SIP-宏基因組分箱分析，研究團(tuán)隊(duì)獲得了假單胞菌屬、蒼白桿菌屬、鞘氨醇單胞菌屬的主要功能降解菌的全基因組，并全面解析了石油烴降解途徑（如鄰苯二甲酸酯和水楊酸代謝途徑）及其相關(guān)基因（如PAH雙加氧酶基因、alkB基因），證實(shí)了這些微生物的生物修復(fù)潛力及其在石油烴類(lèi)污染物原位生物降解過(guò)程中的重要作用。環(huán)境因素和方差分解分析表明，石油污染對(duì)功能微生物群落組成的影響最大（12%），其次是有效鉀和有效氮；地球化學(xué)因子和地理位置分別獨(dú)立解釋了14%和21%的總變異。值得一提的是，功能性微生物群落結(jié)構(gòu)中超過(guò)一半（51%）的變異仍未被解釋?zhuān)赡苁怯捎谖礈y(cè)量的環(huán)境變量所致。為了更深入地探明功能微生物群落原位代謝機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了原位功能微生物菌群（FMC）的概念，并以菲為模型化合物建立了原位FMC構(gòu)建方法。該方法涉及功能微生物的單細(xì)胞鑒定、分選和培養(yǎng)，最終形成精準(zhǔn)的原位FMC。通過(guò)RACS-SIP技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)成功識(shí)別并分離出了菲降解功能菌單細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)了基于基因組指導(dǎo)、精準(zhǔn)可控的原位功能菌群構(gòu)建。原位FMC在實(shí)際土壤環(huán)境中的降解效率優(yōu)于傳統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的功能菌群，主要?dú)w因于原位功能菌群中各個(gè)物種具備多樣化的菲代謝途徑。這些物種通過(guò)分工合作或相互交流，能夠協(xié)同提高菲的降解效率。此外，盡管傳統(tǒng)分離方法獲得的高效降解菌在人工條件下對(duì)污染物具有較好的耐受性，但在自然環(huán)境中往往缺乏實(shí)際降解能力。相關(guān)結(jié)論表明，在深入解析原位功能降解菌的基礎(chǔ)上構(gòu)建原位FMC具有巨大潛力，能夠?qū)崿F(xiàn)污染物的持續(xù)高效降解；而單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)可以建立降解菌、功能基因和代謝途徑之間的直接關(guān)聯(lián)，為原位FMC的構(gòu)建機(jī)制提供了深刻見(jiàn)解。以上研究揭示了石油污染區(qū)域功能微生物群落結(jié)構(gòu)的影響因素及功能菌群構(gòu)建機(jī)制，為石油烴污染的原位調(diào)控和生物修復(fù)提供了重要的理論依據(jù)。同時(shí)，原位FMC體系構(gòu)建方法強(qiáng)調(diào)了在全面微生物功能分析和資源探索中，功能菌單細(xì)胞精準(zhǔn)識(shí)別、分離和培養(yǎng)的關(guān)鍵作用。該技術(shù)還具有擴(kuò)展應(yīng)用于古菌和真菌FMC研究的潛力，為復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)中元素循環(huán)與污染物轉(zhuǎn)化的FMC構(gòu)建提供技術(shù)支持。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃、廣東省杰出青年基金以及中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)會(huì)員等項(xiàng)目的聯(lián)合資助。相關(guān)成果發(fā)表在環(huán)境科學(xué)和地球化學(xué)研究領(lǐng)域權(quán)威期刊《JGR-Biogeosciences》和《The ISME Journal》。?1????????? Li,J.,Huang,Q.,Cai,X.,Zhao,X.,Luo,C.*,Zhang,G.,2024. Metabolic Characterization and Geochemical Drivers of Active Hydrocarbon-Degrading Microorganisms. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences 129,e2024JG008104. https://doi.org/10.1029/2024JG0081042????????? Li,J.,Luo,C.*,Cai,X.,Zhang,D.,Guan,G.,Li,B.,Zhang,G.,2024. Microbial consortium assembly and functional analysis via isotope labelling and single-cell manipulation of polycyclic aromatic hydrocarbon degraders. The ISME Journal 18,wrae115. https://doi.org/10.1093/ismejo/wrae115?圖1. (a) 中國(guó)北方石油污染區(qū)不同地點(diǎn)土壤樣本的空間分布圖；(b) 石油污染區(qū)不同地點(diǎn)土壤樣本石油烴污染水平。?圖2. (a) SIP 鑒定獲得的降解菌（蒼白桿菌屬、假單胞菌屬、鞘氨醇單胞菌屬和 Shinella 屬）基因組圈圖； (b) 參與 PAH 和飽和烴代謝的功能基因聚類(lèi)分析圖 3. (a) 與功能微生物群落結(jié)構(gòu)變異顯著相關(guān)的土壤地球化學(xué)因子的冗余分析 (RDA)；（b）方差分解分析量化地球化學(xué)因子 (G)、地理位置 (L) 以及土壤石油污染 (O) 的貢獻(xiàn)。(b) 概述，(c) 關(guān)鍵功能微生物。?圖4. 基于RACS-SIP的原位功能微生物菌群 (FMC) 構(gòu)建示意圖。圖5. 菲降解功能微生物細(xì)胞的原位識(shí)別和分選圖6. 菲降解功能微生物細(xì)胞的菲代謝通路重建

2024-08-26

華南植物園揭示長(zhǎng)期酸雨背景下土壤團(tuán)聚體介導(dǎo)微生物對(duì)有機(jī)碳累積及穩(wěn)定性的影響機(jī)制

????隨著工業(yè)化的快速發(fā)展，酸雨仍然是全球范圍內(nèi)不可忽視的環(huán)境問(wèn)題之一。近二十年來(lái)，我國(guó)華南地區(qū)酸雨的持續(xù)影響，導(dǎo)致土壤酸化日益嚴(yán)重，這也將極大地改變森林土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)組成，最終對(duì)土壤碳儲(chǔ)存產(chǎn)生影響。然而，對(duì)于在某種程度上決定土壤碳累積及穩(wěn)定性的土壤團(tuán)聚體，長(zhǎng)期酸雨背景下其粒徑大小分布規(guī)律以及如何介導(dǎo)微生物對(duì)土壤有機(jī)碳累積和養(yǎng)分元素循環(huán)產(chǎn)生影響的相關(guān)研究仍然缺乏。????基于鼎湖山季風(fēng)常綠闊葉林為期10年的模擬野外酸雨實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期酸雨處理顯著抑制了土壤微生物活性，特別是降低了細(xì)菌和真菌的豐度，并導(dǎo)致碳分解相關(guān)的酶活性下降。相反，與磷和氮礦化相關(guān)的酶活性及其酶化學(xué)計(jì)量比值在長(zhǎng)期酸雨影響下卻顯著增加。研究還發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期酸雨處理還導(dǎo)致了土壤團(tuán)聚體粒徑分布的明顯變化，表現(xiàn)為大粒徑團(tuán)聚體向小粒徑團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)（圖1）。然而，不同粒徑土壤團(tuán)聚體中微生物群落對(duì)酸雨處理的響應(yīng)存在差異，傾向于寄居在大團(tuán)聚體（macroaggregate（> 2000 μm））中的細(xì)菌群落比其他微生物群落更容易受酸雨處理的影響，而傾向于寄居在微團(tuán)體（microaggregate（< 250 μm））中的真菌群落對(duì)酸雨處理的敏感性高于其他微生物群落。另一方面，酸雨處理對(duì)碳分解相關(guān)酶活性的抑制同樣受土壤團(tuán)聚體粒徑大小和微生物群落分布的影響（圖2），如大團(tuán)聚體中與細(xì)菌群落密切相關(guān)的β-葡萄糖苷酶（β-glucosidase）活性下降尤為明顯，而與真菌群落密切相關(guān)的酚氧化酶（PhOx）和過(guò)氧化物酶（Perox）活性則在微團(tuán)聚體中受到顯著抑制。????該研究表明，長(zhǎng)期酸雨處理下大粒徑團(tuán)聚體向小粒徑團(tuán)聚體的轉(zhuǎn)化以及微生物活性的抑制，加上惰性組分碳分解相關(guān)的氧化酶活性在小粒徑團(tuán)聚體中的顯著下降，可能會(huì)減緩森林土壤有機(jī)碳，特別是惰性組分有機(jī)碳的分解速率，從而提高了有機(jī)碳的穩(wěn)定性并延緩了其在土壤中的滯留時(shí)間，促進(jìn)了土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)存和累積。然而，這一過(guò)程也加劇了土壤養(yǎng)分的失衡，特別是磷的限制。????相關(guān)成果已近期發(fā)表在土壤學(xué)領(lǐng)域Top期刊Soil Biology and Biochemistry（《土壤生物學(xué)與生物化學(xué)》）（IF2023-2024=9.8）上。廣東省科學(xué)院廣州地理研究所吳建平副研究員（鼎湖山站博士畢業(yè)生）為該論文第一作者，華南植物園張德強(qiáng)研究員和鄧琦研究員為共同通訊作者，該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和廣東省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2024.109544圖1. 模擬酸雨處理下土壤有機(jī)碳含量（a）以及不同粒徑團(tuán)聚體質(zhì)量百分比的變化規(guī)律圖2. 不同粒徑土壤團(tuán)聚體中微生物群落和酶活性之間的冗余分析

2024-08-25

西南喀斯特洼地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)洪水風(fēng)險(xiǎn)研究取得新進(jìn)展

中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究站徐憲立研究員團(tuán)隊(duì)在我國(guó)西南喀斯特洼地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)洪水風(fēng)險(xiǎn)方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果近期以Responses of crops to flood and implications for agriculture planning in subtropical humid karst peak-cluster depression為題發(fā)表在國(guó)際水文領(lǐng)域知名期刊Journal of Hydrology上。中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究站徐憲立研究員團(tuán)隊(duì)在我國(guó)西南喀斯特洼地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)洪水風(fēng)險(xiǎn)方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果近期以Responses of crops to flood and implications for agriculture planning in subtropical humid karst peak-cluster depression為題發(fā)表在國(guó)際水文領(lǐng)域知名期刊Journal of Hydrology上。由于西南喀斯特區(qū)獨(dú)特的水文地質(zhì)條件，當(dāng)發(fā)生大規(guī)模暴雨時(shí)，喀斯特洼地內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)顯著加劇。中國(guó)西南地區(qū)是世界上最大的連片喀斯特地區(qū)之一，根據(jù)廣西民政廳統(tǒng)計(jì)，2015-2018年，該區(qū)共發(fā)生 37 次洪澇災(zāi)害，造成直接經(jīng)濟(jì)損失約15.1億元，其中34.3%為農(nóng)業(yè)相關(guān)損失。然而，全球變暖的影響日益加劇，可能會(huì)增加該區(qū)極端降雨事件的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步影響農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。與此同時(shí)，意大利北部、西班牙南部和克羅地亞等其他國(guó)家的濕潤(rùn)喀斯特區(qū)也面臨相似問(wèn)題。因此，了解喀斯特區(qū)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)如何應(yīng)對(duì)極端降雨事件至關(guān)重要。關(guān)于植物對(duì)洪水的響應(yīng)，世界各地已開(kāi)展了大量研究，尤其是在易受洪水影響的地區(qū)，如河岸地帶、河流邊緣濕地環(huán)境和洪泛平原。然而，在易受極端降雨影響的喀斯特洼地，植物對(duì)洪水的響應(yīng)仍不明確，鮮有研究。因此，喀斯特地區(qū)居民為適應(yīng)未來(lái)洪水而調(diào)整農(nóng)業(yè)布局缺乏科學(xué)依據(jù)。為此，徐憲立研究員團(tuán)隊(duì)調(diào)查了2016年古周洼地的一次極端降雨事件，分析洪水對(duì)峰叢洼地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)（玉米和牧草）的影響。結(jié)果表明，此次極端降雨事件為 10 年一遇，導(dǎo)致洼地78.6%的玉米種植面積絕收和20.4%的牧草種植面積死亡。由于牧草的細(xì)根生物量較高且葉片光合能力穩(wěn)定，其在淹沒(méi)時(shí)表現(xiàn)優(yōu)于玉米。牧草對(duì)洪水的淹沒(méi)臨界耐受時(shí)間為10.2天；玉米植株突出水面1.5米時(shí)可以存活。針對(duì)這一極端降雨事件，相對(duì)于洼地標(biāo)高的最低點(diǎn)（設(shè)定為 0.00 米），牧草和玉米的安全種植高度分別為 3.09 米和 6.21 米。這項(xiàng)研究表明，有必要根據(jù)植物抵御洪水的能力合理安排喀斯特洼地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)布局，以應(yīng)對(duì)未來(lái)的氣候變化。本研究旨在提出一個(gè)框架，通過(guò)探索植物成活率與洪水（澇）過(guò)程之間的關(guān)系，確定植物的安全種植高度。但需注意的是，不同地區(qū)/景觀的洪澇過(guò)程可能不一致，不同植物的耐澇能力也不相同，因此要推廣到其他地區(qū)或景觀，需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐乃沫h(huán)境和植物種類(lèi)進(jìn)行一些實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)和驗(yàn)證。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等項(xiàng)目資助。論文鏈接圖 1 古周洼地植物淹沒(méi)調(diào)查 a.牧草；b.玉米。上圖顯示了每個(gè)采樣梯度上的牧草和玉米的生長(zhǎng)地點(diǎn)、植株和莖稈的相對(duì)高度(洼地最低點(diǎn)設(shè)定為0.00m)。藍(lán)線（最高水位）以下的植物被淹沒(méi)。?圖 2 牧草（a）和玉米（b）的安全生存空間。綠色293770空間和灰色空間分別代表植物的存活空間和死亡空間。Hpk ,Hca ,Hc 和 Hs 分別為水位、冠層、莖稈和場(chǎng)地的相對(duì)高程。Hsp為生存空間高度，Hp 為植株平均高度。SPE 為相對(duì)于洼地海拔最低點(diǎn)(設(shè)為 0.00 m)的植株安全種植高度。SPE = Hpk - Hsp。?

2024-08-24

喀斯特流域徑流和產(chǎn)沙變化影響因素解耦取得進(jìn)展

西南喀斯特區(qū)頻發(fā)的極端降雨、獨(dú)特的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)、淺薄且分布不連續(xù)的土壤、復(fù)雜的地貌類(lèi)型以及高異質(zhì)性景觀與流域徑流和產(chǎn)沙密切相關(guān)。但是，上述影響因素耦合疊加在一起，導(dǎo)致采用傳統(tǒng)的主成分分析、因子分析等方法研究不同流域環(huán)境因子與徑流和泥沙關(guān)系時(shí)會(huì)夸大或掩蓋某些因子的作用，因此解析降雨、巖性、土壤、地貌和植被對(duì)喀斯特流域徑流和泥沙的相對(duì)重要性仍是難點(diǎn)。西南喀斯特區(qū)頻發(fā)的極端降雨、獨(dú)特的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)、淺薄且分布不連續(xù)的土壤、復(fù)雜的地貌類(lèi)型以及高異質(zhì)性景觀與流域徑流和產(chǎn)沙密切相關(guān)。但是，上述影響因素耦合疊加在一起，導(dǎo)致采用傳統(tǒng)的主成分分析、因子分析等方法研究不同流域環(huán)境因子與徑流和泥沙關(guān)系時(shí)會(huì)夸大或掩蓋某些因子的作用，因此解析降雨、巖性、土壤、地貌和植被對(duì)喀斯特流域徑流和泥沙的相對(duì)重要性仍是難點(diǎn)。中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究站研究團(tuán)隊(duì)為解決上述問(wèn)題，選取西南地區(qū)40個(gè)典型喀斯特流域，獲取了2009年至2012年徑流和輸沙量數(shù)據(jù)，提取不同喀斯特流域降雨、巖性、土壤、地貌和植被因子共103個(gè)，采用皮爾遜相關(guān)和隨機(jī)森林篩選影響徑流和產(chǎn)沙的主導(dǎo)因素，并利用偏最小二乘-結(jié)構(gòu)方程模型（PLS-SEM）解耦徑流和產(chǎn)沙與其潛在影響因素之間的復(fù)雜關(guān)系。結(jié)果表明，氣候、巖性、土壤、地貌和植被可解釋不同喀斯特流域79%的徑流變化，其中僅有降雨對(duì)徑流有顯著影響（P<0.01，路徑系數(shù)(β)=0.589）；氣候、巖性、土壤、地貌和植被可解釋產(chǎn)沙變異的59%，其中植被對(duì)不同喀斯特流域產(chǎn)沙量的影響最大（P<0.01，β=-0.458），而降雨對(duì)不同喀斯特流域產(chǎn)沙量沒(méi)有顯著影響。本研究通過(guò)解耦降雨、巖性、土壤、地貌和植被對(duì)不同喀斯特流域產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，研究結(jié)果對(duì)于深入理解喀斯特區(qū)侵蝕產(chǎn)沙機(jī)理和水土保持措施的優(yōu)化配置具有重要意義。該項(xiàng)研究近期以Quantitatively distinguishing the factors driving runoff and sediment yield variations in karst watersheds發(fā)表在水文學(xué)領(lǐng)域一區(qū)期刊Water Resources Research上。該研究得到了湖南省杰出青年基金、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、國(guó)家自然科學(xué)基金和湖湘青年英才等項(xiàng)目的共同資助。論文鏈接不同喀斯特流域徑流和產(chǎn)沙影響因素解耦

2024-08-23

華南植物園在安第斯皇后鳳梨保護(hù)基因組學(xué)研究獲新進(jìn)展

????安第斯皇后鳳梨（Puya raimondii Harms）是安第斯山脈特有的一種植物（圖1），分布在秘魯和玻利維亞3000—4800米的高山地帶。作為鳳梨科（Bromeliaceae）中最高大的物種，安第斯皇后鳳梨的植株高度可達(dá)15米，是安第斯普納地區(qū)（Puna）最為矚目的植物之一。該物種具有獨(dú)特的生活史性狀，壽命長(zhǎng)達(dá)40—100年，且一生只開(kāi)一次花，開(kāi)花后便迅速死亡。隨著下一代測(cè)序技術(shù)（Next-Generation Sequencing）的發(fā)展，保護(hù)基因組學(xué)在物種保護(hù)中正發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。然而，針對(duì)長(zhǎng)命單次繁殖植物的保護(hù)基因組學(xué)研究仍相對(duì)匱乏，影響了對(duì)這一類(lèi)植物的保護(hù)。????中國(guó)科學(xué)院華南植物園植物科學(xué)研究中心劉露等科研人員利用重測(cè)序（Resequencing）技術(shù)對(duì)來(lái)自秘魯?shù)?個(gè)群體，共計(jì)200個(gè)安第斯皇后鳳梨?zhèn)€體進(jìn)行了研究。研究利用全基因組數(shù)據(jù)分析群體的遺傳多樣性，利用溯祖法推斷群體動(dòng)態(tài)歷史，并將結(jié)果與長(zhǎng)命多次繁殖植物Puya macrura Mez進(jìn)行了比較。????研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，安第斯皇后鳳梨的9個(gè)群體間高度分化（圖2），群體內(nèi)具有較低的遺傳多樣性和較高的遺傳負(fù)荷。盡管各個(gè)群體內(nèi)部缺乏遺傳變異，但平衡選擇在維持部分位點(diǎn)的遺傳多樣性方面發(fā)揮了重要作用。此外，安第斯皇后鳳梨和其近緣種P. macrura均在更新世受到強(qiáng)瓶頸作用的影響，隨后，P. macrura的群體規(guī)模逐漸恢復(fù)，而安第斯皇后鳳梨的群體規(guī)模卻持續(xù)收縮（圖3）。研究表明，長(zhǎng)命單次繁殖的生活史性狀可能影響植物的群體大小和基因組變異，使安第斯皇后鳳梨面臨較高的滅絕風(fēng)險(xiǎn)，這一發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了在未來(lái)物種保護(hù)和管理中需充分考慮生活史的影響。????該研究成果已近期發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊New Phytologist（《新植物學(xué)家》）上。華南植物園博士后劉露為論文的第一作者，葛學(xué)軍研究員和烏普薩拉大學(xué)的Martin Lascoux教授為共同通訊作者。該研究得到中國(guó)科學(xué)院“一帶一路”計(jì)劃、廣東省應(yīng)用植物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及國(guó)家留學(xué)基金委的資助。文章鏈接：https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.20036圖1. 安第斯皇后鳳梨圖2. 安第斯皇后鳳梨9個(gè)群體的遺傳結(jié)構(gòu)圖3. 基于FASTSIMCOAL2和PSMC推斷安第斯皇后鳳梨和Puya macrura的群體動(dòng)態(tài)歷史。

2024-08-21

深圳先進(jìn)院翟冰課題組等發(fā)現(xiàn)真菌異質(zhì)性耐藥導(dǎo)致突破性血流感染（Nature Medicine）

接收器官移植的患者長(zhǎng)期處于免疫缺陷狀態(tài)，因容易發(fā)生包括侵襲性真菌感染在內(nèi)的各種重癥感染，需要通過(guò)持續(xù)使用抗細(xì)菌、抗真菌等藥物來(lái)預(yù)防感染發(fā)生。但即便有藥物保護(hù)，臨床上也時(shí)常觀察到患者在用藥期間發(fā)生突破性感染，且引發(fā)感染的微生物對(duì)所用藥物并未呈現(xiàn)經(jīng)典的抗藥性（antimicrobial resistance）。目前由于對(duì)這類(lèi)感染的發(fā)生機(jī)制尚不明確，難以快速找到有效的用藥方案，導(dǎo)致一旦發(fā)生此類(lèi)情況，患者面臨很高的死亡率。因此，亟需通過(guò)高質(zhì)量的臨床數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)解析其病因，開(kāi)發(fā)新型檢測(cè)手段，以應(yīng)對(duì)這一棘手的醫(yī)療難題。8月2日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所翟冰課題組，聯(lián)合紀(jì)念斯隆凱特琳癌癥中心廖辰博士、Tobias Hohl課題組，以及埃默里大學(xué)David Weiss課題組在Nature Medicine上發(fā)表了題為“Antifungal heteroresistance causes?prophylaxis failure and facilitates?breakthrough Candida parapsilosis?infections”的最新研究成果。文章上線截圖該研究發(fā)現(xiàn)，在導(dǎo)致突破性真菌血流感染的近平滑念珠菌（Candida parapsilosis）臨床菌株中，很多菌株對(duì)抗真菌藥物米卡芬凈存在一種有別于經(jīng)典耐藥的表型——異質(zhì)性耐藥（heteroresistance），腸道定植有異質(zhì)性耐藥菌株的患者發(fā)生突破性血流感染的風(fēng)險(xiǎn)顯著高于僅有敏感菌株定植的患者。翟冰課題組聯(lián)合中國(guó)真菌病監(jiān)測(cè)網(wǎng)（CHIF-NET）和北美、歐洲的多個(gè)課題組，發(fā)現(xiàn)這一具有重要臨床意義的特殊藥敏表型在各國(guó)菌株中普遍存在。由于現(xiàn)有臨床藥敏檢測(cè)手段將異質(zhì)性耐藥菌株全部鑒定為敏感菌株，會(huì)誤導(dǎo)抗真菌藥物的選擇。該研究運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)模型算法，通過(guò)不超過(guò)10個(gè)基因組特征（genomic features）可對(duì)異質(zhì)性耐藥表型做出較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。該研究明確了異質(zhì)性耐藥的臨床重要性，并為開(kāi)發(fā)有效快速藥敏檢測(cè)提供了新的策略。抗微生物耐藥性（antimicrobial resistance）導(dǎo)致每年全球超過(guò)一百萬(wàn)人死亡，是嚴(yán)重的公共衛(wèi)生挑戰(zhàn)。異質(zhì)性耐藥有別于經(jīng)典耐藥表型，描述同一菌株內(nèi)少數(shù)耐藥細(xì)胞（有時(shí)比例僅百萬(wàn)分之一甚至更低）與大多數(shù)敏感細(xì)胞共存的現(xiàn)象，在較高藥物濃度下，絕大部分敏感細(xì)胞會(huì)被殺死，而耐藥細(xì)胞還能存活并繼續(xù)增殖。由于耐藥細(xì)胞頻率低，異質(zhì)性耐藥表型不能通過(guò)常規(guī)臨床藥敏檢測(cè)方法鑒定。重癥感染的實(shí)際治療過(guò)程常常會(huì)同時(shí)使用多種抗生素，因此無(wú)法直接將臨床結(jié)局和單一藥物的藥敏表型聯(lián)系起來(lái)，進(jìn)而明確異質(zhì)性耐藥在真實(shí)世界的重要性。相比之下，免疫缺陷患者的預(yù)防性用藥通常使用單一抗菌藥物，更有助于研究藥敏表型的臨床意意義。異質(zhì)性耐藥菌株的耐藥細(xì)胞比例受藥物暴露情況影響而變化作者首先回溯分析了2016–2020年間在紀(jì)念斯隆凱特琳癌癥中心（MSKCC）接受造血干細(xì)胞移植的952名患者中發(fā)生的突破性真菌血流感染病例，發(fā)現(xiàn)其中近半數(shù)由近平滑念珠菌（Candida parapsilosis）造成。這些病人移植期間均使用米卡芬凈（一種棘白菌素類(lèi)藥物，靶向真菌細(xì)胞壁合成）預(yù)防真菌感染。值得注意的是，引起突破性感染的近平滑念珠菌都被鑒定為米卡芬凈敏感菌。因此，研究者對(duì)這些菌株進(jìn)行了更精確的菌落譜型分析（Population Analysis Profiling，PAP），發(fā)現(xiàn)其中多數(shù)對(duì)米卡芬凈發(fā)生了異質(zhì)性耐藥。MSKCC突破性真菌血流感染病例多由異質(zhì)性耐藥菌株（橙色）造成在前期的系列工作中，翟冰課題組基于同一臨床隊(duì)列發(fā)現(xiàn)近平滑念珠菌在腸道中定植是發(fā)生真菌血流感染的必要條件 (Nature Medicine?2020)，但移植期間出現(xiàn)腸道近平滑念珠菌定植的患者僅有部分會(huì)發(fā)生真菌感染 (Nature Microbiology?2021)。在本研究中作者通過(guò)綜合分析200多例移植病人的臨床信息、腸道菌群信息和腸道/血液近平滑念珠菌菌株的藥敏表型，發(fā)現(xiàn)在29名移植期間出現(xiàn)近平滑念珠菌腸道定植的患者中，定植有異質(zhì)性耐藥菌株的患者發(fā)生突破性血流感染的風(fēng)險(xiǎn)顯著高于僅有敏感菌株腸道定植的患者。異質(zhì)性耐藥菌株在腸道定植顯著增加移植患者發(fā)生突破性血流感染的風(fēng)險(xiǎn)為了探索臨床菌株中出現(xiàn)米卡芬凈異質(zhì)性耐藥的普遍性，作者檢測(cè)了來(lái)自美國(guó)、中國(guó)、法國(guó)、德國(guó)不同醫(yī)療機(jī)構(gòu)的共219株近平滑念珠菌對(duì)米卡芬凈的藥敏表型，并對(duì)所有菌株都進(jìn)行了深度全基因組測(cè)序。結(jié)果顯示，各國(guó)的臨床菌株中均發(fā)現(xiàn)了對(duì)米卡芬凈異質(zhì)性耐藥的菌株，預(yù)示著這一具有重要臨床意義的藥敏表型可能在更廣泛的地域范圍中影響棘白菌素類(lèi)藥物預(yù)防/治療真菌感染的效力。異質(zhì)性耐藥表型在不同國(guó)家來(lái)源的臨床菌株中普遍存在為了精確表征近平滑念珠菌的基因組特征（genomic feature）并分析其與異質(zhì)性耐藥表型的相關(guān)性，本文共同第一作者廖辰博士開(kāi)發(fā)了基于開(kāi)放閱讀框（ORF）完整性和拷貝數(shù)的雙參數(shù)拷貝數(shù)變異（CNV）表征法。通過(guò)整合219株臨床菌株的藥敏表型與SNV/CNV信息，作者構(gòu)建了一個(gè)基于不超過(guò)10個(gè)基因組特征預(yù)測(cè)異質(zhì)性耐藥表型的機(jī)器學(xué)習(xí)模型算法，并進(jìn)行了概念驗(yàn)證，為未來(lái)開(kāi)發(fā)可應(yīng)用于臨床的異質(zhì)性耐藥快速檢測(cè)法提供了基礎(chǔ)。通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)策略開(kāi)發(fā)異質(zhì)性耐藥檢測(cè)方法翟冰研究員和Tobias Hohl教授、David Weiss教授為本文的共同通訊作者。翟冰、廖辰博士、Siddharth Jaggavarapu博士、深圳先進(jìn)技術(shù)研究院唐媛媛博士為共同第一作者。本工作獲得了國(guó)家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的經(jīng)費(fèi)支持。

2024-08-07

深圳先進(jìn)院發(fā)現(xiàn)生成式AI賦能腦網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建新范式（IEEE TPAMI )

8月18日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院數(shù)字所王書(shū)強(qiáng)課題組在人工智能權(quán)威期刊IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence在線發(fā)表了題為"A New Brain Network Construction Paradigm for Brain Disorder via Diffusion-based Graph Contrastive Learning"的研究成果。首次實(shí)現(xiàn)了基于生成式AI優(yōu)化模型的End-to-End腦網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。相較于傳統(tǒng)的腦影像分析，作為大腦機(jī)理探索和腦疾病研究重要工具的腦網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，則側(cè)重于不同腦區(qū)之間的相互作用和連接模式，能夠更好地反映大腦作為一個(gè)整體系統(tǒng)的運(yùn)作機(jī)制，有助于從整體角度理解大腦信息處理的方式。此外，腦網(wǎng)絡(luò)計(jì)算能捕捉神經(jīng)活動(dòng)中的非線性異常特征，分析潛在的神經(jīng)機(jī)制變化，為開(kāi)發(fā)基于調(diào)控大腦網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新性治療手段提供理論依據(jù)。8月18日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院數(shù)字所王書(shū)強(qiáng)課題組在人工智能權(quán)威期刊IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence在線發(fā)表了題為"A New Brain Network Construction Paradigm for Brain Disorder via Diffusion-based Graph Contrastive Learning"的研究成果。首次實(shí)現(xiàn)了基于生成式AI優(yōu)化模型的End-to-End腦網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。論文發(fā)表截圖生成式AI通過(guò)從數(shù)據(jù)中自動(dòng)學(xué)習(xí)提取隱藏的模式和規(guī)律，在模擬復(fù)雜自然過(guò)程、分析和預(yù)測(cè)科學(xué)數(shù)據(jù)等方面表現(xiàn)出巨大潛力。相較于傳統(tǒng)方法，生成式AI在學(xué)習(xí)復(fù)雜腦網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和連接模式特征方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，它能從腦網(wǎng)絡(luò)異常特征中挖掘潛在的神經(jīng)生理病理機(jī)制，為神經(jīng)系統(tǒng)疾病的病因研究提供新線索。與傳統(tǒng)的腦影像分析相比，腦網(wǎng)絡(luò)計(jì)算在探索大腦機(jī)理和腦疾病分析具有顯著優(yōu)勢(shì)。然而，現(xiàn)有的腦網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法面臨著效率低、一致性差、高度經(jīng)驗(yàn)依賴等問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于擴(kuò)散-圖對(duì)比學(xué)習(xí)模型(DGCL)的腦網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建新范式。具體而言，研究團(tuán)隊(duì)首先通過(guò)設(shè)計(jì)的大腦區(qū)域感知模塊(BRAM)的擴(kuò)散學(xué)習(xí)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化腦區(qū)的精準(zhǔn)定位，避免了主觀參數(shù)選擇，并自動(dòng)化對(duì)齊標(biāo)準(zhǔn)腦模板空間。然后利用圖對(duì)比學(xué)習(xí)思想，通過(guò)稀疏化冗余連接，實(shí)現(xiàn)個(gè)體化大腦連接優(yōu)化，從而增強(qiáng)同一組內(nèi)大腦網(wǎng)絡(luò)的一致性。最終通過(guò)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)-圖對(duì)比損失和分類(lèi)損失的聯(lián)合約束機(jī)制，實(shí)現(xiàn)重建腦網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。DGCL模型圖為了驗(yàn)證所提出的DGCL模型在腦網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和腦疾病分析任務(wù)上的通用性和泛化性，研究團(tuán)隊(duì)分別在面向阿爾茨海默病（AD）的ADNI數(shù)據(jù)集和面向自閉癥障礙（ASD）的ABIDE數(shù)據(jù)集進(jìn)行了大量消融實(shí)驗(yàn)和對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相較于現(xiàn)有腦網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建工具，DGCL在腦網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建效率、可靠性（ICC），以及腦疾病預(yù)測(cè)精度等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。通過(guò)對(duì)AD和ASD不同階段腦網(wǎng)絡(luò)連接模式分析發(fā)現(xiàn)：兩種模式的腦網(wǎng)絡(luò)連通性在疾病早期都呈上升趨勢(shì)，然后在疾病中期-晚期階段時(shí)減少到較低水平。這一發(fā)現(xiàn)與腦科學(xué)研究中的神經(jīng)連接代償機(jī)制一致。不同腦疾病階段的腦網(wǎng)絡(luò)連接模式王書(shū)強(qiáng)課題組長(zhǎng)期專(zhuān)注于基于生成式AI的腦影像-腦網(wǎng)絡(luò)計(jì)算領(lǐng)域的研究，在腦影像增強(qiáng)、跨模態(tài)生成、腦網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和腦疾病智能輔助診斷等方面取得一系列成果，相關(guān)工作發(fā)表在IEEE Transactions on Medical Imaging、IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems、IEEE Transactions on Computational Imaging等權(quán)威期刊上，其中5篇入選ESI高被引論文。王書(shū)強(qiáng)課題組近年來(lái)在“基于生成式AI的腦影像-腦網(wǎng)絡(luò)計(jì)算”方向的代表性工作王書(shū)強(qiáng)研究員為該文章的通訊作者，數(shù)字所研究生宗永承為第一作者。該文章獲得國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等科技項(xiàng)目支持。

2024-08-20