科研进展--中国科学院广州分院

近日，由中国科学院华南植物园植物科学研究中心、西藏大学生态与环境学院以及广东省农业科学院环境园艺研究所等多个科研机构组成的科研团队，在西藏墨脱县发现了一种葫芦科植物新种，并将其命名为“墨脱波棱瓜”（ Herpetospermum metuoensis Y. S. Chen & B. Y. Zhang）。这一发现对于丰富我国植物多样性资源具有重要意义。‌新种特征‌墨脱波棱瓜属于葫芦科波棱瓜属（Herpetospermum），是一种雌雄异株的藤本植物。其茎部近无毛，长2-6米，直径1-4毫米。卷须2-5歧，微柔毛，分枝长度不等。叶片心形至三角状心形，长2.5-11厘米，宽3.5-15厘米，纸质，两面疏被微柔毛，通常3-7裂，裂片长圆形至三角形。雄花序单生，长7-21厘米，含5-16朵花；苞片不明显，圆形至宽卵形，长1-1.5毫米，早落。雄花花瓣黄色，直径5-8厘米，花瓣5枚，近圆形至椭圆形。雌花单生，子房圆柱状，疏被微柔毛，每室含胚珠6枚，下垂；花柱长1.3-2.1厘米，柱头3枚，2裂，近圆形至宽椭圆形。果实成熟时黄色，淡黄色，纺锤形至椭圆纺锤形，表面光滑无毛，顶端具喙状盖裂。种子不规则长圆形六边形，边缘每角具突起，成熟后变为黑褐色或黑色。该新种与冠盖波棱瓜 Herpetospermum operculatum比较近缘，成熟果实盖状开裂，但是可以通过其雄花苞片不明显、圆形到宽卵形、长1-1.5毫米、花瓣近圆形到椭圆形、每室6个胚珠、下垂、柱头近圆形到宽椭圆形、果黄绿色、梭形到椭球梭形、无毛，种子长圆形六边形，边缘每个角都有突起等形态特征区别。‌发现过程‌科研团队在2021年冬季收到了来自墨脱县的两份标本和数十粒种子，经过仔细研究和文献比对，初步判断这些植物属于波棱瓜属。然而，播种的种子在2022年并未萌发。直至2023年10月，科研团队再次前往墨脱县进行实地考察，成功在野外观察到了这一植物，并采集了标本。通过对其形态特征的详细观察和比较，团队最终确认这是一个未被描述的新物种。分布与保护‌墨脱波棱瓜目前仅知分布于西藏墨脱县，生长在灌丛和林缘，海拔1300-2500米之间。据科研团队调查，该新种在墨脱县发现了五个种群，其中一个种群仅包含4株个体，且位于路边，易受道路建设和荒地开垦的影响，面临消失的风险。‌科研意义‌墨脱波棱瓜的发现不仅丰富了我国葫芦科植物的多样性，也为波棱瓜属的分类学研究提供了新的材料和视角。此外，该新种的发现对于保护生物多样性、促进生物资源可持续利用具有重要意义。相关研究成果以“Herpetospermum metuoensis (Cucurbitaceae),a new species from Xizang,China” 为题发表于国际分类学期刊Phytotaxa。中国科学院华南植物园研究助理张步云为论文第一作者，陈又生研究员为论文通讯作者。该研究得到广东省基础与应用基础研究旗舰项目。论文链接：https://doi.org/10.11646/phytotaxa.697.3.8图：A体态;B体态;C卷须;D叶;E雄花序;F雄花上面观;G雄花背面观;H雄花纵切面;1 雌花上面观;」雌花背面观:K雌花纵切面；L果实;M果实纵切面;N果实横切面;O 种子。照片为张步云拍摄(基于模式标本)

2025-04-18

深圳先进院 | 海量微泡群阵调控超深亚波长声束，实现外泌体高纯度分选（Science Advances封面文章）

声镊利用梯度声场产生的超声辐射力实现对微小颗粒的捕获、排列和搬运，因其具有非接触、无创、无损等特点，成为声学领域研究热点方向之一。然而，相较于2018年获得诺贝尔物理学奖的光镊技术，超声的声波波长较长，衍射效应明显，导致声镊难以实现对微纳米生物颗粒的精确操控。如何突破声学衍射极限以产生亚波长乃至超深亚波长声束，已成为推动声操控技术向超微生物尺度拓展的关键。声镊利用梯度声场产生的超声辐射力实现对微小颗粒的捕获、排列和搬运，因其具有非接触、无创、无损等特点，成为声学领域研究热点方向之一。然而，相较于2018年获得诺贝尔物理学奖的光镊技术，超声的声波波长较长，衍射效应明显，导致声镊难以实现对微纳米生物颗粒的精确操控。如何突破声学衍射极限以产生亚波长乃至超深亚波长声束，已成为推动声操控技术向超微生物尺度拓展的关键。近日，中国科学院深圳先进技术研究院医学成像科学与技术系统全国重点实验室郑海荣院士、孟龙研究员团队联合美国弗吉尼亚理工大学田振华教授团队在超深亚波长声束构建方面取得突破。研究团队提出了激发微泡共振产生超深亚波长声束的方法，成功突破了传统声学的衍射极限，实现了对声场的精细调控。并且利用大规模共振气泡阵列，实现了全血样本中高纯度外泌体及其亚群的原位快速分离，为液体活检和精准医疗领域提供了新手段。研究成果以“Oscillating Microbubble Array-based Metamaterials (OMAMs) for Rapid Isolation of High-Purity Exosomes”为题发表在期刊Science Advances，并被选为当期的封面文章。研究团队在聚二甲基硅氧烷（PDMS）上设计直径为40 μm的微腔结构，并利用液体表面张力的作用，在微腔处产生了稳定的气泡。这种无外壳束缚的气泡在165 kHz共振频率（波长：~9 mm）激发下，产生明显的非线性振动，成功产生了宽度仅为1/186波长的超深亚波长声束，比声波波长小2个数量级。当气泡直径为20微米时，声束宽度达到24微米。而且，当大规模共振气泡排布成不同的图案时，可实现图案化声场的构建。例如，1.2万个共振气泡就能精确“描绘”出熊猫图案的声场分布。此外，通过改变气泡的大小并精准控制其在不同空间位置的共振状态，还能实现对声场的动态调控。比如，组成图案b的气泡直径为100 μm，q图形中的气泡粒径为40 μm。当利用68 kHz超声激励气泡时，可构建“b”图案的声场；当同时施加68 kHz和165 kHz激励时，可产生“bq”复合图案的声场。通过微纳加工工艺，结合表面疏水处理，成功制备了4.6万个直径为40 μm的微腔阵列，大幅提高了气泡粒径的一致性，气泡粒径偏差控制在1 μm以内。通过精确调控微腔间距至160 μm，避免了气泡振动时的能量耦合，每个微腔形成的气泡可视为独立的、能量局域的“点声源”，从而实现了大规模气泡的非线性共振。在操控颗粒方面，揭示了颗粒在气泡共振场中的动力学机制：对于40 μm的气泡，当颗粒直径超过18 μm时，气泡振动产生的二阶声辐射力主导颗粒动力学行为，可将其稳定捕获于气泡表面；当颗粒直径小于18 μm时，声微流（microstreaming）产生的拽力起到了主导作用，驱动颗粒沿涡旋轨迹绕气泡运动。该方法拓展了超声操控的跨尺度能力，成功将超声操控的下限拓展至65 nm，实现了对未经稀释全血中纳米级外泌体的高通量、高纯度分选。与传统的分选方法相比，该系统的分选外泌体时间从16小时缩短至3分钟，同时纯度达到93%。并且，分离后的外泌体保持了结构完整性和生物功能，保证了外泌体的生物应用。中国科学院深圳先进技术研究院孟龙研究员、牛丽丽研究员、美国弗吉尼亚理工大学田振华教授为论文共同通讯作者，中国科学院深圳先进技术研究院博士生李昕珈为论文第一作者。该研究成果得到国家自然科学基金、中国科学院先导B专项、广东省自然科学基金等项目的资助。图1：文章封面图2：(A)单个气泡共振声场，(B)声束宽度可以达到驱动频率的λ/186；(C)利用气泡实现图案化声场构建;(D) 声场动态调控图3：(A)大规模气泡共振捕获20 μm颗粒；(B)分离出来的外泌体的形态结构；(C)实现外泌体亚类分离

2025-04-18

深圳先进院 | 粤港澳大湾区国土资源与生态环境监测与应急响应平台正式上线——数字所空间信息研究中心陈劲松团队成功构建"粤港澳大湾区国土资源与生态环境快速监测模型和技术体系”

数字所空间信息研究中心陈劲松团队在粤港澳大湾区国土资源与生态环境监测领域取得重要进展。研究团队通过耦合长时间序列、多源、多时空尺度遥感数据及地面观测数据，结合机器学习、人工智能算法，成功构建了面向粤港澳大湾区国土资源与生态环境快速监测模型和技术体系，建立了粤港澳大湾区国土资源与生态环境监测与应急响应集成系统，系统上线后，已针对粤港澳大湾区国土资源与生态环境监测、生态健康诊断与安全评估、国土安全应急响应等相关问题开展了多项应用示范，获应用示范单位的一致好评。数字所空间信息研究中心陈劲松团队在粤港澳大湾区国土资源与生态环境监测领域取得重要进展。研究团队通过耦合长时间序列、多源、多时空尺度遥感数据及地面观测数据，结合机器学习、人工智能算法，成功构建了面向粤港澳大湾区国土资源与生态环境快速监测模型和技术体系，建立了粤港澳大湾区国土资源与生态环境监测与应急响应集成系统，系统上线后，已针对粤港澳大湾区国土资源与生态环境监测、生态健康诊断与安全评估、国土安全应急响应等相关问题开展了多项应用示范，获应用示范单位的一致好评。该平台系统由“国家重点研发计划”、“深圳市可持续发展专项”等项目支持搭建，利用分布式存储、云服务检索及在线可视化等技术，集多源数据在线调取、多模型算法实时计算、在线可视化统计分析等功能于一体，能够实现实时卫星数据接入、遥感生态参量在线计算、地表要素人工智能在线提取、区域变化在线分析、生态风险动态评估、灾害信息动态查看以及生态红线内要素动态监测预警等多类别业务应用。研究成果将服务于粤港澳大湾区国土资源变化智能监测及生态环境质量诊断评估，助力于推动粤港澳大湾区“天-空-地一体化”遥感生态环境监测系统技术体系发展，能够为粤港澳大湾区生态文明建设提供强有力的科技支撑。多源时空数据多模式组织管理及可视化"我们研发的系统平台能够在线调取并处理多类别遥感数据。"陈劲松介绍，该系统平台构建了包括在线卫星数据资源（Landsat系列，Sentinel系列）、本地数据资源、专题监测产品、基础底图数据的多源时空数据库，同时系统与Google Earth Engine进行了接口对齐，并综合考虑了时空检索和数据更新需求，能够实现面向粤港澳大湾区国土资源与生态环境监测的时空数据的在线调度、管理、计算、存储与产品可视化渲染以及在线统计分析服务。面向国土资源与生态环境安全监测的模型算法研发集成系统平台集成了研究团队融合遥感与人工智能技术研发的遥感生态参量计算、地表要素提取、区域变化监测、生态风险评估、灾害预警等算法模型，并针对林地砍伐、森林火灾、台风监测及生态红线管控等四个典型的应用场景开展了系统功能建设。系统能够常态化监测遥感生态参量变化，有效识别多类地表要素、长期进行生态红线内要素动态监测及生态环境质量动态评估，并及时进行灾害预警响应。应用前景粤港澳大湾区作为国家战略发展区域，在推动经济高质量发展的同时，高度重视生态文明建设、可持续发展及“碳达峰、碳中和”目标的实现。该系统平台在现有功能下，用户能够实现在线国土资源与生态环境常态化监测，未来可综合考虑粤港澳大湾区高度城市化与丰富自然生态的双重特征，扩展空气污染监测治理、碳排放监测等模块，服务粤港澳大湾区“双碳”目标，推动绿色低碳可持续发展，助力粤港澳大湾区生态文明建设。图 1 多种遥感数据在线查询图 2 土地覆被的在线分类和统计分析图 3 城市发展动态变化与森林郁闭度监测

2025-04-17

广州地化所 | 钟广财、张干等-NC：发现“嫦娥五号”月壤样品中存在稠环芳香有机质

地外有机质研究对于揭示地球前生期演化、生命起源、和地外生命痕迹探测有重要意义，是很多太空任务的重要科学目标。月球有机质探查极具挑战性，以往“阿波罗”计划的月球样品中检出的有机质，大多来自地球污染。近期，中国科学院广州地球化学研究所张干研究员带领由原有机地球化学国家重点实验室科研骨干组成的研究团队，综合运用多种技术方法，首次对我国 “嫦娥五号”任务返回的月壤样品中可能存在的有机质进行了探查。张干等提出了月壤样品中存在稠合芳香有机质的科学假设，制定了使用苯多羧酸（BPCA）分子探针技术，识别和量化月球样品中稠环芳香物质的技术方案。实验结果表明，“嫦娥五号”月壤样品（CE5C0400YJFM00506）中存在可识别和定量的稠环芳香物质（图1），其含量达5.0–9.2 ppm（均值：7.4 ± 1.4 ppm。ppm即百万分之一）。研究团队还发现，相比于地球类似物（如木炭、烟炱、干酪根等黑碳物质），由月壤样品中的稠环芳香物质所衍生的BPCA分子组成具有鲜明的特异性（图2），芳环稠合度极高，呈现出与4 nm大小石墨烯相类似的结构特征。图1 “嫦娥五号”月壤样品（CE5C0400YJFM00506）中稠环芳香有机质（作为BPCA）的UPLC-MS/MS质量色谱图图2 “嫦娥五号”月壤样品（CE5C0400YJFM00506）中稠环芳香有机质衍生苯多羧酸（BPCA）的分子组成（左上角,深红色）显著区别于地球类似物（粉红色，不同类型和不同演化程度地球岩石干酪根；绿色，不同热演化木炭；橘黄色，烟炱；蓝色，焦炭；黑色，富勒烯和碳纳米管）进一步地，研究团队测定了月壤样品中稠环芳香物质所衍生的BPCA化合物（B6CA、B5CA）的单体稳定碳同位素组成（δ13C），其值为：−5.0 ± 0.6‰至+3.6 ± 1.3‰，这显著高于地球有机质的δ13C值，排除了月壤中稠环芳香物质来自地球人为污染的可能性。陨石撞击是月壤稠环芳香物质最为可能的来源途径。研究所测得的月壤稠环芳香物质的δ13C值，高于陨石中稠环芳香物质、但低于陨石中的非芳香有机质。研究团队认为，在陨石撞击过程中，发生了非芳香物质向稠环芳香物质的转化，即月壤中的稠环芳香有机质主要是“从头生成”的，而非直接继承自撞击月球的陨石或小行星。这一过程将使在月球表面恶劣环境下易于分解的有机质转化为更稳定的类石墨烯物质，从而有利于外源有机碳在月球表面的累积。在缺少可有效缓冲陨石撞击的行星（如火星—大气压仅为现时地球的0.75%和早期地球）上探查有机质时，这一过程也无疑值得关注。此外，研究团队还应用热裂解-气相色谱-质谱（Py-GC-MS）、可见/荧光显微镜、拉曼光谱、可溶有机小分子（氨基酸、醛、酮、一元羧酸等）气相色谱-质谱（GC-MS）和液相色谱-质谱/质谱（UPLC-MS/MS）靶向分析等技术，对 “嫦娥五号”月壤样品中可能存在的其它类别的有机物质进行了全面探查，均未获有效检出结果。这意味着，稠环芳香物质是月壤中有机碳质的主要存在形态。相关研究成果发表于国际学术期刊《Nature Communications》2025年第16卷。钟广财副研究员为第一作者，张干为唯一通讯作者。该研究由国家自然科学基金重大项目（42192511）、重点项目（42030715）、中国科学院重点部署项目（ZDBS-SSW-JSC007-8）资助。论文信息：Guangcai Zhong（钟广财）,Xin Yi（怡欣）,Shutao Gao（高淑涛）,Shizhen Zhao（赵时真）,Yangzhi Mo（莫扬之）,Lele Tian（田乐乐）,Buqing Xu（徐步青）,Fu Wang（王甫）,Yuhong Liao（廖玉宏）,Tengfei Li（李腾飞）,Liangliang Wu（吴亮亮）,Yunpeng Wang（王云鹏）,Yingjun Chen（陈颖军）,Yue Xu（徐玥）,Sanyuan Zhu（朱三元）,Linbo Yu（于琳波）,Jun Li（李军）,Ping'an Peng（彭平安） & Gan Zhang（张干）*. Polycyclic aromatics in the Chang'E 5 lunar soils. Nature Communication,16,3622 (2025). 原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-58865-5

2025-04-19

南海海洋所 | 突破性研究揭示土耳其双震发震机制：流体侵入成关键

近日，中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境与岛礁生态全国重点实验室、边缘海与大洋地质实验室研究员王志联合研究员邱强、林间院士、博士伏毅和云南大学研究员裴顺平在2023年土耳其大地震双震机制的研究上取得突破性进展，相关成果发表在Nature旗下期刊Communications Earth & Environment/《通讯-地球与环境》上，研究员王志为论文的第一和通讯作者。土耳其地处复杂的板块边界，东安纳托利亚断层（EAF）和死海断层（DSF）在此交汇，使得该地区地震活动频繁。2023年2月6日，该地区在9个小时内发生了两次7.6级以上大地震，造成了巨大的人员伤亡和财产损失，引发全球关注。然而，其双震发震机制一直未被明确。研究团队采用了联合层析成像方法，取得了重大突破。团队利用215,906组高质量P波和S波走时数据对，通过地震层析成像多参数联合反演方法，成功获取震源区的纵、横波速度、泊松比、饱和度和孔隙密度结构。研究发现，第一次7.8级地震发生在阿拉伯板块内低孔隙度、低流体饱和度的脆性构造带，利于超剪切脆性破裂；第二次7.6级地震则发生在安纳托利亚板块内高孔隙度、高流体饱和度的韧性构造区域，表现为亚剪切破裂行为。更重要的是，第一次地震使Çardak断层法向应力显著降低，激活该断层，促使饱和流体沿断层及裂缝侵入断裂带，增加流体孔隙压力，触发第二次地震。这一研究首次从多物理参数角度揭示了土耳其双震差异化的发震机制，明确流体侵入在第二次地震触发中的关键作用，为地区防震减灾提供了重要地球物理依据。图1 土耳其双震的地表构造、历史大地震、板块相对运动和俯冲深度与双震破裂带图2 土耳其地震震源区多参数（横波速度、Vp/Vs、孔隙密度和饱和度）在发震层的结构特征图3 土耳其双震不同的发震机制示意图本研究工作得到了国家自然科学基金和中国科学院专项等项目的联合资助。文章信息：Wang,Z.,Qiu,Q.,Fu,Y.,Lin,J.,Pei S. 2025. Distinct triggering mechanisms of the 2023 Türkiye earthquake doublet. Commun Earth Environ 6:287文章链接：https://doi.org/10.1038/s43247-025-02266-5

2025-04-17

南海海洋所 | 研究建立地震过程中饱水岩层应力—温度响应理论基础

近日，中国科学院南海海洋研究所边缘海与大洋地质实验室(OMG)施小斌研究员团队杨小秋和许鹤华，与美国密西西比大学教授Alexander H.D. Cheng、日本京都大学教授Weiren Lin及中国科学院大学教授张怀合作，推导并建立了同震应力变化过程中饱水岩层温度响应热-力学理论基础，并尝试用于解释震后钻孔测温结果。该工作已发表在Physics and Chemistry of the Earth上。研究员杨小秋为论文第一作者和通讯作者。地震发生后，钻孔测温结果往往能揭示一些关键信息。1999年我国台湾集集地震、2008年汶川地震及2011年日本东北大地震后，钻孔测温结果显示：在同震滑移面上下5–20米范围内存在温度正异常；同时，在距滑移面20–60米范围内也存在明显的温度负异常，其峰值虽仅为正异常峰值的1/4–1/3，但其分布范围却是正异常的3–4倍。目前，温度正异被普遍认为是由摩擦生热效应所致，而温度负异常的成因一直未被充分认识。该团队基于多孔介质热弹性理论，提出同震应力释放是导致温度负异常的成因机制。为验证该理论预测，需要获取岩石绝热应力-温度响应系数β = (∂T/∂P)s。前期，研究团队已开展实验并获得干燥条件下地壳常见岩石的绝热应力-温度响应系数βdry (1.53–6.15 mK/MPa)。然而，地壳岩层多为饱水状态。因此，本研究首先基于有效应力原理进行理论推导，首次建立了饱水岩石绝热应力-温度响应(βwet)的热-力学理论公式，并从孔-热-弹理论出发，进一步证实了该理论公式的正确性和普适性。该公式揭示了饱水岩石绝热应力-温度响应系数与岩石固体介质、孔隙流体的应力-温度响应系数、体热膨胀系数、体积热容、孔隙度、Skempton系数及背景温度之间的定量关系，使得研究人员能够基于常规岩石热-力学参数定量计算不同背景温度下的βwet。基于该理论基础，研究团队计算了15种代表性岩石在背景温度23–50°C内的βwet取值范围，发现其值均高于干燥条件下的βdry，且可压缩性越高的岩石，βwet与βdry的比值越显著。此外，βwet随背景温度呈线性增长趋势。通过该理论，团队计算获得集集地震同震温度降在18–53 mK范围，与震后钻孔测温结果(~25 mK)较吻合，并进一步论证理论可预测现场观测到的“负–正–负”温度变化模式。同震事件是多物理场耦合的复杂现象，建模工作常因缺乏可靠原位数据而更加困难。本研究聚焦于应力致热机制的理论阐释，其预测结果与实测现象的合理吻合为构建更全面的耦合模型提供了理论基础。本项研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院南海海洋研究所自主部署项目、自然资源部海底矿产重点实验室开放基金课题及日本科学促进会的资助。相关论文信息：Yang,X.,A. H. D. Cheng,W. Lin,H. Xu,and H. Zhang. Theoretical basis and analyses of temperature responses of water-saturated rocks to rapid changes in confining pressure,Physics and Chemistry of the Earth,2025,103925 .论文链接:https://doi.org/10.1016/j.pce.2025.103925同主题相关前期工作：1.杨小秋,林為人,葉恩肇等. 断裂带同震温度负异常机制分析. 地球物理学报,2020,63(4):1422-1430 .论文链接:http://www.geophy.cn/article/doi/10.6038/cjg2020M06382.Xiaoqiu Yang,Weiren Lin,Osamu Tadai,Xin Zeng,En-Chao Yeh,Chuanhai Yu,Haibing Li,Huan Wang. Experimental and numerical investigation on temperature response to stress changes of rocks. Journal of Geophysical Research: Solid Earth,2017,122(7):5101-5117.论文链接:https://doi.org/10.1002/2016JB013645图1 1999年我国台湾集集地震震后车龙铺断层(F1)TCDP Hole-A钻孔温度测量概况图2 在23~50℃下，地壳常见岩石的βdry和βwet与体积模量Kd_i之间的关系图3 15种代表性岩石的βwet对背景温度T0 (23~50℃)的依赖性(蓝色和红色实心圆分别表示每种岩石的下限和上限。在23°C下，βdry以红星作为参考。虚线FL是每个岩样的线性拟合)图4 震后地层孔隙压分布模式示意图(以穿过空间点(-1.2,0,0.3)到点(1.6,1,-5)的线为例；其中纵轴和横轴分别代表孔隙压力(p)和距离(Distance)，它们可以是任意比例)

2025-04-17

南海海洋所 | 研究发现夏季两类大西洋尼诺对南极海冰有显著不同影响

近日，中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境实验室（LTO）、全球海洋和气候研究中心（GOCRC）以及广东省海洋遥感重点实验室（LORS）的王春在研究员团队在热带-极地气候研究领域取得新进展。该团队揭示了北半球夏季中部型（CAN）与东部型大西洋尼诺（EAN）对西南极海冰的差异性影响及其物理机制，相关研究成果发表在Nature子刊npj Climate and Atmospheric Science上。博士后陈柏洋为论文第一作者，研究员王春在为通讯作者，合作者还包括研究员张磊和中山大学副教授范汉杰。大西洋尼诺是热带大西洋气候系统年际变化的主要模态，其能通过局地海气相互作用和大气遥相关对全球的气候条件产生重要影响。最近研究表明，根据海温异常中心位置的不同，大西洋尼诺可划分为两种类型，即CAN和EAN。另外，王春在团队前期研究已发现，这两类事件对北半球热带外区域（如欧洲）的气候影响存在显著差异。然而，它们是否可以激发不同的大气遥相关波列，进而对南半球热带外区域（特别是南极地区）产生差异化气候影响，仍是一个亟需回答的问题。针对以上问题，本研究利用观测海温数据、再分析资料和数值模式试验探究了夏季CAN和EAN通过大气桥对西南极海冰的影响（图1）。研究结果显示，两类大西洋尼诺对西南极海冰密集度的影响出现显著差异：CAN事件引起的海冰异常强度更大、范围更广，其影响程度远超EAN事件。这种差异主要源于两类事件在南半球诱导的大气波列存在明显不同。具体而言，CAN事件可以通过直接和间接两种途径在南半球诱导出两条大气波列，协同增强阿蒙森海低压系统；而EAN事件仅能通过间接途径产生一条大气波列，这与其较弱的局地Hadley环流无法在副热带南大西洋形成显著的大气波源密切相关。由于阿蒙森海低压系统可以通过经向热平流输送和风应力强迫对西南极海冰的生成和分布产生重要调控作用，而CAN和EAN事件对该低压系统的影响不同，最终导致二者对西南极海冰的影响呈现显著差异。该项研究揭示了两类大西洋尼诺的气候效应存在显著的差异。这一发现有助于提高南极海冰的季节性气候预测能力，完善气候动力学理论框架，并为我们更好地理解热带-极地遥相关及其气候效应提供了新的科学依据。本研究得到了国家自然基金委合作创新研究团队项目、国家自然科学基金重大项目等共同资助。相关论文信息：Chen,B.,Wang,C.*,Zhang,L.,& Fan,H. (2025). Distinct Impacts of the Central and Eastern Atlantic Niño on West Antarctic Sea Ice. npj Climate and Atmospheric Science,8,142.文章链接：https://doi.org/10.1038/s41612-025-01040-w图1 两类大西洋尼诺影响西南极海冰的示意图。a 中部型大西洋尼诺通过直接和间接的途径产生两条大气波列共同影响西南极海冰。b 东部型大西洋尼诺只能通过间接的途径产生一条大气波列影响西南极海冰。

2025-04-16

深圳先进院 | 功能基因智能挖掘大模型SYMPLEX推动生物制造与合成生物元件开发（Science Advances）

随着生物测序技术突破，全球天然基因库已积累数十亿量级序列，其中蕴藏海量高价值功能基因。然而，当前仅有少数明星基因被深度挖掘，绝大多数仍处于“沉睡”状态。如何突破传统注释与建模局限，利用AI等手段激活“基因宝库”，正成为合成生物学与生物制造领域的关键挑战。4月9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、合成生物学研究所娄春波团队与北京大学定量生物学中心钱珑团队合作在国际学术期刊Science Advances上发表题为"Discovery of Diverse and High-quality mRNA Capping Enzymes through a Language Model-enabled Platform"的研究论文，报道了全球首个面向合成生物学元件挖掘与生物制造应用的大语言模型——"SYMPLEX"，并将SYMPLEX模型应用于mRNA加帽酶基因的挖掘，展示了大语言模型赋能生物制造的巨大潜力。该模型通过融合领域大语言模型训练、合成生物专家知识对齐和大规模生物信息分析，实现了从海量文献中自动化挖掘功能基因元件，并精准评估其工程化应用潜力。研究团队将SYMPLEX应用于mRNA疫苗生物制造关键酶——加帽酶的挖掘，成功获得多种高性能新型加帽酶。第三方公司实验验证显示，这些酶在催化效率上超越国际头部企业New England Biolabs（NEB）商业化加帽酶2倍以上，显著提升了mRNA疫苗生产率和成本效益。此项成果不仅为合成生物学元件设计提供了AI驱动的新范式，更展现了大语言模型等人工智能技术在生物制造中的广阔应用前景。 ■ 破局传统：功能基因深度挖掘的大语言模型天然生物基因组蕴藏着海量功能基因，这些基因在进化过程中不断优化，形成了多样化的序列空间和复杂精巧的功能活性，赋予生物体适应复杂环境的独特优势。随着高通量测序技术的发展，全球生物序列数据库已突破数十亿规模，为生物制造和合成生物学提供了前所未有的基因元件资源库。然而，尽管这些天然基因蕴含着巨大的应用潜力，目前仅有少数明星基因（如基因编辑工具酶）得到了系统的注释和结构解析。这种研究的不均衡导致现有基于序列、结构或深度学习的基因挖掘技术和蛋白质设计方法难以应用于更复杂的基因系统，严重制约了高价值功能基因的开发与利用。针对上述问题，研究团队创造性地将大型语言模型（LLM）与结构化生物知识库深度融合，开发出SYMPLEX智能基因挖掘平台（图1）。SYMPLEX是强大的功能基因搜索引擎，通过自动化阅读和理解千万级体量的生物学文献，在基因、功能和知识水平上提取分析文献内容，并与专家数据库进行概念对齐、交互和基于先进生物信息技术的统计模式生成，从而提供证据链完整的高质量候选基因集合。SYMPLEX不仅有效规避了大语言模型幻觉，还能自动生成基因功能相关的细粒度知识树，引导科学家探索广泛的生物机制和分子过程（图1）。对比结果表明，SYMPLEX大模型在挖掘基因的深度、数量和多样性上均显著优于传统生物信息学方法，其挖掘的基因多样性也超越了现有蛋白质功能预测模型的边界（图2）。■ 应用案例：解锁mRNA疫苗高效生产的蛋白质密码近年来，mRNA疫苗以其高效、可快速开发等特点在全球抗疫中发挥了关键作用。然而，mRNA疫苗背后的一项关键工艺——mRNA 5’端加帽（capping），却因其效率较低、成本高昂成为“卡脖子”环节。加帽过程对稳定mRNA、促进翻译和减少免疫反应至关重要，而目前mRNA疫苗生产工艺中使用的仍是传统的痘病毒双蛋白（Vaccinia D1/D12）加帽酶，选择有限且价格昂贵。研究团队利用SYMPLEX大规模挖掘mRNA加帽酶，并进行了实验验证。SYMPLEX通过批量处理生物学文献和生物信息分析，识别出16,685个与 mRNA 加帽相关的基因，并进一步筛选出75类（18,779 条序列）高置信度的完整加帽酶基因。经过46种候选基因实测，研究团队获得了14种可在哺乳动物和酵母细胞中稳定发挥作用的加帽酶，其中2种新型加帽酶的体外活性比商业化痘病毒加帽酶高出两倍（图3）。值得一提的是，本研究挖掘的新型加帽酶与已知加帽酶的序列相似性低于20%，且编码序列长度缩减30%，有望为mRNA疫苗和基于mRNA的基因疗法研究提供关键使能技术支持。此外，SYMPLEX的挖掘还揭示了加帽酶在自然界中多样的构型与进化策略。研究发现，加帽酶TPase功能域的桶状外围结构具有保守与可设计区间，而MTase功能域则存在新的酶活中心模体。这些发现表明，SYMPLEX不仅能助力于理解生物过程的多样化策略，还可为酶的理性工程优化或生成式蛋白设计提供高质量数据集。 ■ 平台赋能：合成生物制造的“智能基座”目前，SYMPLEX在线交互式平台已上线供研究人员免费使用（https://bdainformatics.org/page?type=SYMPLEX）（图4）。平台采用模块化设计，提供三个核心功能：（1）文献智能提取引擎PubEngine：支持高通量的文献智能检索分析与可视化交互；（2）基因功能标注系统GeneTagger：实现从分子机制到生物过程的细粒度自动化基因与功能提取；（3）标准化知识中枢GeneNorm：实现与专家知识库的概念对齐与标准化，支持知识树构建和功能模式识别。各模块既可无缝协同实现高效数据流转，又能独立运行，以加速功能基因挖掘以及蛋白质设计。平台现有注册用户200余人，2024年访问量达6000余次。本项研究开创了功能基因深度挖掘的新范式，利用大语言模型高效推动生物知识转化，为mRNA疫苗规模化生产提供了关键酶资源库。研究团队正利用SYMPLEX挖掘更多可用于生物制造和合成生物学的关键酶元件，并将该平台拓展至合成通路设计等领域，有望推动生物制造进入“AI for Science”新纪元。北京大学研究员钱珑、中国科学院深圳先进技术研究院研究员娄春波为本文共同通讯作者。北京大学博士研究生王天泽、覃博文、厉思宏，中国科学院深圳先进技术研究院博士研究生王子陌为共同第一作者。本研究获得了浙江大学欧阳颀教授团队和北京远轩科技有限公司的大力支持，并得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市重点基金以及深圳合成生物学创新研究院等项目的资助。图1.SYMPLEX大模型的技术路线及其与传统基因挖掘流程对比图2.SYMPLEX挖掘结果多样性对比和细粒度知识树生成图3. 候选加帽酶在细胞体系和体外转录体系中表现出跨物种、跨体系的高加帽效率图4.SYMPLEX平台

2025-04-11

广州健康院科学家发现线粒体应激调控干细胞命运的“线粒体遇见”mtMET新模式

4月9日，中国科学院广州生物医药与健康研究院刘兴国团队与广州医科大学应仲富团队在Nature Metabolism期刊上发表了一篇题为The mitochondrial unfolded protein response inhibits pluripotency acquisition and mesenchymal-to-epithelial transition in somatic cell reprogramming的文章。揭示了线粒体未折叠蛋白反应（Mitochondrial unfolded protein response,UPRmt）在多能干细胞命运中通过c-Jun调控组蛋白乙酰化，进而影响间充质-上皮转化（MET）的新模式（mitochondrial UPR-modulated MET，mtMET)。这一模式的英文缩写MET是“遇见”的过去式，因此将这一新模式称为“线粒体遇见”。该研究进一步扩展了线粒体反向调控细胞核并调控细胞命运的研究领域。此外，团队证明 UPRmt通过增强上皮-间充质转化 (EMT)促进肿瘤迁移和侵袭，揭示了肿瘤治疗的潜在新靶点。UPRmt是一条重要的线粒体到核的反向调控途径，线粒体蛋白稳态失衡、活性氧(ROS)升高、线粒体和核基因表达不平衡或者线粒体功能障碍都会激活UPRmt，其激活可以启动由细胞核编码的线粒体热休克蛋白和蛋白酶等基因群转录活化程序，促进线粒体功能在应激反应中的维持。在线虫中UPRmt会延长寿命，然而在哺乳动物细胞中UPRmt在干细胞命运决定和发育中的作用，在很大程度上仍未得到探索。团队首先全面的检测多能性的不同状态：获得、退出，以及二细胞期-着床前-着床后的状态转换中UPRmt的变化规律。结果表明，多能性获得、退出时， UPRmt具有显著的变化。其中，UPRmt在多能性获得早期阶段短暂激活，随后逐渐减弱。同时发现c-Myc是UPRmt激活的关键因子。c-Myc的过表达能够显著增加UPRmt的标志物Hsp60的表达，而其他转录因子（Sox2、Klf4和Oct4）则没有类似效果。进一步的研究发现，在多能性的获得中UPRmt的激活抑制了MET过程。团队同时也检测了哺乳动物早期分化和肿瘤中，UPRmt同样发挥了调控MET的作用。UPRmt的激活可以增强癌细胞的迁移和侵袭能力。在机制方面，团队通过筛选获得UPRmt反向调控通路中的全新关键因子c-Jun。c-Jun是一个原癌基因，会抑制多能性的获得，而UPRmt的激活会促进c-Jun的表达。c-Jun通过转录调控，上调乙酰辅酶A代谢酶的表达，从而降低乙酰辅酶A的水平。由于乙酰辅酶A与组蛋白乙酰化密切相关，研究团队进一步发现UPRmt的激活会减少组蛋白的乙酰化，特别是H3K9乙酰化（H3K9Ac）的水平。团队继续发现UPRmt的激活会减少H3K9Ac与上皮样相关基因（E-cadherin和Epcam等基因）启动子区域的结合，这种H3K9Ac水平的降低使得H3K9Ac与上皮样相关基因的结合减少并抑制上皮样相关基因的表达，抑制MET。通过补充乙酰辅酶A的前体物质（如乙酸、柠檬酸和丙酮酸），可以恢复H3K9Ac的水平，并恢复MET相关基因的表达水平。综上，这项研究首次揭示了在多能干细胞命运调控中UPRmt通过c-Jun降低乙酰辅酶A水平，减少组蛋白乙酰化，进而抑制MET的新通路。这种线粒体调控MET的模式也存在于早期分化和肿瘤领域，是具有广泛性的生物作用模式。“千锤百炼志如钢，万难不移意未央”，当线粒体面临“压力山大”时，她会悄悄告诉细胞核，细胞核会发出指令改变细胞的“颜值”：能屈能伸的细胞从彼此之间紧密附着的上皮细胞“静若处子”，变为表现出更多的迁移和侵袭能力的间充质细胞“动若脱兔”。而这一细胞变身，联系了UPRmt、干细胞这两大长寿因素，正是“管却细胞变身事，自信人生双甲长”。本研究是中国科学院广州生物医药与健康研究院、广州医科大学、中国科学院香港创新研究院再生医学与健康创新中心、香港中文大学、山东农业大学、香港大学、西湖大学等多个研究组合作完成。本研究获国家重点研发项目、中国科学院、国家自然科学基金、广东省和广州市的经费支持。论文链接图1 线粒体未折叠蛋白反应通过调控间充质-上皮转化阻碍细胞多能性获得

2025-04-11

华南植物园发现200万年沙丘序列揭示气候与成土过程对土壤有机质转化的协同调控机制

全球气候变化加剧的背景下，深入理解土壤碳固存机制对提升陆地生态系统碳汇功能及其稳定性具有重要意义。溶解性有机质（DOM）和球囊霉素相关蛋白（GRSP）作为土壤碳库的重要组分，在有机碳的积累与稳定过程中扮演关键角色。然而，其在生态系统长期发展中的分布规律、变化特征及其调控机制仍不明确。中国科学院华南植物园恢复生态学任务团队选取澳大利亚西南部干热气候区的Jurien Bay与湿冷气候区的Warren两条跨越200万年的海岸沙丘序列为对象（图1），系统解析了气候与成土过程对DOM与GRSP的变化特征及其对土壤有机碳动态的影响。图1.研究区域示意图DOM的功能转变：从养分供给到碳汇稳定研究团队采用荧光激发-发射矩阵（EEM）结合平行因子分析（PARAFAC）技术，发现湿冷气候区（Warren）的DOM积累水平和腐殖化指数显著高于干热区（Jurien Bay），表现出更高的稳定性。这种差异主要源于植被输入、碳供给以及土壤环境的不同。进一步发现，在生态系统发育的早期阶段，DOM浓度较高且富含蛋白类和微生物源组分，为植物和微生物提供了重要的养分来源；而在退化阶段，DOM逐渐转变为以腐殖酸和富里酸等稳定性成分为主，其功能从促进养分周转转向增强碳库稳定（图2）。图2.可溶性有机质（DOM）随沙丘生态系统发育演变规律GRSP的“逆势积累”：长期养分贫化下的碳积累机制研究首次报道了在丛枝菌根真菌（AMF）生物量下降的情况下，GRSP（特别是EE-GRSP）在古老缺磷土壤中显著积累的现象。这一“逆势积累”现象源于植物通过增加地下碳分配以促进AMF生物量的周转，同时受到土壤酸度、养分化学计量特征及菌根植物多样性等因素的共同调控。研究证实，GRSP显著促进了土壤有机碳（SOC）的积累和稳定性，在长期养分限制条件下仍发挥着重要的碳汇功能（图3）。图3.球囊霉素相关蛋白（GRSP）积累特征及其影响因素该研究首次揭示了气候与成土过程在调控DOM和GRSP积累及其碳汇功能中的差异性机制，为理解全球变化背景下土壤碳积累与稳定的时空演化提供了新的理论视角。研究成果不仅深化了对土壤碳循环机制的认识，还为海岛、海岸带生态系统的碳汇管理与生态恢复实践提供了重要的科学依据。相关研究成果已发表在Catena和Plant and Soil等国际土壤学期刊上，中国科学院华南植物园恢复生态学任务团队博士后牟之建为论文第一作者，刘占锋研究员为通讯作者，澳大利亚西澳大学Hans Lambers教授、德国霍恩海姆大学Ellen Kandeler教授和韩国庆尚国立大学Benjamin Turner教授参与了部分工作，研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金及广东省科技计划等项目资助。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.catena.2025.109004https://doi.org/10.1007/s11104-025-07391-w

2025-04-10