科研進展
  • 華南植物園在重金屬毒性調控研究取得重要進展
    ????環(huán)境中的有毒金屬通過各種途徑進入食物鏈，并可能對人體造成多種危害，例如鎘過量攝入引起骨脆性或腎損傷，鉛會導致腎、腦中毒(神經膠質瘤)等。某些特定膳食補充劑（維生素族、抗氧化劑、礦質元素）具有緩解重金屬脅迫和毒性的作用，但其對腸道過程中降低重金屬生物有效性的影響機制尚不清楚，因此探索飲食干預對重金屬的吸收、轉運和積累的影響因素及其調控機制對減輕或預防鎘和鉛對人體的毒性和危害具有重要的現實意義。????中國科學院華南植物園海岸帶生態(tài)系統(tǒng)過程與環(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元素對模擬胃腸和小鼠中重金屬生物有效性的抑制作用，發(fā)現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76%?)。同時發(fā)現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相關。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，恢復還原性谷胱甘肽(GSH)水平(p<0.05)，說明它們對減輕體內Pb、Cd的氧化損傷有一定作用。本研究證實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人體鉛和鎘暴露的替代膳食補充劑。????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運，并增強了跨膜電阻(TEER)，表明這些補充劑對鎘誘導的屏障功能障礙具有保護作用。轉錄組學結果顯示膳食補充劑下調了相關基因的表達，揭示了這些成分可以調節(jié)與膳食鎘毒性和吸收相關的特定途徑基因的表達，如凋亡途徑(Jun,Ddit3)、抗氧化相關途徑(Cat,Hmox1)和礦物質吸收途徑(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口攝入鎘的負面影響。????相關研究成果于近期（在線）發(fā)表在國際學術期刊Science of The Total Environment（《總環(huán)境科學》）和Environmental Technology & Innovation（《環(huán)境技術與創(chuàng)新》）上。中國科學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。該研究得到國家自然科學基金項目和廣東省科技計劃項目聯合資助。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鎘脅迫的響應機制模型
    2024-08-28
  • 廣州地化所趙時真、張干等-ES&T觀點：重視大氣中的高揮發(fā)性持久性有機污染物（HV-POPs）
    中國科學院廣州地球化學研究所張干研究員團隊趙時真副研究員、肖雨薇博士生，與英國蘭卡斯特大學Kevin Jones教授和聯合國化學品管理（UNEP/Chemicals）顧問Roland Weber博士近期聯合撰文，呼吁應重視大氣中的高揮發(fā)性持久性有機污染物（HV-POPs）。大氣是持久性有機污染物（POPs）重要的賦存介質，在POPs的地表系統(tǒng)循環(huán)中起著重要作用，同時也是理想的POPs監(jiān)測介質。大氣POPs監(jiān)測提供的POPs的分布、來源和傳輸等信息，可用于POPs的風險評價和管控政策有效性的評估。在已發(fā)表的絕大多數資料中，對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，認為POPs可在大氣氣相—顆粒相間動態(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），鮮有關注。在環(huán)境大氣科學中，對揮發(fā)性組分的劃分，是一個貫穿低揮發(fā)性（LVOCs）—半揮發(fā)性（SVOCs）—中等揮發(fā)性（IVOCs）—揮發(fā)性有機化合物（VOCs）的“連續(xù)譜”（Continuum），或全揮發(fā)性區(qū)間有機物組分，而有機污染化學范疇內的泛化的“半揮發(fā)性”概念，實際暗含了SVOCs/IVOCs中的許多化合物，卻無明確的邊界界定。這一不同學科方向上在概念的“割裂”，無疑將使對POPs大氣環(huán)境行為的研究，與環(huán)境大氣科學的敘事“若即若離”，從而在客觀上妨礙對POPs在大氣環(huán)境中賦存、遷移、轉化乃至環(huán)境風險的深入認知，尤其表現在與大氣二次有機氣溶膠（SOA）或PM2.5研究的脫節(jié)上。有鑒于此，我們認為，應將POPs納入環(huán)境大氣科學的范疇，而對其揮發(fā)性進行細分界定。下圖顯示了基于真實實驗室數據的典型POPs與正構烷烴同系物色譜峰疊加的質量色譜圖。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），對應C12-C20正構烷烴的飽和蒸汽壓。我們認為，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）和氟調醇（FTOHs）等新污染物。除了下圖中標識的化合物外，超短鏈全氟和多氟烷基化合物（PFASs），如三氟乙酸（TFA）及其酯類衍生物，以及超短鏈氯化石蠟（vSCCPs，C6-C9）也可能為HV-POPs。值得關注的是，許多傳統(tǒng)POPs，如六氯環(huán)己烷（HCHs）以及多氯聯苯（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，目前對大氣中HV-POPs的研究還相對較少且分散。圖1. 典型POPs和C6-C30正構烷烴疊加的色譜圖。圖中橫坐標為正構烷烴碳數。大氣HV-POPs的采樣方法，包括主動和被動采樣兩種。主動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。被動大氣采樣器（PAS）易于準備和大范圍部署，無需用電，因此在涉及偏遠地區(qū)和采樣站點較多的研究中更為合適。強吸附劑如XAD、Tenax樹脂和活性炭通常用于捕集高揮發(fā)性有機物（VOCs）。此外，HV-POPs也可以通過基于XAD浸漬的聚氨酯泡沫（PUF）被動大氣采樣裝置（SIP-PAS）采集。有報道表明，以HCBD為代表的HV-POPs很容易在PUF中發(fā)生穿透，導致實際大氣濃度被低估。因此，需要針對HV-POPs的樣品采集和實驗室前處理，制定特定的質量控制和保證（QA/QC）措施，確保可靠的回收率。HV-POPs的大氣采樣亦可通過規(guī)范操作流程，使得來自不同實驗室的監(jiān)測數據更具可比性。大氣中的HV-POPs不容忽視。其一，多數HV-POPs均是重要的化工原料乃至化工溶劑，用途廣、產量大、歷史長。如，氯苯類（CBs）被廣泛用作農藥生產、染料生產和電子工業(yè)的原料、助劑和溶劑，我國氯苯類產品的生產能力和消費能力均居世界第一，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，禁用后多來自含氯溶劑生產過程中（如一氯甲烷和四氯乙烯）等非經意排放。我國僅在2016年就排放近千噸HCBD。VMSs作為重要有機合成原料，廣泛用于工業(yè)、醫(yī)藥、農業(yè)、食品、化妝品等領域，全球甲基硅氧烷年均產量800-1000萬噸，主要在我國生產。其二，正是由于HV-POPs的高揮發(fā)性和大量生產使用，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地區(qū)。我們對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，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，超過其職業(yè)暴露限值210 μg/m3。大量證據表明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的時間，利于其與自由基發(fā)生反應。這將導致其礦化和轉化為親水性氧化產物，這些產物可以通過大氣沉降被去除。例如，HCB可能轉化為更易溶于水的五氯苯酚（PCP）；FTOH可能轉化為全氟辛酸（PFOA）。對于在室內空氣中濃度較高的VMSs，持續(xù)生成的硅醇產物可能參與SOA的形成。大氣模型研究人員可將HV-POPs視為“長壽命”氣體，而無須特別考慮其多介質交換過程?；谟^測的反演模型可用于估算HV-POPs的一次排放量，為化學品管理和政策制定提供理論支持。最后，HV-POPs在生物、人體內廣泛檢出。呼吸攝入可能是HV-POPs進入動物和人類食物鏈的關鍵途徑。大部分HV-POPs具有低KOW（<105）-高KOA（>106）的特征，容易進入含有包括人在內的呼吸動物的食物鏈，進而發(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，美國環(huán)保部（US EPA）將其歸類為可能的人類致癌物（C類）。PeCB、HCB、PFAS及其前體物廣泛存在于人類乳汁和血清中，并能夠在人體胎盤中積累。由上可見，未來的研究應將HV-POPs的概念納入《斯德哥爾摩公約》的監(jiān)管框架。強有力的全球合作對于HV-POPs的標準化監(jiān)測、基于觀測的反演模擬、技術領域的減緩策略、以及區(qū)域和全球尺度上的直接和間接大氣傳輸研究，至關重要。此研究成果近期發(fā)表于國際期刊《Environmental Science & Technology》上，得到中國國家自然科學基金和廣東省自然科學基金等的資助。?論文信息：Zhao, S.（趙時真）; 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、地球化學驅動因子、群落組裝機制與功能解析
    我國是石油生產和消費大國，在原油開采、運輸和冶煉過程中，污染事故頻發(fā)，嚴重威脅生態(tài)安全與土壤健康。微生物在污染物生物地球化學循環(huán)中扮演著至關重要的角色，尤其在石油烴類污染物的分解過程中，降解功能微生物能夠將有毒污染物轉化為無毒化合物，是降解過程的核心執(zhí)行者。然而，在實際環(huán)境中，功能微生物通常以群落形式協同作用，而非單獨發(fā)揮功能。因此，深入挖掘石油污染土壤中的微生物資源，準確識別復雜微生物群落中起到關鍵降解作用的功能菌群，明確其驅動因子和群落構建機制，是深入理解石油烴類污染物生物降解和調控機理的關鍵?，F有研究大多聚焦石油污染土壤微生物群落結構，對石油烴降解功能微生物的關注仍然有限。如何在復雜的自然環(huán)境中精準甄別具有實際降解能力的微生物，并解析其作用機制，仍是亟待解決的挑戰(zhàn)。近期，中國科學院廣州地球化學研究所李繼兵副研究員、羅春玲研究員團隊，將穩(wěn)定同位素示蹤（SIP）、單細胞拉曼分選（RACS）、16S rRNA擴增子測序、基因組測序和地球化學因子分析等技術相結合，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、代謝機制及其受控因素。研究發(fā)現，功能菌群盡管整體組成有所不同，但關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出代謝多樣性，能夠有效降解兩種污染物。進一步通過SIP-宏基因組分箱分析，研究團隊獲得了假單胞菌屬、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）及其相關基因（如PAH雙加氧酶基因、alkB基因），證實了這些微生物的生物修復潛力及其在石油烴類污染物原位生物降解過程中的重要作用。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；地球化學因子和地理位置分別獨立解釋了14%和21%的總變異。值得一提的是，功能性微生物群落結構中超過一半（51%）的變異仍未被解釋，可能是由于未測量的環(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制，研究團隊創(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構建方法。該方法涉及功能微生物的單細胞鑒定、分選和培養(yǎng)，最終形成精準的原位FMC。通過RACS-SIP技術，研究團隊成功識別并分離出了菲降解功能菌單細胞，實現了基于基因組指導、精準可控的原位功能菌群構建。原位FMC在實際土壤環(huán)境中的降解效率優(yōu)于傳統(tǒng)方案設計的功能菌群，主要歸因于原位功能菌群中各個物種具備多樣化的菲代謝途徑。這些物種通過分工合作或相互交流，能夠協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污染物具有較好的耐受性，但在自然環(huán)境中往往缺乏實際降解能力。相關結論表明，在深入解析原位功能降解菌的基礎上構建原位FMC具有巨大潛力，能夠實現污染物的持續(xù)高效降解；而單細胞測序技術可以建立降解菌、功能基因和代謝途徑之間的直接關聯，為原位FMC的構建機制提供了深刻見解。以上研究揭示了石油污染區(qū)域功能微生物群落結構的影響因素及功能菌群構建機制，為石油烴污染的原位調控和生物修復提供了重要的理論依據。同時，原位FMC體系構建方法強調了在全面微生物功能分析和資源探索中，功能菌單細胞精準識別、分離和培養(yǎng)的關鍵作用。該技術還具有擴展應用于古菌和真菌FMC研究的潛力，為復雜生態(tài)系統(tǒng)中元素循環(huán)與污染物轉化的FMC構建提供技術支持。該研究得到國家自然科學基金、廣東省重點領域研發(fā)計劃、廣東省杰出青年基金以及中國科學院青年創(chuàng)新促進會會員等項目的聯合資助。相關成果發(fā)表在環(huán)境科學和地球化學研究領域權威期刊《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) 中國北方石油污染區(qū)不同地點土壤樣本的空間分布圖；(b) 石油污染區(qū)不同地點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分析圖 3. (a) 與功能微生物群落結構變異顯著相關的土壤地球化學因子的冗余分析 (RDA)；（b）方差分解分析量化地球化學因子 (G)、地理位置 (L) 以及土壤石油污染 (O) 的貢獻。(b) 概述，(c) 關鍵功能微生物。?圖4. 基于RACS-SIP的原位功能微生物菌群 (FMC) 構建示意圖。圖5. 菲降解功能微生物細胞的原位識別和分選圖6. 菲降解功能微生物細胞的菲代謝通路重建
    2024-08-26
  • 華南植物園揭示長期酸雨背景下土壤團聚體介導微生物對有機碳累積及穩(wěn)定性的影響機制
    ????隨著工業(yè)化的快速發(fā)展，酸雨仍然是全球范圍內不可忽視的環(huán)境問題之一。近二十年來，我國華南地區(qū)酸雨的持續(xù)影響，導致土壤酸化日益嚴重，這也將極大地改變森林土壤中微生物群落結構組成，最終對土壤碳儲存產生影響。然而，對于在某種程度上決定土壤碳累積及穩(wěn)定性的土壤團聚體，長期酸雨背景下其粒徑大小分布規(guī)律以及如何介導微生物對土壤有機碳累積和養(yǎng)分元素循環(huán)產生影響的相關研究仍然缺乏。????基于鼎湖山季風常綠闊葉林為期10年的模擬野外酸雨實驗發(fā)現，長期酸雨處理顯著抑制了土壤微生物活性，特別是降低了細菌和真菌的豐度，并導致碳分解相關的酶活性下降。相反，與磷和氮礦化相關的酶活性及其酶化學計量比值在長期酸雨影響下卻顯著增加。研究還發(fā)現，長期酸雨處理還導致了土壤團聚體粒徑分布的明顯變化，表現為大粒徑團聚體向小粒徑團聚體轉化的趨勢（圖1）。然而，不同粒徑土壤團聚體中微生物群落對酸雨處理的響應存在差異，傾向于寄居在大團聚體（macroaggregate（> 2000 μm））中的細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體（microaggregate（< 250 μm））中的真菌群落對酸雨處理的敏感性高于其他微生物群落。另一方面，酸雨處理對碳分解相關酶活性的抑制同樣受土壤團聚體粒徑大小和微生物群落分布的影響（圖2），如大團聚體中與細菌群落密切相關的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的酚氧化酶（PhOx）和過氧化物酶（Perox）活性則在微團聚體中受到顯著抑制。????該研究表明，長期酸雨處理下大粒徑團聚體向小粒徑團聚體的轉化以及微生物活性的抑制，加上惰性組分碳分解相關的氧化酶活性在小粒徑團聚體中的顯著下降，可能會減緩森林土壤有機碳，特別是惰性組分有機碳的分解速率，從而提高了有機碳的穩(wěn)定性并延緩了其在土壤中的滯留時間，促進了土壤有機碳的儲存和累積。然而，這一過程也加劇了土壤養(yǎng)分的失衡，特別是磷的限制。????相關成果已近期發(fā)表在土壤學領域Top期刊Soil Biology and Biochemistry（《土壤生物學與生物化學》）（IF2023-2024=9.8）上。廣東省科學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，華南植物園張德強研究員和鄧琦研究員為共同通訊作者，該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金和廣東省自然科學基金等項目的資助。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碳含量（a）以及不同粒徑團聚體質量百分比的變化規(guī)律圖2. 不同粒徑土壤團聚體中微生物群落和酶活性之間的冗余分析
    2024-08-25
  • 西南喀斯特洼地農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)應對洪水風險研究取得新進展
    中國科學院亞熱帶農業(yè)生態(tài)研究所環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站徐憲立研究員團隊在我國西南喀斯特洼地農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)應對洪水風險方面取得重要進展，相關研究成果近期以Responses of crops to flood and implications for agriculture planning in subtropical humid karst peak-cluster depression為題發(fā)表在國際水文領域知名期刊Journal of Hydrology上。中國科學院亞熱帶農業(yè)生態(tài)研究所環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站徐憲立研究員團隊在我國西南喀斯特洼地農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)應對洪水風險方面取得重要進展，相關研究成果近期以Responses of crops to flood and implications for agriculture planning in subtropical humid karst peak-cluster depression為題發(fā)表在國際水文領域知名期刊Journal of Hydrology上。由于西南喀斯特區(qū)獨特的水文地質條件，當發(fā)生大規(guī)模暴雨時，喀斯特洼地內澇風險顯著加劇。中國西南地區(qū)是世界上最大的連片喀斯特地區(qū)之一，根據廣西民政廳統(tǒng)計，2015-2018年，該區(qū)共發(fā)生 37 次洪澇災害，造成直接經濟損失約15.1億元，其中34.3%為農業(yè)相關損失。然而，全球變暖的影響日益加劇，可能會增加該區(qū)極端降雨事件的發(fā)生風險，進一步影響農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。與此同時，意大利北部、西班牙南部和克羅地亞等其他國家的濕潤喀斯特區(qū)也面臨相似問題。因此，了解喀斯特區(qū)農業(yè)系統(tǒng)如何應對極端降雨事件至關重要。關于植物對洪水的響應，世界各地已開展了大量研究，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，植物對洪水的響應仍不明確，鮮有研究。因此，喀斯特地區(qū)居民為適應未來洪水而調整農業(yè)布局缺乏科學依據。為此，徐憲立研究員團隊調查了2016年古周洼地的一次極端降雨事件，分析洪水對峰叢洼地農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)（玉米和牧草）的影響。結果表明，此次極端降雨事件為 10 年一遇，導致洼地78.6%的玉米種植面積絕收和20.4%的牧草種植面積死亡。由于牧草的細根生物量較高且葉片光合能力穩(wěn)定，其在淹沒時表現優(yōu)于玉米。牧草對洪水的淹沒臨界耐受時間為10.2天；玉米植株突出水面1.5米時可以存活。針對這一極端降雨事件，相對于洼地標高的最低點（設定為 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。 這項研究表明，有必要根據植物抵御洪水的能力合理安排喀斯特洼地農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)布局，以應對未來的氣候變化。本研究旨在提出一個框架，通過探索植物成活率與洪水（澇）過程之間的關系，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，需要根據當地的水文環(huán)境和植物種類進行一些實驗校準和驗證。該研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院青年創(chuàng)新促進會等項目資助。論文鏈接圖 1 古周洼地植物淹沒調查 a.牧草；b.玉米。上圖顯示了每個采樣梯度上的牧草和玉米的生長地點、植株和莖稈的相對高度(洼地最低點設定為0.00m)。藍線（最高水位）以下的植物被淹沒。?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、莖稈和場地的相對高程。Hsp為生存空間高度，Hp 為植株平均高度。SPE 為相對于洼地海拔最低點(設為 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沙變化影響因素解耦取得進展
    西南喀斯特區(qū)頻發(fā)的極端降雨、獨特的水文地質結構、淺薄且分布不連續(xù)的土壤、復雜的地貌類型以及高異質性景觀與流域徑流和產沙密切相關。但是，上述影響因素耦合疊加在一起，導致采用傳統(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系時會夸大或掩蓋某些因子的作用，因此解析降雨、巖性、土壤、地貌和植被對喀斯特流域徑流和泥沙的相對重要性仍是難點。西南喀斯特區(qū)頻發(fā)的極端降雨、獨特的水文地質結構、淺薄且分布不連續(xù)的土壤、復雜的地貌類型以及高異質性景觀與流域徑流和產沙密切相關。但是，上述影響因素耦合疊加在一起，導致采用傳統(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系時會夸大或掩蓋某些因子的作用，因此解析降雨、巖性、土壤、地貌和植被對喀斯特流域徑流和泥沙的相對重要性仍是難點。中國科學院亞熱帶農業(yè)生態(tài)研究所環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站研究團隊為解決上述問題，選取西南地區(qū)40個典型喀斯特流域，獲取了2009年至2012年徑流和輸沙量數據，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，采用皮爾遜相關和隨機森林篩選影響徑流和產沙的主導因素，并利用偏最小二乘-結構方程模型（PLS-SEM）解耦徑流和產沙與其潛在影響因素之間的復雜關系。結果表明，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，其中僅有降雨對徑流有顯著影響（P<0.01，路徑系數(β)=0.589）；氣候、巖性、土壤、地貌和植被可解釋產沙變異的59%，其中植被對不同喀斯特流域產沙量的影響最大（P<0.01，β=-0.458），而降雨對不同喀斯特流域產沙量沒有顯著影響。本研究通過解耦降雨、巖性、土壤、地貌和植被對不同喀斯特流域產流產沙的影響，研究結果對于深入理解喀斯特區(qū)侵蝕產沙機理和水土保持措施的優(yōu)化配置具有重要意義。該項研究近期以Quantitatively distinguishing the factors driving runoff and sediment yield variations in karst watersheds發(fā)表在水文學領域一區(qū)期刊Water Resources Research上。該研究得到了湖南省杰出青年基金、中國科學院青年創(chuàng)新促進會、國家自然科學基金和湖湘青年英才等項目的共同資助。論文鏈接不同喀斯特流域徑流和產沙影響因素解耦
    2024-08-23
  • 華南植物園在安第斯皇后鳳梨保護基因組學研究獲新進展
    ????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。該物種具有獨特的生活史性狀，壽命長達40—100年，且一生只開一次花，開花后便迅速死亡。隨著下一代測序技術（Next-Generation Sequencing）的發(fā)展，保護基因組學在物種保護中正發(fā)揮著越來越重要的作用。然而，針對長命單次繁殖植物的保護基因組學研究仍相對匱乏，影響了對這一類植物的保護。????中國科學院華南植物園植物科學研究中心劉露等科研人員利用重測序（Resequencing）技術對來自秘魯的9個群體，共計200個安第斯皇后鳳梨?zhèn)€體進行了研究。研究利用全基因組數據分析群體的遺傳多樣性，利用溯祖法推斷群體動態(tài)歷史，并將結果與長命多次繁殖植物Puya macrura Mez進行了比較。????研究結果發(fā)現，安第斯皇后鳳梨的9個群體間高度分化（圖2），群體內具有較低的遺傳多樣性和較高的遺傳負荷。盡管各個群體內部缺乏遺傳變異，但平衡選擇在維持部分位點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均在更新世受到強瓶頸作用的影響，隨后，P. macrura的群體規(guī)模逐漸恢復，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險，這一發(fā)現強調了在未來物種保護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)表在國際學術期刊New Phytologist（《新植物學家》）上。華南植物園博士后劉露為論文的第一作者，葛學軍研究員和烏普薩拉大學的Martin Lascoux教授為共同通訊作者。該研究得到中國科學院“一帶一路”計劃、廣東省應用植物學重點實驗室及國家留學基金委的資助。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個群體的遺傳結構圖3. 基于FASTSIMCOAL2和PSMC推斷安第斯皇后鳳梨和Puya macrura的群體動態(tài)歷史。
    2024-08-21
  • 深圳先進院翟冰課題組等發(fā)現真菌異質性耐藥導致突破性血流感染（Nature Medicine）
    接收器官移植的患者長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的各種重癥感染，需要通過持續(xù)使用抗細菌、抗真菌等藥物來預防感染發(fā)生。但即便有藥物保護，臨床上也時常觀察到患者在用藥期間發(fā)生突破性感染，且引發(fā)感染的微生物對所用藥物并未呈現經典的抗藥性（antimicrobial resistance）。目前由于對這類感染的發(fā)生機制尚不明確，難以快速找到有效的用藥方案，導致一旦發(fā)生此類情況，患者面臨很高的死亡率。因此，亟需通過高質量的臨床數據和實驗數據解析其病因，開發(fā)新型檢測手段，以應對這一棘手的醫(yī)療難題。8月2日，中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所翟冰課題組，聯合紀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，在導致突破性真菌血流感染的近平滑念珠菌（Candida parapsilosis）臨床菌株中，很多菌株對抗真菌藥物米卡芬凈存在一種有別于經典耐藥的表型——異質性耐藥（heteroresistance），腸道定植有異質性耐藥菌株的患者發(fā)生突破性血流感染的風險顯著高于僅有敏感菌株定植的患者。翟冰課題組聯合中國真菌病監(jiān)測網（CHIF-NET）和北美、歐洲的多個課題組，發(fā)現這一具有重要臨床意義的特殊藥敏表型在各國菌株中普遍存在。由于現有臨床藥敏檢測手段將異質性耐藥菌株全部鑒定為敏感菌株，會誤導抗真菌藥物的選擇。該研究運用機器學習模型算法，通過不超過10個基因組特征（genomic features）可對異質性耐藥表型做出較準確的預測。該研究明確了異質性耐藥的臨床重要性，并為開發(fā)有效快速藥敏檢測提供了新的策略。抗微生物耐藥性（antimicrobial resistance）導致每年全球超過一百萬人死亡，是嚴重的公共衛(wèi)生挑戰(zhàn)。異質性耐藥有別于經典耐藥表型，描述同一菌株內少數耐藥細胞（有時比例僅百萬分之一甚至更低）與大多數敏感細胞共存的現象，在較高藥物濃度下，絕大部分敏感細胞會被殺死，而耐藥細胞還能存活并繼續(xù)增殖。由于耐藥細胞頻率低，異質性耐藥表型不能通過常規(guī)臨床藥敏檢測方法鑒定。重癥感染的實際治療過程常常會同時使用多種抗生素，因此無法直接將臨床結局和單一藥物的藥敏表型聯系起來，進而明確異質性耐藥在真實世界的重要性。相比之下，免疫缺陷患者的預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。異質性耐藥菌株的耐藥細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年間在紀念斯隆凱特琳癌癥中心（MSKCC）接受造血干細胞移植的952名患者中發(fā)生的突破性真菌血流感染病例，發(fā)現其中近半數由近平滑念珠菌（Candida parapsilosis）造成。這些病人移植期間均使用米卡芬凈（一種棘白菌素類藥物，靶向真菌細胞壁合成）預防真菌感染。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，研究者對這些菌株進行了更精確的菌落譜型分析（Population Analysis Profiling，PAP），發(fā)現其中多數對米卡芬凈發(fā)生了異質性耐藥。MSKCC突破性真菌血流感染病例多由異質性耐藥菌株（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列發(fā)現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)，但移植期間出現腸道近平滑念珠菌定植的患者僅有部分會發(fā)生真菌感染 (Nature Microbiology?2021)。在本研究中作者通過綜合分析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)現在29名移植期間出現近平滑念珠菌腸道定植的患者中，定植有異質性耐藥菌株的患者發(fā)生突破性血流感染的風險顯著高于僅有敏感菌株腸道定植的患者。異質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險為了探索臨床菌株中出現米卡芬凈異質性耐藥的普遍性，作者檢測了來自美國、中國、法國、德國不同醫(yī)療機構的共219株近平滑念珠菌對米卡芬凈的藥敏表型，并對所有菌株都進行了深度全基因組測序。結果顯示，各國的臨床菌株中均發(fā)現了對米卡芬凈異質性耐藥的菌株，預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藥物預防/治療真菌感染的效力。異質性耐藥表型在不同國家來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）并分析其與異質性耐藥表型的相關性，本文共同第一作者廖辰博士開發(fā)了基于開放閱讀框（ORF）完整性和拷貝數的雙參數拷貝數變異（CNV）表征法。通過整合219株臨床菌株的藥敏表型與SNV/CNV信息，作者構建了一個基于不超過10個基因組特征預測異質性耐藥表型的機器學習模型算法，并進行了概念驗證，為未來開發(fā)可應用于臨床的異質性耐藥快速檢測法提供了基礎。通過機器學習策略開發(fā)異質性耐藥檢測方法翟冰研究員和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、深圳先進技術研究院唐媛媛博士為共同第一作者。本工作獲得了國家科技部重點研發(fā)計劃的經費支持。<!--!doctype-->
    2024-08-07
  • 深圳先進院發(fā)現生成式AI賦能腦網絡構建新范式（IEEE TPAMI )
    8月18日，中國科學院深圳先進技術研究院數字所王書強課題組在人工智能權威期刊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。首次實現了基于生成式AI優(yōu)化模型的End-to-End腦網絡構建。相較于傳統(tǒng)的腦影像分析，作為大腦機理探索和腦疾病研究重要工具的腦網絡計算，則側重于不同腦區(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整體系統(tǒng)的運作機制，有助于從整體角度理解大腦信息處理的方式。此外，腦網絡計算能捕捉神經活動中的非線性異常特征，分析潛在的神經機制變化，為開發(fā)基于調控大腦網絡的創(chuàng)新性治療手段提供理論依據。8月18日，中國科學院深圳先進技術研究院數字所王書強課題組在人工智能權威期刊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。首次實現了基于生成式AI優(yōu)化模型的End-to-End腦網絡構建。論文發(fā)表截圖生成式AI通過從數據中自動學習提取隱藏的模式和規(guī)律，在模擬復雜自然過程、分析和預測科學數據等方面表現出巨大潛力。相較于傳統(tǒng)方法，生成式AI在學習復雜腦網絡結構和連接模式特征方面具有顯著優(yōu)勢，它能從腦網絡異常特征中挖掘潛在的神經生理病理機制，為神經系統(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，腦網絡計算在探索大腦機理和腦疾病分析具有顯著優(yōu)勢。然而，現有的腦網絡構建方法面臨著效率低、一致性差、高度經驗依賴等問題。針對上述問題，研究團隊提出了一種基于擴散-圖對比學習模型(DGCL)的腦網絡構建新范式。具體而言，研究團隊首先通過設計的大腦區(qū)域感知模塊(BRAM)的擴散學習過程，實現個性化腦區(qū)的精準定位，避免了主觀參數選擇，并自動化對齊標準腦模板空間。然后利用圖對比學習思想，通過稀疏化冗余連接，實現個體化大腦連接優(yōu)化，從而增強同一組內大腦網絡的一致性。最終通過設計節(jié)點-圖對比損失和分類損失的聯合約束機制，實現重建腦網絡優(yōu)化。DGCL模型圖為了驗證所提出的DGCL模型在腦網絡構建和腦疾病分析任務上的通用性和泛化性，研究團隊分別在面向阿爾茨海默?。ˋD）的ADNI數據集和面向自閉癥障礙（ASD）的ABIDE數據集進行了大量消融實驗和對比實驗。實驗結果表明，相較于現有腦網絡構建工具，DGCL在腦網絡構建效率、可靠性（ICC），以及腦疾病預測精度等方面具有顯著優(yōu)勢。通過對AD和ASD不同階段腦網絡連接模式分析發(fā)現：兩種模式的腦網絡連通性在疾病早期都呈上升趨勢，然后在疾病中期-晚期階段時減少到較低水平。這一發(fā)現與腦科學研究中的神經連接代償機制一致。不同腦疾病階段的腦網絡連接模式王書強課題組長期專注于基于生成式AI的腦影像-腦網絡計算領域的研究，在腦影像增強、跨模態(tài)生成、腦網絡構建和腦疾病智能輔助診斷等方面取得一系列成果，相關工作發(fā)表在IEEE Transactions on Medical Imaging、IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems、IEEE Transactions on Computational Imaging等權威期刊上，其中5篇入選ESI高被引論文。王書強課題組近年來在“基于生成式AI的腦影像-腦網絡計算”方向的代表性工作王書強研究員為該文章的通訊作者，數字所研究生宗永承為第一作者。該文章獲得國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金等科技項目支持。<!--!doctype-->
    2024-08-20
  • 全介質超表面近場增強新突破--非局域準束縛態(tài)提升生物傳感性能（Advanced Optical Materials）
    近日，李光元和劉運輝研究團隊在全介電超表面的研究中取得重要進展。這項研究開發(fā)了一種通過全介電超表面實現均勻且顯著的近場增強新方法，為高靈敏度的光學生物傳感應用提供新的解決方案。長期以來，光學傳感技術在生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)測等領域的應用中面臨著靈敏度不足的挑戰(zhàn)?，F有的包括等離激元共振（SPR）在內的多種技術在提升傳感性能方面取得了一定進展，但仍存在諸多限制，如容易產生熱、靈敏度不夠高等問題。近日，中國科學院深圳先進技術研究院李光元和劉運輝研究團隊在全介電超表面的研究中取得重要進展。該團隊的研究成果以“Homogeneous and Significant Near-Field Enhancement in All-Dielectric Metasurfaces”為題發(fā)表在光學材料領域權威期刊《先進光學材料》（Advanced Optical Materials）上，并入選了雜志當期內封面論文（Inside Front Cover）。這項研究開發(fā)了一種通過全介電超表面實現均勻且顯著的近場增強新方法，為高靈敏度的光學生物傳感應用提供新的解決方案。文章上線截圖全介電超表面憑借其高品質因數（Q因數）、大近場增強能力和不易產生熱，成為了光學傳感應用中的一個新平臺。然而，傳統(tǒng)的全介電超表面在增強近場時，往往將光場束縛于介電納米結構內部，而非外部的待傳感區(qū)域，從而嚴重限制了體折射率靈敏度和生物傳感性能。本研究通過設計一種由兩個相對位移的晶格復用形成的硅基超表面，利用兩個表面晶格共振模式之間的干涉相消實現了非局域準束縛態(tài)（nonlocal q-BICs），在硅納米柱外的大體積區(qū)域內產生了均勻且顯著的近場增強。實驗結果表明，該方法在折射率傳感應用中實現了407 nm/RIU的高體折射率傳感靈敏度，并在早期乳腺癌篩查中對蛋白質生物標志物的檢出限達到了20 pg/mL，比目前的技術水平提高了35倍。新方法在ERBB2的檢測限度達到了20 pg/mL，比現有技術提高了35倍通過利用表面晶格共振之間干涉相消形成的非局域性q-BIC，這項研究成功地克服了傳統(tǒng)的高Q值表面晶格共振對均勻介電環(huán)境的苛刻要求，從而大幅提升了在非均勻介電環(huán)境下超表面的Q因數和近場增強能力。這種設計不僅在理論上達到了478 nm/RIU的折射率靈敏度，在實驗中也實現了407 nm/RIU的高靈敏度，遠遠超越了絕大多數全介電超表面的q-BICs。兩個相對位移的晶格雜化形成的硅基超表面，實現非局域準束縛態(tài)（q-BICs），在硅納米柱外部區(qū)域內產生均勻且顯著的近場增強該研究的成功為大體積區(qū)域內實現顯著的光-物質相互作用提供了新機遇，具有廣泛的應用潛力，不僅局限于生化傳感，還可能擴展到包括熒光增強在內的其他領域。非局域q-BICs的這一突破性進展將推動高性能光學芯片傳感技術的發(fā)展，并為下一代光傳感芯片的設計提供重要參考。李光元副研究員和劉運輝副研究員為本文的共同通訊作者。這項研究獲得了國家自然科學基金、深圳市醫(yī)學研究專項資金、深圳市基礎研究重點項目等項目的支持。原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adom.202400425<!--!doctype-->
    2024-08-12