科研进展--中国科学院广州分院

近日，中国科学院深圳先进技术研究院微创中心高兴副研究员团队与运城学院杜阳阳博士在亚厘米级管道/腔道机器人取得重要进展。团队基于介电弹性体（DEA）开发的电活性球囊外廓仅8mm，结合鞭毛驱动原理创新设计了一款可自适应管道内径变化的变直径纯软体胶囊机器人。初代样机验证了其整体柔顺性可适应S形、小曲率大转角管路特征，同时实现了1.33倍变直径入路（12~16mm），满足Murray's law预测的树状管路分岔口的1.26倍直径变化，在管路内典型的环形台阶障碍也可轻松通过。相关成果以A Single Chamber Minibot With Elastic Hinges for Adapting Various Diameter Pipelines为题，发表在IEEE/ASME TRANSACTIONS ON MECHATRONICS。论文第一作者为运城学院杜阳阳博士，通讯作者为中国科学院深圳先进技术研究院高兴副研究员。传统电机驱动的管道内爬行机器人解决了大直径管道内巡检需求，但无法满足小直径管道（≤20mm）。以气动或智能材料驱动器为驱动单元是实现管道内爬行机器人微小型化的关键，但面临高效率（爬行速度）、长距离与大变径比（最大适应管径与最小适应管径之比）无法兼得的问题。例如，气动机器人可以实现大变径比，但由于气体/管壁摩擦阻尼，远距离响应迟滞严重。DEA驱动的爬行机器人虽然可以实现1BL/s以上的爬行速度，但变径比仅有1.1，限制了障碍通过能力。团队提出了一种DEA与气动单元结合的高爬行速度、大变径比且能长距离爬行的亚厘米级管道/腔道机器人。它主体由中心内嵌的卷制型DEA、可变形充气外胆以及24个弹性铰链鬓毛组成（图2）。主要亮点如下：1) 主动调节外廓：利用气压控制外胆凸起变形，实现柔性铰链鬓毛倾角的主动变形，实现大变径比1.33（图3）。2）低管径敏感性：柔性铰链鬓毛旋转变形替代传统鬓毛的弯曲变形，降低了鬓毛与管壁之间的法向约束力及相应的正向运动摩擦力。3）高过障碍能力：利用轴向分布多组鬓毛保持良好的摩擦力各向异性，使机器人可以通过0.6mm的环形台阶。4）高频共振驱动：利用卷制型DEA的高频轴向共振变形（~430Hz），爬行速度最快可达3BL/s，同时规避了气动驱动的迟滞效应（图6）。5）高适用性：在没有优化鬓毛材质的情况下，机器人有效行程可达4m以上，且能通过金属管道以及复杂弯曲管道（图7）。论文链接：https://doi.org/10.1109/TMECH.2025.3587461.图1 机器人初代样机图2 机器人结构图3 主动调节鬓毛角度原理图4 柔性铰链鬓毛与传统弯曲鬓毛的对比图5 机器人通过环形台阶图6 机器人在DEA共振驱动下的爬行速度图7 机器人在弯曲及变内径管道中的爬行

2025-09-02

深圳先进院∣钙钛矿基多结太阳能电池（Nature Reviews Clean Technology）

近日，中国科学院深圳先进技术研究院碳中和技术研究所王在伟研究员与新加坡国立大学侯毅教授合作在国际权威期刊Nature Reviews Clean Technology发表了题为 “Perovskite-based multi-junction solar cells”的综述性论文[]，系统总结了钙钛矿基多结太阳能电池的最新研究进展与未来发展方向。这一成果为推动新一代高效、低成本光伏技术提供了重要的理论依据和发展蓝图。近日，中国科学院深圳先进技术研究院碳中和技术研究所王在伟研究员与新加坡国立大学侯毅教授合作在国际权威期刊Nature Reviews Clean Technology发表了题为 “Perovskite-based multi-junction solar cells”的综述性论文[]，系统总结了钙钛矿基多结太阳能电池的最新研究进展与未来发展方向。这一成果为推动新一代高效、低成本光伏技术提供了重要的理论依据和发展蓝图。研究背景光伏发电作为实现碳中和的重要能源技术，近年来发展迅速。然而，目前商用的硅基或钙钛矿单结电池效率已接近单结理论极限，进一步提升空间有限。多结太阳能电池通过层叠具有互补带隙的光吸收材料，可更高效地利用太阳光谱，被认为是突破效率瓶颈的关键路径。钙钛矿材料因其带隙可调、制备成本低、工艺灵活等优势，被广泛应用于与硅或其他半导体叠层的多结光伏器件中。但与此同时，该领域仍面临诸多挑战，例如超宽带隙钙钛矿在光照下易发生相分离，中间层材料电流输出不足，以及层间工艺兼容性差等问题，这些因素制约了器件的进一步发展和规模化应用。研究亮点与主要结论该综述全面梳理了近年来钙钛矿-钙钛矿-硅三结太阳能电池的研究进展，并从材料设计、器件结构和应用潜力三个层面提出了深入分析与展望。顶层电池优化：超宽带隙钙钛矿是实现三结器件的关键，但其相分离问题严重。研究表明，通过离子掺杂（如Rb⁺、Cl⁻）或化学组分工程，可有效改善结晶性，抑制卤素离子迁移，从而提升开路电压和稳定性。中间层材料突破：理想的中间层带隙应在1.40–1.50 eV之间。Pb–Sn混合钙钛矿以及纯相FAPbI₃等材料表现出良好的潜力，部分研究已实现接近理论值的电流匹配，推动了整体效率的提升。硅底电池升级：作为光伏产业的主力，硅电池为叠层提供了坚实的基底。最新的TOPCon、硅异质结（SHJ）等技术与钙钛矿叠层结合，展现出更高的转换效率和良好的稳定性。互连层设计：合理的互连层不仅要高透明度、低电阻，还需避免对下层造成损伤。通过优化透明导电氧化物（ITO、IZO）或超薄金属层，能够实现更高效的电荷输运并减少寄生吸收。模拟结果显示，钙钛矿-钙钛矿-硅三结电池的理论效率可达44.3%，比双结电池的理论极限（39.5%）高出约5个百分点。在实际气候条件下，该类三结器件的发电量比单结电池提升33–46%，比双结电池高约8%，展现出巨大的应用潜力。应用前景与意义钙钛矿基多结太阳能电池凭借其优异的光电性能和低成本优势，被视为最有希望与传统硅光伏结合的下一代高效器件。本研究不仅全面总结了当前研究中的关键科学问题，也明确指出了未来的发展方向：降低开路电压损失：通过界面工程和能级匹配减少非辐射复合；开发理想中间层材料：寻找稳定的窄带隙钙钛矿以提升电流输出；提升器件稳定性：通过材料组分调控和封装技术增强长期运行寿命；推进规模化制备：探索低成本、兼容性强的大面积沉积工艺。该综述的发表，不仅为科研人员提供了系统性的研究框架和问题导向，也为产业界探索低成本、高效率的下一代光伏器件提供了技术路线图。未来，钙钛矿多结太阳能电池有望在大规模清洁能源生产中发挥核心作用，助力“双碳”目标的实现。论文上线截图，DOI: 10.1038/s44359-025-00103-8钙钛矿-硅多结太阳能电池的演变及工作原理基于钙钛矿的多结太阳能电池的能量产出评估

2025-09-19

Nature再+1！深圳先进院联合开发新型SAM分子策略解决反式钙钛矿太阳能电池稳定性难题

9月17日，中国科学院深圳先进技术研究院先进材料科学与工程研究所光子信息与能源材料研究中心杨春雷研究员和张杰副研究员团队，联合香港岭南大学、吉林大学、香港城市大学的研究团队，合作在Nature上发表最新研究成果。空穴选择性自组装单分子层（SAM）在推动反式钙钛矿太阳能电池认证光电转换效率（PCE）达到27%以上发挥了关键作用。然而，它们的不稳定性往往会损害器件的运行性能，严重阻碍其实际应用。针对这一挑战，9月17日，中国科学院深圳先进技术研究院先进材料科学与工程研究所光子信息与能源材料研究中心杨春雷研究员和张杰副研究员团队，联合香港岭南大学、吉林大学、香港城市大学的研究团队，合作在Nature上发表最新研究成果。合作团队开发出了一种普适性的SAM分子原位交联构象强化策略，解决了SAM在高效率钙钛矿基光伏技术中的稳定性难题，对促进反式钙钛矿光伏技术和下一代钙钛矿基叠层光伏技术的商业化应用具有重要意义。该研究中，研究团队设计引入了一种优化了碳链长度的含叠氮基团新型SAM分子JJ24，能够增强主体SAM分子CbzNaph在透明导电氧化物衬底表面的分布均一性，并抑制自组装过程中缺陷和空隙的形成。JJ24分子的含叠氮基团可以通过热激活方式，与CbzNaph分子的烷基链原位共价交联，构成紧密组装的co-SAM层（图1）。这一结构显著增强了CbzNaph的择优取向性（图2），并通过强化CbzNaph分子烷基链连接体刚性，抑制在光照和热应力下因分子摆动而引起的透明导电氧化物衬底表面暴露，防止了钙钛矿层埋底界面分解，并抑制器件界面处的非辐射复合损失（图3）。基于该方法制备的反式钙钛矿太阳能电池同时实现了26.9%的认证效率，且连续工作1,000小时后，效率零衰减（基于ISOS-L-2测试标准），并在–40°C至85°C之间经过700次重复热循环后，仍能保持>98%的初始PCE，代表了该领域的顶尖水平（图4）。该研究提出了一种普适性的SAM分子原位交联构象强化策略，改善了SAM分子的衬底覆盖度和构象稳定性，解决了高效率反式钙钛矿太阳能电池埋底界面退化引发的工况稳定性难题，同时也为其他采用高粗糙度基底的高效率SAM基器件的工况稳定性提供了解决方案，对钙钛矿基光伏技术在光伏电站、光伏建筑一体化、新能源汽车光伏充电、低空飞行器光伏动力能源和分布式光伏等方面的商业化应用具有重要意义。香港城市大学姜文林博士和曲歌平博士为共同第一作者。通讯作者为香港城市大学任广禹教授、中国科学院深圳先进技术研究院张杰副研究员、吉林大学蒋青教授、香港岭南大学吴圣钒教授。在中国科学院深圳先进技术研究院的研究工作得到了国家自然科学基金的资助。文章上线截图，原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09509-7图1. CbzNaph和JJ24的分子设计与交联机制，及其PiFM实验验证。图2. CbzNaph分子和JJ24分子的分子动力学模拟。图3. CbzNaph和JJ24分子交联对钙钛矿层埋底界面分解机制的研究。图4. 应用CbzNaph:JJ24交联空穴选择层的反式钙钛矿太阳能电池效率及稳定性测试。

2025-09-19

深圳先进院 | 破解细菌信号“解码”新机制开辟定量合成生物学全新设计维度(Nature Physics)

9月15日，中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室金帆团队联合中国科学院成都文献情报中心杨帅团队在国际期刊《自然物理》发表最新研究成果，首次破解了细菌频率调制（FM）信号处理的物理密码。研究发现，在三基因调控系统中，频率调制可比传统振幅调制提升约2个比特的信息熵，从而实现对多基因系统的精确协调控制。9月15日，中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室金帆团队联合中国科学院成都文献情报中心杨帅团队在国际期刊《自然物理》发表最新研究成果，首次破解了细菌频率调制（FM）信号处理的物理密码。研究发现，在三基因调控系统中，频率调制可比传统振幅调制提升约2个比特的信息熵，从而实现对多基因系统的精确协调控制。这是定量合成生物学全国重点实验室继今年3月揭示细菌信号“编码”规律后，在“解码”机制研究方面取得的又一重要突破。研究显著提升了人工生命系统的理性设计能力，为合成生物学开辟了全新的设计维度。打破传统策略工程化破解频率解码机制当前，合成生物学面临一项核心挑战：如何仿效自然界实现多个基因的精确协调控制？现有调控方法大多基于“振幅调制”，即调节信号强度来操控基因表达。然而，自然界中普遍存在的振荡现象——从细胞内的钙离子振荡到转录因子的脉冲动态——表明“频率调制”可能是一种更加高效的信息编码方式。“就像收音机可以通过调频（FM）获得比调幅（AM）更清晰的信号一样，细菌也可能利用频率调制来实现更精细的基因调控。”论文通讯作者金帆表示，“但细菌究竟是如何‘解码’这些频率信号的，一直是领域内未解的难题。”研究团队采用合成生物学工程化手段，通过基因编辑技术在铜绿假单胞菌中重构了简化的细菌信号分子环磷酸腺苷（cAMP）信号传递通路，并巧妙利用光控合成系统替代内源性cAMP合成机制，用组成型启动子替代天然的反馈调节系统，成功构建出可精确控制和定量监测的“频率解码cAMP电路”（FDCC）。“这就像是为细菌安装了一个可编程的‘信号接收器’。”论文共同通讯作者杨帅解释道，“我们可以精确控制输入什么样的频率信号，然后观察细菌是如何‘理解’和‘响应’这些信号的。”通过严格的时间尺度分析，研究团队发现FDCC系统天然呈现三个功能明确的模块：“波形转换器”负责将周期性光刺激转化为cAMP的锯齿波浓度变化；“阈值滤波器”借助分子间的协同结合，实现对不同频率信号的选择性过滤；“积分器”则将动态频率信息转化为稳态的蛋白表达水平。该分层架构的精妙设计，在于每一模块均在自己的“最佳工作频率”区间运行，三者协同运作实现了从频率到振幅的完美转换。大设施赋能频率调制实现信息熵跃升研究团队构建了从微观分子反应到宏观系统行为的多层次理论框架。数学分析发现，关键的无量纲参数如同“频率开关”，控制着系统优先传递高频或低频信号。值得注意的是，该理论预测与实验数据相关性达99.2%，这一精度在复杂生物系统的研究中尤为难得。依托深圳合成生物研究重大科技设施的自动化实验平台，研究团队首次以精准的定量数据，揭示了频率调制的显著优势。自动化实验平台集成可编程光信号控制、细菌培养摇动、自动化溶液处理和荧光测量四个核心功能模块，能够并行处理大量实验样本，并对每个独立样本进行不同参数的光调控。在超过12小时的长时间实验中，该平台表现出优异的稳定性和重现性，96个平行样本的检测指标波动极小，高通量、自动化的实验能力为系统性验证提供了关键保障。通过对大量数据的系统分析，团队发现频率调制可极大提升细菌的信息处理能力。“这意味着通过频率调制，细菌的信息处理能力从‘单车道’变成了‘多车道’，能够精确控制更多基因的表达，最终实现更复杂、更精细的生物功能。”金帆解释道。“频率调制以更简洁的遗传结构，为合成生物学带来了更精准、更复杂的调控新维度，将显著提升代谢工程中多通路协调优化与细胞治疗中响应性设计的能力。”据团队介绍，定量合成生物学全国重点实验室聚焦世界科技前沿，围绕生命功能涌现性原理，建立起定量合成生物学底层理论框架。目前，团队依托深圳合成生物研究重大科技基础设施系统构建了“定量解析-理性设计-自动构建”全链条创新体系。该设施实现了从菌株设计、构建、测试到学习的工程化闭环，显著提升了合成生物底盘菌株的研发与筛选效率。文章上线截图原文链接：https://www.nature.com/articles/s41567-025-03030-4

2025-09-17

深圳先进院 | 发明动态“神经蠕虫”功能纤维电极（Nature）

9月17日，由中国科学院深圳先进技术研究院刘志远、韩飞团队联合徐天添团队，以及东华大学严威团队，历经5年多协同攻关的研究成果在《自然》发表。研究团队成功研发出了如头发丝般纤细、柔软可拉伸、可自由驱动的神经纤维电极——NeuroWorm（神经蠕虫）。该研究首次提出了脑机接口“动态电极”的新范式，打破了植入式电极的“静态”传统，为脑机接口电极的研究与应用开辟了新方向。在脑机接口等神经接口系统中，电极是连接电子设备和生物神经系统的核心界面传感器，是脑机接口中“接口”的核心所在。然而，当前植入式电极均是“静态”的，植入后只能“固定位置、局限采集”，还在免疫反应中“被动挨打”乃至传导失效，严重制约了脑机接口的应用和未来发展。9月17日，由中国科学院深圳先进技术研究院刘志远、韩飞团队联合徐天添团队，以及东华大学严威团队，历经5年多协同攻关的研究成果在《自然》发表。研究团队成功研发出了如头发丝般纤细、柔软可拉伸、可自由驱动的神经纤维电极——NeuroWorm（神经蠕虫）。该研究首次提出了脑机接口“动态电极”的新范式，打破了植入式电极的“静态”传统，为脑机接口电极的研究与应用开辟了新方向。该研究中，深圳先进院刘志远研究员、徐天添研究员、韩飞副研究员，东华大学教授严威是论文共同通讯作者。厦门大学助理教授谢瑞杰（原刘志远团队博士后），深圳先进院副研究员韩飞、研究助理余潜衡远、李冬（徐天添团队在读博士生）为该论文共同第一作者。深圳先进院为该研究第一单位，研究工作得到郑海荣院士、朱美芳院士、李光林研究员的帮助与支持。打破传统框架，植入式脑机接口电极开启“游走”模式脑机接口分为非植入式、半植入式与全植入式，全植入式脑机接口技术因电极直接与神经元“对话”，可实现其他方式无法企及的监测精度与更丰富的功能。然而，传统植入式电极植入后不仅无法动态调整植入位置，也无法对周边环境做出响应性调整。在2020年11月一次例会上，刘志远和课题组成员讨论道：“从临床需求来看，如果我们能开发出一种非常细、非常软、又能运动的多通道纤维电极，或许能解决当前电极领域的不足。”但想要得到这种电极并非易事，不仅要克服多个技术难点，还需要不同领域的工程技术人才。那时，徐天添团队长期专注于磁驱动微型机器人研究，在磁性材料制备及微纳机器人精确操控方面积累了丰富经验。对于传统柔性电极的“静态”特性以及其所导致的问题，刘志远在和徐天添探讨之后，两个课题组一拍即合，决定共同探索如何在柔性电极中引入微小磁性组件，并利用外部磁场实现电极植入后仍具备可调节、可运动的“动态”特性。在该研究中，研究团队首先要解决的难题，便是如何在一根直径约为200微米的纤维上，布局数十个独立的电极通道，这相当于在一根头发丝上拆分雕刻出数十根长度一致、彼此不能交叉的细线，还要保证这根纤维足够柔软且可拉伸。团队成员谢瑞杰此前制备出了厚度仅为数百纳米厚的超薄薄膜电极，在此基础上，他想到如果将薄膜“卷起来”，就能变成微米尺度的纤维。通过超薄柔性薄膜的制备、导电图案设计、软硬接口设计和制造等多个精细步骤，经过五年攻关，研究团队在郑海荣院士、李光林研究员的帮助下，终于制备出拥有沿着纤维长度方向独立分布的多达60个通道的、直径仅有196微米的柔软可拉伸纤维电极。为了让制备的电极“动起来”，团队在电极的一端增加了微小的磁头，通过结合高精度磁控系统和即时影像追踪技术，使电极能够在体内自主调控前进方向，并能稳定记录高质量的生物电信号。这样的“动态电极”可以在兔子颅内“游走”，根据需要主动更换监测目标，研究团队给它命名为NeuroWorm——神经蠕虫。不仅在大脑里“游走”，也在外周肌肉上“动起来”NeuroWorm的诞生不仅为脑机接口开辟了新路径，它的应用还远不止于大脑。研究团队还首次实现了电极在肌肉内的长期植入与稳定工作。与大脑相比，外周肌肉在运动过程中会产生更大幅度的形变和拉伸，对电极的柔软性、耐久性和信号稳定性提出了更高要求。NeuroWorm凭借其微型化、可拉伸的结构优势，在肌肉内依然能紧密贴合组织，并保持高质量信号采集，为外骨骼控制、康复辅助以及日常环境中的人机协同提供了新可能。团队利用微创植入技术，成功实现了NeuroWorm电极在大鼠腿部肌肉内稳定工作超过43周。值得关注的是，电极植入13个月后，其周围形成的纤维包裹层厚度平均不足23微米，周围组织的细胞凋亡率与正常组织相当，展现了优异的长期生物相容性。相比之下，传统不锈钢丝电极在相同条件下包裹层厚度超过451微米，伴随显著的细胞凋亡反应。与此同时，在外部磁场的操控下，NeuroWorm可在肌肉上表面实现游走，可在植入后的一周内每天变换位置进行监测。“研究过程中，我们不仅要确保电极信号传输的稳定性、防水性，还要确保精准控制电极在实验动物体内运动。在很长的一段时间里，我们的大部分工作是不断地改进、调整、动物实验测试，最终得到符合要求的电极。”韩飞回忆。“这一成果标志着生物电子学领域的重要突破，使传统的被动固定式植入电极首次迈向可主动控制、智能响应、与生物组织协同运动的全新阶段，为神经系统功能的长期动态监测提供了全新的技术路径。”徐天添表示。多学科协同助推脑机接口发展近年来，随着人工智能、神经生物学、生物传感器与柔性电子等技术不断突破，脑机接口技术已不再依赖单一学科的驱动，更需要AI、材料科学、电子工程、神经科学等多学科的深度融合与协同合作。正是在这一背景下，深圳先进院通过整合院内多科学的力量，实现了“动态电极”的新范式突破，同时布局推进柔性生物界面电极的产业化发展。此前，刘志远团队基于柔软可拉伸导电材料的技术积累，率先实现了柔软可拉伸电极阵列的工程化量产，并通过了相关的二类医疗器械注检，应用在体表高密度肌电监测与刺激等场景中，尝试取代传统的硬质不可拉伸电极阵列，并已实现对包括欧洲客户在内的电生理公司供货。“尽管我们取得了一些应用突破，又新提出了‘神经蠕虫’的理念，但电极植入后仍面临免疫排异和长期稳定工作等挑战。如何实现电极与人体组织的更好融合，提高信号读取的精准度和稳定性，是未来的重要研究方向。”刘志远表示，未来植入式电极还需在驱动方式、速度控制、材料优化、功能集成、长期相容性等方面开展研究，需要全球科学家的共同努力。徐天添介绍，研究团队首次将磁控驱动技术运用在植入式电极中，也为磁控微纳机器人领域带来宝贵的经验和数据，有望应用于早期的植入式医疗设备中，为动态监测生理信号提供新的解决方案。据了解，该研究有望为纤维器件的制备提供新思路，也为脑科学研究、神经调控、脑机接口、人机协同等领域提供新的工具。未来，研究团队还将继续在动态柔性电极和“活性”主动响应型柔性电极领域进行深入研究，推动脑机接口技术的发展进程。论文上线截图，论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09344-w“NeuroWorm”的设计、制造策略和演示磁场控制下“NeuroWorm”对脑部与骨骼肌的动态监测NeuroWorm肌肉束内长期植入生物相容性验证率先取得医疗器械注检认证的柔性可拉伸电子皮肤图说：放大镜视野下的60通道神经纤维电极图说：共同通讯作者刘志远（右一）、徐天添（左一）、韩飞（右二），共同第一作者谢瑞杰（左三）、韩飞、余潜衡远（右三）、李冬（左二）

2025-09-18

华南植物园揭示氮沉降背景下不同菌根树种生物量碳固存响应差异

近几十年来，人为活动导致的大气氮沉降持续增加，深刻影响着森林生态系统的生产力和碳汇功能。氮素是限制森林初级生产力的关键元素之一。增加氮素输入可以刺激森林生产力及其生物量中的碳（C）固存，但这种影响的程度和全球重要性仍然还未得到系统评估。中国科学院华南植物园鼎湖山站博士后陈国茵、胡苑柳等科研人员，通过整合全球范围内的123项氮添加实验数据（涵盖71个树种，189组观测），深入探究了不同树种的生物量碳固存对氮添加的响应规律。同时，采用单位氮添加引起的树木生物量碳增益（CperN）这一指标，以更准确地量化氮沉降的碳汇效应，并利用全球菌根树木分布图估算了菌根类型调控下的全球树木碳固存潜力。研究发现：（1）纬度是调控树木生物量CperN的关键环境因子，CperN随纬度升高而增加，表明高纬度氮限制生态系统对氮添加的响应更敏感；（2）菌根类型是导致树木响应差异的最重要生物学因子，AM树木的CperN平均约为ECM树木的6倍（17.2 vs. 2.9 kg C kg N⁻¹），这源于两者截然不同的氮获取策略：ECM树木及其真菌能直接利用有机氮，策略保守；而AM树木更依赖无机氮，因此能从氮添加中获得更大生长收益。研究进一步估算表明，若忽略菌根类型的差异，全球尺度上氮沉降的树木碳固存总量将被高估12%（约9.8 Tg C yr⁻¹），在温带森林中甚至会被高估17%。这种高估主要源于ECM树种在温带森林中占主导地位但其CperN相对较低。研究强调，未来的全球生物地球化学模型必须充分考虑菌根类型的分布及其功能差异，才能更准确地预测氮沉降背景下森林碳汇的变化趋势。相关研究成果以“Tree-mycorrhizal types differ in their biomass response to nitrogen addition”为题近日在线发表在国际学术期刊Soil Biology and Biochemistry（《土壤生物学与生物化学》）（IF=10.2）上。中国科学院华南植物园鼎湖山站博士后陈国茵为论文第一作者，鼎湖山站博士后胡苑柳与广东省科学院广州地理所吴建平副研究员为共同第一作者，邓琦研究员为论文通讯作者。文章链接：https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2025.109967图1. 氮沉降对植物生物量CperN影响因子的重要性图2. 氮沉降下植物生物量CperN在同树种类型和生态系统的差异

2025-09-14

华南植物园揭示多倍体植物二型花柱调控机制

花部形态的多样性在被子植物进化中扮演着核心角色，也是物种分化的重要推动力量。异型花柱（Heterostyly）是一种由S位点超基因（S-locus supergene）控制的花型多态现象，早在19世纪就已受到达尔文等学者的广泛关注。异型花柱是指同一物种的群体中存在两种（二型花柱）或三种（三型花柱）雌雄蕊高度互补的个体，这种花部结构具有提高植物传粉精确度、降低雌雄干扰、促进异花传粉等重要生态功能。达尔文曾将其形象地称为“A most complex marriage arrangement” (Darwin 1864,Journal of the Proceedings of the Linnean Society)。全基因组复制（Whole Genome Duplication,WGD）或多倍化（polyploidization）是生物体的全部遗传信息发生一次或多次复制的过程，对被子植物繁育系统和形态演化具有重要影响。经典观点认为，多倍化常导致异型花柱向同型花柱转变，即“基因组加倍引发异型花柱的瓦解”。然而，以往对异型花柱分子调控机制的研究都局限于二倍体，对于多倍体植物异型花柱的发生和演化还存在诸多未解之谜。该研究首次完成了茜草科四倍体二型花柱植物——裂果金花（Schizomussaenda henryi）的染色体水平基因组组装与解析，揭示了其控制花柱异长的S位点超基因在多倍化后仍保持完整功能。基于全基因组测序、比较转录组、形态学、繁殖生物学等多种手段，获得了裂果金花高质量的染色体水平基因组，并鉴定到二型花柱相关的S-locus超基因只存在于短柱花型的个体，呈半合子（hemizygosity）结构；由包含SchzAUX22在内的四个紧密连锁的基因构成。其中，SchzAUX22 是重要的生长素响应因子，被鉴定为调控二型花柱发育的关键候选基因。系统学和k-mer分析表明，裂果金花的基因组可能起源于约360万年之前的异源多倍化事件。通过计算S-locus基因和其同源基因的同义替换率（Ks），发现S-locus的起源时间（约5000万年前）远早于裂果金花多倍化的发生时间。这些证据表明，尽管裂果金花存在由杂交导致的异源多倍化，S位点仍能保持完整并发挥功能；多倍化并不必然导致异型花柱的瓦解。这是首次从全基因组层面破译多倍体植物异型花柱的分子机制。该成果为深入理解被子植物花部多态性及繁育系统的进化提供了新的视角。在达尔文发表《同种植物的不同花型》（The different forms of flowers on plants of the same species）148年后，人类对植物交配机制的理解再次迎来突破。中国科学院华南植物园研究团队与山东理工大学罗中莱教授、加拿大多伦多大学著名进化生物学家Spencer C.H. Barrett教授等科研人员的合作研究成果，以“Genetic architecture of the S-locus supergene revealed in a tetraploid distylous species”为题近日发表在植物科学领域权威期刊New Phytologist（《新植物学家》）（生物学一区TOP，IF5year=10.3）上。中国科学院华南植物园张奠湘研究员、石苗苗助理研究员及山东理工大学罗中莱教授为共同通讯作者，罗中莱教授为第一作者，华南植物园为第一完成单位。研究得到了国家自然科学基金面上项目、广东省自然资源事务专项资金等资助。文章链接：https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.70521图. A. 裂果金花（Schizomussaenda henryi）长柱型花（L-morph）与短柱型花（S-morph）；B. 短柱型基因组Circos图；C. 半合子位点基因结构示意图；D. 裂果金花与近缘物种旁系同源基因的Ks分布分析。

2025-09-14

华南植物园揭示热带森林土壤碳汇机制：根系主导有机碳积累

中国科学院华南植物园恢复生态学团队联合美国、澳大利亚和西班牙等多国科研机构，在热带森林土壤碳汇机制研究中取得重要进展。研究团队选取热带地区同一演替序列下的典型森林类型（包括马尾松林、针阔混交林和季风常绿阔叶林），开展了为期两年的野外原位培养实验。通过结合内生长袋与同位素示踪技术，并调控内生长袋网孔尺寸，实现了对根系与外延菌丝在土壤碳输入中相对贡献的精确区分与量化。研究结果表明，根系对土壤有机碳的年均净贡献为1.2 mg C g⁻¹土壤，是外延菌丝（0.32 mg C g⁻¹土壤）的近4倍。根系不仅显著促进新碳的固定，还可抑制原有有机碳的分解，从而实现土壤碳的净积累。此外，根系输入主要促进颗粒有机碳（POC）的积累。研究还发现，不同演替阶段的热带森林其碳输入策略存在明显差异：演替早期以丛枝菌根植物为主，依靠快速周转的根系大量输入碳；中期转为以外生菌根真菌为主，菌丝寿命更长、碳输入更稳定；至演替晚期，则形成功能互补的稳定碳汇机制。该研究系统阐明了根系与菌丝在热带森林土壤碳汇中的相对作用，凸显了根系性状在碳固存中的核心地位。研究人员建议，在热带森林恢复与管理中，应优先选用具备高效碳输入能力的树种，并结合菌根共生策略，以提升土壤碳汇功能。该成果深化了对热带森林碳循环机制的理解，也为全球热带地区的生态恢复提供了科学依据。该研究首次系统揭示了植物根系在土壤有机碳积累中的主导作用，其贡献约为外延菌丝的4倍。相关研究成果已近日发表在国际生态学权威期刊Global Change Biology上，为热带森林碳汇管理提供了新视角。论文共同第一作者为中国科学院华南植物园鹤山站博士生陈晓琳与博士后牟之建，刘占锋研究员与王俊研究员为共同通讯作者。研究获得了广东省基础与应用基础研究旗舰项目和国家自然科学基金等资助。论文链接：https://doi.org/10.1111/gcb.70499图. 根系与外延菌丝影响土壤有机碳动态及净变化的概念图。描述了新SOC形成、原有SOC激发效应及其与SOC组分（如木质素、DOC和微生物来源碳）之间的关系。绿色箭头表示正向效应，灰色箭头表示负向效应。变化速率指有无根系或菌丝处理间浓度的相对差异。POC：颗粒有机碳；MAOC：矿物结合有机碳。

2025-09-14

华南植物园揭示酸雨背景下南亚热带不同菌根树种应对磷限制的适应策略

酸雨是全球重要的环境问题之一，尤其是我国南方，近年来持续的酸雨导致该区域部分森林土壤急剧酸化，养分和盐基离子逐渐耗竭，将威胁其生态系统结构和服务功能。华南植物园邓琦课题组在先前的研究中发现，长期酸雨导致的土壤酸化将加速铁、铝氧化物的活化及其对磷的吸附，从而降低土壤磷有效性（Hu et al.,2023, Science of the Total Environment）。尽管研究发现，植物能够通过调动菌根真菌促进有机磷矿化，从而缓解酸化导致的磷限制（Hu et al.,2022, Global Change Biology），但在酸雨加剧的背景下，我国南方常绿阔叶林树种的响应及其机制仍不明确。中国科学院华南植物园博士后胡苑柳等科研人员，研究基于鼎湖山季风常绿阔叶林长期模拟野外酸沉降实验，进一步探究林内与丛枝菌根或外生菌根共生的主要树种对酸雨加剧导致的磷限制的适应及机制。研究发现：（1）酸雨处理并未改变外生菌根树种根际土壤有效磷含量，反而导致不稳定磷的显著增加以及闭蓄态磷的下降，这些变化与根际土壤磷酸二酯酶活性及其编码基因相对丰度的增加相关。（2）酸雨处理显著降低丛枝菌根树种根际土壤有效磷及其叶片磷含量，但同时该树种在叶片磷组分中表现出更大的可塑性，即结构态磷组分显著下降而代谢态磷组分增加。这些结果表明，为应对长期酸雨引起的磷限制，外生菌根树种可能倾向于增强磷活化的营养策略，而丛枝菌根树种则更倾向于采取提高叶面磷利用率的保守策略。研究成果以“Tropical tree-mycorrhizal types show divergent phosphorus adaptive strategies after 12-year simulated acid rain”为题近日在线发表在国际学术期刊Soil Biology and Biochemistry（《土壤生物学与生物化学》）（IF=10.2）上。中国科学院华南植物园鼎湖山站博士后胡苑柳为论文第一作者，邓琦研究员为通讯作者。文章链接：https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2025.109968图. 两种菌根树种在长期酸雨引起的磷限制下的不同适应策略

2025-09-14

南海海洋所研究团队揭示海洋热浪影响全球浮游植物的垂直分布

近日，中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境实验室（LTO）陈更新团队利用长达17年的全球 Biogeochemical-Argo（BGC-Argo）浮标观测数据，深入剖析了海洋热浪对全球浮游植物垂直分布结构的影响。近日，该研究成果以LTO博士研究生马雪莹为论文第一作者，陈更新研究员为通讯作者，发表在国际期刊Communications Earth & Environment上。近日，中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境实验室（LTO）陈更新团队利用长达17年的全球 Biogeochemical-Argo（BGC-Argo）浮标观测数据，深入剖析了海洋热浪对全球浮游植物垂直分布结构的影响。近日，该研究成果以LTO博士研究生马雪莹为论文第一作者，陈更新研究员为通讯作者，发表在国际期刊Communications Earth & Environment上。随着全球变暖的持续加剧，过去几十年来，海洋热浪的发生频率显著上升，持续时间也不断延长，给海洋生态系统带来了严重威胁。浮游植物作为海洋的初级生产者，支撑着整个海洋食物网，并在全球碳循环中发挥着关键作用，主要分布于海洋上层200米以内的水体。然而，既有研究多集中于浮游植物在近表层对海洋热浪的响应，难以反映其在水体内部的垂直结构变化。因此，关于海洋热浪如何影响浮游植物垂直分布的机制，我们仍缺乏系统性的理解。本研究结合BGC-Argo浮标的生物地球化学及物理参数的垂直剖面数据，首次在全球尺度上识别并总结了浮游植物对海洋热浪的四种典型垂向响应类型（图1）。这些垂直响应类型在时间和空间尺度上均表现出显著差异，具体可分为以下四类：（1）增强型：上层水体叶绿素 a 浓度显著上升，主要分布于高纬度海域；（2）减弱型：上层水体叶绿素 a 浓度明显下降，主要出现在热带与副热带海域；（3）次表层反转型-NP：表层叶绿素 a 浓度下降，次表层浓度升高，在赤道印度洋尤为显著；（4）次表层反转型-PN：表层浓度升高，次表层浓度降低，在赤道大西洋最为常见（图2）。进一步研究表明，海洋热浪的发生显著促进了次表层叶绿素最大值层（Deep Chlorophyll Maximum,DCM）的形成与发展，显著影响了其深度位置与强度变化。通过对典型极端海洋热浪事件的深入分析，研究进一步揭示了海洋热浪的垂向结构通过改变不同深度的光照、温度与营养盐环境，进而影响浮游植物的垂直分布格局与空间重分布过程。本研究首次在全球尺度上提供了海洋热浪期间全球浮游植物垂直分布结构变化的直接观测证据，识别出四种主要的垂直响应结构，丰富了我们对浮游植物应对海洋极端气候事件行为的认知，为未来海洋生态系统响应气候变化的预测提供了观测基础与理论支持。本研究得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金和中国科学院南海海洋研究所基金的共同资助。相关论文信息：Ma,X.,& Chen,G. (2025). Marine heatwaves are shaping the vertical structure of phytoplankton in the global ocean. Communications Earth & Environment,6(1),715.文章链接：https://www.nature.com/articles/s43247-025-02718-y图1 海洋热浪期间叶绿素 a（Chla）剖面的时空分布a：记录海洋热浪（MHWs）事件的叶绿素 a 剖面在全球的空间分布。b：海洋热浪期间（红色柱状）与非海洋热浪期间（灰色柱状）每年的叶绿素 a 剖面数量。c–f：海洋热浪期间四种垂直叶绿素异常类型的典型案例（红色实线，单位：mg m⁻³）：c：在季节性冰区的增强型叶绿素异常；d：黑潮区域的减弱型叶绿素异常；e：赤道印度洋的次表层反转型-NP；f：赤道大西洋的次表层反转型-PN。c–f 中的灰色阴影表示标准差。c–f数字表示在海洋热浪期间识别出的对应垂直异常类型的叶绿素剖面数量，括号内的数字表示海洋热浪期间的叶绿素剖面总数。图2 海洋热浪（MHWs）期间垂直叶绿素 a 异常的时空分布a：海洋热浪（MHW）期间（红线）与非 MHW 期间（黑线）叶绿素 a 剖面数量的纬向分布。b：全球海洋中叶绿素 a 浓度异常的纬向分布。c：基于 BGC-Argo 观测，15 个区域内海洋热浪期间不同类型垂直叶绿素 a 异常的比例分布。绿色表示减弱型（Weakened）、黄色表示增强型（Intensified）蓝色和粉色分别表示两类次表层反转型（NP 和 PN）。d：海洋热浪期间各月主导的垂直叶绿素 a 异常类型（填色），以及各类型在当月 MHW 剖面中的占比（青色线条）。

2025-09-12