科研进展--中国科学院广州分院

Angewandte Chemie |微纳机器人长时程示踪新工具：可远程充能的持续发光纳米探针

近年来，微/纳机器人的飞速发展，在生物医学领域展现出了巨大的应用潜力。但是，如何在体内长时程的对微/纳机器人进行定位与示踪面对巨大挑战。3月6日，中国科学院深圳先进技术研究院蔡林涛研究员团队张鹏飞副研究员、龚萍研究员等和土耳其科奇大学(Koc University) Safacan Kolemen教授合作，在国际学术期刊Angewandte Chemie International Edition发表研究论文“Rechargeable Afterglow Nanotorches for In Vivo Tracing of Cell-Based Microrobots”。文章上线截图原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202400658研究人员通过将疏水化亚甲基蓝光敏剂和余辉底物共同封装在脂质胶束纳米粒中，构建了一种可被660nm红光激活的近红外光致余辉纳米探针（Nanotroch）。通过优化光敏剂和余辉底物的比例，可使余辉发光时长达250小时（10天以上）。更重要的是，该余辉纳米探针在体内可以通过近红外光远程进行充能，进一步延长了其在体内示踪的时间与灵活性。研究人员成功将其用于磁控巨噬细胞微/纳机器人的活体示踪，并达到了预期效果（图1）。中国科学院深圳先进技术研究院张鹏飞副研究员，蔡林涛研究员，龚萍研究员和土耳其科奇大学(Koc University) Safacan Kolemen教授为文章的通讯作者，团队已毕业博士研究生马功成为文章的第一作者。图1. 可远程充能的持续发光纳米探针构建和用于磁控细胞机器人示踪示意图中国科学院深圳先进技术研究院蔡林涛研究员团队长期开展基于细胞的微纳机器人的构建及其用于药物递送方面的研究。先后在《Science Advance》、《Advanced Materials》、《ACS NANO》、《Advanced Functional Materials》等知名期刊发表过相关成果。在该工作中，研究人员开发了可远程近红外光反复充能的长余辉纳米探针，并成功将其用于微纳机器人的体内示踪，为在深部组织中对微/纳机器人进行跟踪和操控提供了新的工具。本次发表的成果得到了国家重点研发计划、深圳市科创委基础研究项目等的资助。

2024-04-07

Nature | 二维金属碲化物材料的宏量制备

近日，中国科学院深圳先进技术研究院、中国科学院金属研究所和深圳理工大学（筹）成会明院士与中国科学院大连化学物理研究所吴忠帅研究员团队、与北京大学电子学院康宁副教授合作，在二维过渡金属碲化物材料的宏量制备方向取得新进展，为过渡金属碲化物二维材料的规模化制备提供了可能性。相关成果于4月3日在线发表在《自然》杂志上，审稿人评价该方法简单、快速、高效，对二维材料的宏量制备具有普适意义。二维过渡金属碲化物材料是一类新兴的二维材料，由碲原子（Te）和过渡金属原子（如钼、钨、铌等）组成，其微观结构类似于“三明治”，过渡金属原子被上下两层的碲原子“夹”住，形成层状二维材料。二维过渡金属碲化物材料因其奇特的超导、磁性、催化活性等物理和化学性质，在量子通讯、催化、储能、光学等领域展现出重要应用潜力，受到了国际学术界的广泛关注。例如，过渡金属碲化物具有高导电性和大比表面积，可作为高性能超级电容器和电池的电极材料；过渡金属碲化物纳米片表面具有丰富可调的活性位点，可用做制备绿氢和双氧水的电催化剂，提高催化剂的选择性、效率和性能；该材料还展现出特有的量子现象，如超导和巨磁电阻等，可作为下一代低功耗器件和高密度磁性存储器件的材料。然而，目前该材料还无法实现高质量的宏量制备，阻碍了其实际应用。二维过渡金属碲化物材料一般采用“自上而下”的制备方法，如同拆解积木，通过机械力或化学作用方式将其一层一层剥离下来，从而制备出单层的二维纳米片。常用的“自上而下”方法有化学插层剥离法、球磨法、胶带剥离法、液相超声法等，其中化学插层剥离法的剥离效率虽然最高，但剥离仍需要数小时。科学家们大多采用有机锂试剂作为插层剂，即将含有锂离子的插层剂插入块体层状结构材料的片层中，并利用锂和水的反应使插层剂“膨胀”，在每一层间形成一个“气压柱”，将叠在一起的纳米片层层“撑开”，就如同使用了一把“化学刮刀”一层一层地将纳米片“刮”下来，这种层间的气体膨胀作用力远大于机械剥离力，可以提高剥离效率。但有机锂是一种易燃易爆的液体试剂，具有很大的安全隐患，因此，实现安全、高效的化学剥离成为科学家努力的目标。吴忠帅团队创新性地采用固相化学插层剥离方法，筛选出了一种固相插层试剂——硼氢化锂。硼氢化锂具有强还原性质，在干燥空气中稳定，可用于高温固相插锂反应，解决了插层反应速度慢的问题，从而实现了安全、高效、快速的插层剥离。整个插层剥离过程只需10分钟，可宏量制备出百克级（108克）碲化铌纳米片，与液相化学插层剥离法制备量均小于1克比，此方法的产量提升了两个数量级。团队还利用此方法制备出了五种不同过渡金属的碲化物纳米片和十二种合金化合物纳米片，证明其具有普适性。他们还观察到了多种特征的量子输运现象，例如碲化钼（MoTe2）纳米片具有依赖于厚度的金属-绝缘体相变，碲化钨（WTe2）纳米片具有巨磁电阻和舒勃尼科夫-德哈斯效应等。利用该方法制备出的二维过渡金属碲化物纳米片制备的溶液和粉体具有良好的加工性能，可以作为各种功能性浆料，实现薄膜、丝网印刷器件、3D打印器件、光刻器件的高效和定制化加工等，有望在高性能量子器件、柔性电子、微型超级电容器、电池、催化、电磁屏蔽、复合材料等方向发挥重要作用。科学家实现二维金属碲化物材料的宏量制备宏量化可控制备二维过渡金属在碲化物纳米片

2024-04-07

Nature Communications | 变纤维直径3D打印技术为器官仿生构建提供新策略

2024年4月4日，中国科学院深圳先进技术研究院医药所退行性中心阮长顺团队在Nature Communications在线发表题为“Gradient matters via filament diameter-adjustable 3D printing”的研究性工作。该研究通过定制3D打印运动轨迹上的打印速度和打印高度，实现挤出3D打印纤维直径的精准控制，革新均匀纤维堆积的传统模式，实现梯度多孔结构的精准制造，为异质器官仿生构建提供新策略。原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-47360-y挤出式3D打印为最常见的3D打印技术，具有高适用性，广泛应用于类器官体外制造与组织工程等前沿领域。然而，传统挤出3D打印采用平行切片方法，其在层内打印时保持恒定的打印速度V和打印高度H，沉积形成的纤维直径也保持恒定，严重限制了其设计制造复杂梯度多孔结构（如图1a,b）。为了突破传统3D打印策略的限制，研究团队基于体积守恒定律，通过定制运动轨迹上的打印速度和打印高度，实现各处纤维直径的精准控制，提出FDA-3DP（filament diameter-adjustable 3D printing）新策略（如图1c,d）。图1. 传统3D打印策略vs. FDA-3DP（filament diameter-adjustable 3D printing）新策略。为了证明该策略的有效性，研究团队在10mm尺寸的立方体内设计制造了水平梯度多孔结构（如图2）。通过将打印轨迹与目标梯度相融合实现可控直径纤维的单层定制，并为了避免潜在的局部塌陷，提出固定直径纤维补偿机制（如图2f-i）。进而搭建“设计-制造”工作流程，重写制造代码G-codes，实现梯度多孔结构的挤出3D打印制造。Micro-CT重建数据证明通过该策略制造的水平梯度多孔结构与设计梯度模型的孔尺寸分布存在一致性（如图1d-iv）。图2. FDA-3DP新策略设计和制造梯度多孔结构。我们提出的FDA-3DP新策略突破了传统挤出3D打印技术难以加工复杂梯度多孔结构的难题，在组织工程与器官体外仿生制造（如骨、软骨、血管）、4D打印等应用场景进行了验证（如图3），有望为器官仿生构建提供新策略。图3. FDA-3DP应用探索。中国科学院深圳先进技术研究院阮长顺研究员和哈尔滨工业大学韩振宇教授为论文共同通讯作者，课题组屈华伟博士后/助理研究员为论文第一作者，中国科学院深圳先进技术研究院潘浩波研究员、吕维加研究员和刘志远研究员对文章工作中做出重要贡献，课题组刘开政副研究员和高崇健硕士参与论文部分研究工作。该研究获得国家自然科学基金委优青及面上项目、中国科学院青年创新促进委员会优秀会员、博士后面上项目等多个基金的支持。

2024-04-10

Cell Reports | 纳米工程益生菌“活药工厂”免疫级联调控治疗肿瘤新范式

免疫检查点阻断疗法（ICB）为癌症治疗带来了革命性的变化，但由于肿瘤免疫抑制微环境中T细胞浸润不足、耗竭和失活，ICB疗法仅对部分患者有效。临床上，ICB疗法需要高频次、大剂量给药，存在免疫响应率低和脱靶效应等缺陷，严重限制了其临床适用性。因此，构建一种安全、高效的新型生物活性精准递送系统，持续克服PD-1/PD-L1免疫检查点抑制、促进效应T细胞的增殖和抗肿瘤活性仍然是一个巨大的挑战。近日，中国科学院深圳先进院技术研究院蔡林涛研究员团队和南昌大学陈廷涛研究员课题组合作在Cell 旗下知名刊物Cell Reports上线发表了题为“T cell cascade regulation initiating systemic antitumor immunity through living drug factory of anti-PD-1/IL-12 engineered probiotics”的研究成果。该研究介绍了一种纳米工程益生菌“活药物工厂”，它能够在体内持续生物合成anti-PD-1抗体以缓解T细胞免疫抑制，同时能肿瘤微环境响应释放IL-12激动剂，有效促进T细胞的活化、增殖和浸润，从而为免疫检查点阻断提供了充足的免疫靶点（激活阈值），并通过对T细胞的“松刹车＋踩油门”实现其对肿瘤微环境的免疫级联调控与精准高效治疗。文章上线截图原文链接：https://doi.org/10.1016/j.celrep.2024.114086研究发现，纳米工程益生菌通过IL-12纳米激动剂显著促进T细胞的浸润、增殖和活化，并激活足够的效应T细胞靶点以增强anti-PD-1抗体介导的ICB治疗。然而，这一策略触发了一系列缓解和激活分子事件，这些事件能够重新激活耗竭的T细胞，从而实现全身性抗肿瘤应答。更重要的是，IL-12介导的T细胞活化和增殖触发IFN-γ分泌，进而上调肿瘤细胞PD-L1的表达。针对这一矛盾问题，工程益生菌通过生物合成anti-PD-1显著减少了PD-1暴露，从而阻止上调的PD-L1通过与PD-1/PD-L1结合而发挥抑制活性，因此IL-12与anti-PD-1级联调控机制成功克服了实体瘤免疫逃逸与免疫抑制效应。此外，与商业化抗体相比，肿瘤靶向和定植的纳米工程益生菌可显著增加anti-PD-1 和 IL-12 的肿瘤局部积累，以高出 3 倍的根治率显著抑制肿瘤的生长和原位转移。单细胞质谱流式（CyTOF）分析结果发现，anti-PD-1/IL-12 能有效降低T细胞的PD-1暴露和CD25的表达级联促进T 细胞浸润和抗肿瘤活性，并以效应 CD8+ T 细胞依赖的方式根除了免疫难治型肿瘤。纳米工程益生菌“活药工厂”通过对 T 细胞级联调控恢复和激活了全身抗肿瘤免疫，并深入解析了免疫检查点封闭和细胞因子激活的免疫级联调控机制，实现效应T细胞从耗竭向免疫激活的范式转变。综上，这种基于生物“活药工厂”的靶向免疫治疗策略有效解决了ICB治疗的免疫响应率低、持续性差等关键科学难题，在未来肿瘤生物免疫治疗领域展现出巨大的临床应用潜力。中国科学院深圳先进技术研究院蔡林涛研究员、潘宏副研究员、郑明彬研究员与南昌大学陈廷涛研究员为论文通讯作者，廖健洪博士为论文第一作者，中国科学院深圳先进技术研究院为论文第一单位。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省重点领域研发计划、广东省自然科学基金、深圳市科技计划与深圳市医学研究专项等多个项目的大力支持与帮助。纳米工程益生菌“活药工厂”的免疫级联调控机制及其抗肿瘤治疗研究示意图

2024-04-11

西南喀斯特地区历史人类扰动及森林演变取得新进展

中国科学院亚热带农业生态研究所环江喀斯特生态系统观测研究站王克林研究员团队在我国西南喀斯特地区历史人类扰动及森林演变方面取得重要进展，相关研究成果近期以“Maize Cultivation Three Hundred Years Ago Triggered Severe Rocky Desertification in Southwest China”为题发表在国际地学领域知名期刊Earth’s Future上。中国科学院亚热带农业生态研究所环江喀斯特生态系统观测研究站王克林研究员团队在我国西南喀斯特地区历史人类扰动及森林演变方面取得重要进展，相关研究成果近期以Maize Cultivation Three Hundred Years Ago Triggered Severe Rocky Desertification in Southwest China为题发表在国际地学领域知名期刊Earth’s Future上。以造林为核心的森林景观恢复（Forest Landscape Restoration）是“波恩挑战”和“联合国生态系统恢复十年”等国际生态恢复计划的共同目标，但造林并不等于恢复，以树为核心的恢复可能会导致错位修复、甚至原有完整生态系统的破坏。大规模生态保护与修复下，我国西南喀斯特地区已成为全球 “变绿”的热点区之一，但可溶性碳酸盐岩脆弱地质背景制约“变绿”的可持续性，过去20多年大规模人工造林与自然封育下，依然存在部分喀斯特地区难以自然恢复成森林景观、造林也难以成林。了解历史时期区域植被变化和石漠化历史是回答当前及未来喀斯特地区造林可持续性和潜力的关键。据史料记载，历史时期、特别是明清时期，喀斯特地区已有人为毁林与开垦导致的石漠化发生，但以往关于喀斯特区历史时期石漠化和人类活动的研究主要借鉴历史文献记载，缺乏有效的科学实证。针对上述问题，王克林团队岳跃民研究员依托环江喀斯特生态系统观测研究站，初步开展了历史时期喀斯特区人类活动影响及森林演变工作。建立了基于喀斯特洼地沉积物测年的历史人类扰动识别方法，百年尺度利用137Cs和210Pbex定年，历史时期定年主要依据炭屑14C，首次在典型喀斯特洼地的沉积物开展孢粉学分析，并结合历史文献记载、当地调查，重建了过去三百年以来喀斯特地区“林——毁林——零星造林”的三个主要阶段：在1780年之前，针、阔叶树孢粉浓度很高，意味着当前石漠化区在历史时期可能曾经覆盖茂密的针阔混交林；1780年后以玉米花粉和先锋物种芒萁孢子的同时出现标志着生态环境的显著变化；自20世纪30年代起，该地区存在零星造林，以针叶树柏科/杉科花粉数量突增为主要特征。研究表明玉米引种、人口增长和移民，加速了山地开垦和森林砍伐，导致历史时期石漠化的发生，也是当前部分喀斯特区难以自然恢复成森林景观的重要原因，高强度人类扰动后的喀斯特区植被修复需要权衡林或非林。本研究作为地质背景制约的喀斯特区历史人类活动影响识别及森林演变的开创性工作，明确了部分喀斯特地区短期内难成林，为喀斯特区生态恢复基线确定及精准还林还草提供了重要科学依据。该研究得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目及广西重点研发计划项目等资助。论文链接图1 喀斯特洼地孢粉分析与参考定年数据图2 过去300年以来喀斯特森林演变特征（A）和广西森林面积变化（B）

2024-04-07

中国科学院广州健康院合作发布国内首个单药使用的新冠病毒主要蛋白酶抑制剂RAY1216

的临床前研究结果

新冠病毒具有较强的免疫逃逸能力，小分子药物是抗击新冠感染的选择之一。来瑞特韦片(Leritrelvir，研究代号：RAY1216)是国内首款无需联用利托那韦靶向新冠病毒主要蛋白酶（Main protease，Mpro）的小分子化学药物，中国科学院广州生物医药与健康研究院合作对该药物抗病毒机制、抗病毒活性及药代性质进行多角度、全方位研究，揭示其多方面亮点。新冠病毒具有较强的免疫逃逸能力，小分子药物是抗击新冠感染的选择之一。来瑞特韦片(Leritrelvir，研究代号：RAY1216)是国内首款无需联用利托那韦靶向新冠病毒主要蛋白酶（Main protease，Mpro）的小分子化学药物，中国科学院广州生物医药与健康研究院合作对该药物抗病毒机制、抗病毒活性及药代性质进行多角度、全方位研究，揭示其多方面亮点。研究成果以“Preclinical evaluation of the SARS-CoV-2 Mpro inhibitorRAY1216with improved pharmacokinetics compared to nirmatrelvir”为题发表在学术期刊Nature Microbiology（《自然-微生物学》）。研究揭示RAY1216在体内外的抗病毒实验中表现出与辉瑞奈玛特韦（Nirmatrelvir (PF-07321332)相当水平的抗病毒药效。RAY1216对SARS-CoV-2多种变异株均显示出良好的抗病毒活性，半数效应剂量（EC50）均处于纳摩尔级别，能够有效抑制多种新冠变异株在Vero E6细胞中的增殖复制，显著降低病毒滴度水平。在K18-hACE2转基因小鼠模型中，来瑞特韦的治疗不仅有效地提高感染小鼠的生存保护率，也显著降低了其肺部病毒载量，减缓了由病毒感染导致的体重减轻，改善了感染肺损伤病理变化的表征。研究还利用复制子方法验证了RAY1216对于目前对PF-07321332强耐药的主蛋白酶突变体L50F+E166V仍然保持一定的抑制作用（EC50=233±4 nM）。研究团队还在大鼠和小鼠模型上进行了来瑞特韦的药代动力学测试，在口服灌注或注射且不联用利托纳韦的情况下，实验结果证明RAY1216具有优秀的药代动力学性质。RAY1216在体内的药物血浆暴露量高于对照药物PF-07321332，体内清除率低，代谢半衰期长，其优秀的药代动力学性质表现为其在临床上的单药使用提供了有力的科学证据。研究在原子结构和化学动力学上明确了RAY1216抑制主蛋白酶的机制。团队通过酶活抑制动力学分析测得RAY1216对SARS-CoV-2的主蛋白酶的抑制常数（Ki）为8.4 纳摩尔，药物在靶点的停留时间至少为104分钟，远长于辉瑞PF-07321332的9分钟。研究解析了RAY1216-主蛋白酶复合物的晶体结构，确证了RAY1216的酮酰胺弹头以共价方式结合在主蛋白酶催化位点145位的半胱氨酸上。相对于辉瑞PF-07321332，RAY1216与主蛋白酶的相互作用更多，抑制复合物更加稳定，使得其靶点停留时间更长，抑制更彻底。这些数据充分解释了RAY1216的抗病毒功能。建立在以上临床前的研究数据，RAY1216完成了1-3期临床试验，在2023年3月获批以单药来瑞特韦片（商品名：乐睿灵）上市用于新冠感染的治疗。论文通讯作者是广州医科大学附属第一医院、广州呼吸健康研究院、呼吸疾病全国重点实验室、国家呼吸系统疾病临床医学研究中心、广州实验室钟南山院士和杨子峰教授，中国科学院广州健康院熊晓犁研究员等。广东众生睿创生物科技有限公司、中山大学药学院（深圳）陈小新博士，广州医科大学附属第一医院与中国科学院广州健康院联合培养硕士生黄晓东、广州医科大学附属第一医院马钦海副研究员，美国麻省BioKin公司Petr Kuzmič博士为论文的第一作者。研究获得广州实验室陈新文研究员与陈继征研究员团队，中国科学院广州健康院刘劲松研究员与许永研究员团队等大力合作支持。该研究成果得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省自然科学基金等项目的资助。研究的蛋白结构数据在上海光源BL19U1和BL10U2线站获得，线站为蛋白晶体衍射数据的收集提供了大力的支持。论文链接来瑞特韦的作用机制、抗病毒效果及药代动力学研究数据

2024-04-03

华南植物园揭示酸化森林土壤有机碳累积机制

我国南方森林土壤贡献了全国森林土壤有机碳的50%以上，而且森林土壤固碳仍然在持续的增加。深度发育的热带亚热带森林土壤已严重酸化，基于物质输入输出平衡原理，酸化的土壤因Al3+聚集产生铝毒使输入土壤有机质减少。然而前期研究表明其作为碳汇林的生态功能尚在，但目前关于深度酸化的森林土壤还在持续积累有机碳的机理不清楚。中国科学院华南植物园生态中心俞梦笑在闫俊华和王应平研究员的共同指导下，依托鼎湖山站长期模拟酸添加控制实验平台，对酸添加处理下季风常绿阔叶林土壤有机碳累积及固存机制开展研究。研究发现，从碳组分看，长期酸添加显著促进土壤颗粒有机碳（POC）和矿质结合碳（MAOC）的累积；从碳的来源看，长期酸添加下微生物残体碳累积降低，而植物源的木质素酚显著增加。进一步分析发现，酸添加带来的土壤木质素酚的增加和土壤微生物分解抑制促进了POC的累积，而MAOC的累积则主要归因于铁铝氧化物和金属阳离子的有机矿质保护作用。该研究结果表明随着土壤酸化，土壤矿质保护作用与植物源碳的持续输入提高了土壤有机碳的固存与稳定。本研究强调了森林土壤酸化促进了矿质保护机制和植物源碳的累积。该发现从机理上支撑了深度酸化森林土壤持续固碳增汇的功能。相关研究成果已近期在线发表在国际学术期刊Plant and Soil（《植物与土壤》）上。中国科学院华南植物园俞梦笑为论文第一作者，闫俊华研究员为通讯作者。该研究得到国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金等项目的资助。论文链接：https://doi.org/10.1007/s11104-024-06608-8图1. 酸添加下土壤有机碳累积框架图

2024-04-02

华南植物园发现鼎湖山大样地以不同角度解释生态位分化

经典生态学理论认为，生态位分化是物种共存的条件。自然森林存在着明显的分层现象，森林群落的水平结构与垂直结构共同构成了群落结构，水平维度的生态位分化不足以解释物种多样性极高的热带和亚热带森林中植物物种共存机制。因此，有必要从垂直维度探索生态位分化的潜在机制。为此，近年来，中国科学院华南植物园生物多样性与生态安全研究组，基于鼎湖山大样地研究平台，借助林冠塔吊，开拓性地从多个角度探索了常绿阔叶林群落内的垂直生态位分化：①利用生理功能性状，发现森林物种在垂直维度上表现出多层次的性状变异，证实了群落中垂直生态位分化的普遍存在（成果发表于Forests，冯嘉谊博士为第一作者，练琚愉研究员为通讯作者）；②基于个体水平的植物功能性状分析，发现叶片功能性状和个体大小的种内差异是影响树种垂直分层和生境适应的重要因素，证实了生态策略的垂直效应（成果发表于Functional Ecology，宾粤博士为第一作者，练琚愉研究员为通讯作者）；③结合优势树种不同垂直高度的叶片性状和光谱特征，拓展了树种分类的研究模式，强调了垂直维度在森林群落研究中的重要性（成果发表于Remote Sensing，练琚愉研究员为论文的共同作者，合作者为广州大学的吴志峰教授和俞方圆副教授）。最近，以个体树高值来表征垂直维度，发现种内功能性状与树高的相关性存在种间差异，说明不同物种生活史策略的差异是垂直生态位分化的重要因素之一；在分析中纳入种内差异会增强功能性状和植物生长的相关性。相关研究成果已近期发表在国际生态学经典期刊Journal of Ecology（《生态学报》）上。宾粤博士为论文第一作者，练琚愉研究员为论文通讯作者。相关研究得到了国家自然科学基金项目和中国科学院战略性先导科技专项的支持。研究从理论上验证了森林树种垂直生态位的存在，并强调了垂直生态位分化对阐明亚热带森林树种共存机制的重要性。论文链接：https://doi.org/10.3390/f13101548（Feng et al. Forests,2022）https://doi.org/10.1111/1365-2435.14003（Bin et al. Functional Ecology,2022）https://doi.org/10.3390/rs14246227（Zhang et al. Remote Sensing,2022）https://doi.org/10.1111/1365-2745.14281（Bin et al. Journal of Ecology,2024）图1. 鼎湖山林冠塔吊图2. 森林物种胸径（a，b）和生物量生长（c，d）与比叶重（LMA）和光合作用投资（PI）的关系。

2024-04-02

痕量铝影响海洋浮游植物叶绿素合成与固碳新认知：铁铝假说研究获新进展

近日，中国科学院南海海洋研究所热带海洋生物资源与生态重点实验室（LMB）研究团队联合多家单位在痕量铝影响海洋碳循环与气候变化研究中取得新进展。相关成果以“Promoting effects of aluminum addition on chlorophyll biosynthesis and growth of two cultured iron-limited marine diatoms”为标题发表在《湖沼与海洋》（Limnology and Oceanography）上，研究员谭烨辉和副研究员周林滨为论文共同通讯作者。铝是地壳中含量最高的金属元素，普遍存在于各种环境与生物体中。然而，目前尚未发现铝具有确切的生物学功能，这是一个长期未解之谜。铝在淡水和土壤中的浓度可达mmol/L，相比较而言，海水中溶解铝的浓度则要低几个数量级，常处于痕量水平。南海海洋所研究团队从十多年前开始关注铝添加对海洋浮游植物生长的影响，开展了一系列现场和室内实验研究，发现痕量铝添加可促进海洋浮游植物固碳，增强生源碳向深海输出、埋藏封存，从而影响海洋碳汇效能，进而调节气候变化。有证据表明，过去80万年，通过沙尘沉降输入到南大洋的铝与铁通量与冰期-间冰期气候回旋存在密切关联。通常认为，南大洋浮游植物生长受铁限制，铁输入的变动被认为是调节碳汇与气候变化的关键因子。研究团队的工作则发现，铝与铁协同作用，很可能是南大洋等海域碳输出、埋藏的关键，因而提出了“铁铝假说”，指出铝与铁一样，可能是调控海洋碳循环和碳汇形成的关键因子，在冰期-间冰期气候变化过程发挥重要作用（图1）。图1 铁铝假说示意图。引自（周林滨等,2023）。自然铁施肥过程如(但不限于)沙尘气溶胶沉降不仅向海洋输入铁(Fe)还带来铝(Al)。Al一方面提高海洋浮游植物利用溶解有机磷(DOP)、Fe和N2(固氮)效率，增加上层海洋固碳；另一方面降低生源碳分解速率，提高碳向深海输出、封存，增强海洋碳汇能力，从而影响气候变化，在地球历史时期和现代气候变化过程中发挥着重要作用自2018年提出“铁铝假说”以来，研究团队持续探索求证，不断完善假说的理论详释。通过放射性碳同位素示踪方法，证实痕量铝添加显著提高硅藻净固碳量，降低颗粒有机碳分解速率，为铝调控海洋碳输出与封存的观点提供了关键证据（Zhou et al. 2021）。相关研究成果2021年也发表在《湖沼与海洋》上，获得广泛关注和评论报道，文章的Altmetric指数达到119，2023年入选国际湖沼与海洋学学会（ASLO）期刊2020–2021年15篇高影响力优秀论文。同年，团队成员受邀出席2023水科学大会（Aquatic Sciences Meeting）“高影响论文作者专题”，报告铁铝假说相关研究成果。近日（3月19日），该论文被收录进入ASLO推出的最新一期题为“作者聚焦：来自ASLO期刊的高影响力作者”的虚拟专辑，进一步肯定了相关工作对研究领域的贡献。根据铁铝假说，研究团队提出“海洋铝施肥”观点，认为这有可能发展成为潜在高效的负排放技术与方法，并预测南大洋等受铁限制的高营养盐低叶绿素（HNLC）海域是开展铝施肥及铁铝同时施肥的理想区域（周林滨等,2023）。然而，在大规模现场施肥实验之前，仍需要在不同时空尺度上检验海洋铝施肥的效能及其潜在环境影响。痕量铝添加如何影响铁限制浮游植物，尤其硅藻的生长，是需要解答的关键问题之一。为此，研究团队联合德国赫姆霍兹基尔海洋研究中心（GEOMAR）、英国帝国理工学院、加拿大国立科学研究院（INRS）等多家单位，采用痕量金属洁净培养技术、55Fe同位素示踪方法，开展了多项实验，发现痕量铝添加可以显著提高受铁限制硅藻的叶绿素合成速率、光合效率和生长率（图2）。这一研究揭示了痕量铝有益于铁限制海洋硅藻叶绿素合成的新现象，为铁铝假说提供了新证据，也为在南大洋等铁限制海域开展海洋铝施肥负排放技术研究提供了重要基础。图2 痕量铝添加对铁限制与铁充足条件下威氏海链藻（T. weissflogii）和假微型海链藻（T. pseudonana）叶绿素合成与生长的影响本研究得到了广东省自然科学基金、国家留学基金、南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）人才团队引进重大专项、南海海洋所自主部署项目等资助。相关论文信息：Linbin Zhou,Fengjie Liu,Eric P. Achterberg,Anja Engel,Peter G.C. Campbell,Claude Fortin,Liangmin Huang,Yehui Tan. 2024. Promoting effects of aluminum addition on chlorophyll biosynthesis and growth of two cultured iron-limited marine diatoms. Limnology and Oceanography,doi: 10.1002/lno.12558.周林滨,黄良民,谭烨辉. 2023. 铁铝假说与海洋铝施肥增汇潜力展望. 热带海洋学报42(3):1-18.Linbin Zhou,Fengjie Liu,Qingxia Liu,Claude Fortin,Yehui Tan,Liangmin Huang,Peter G. C. Campbell. 2021. Aluminum increases net carbon fixation by marine diatoms and decreases their decomposition: Evidence for the iron–aluminum hypothesis. Limnology and Oceanography 66(7):2712-2727.

2024-04-02

华南植物园揭示森林木质部春季物候对温度波动的响应

基于卫星遥感技术的发展，我们在树木初级生长（开花、展叶和发芽等）对气候变化的响应方面取得了一系列突破性进展。但由于树木木质部物候的监测数据十分稀少，学界较少关注树木木质部物候的变化，这阻碍了对森林大空间尺度碳收支的评估和预测。而且近年来逐渐有报道指出虽然全球植被绿度、叶子面积以及CO2吸收量显著增大，但木质部的生长量并没有相应的增加。目前全球范围内极端气候频发、温度波动大，但木质部物候对温度波动的响应在大尺度范围内的研究尚属空白。目前主要通过微树芯（Microcoring）方法监测树木木质部物候，但微树芯方法及其随后的实验室处理过程相当耗时耗力。为此，我们与全世界使用该方法的45位研究者合作，得到了一个覆盖北半球（23-66°N）且横跨寒带、温带、地中海和亚热带75个研究样地的20个针叶树种的木质部物候监测大数据集。我们发现随着温度波动的增大，木质部春季物候存在趋同现象，即木质部细胞倾向于在一年中的6月5号开始增大，而在夏至日开始细胞壁增厚（图1）。值得一提的是，中国24节气之一的芒种大约在6月5号，自这天起，北半球大部分地区雨水开始增多，木质部细胞增大需要充足的水分产生膨胀压力。细胞壁增厚更依赖于光合产物，而夏至日这天是全年中光照最强的时候从而有利于光合作用。因此，我们认为在温度波动大，也就是外部环境不可预测的时候，树木倾向于选择一种相对保守的生长策略，即只在能确保充足水分和光照的确定时间节点开始启动木质部生长。基于这一结果，值得我们思考的是在未来全球变暖的同时，极端温度频发的话，树木是会响应变暖而使春季物候提前，还是在确定的6月5号和夏至日分别开始细胞增大和细胞壁加厚？如果是后者的话，在温度波动大的地区森林响应气候变暖的程度可能不如我们期待的大，而且物候趋同会增加树木对水分、养分等资源的竞争，进而影响森林结构和生产力等。相关研究成果已近期发表在国际学术期刊Current Biology（《当代生物学》）上。中国科学院华南植物园张亚玲副研究员为论文的第一作者，浙江大学生命科学学院黄建国教授为论文的通讯作者。该项目受到国家自然科学基金等项目资助。论文链接：https://authors.elsevier.com/c/1iYl~3QW8S6DM9图1. 随着温度波动(PTV)增大木质部细胞倾向于在一年中的6月5号开始增大(A)，而在夏至日开始细胞壁增厚(B)

2024-04-01