科研进展--中国科学院广州分院

随着工业化和农业活动的持续扩张，重金属镉和铅对水体和土壤的污染已演变为一项严峻的全球性环境挑战。这些有毒金属不仅具有环境持久性和高生物毒性，更易通过食物链富集，严重威胁生态系统稳定与农产品安全。在众多绿色、可持续的原位生物修复技术中，微生物诱导碳酸盐沉淀技术（MICP）因其环境友好、成本相对较低且能实现长效稳定等优势而备受关注。由于实际污染场地中镉、铅等重金属往往同时存在，它们之间可能产生协同、拮抗或竞争抑制等复杂的交互作用，这些相互作用会深刻影响微生物的活性、矿化效率以及最终修复效果的稳定性。若忽视这一复杂情境，仅基于单一污染体系优化的技术在实际应用中难免会“水土不服”。因此，深入探索MICP技术在镉-铅复合污染条件下的作用效率与微观机制，对于精准治理复杂污染场地具有至关重要的现实意义。该研究从粤北典型污染土壤中成功筛选出两种本地矿化细菌——巴氏芽孢杆菌和蜡样芽孢杆菌，并与商业菌株进行了系统性对比。研究结果表明，在低浓度污染条件下（镉0.5-4.0 mg/L，铅100-200 mg/L），这两种本土菌株对镉和铅的固定化效率均超过了98%，表现极为高效。即使在较高浓度（如镉8 mg/L）下，本土巴氏芽孢杆菌仍能保持96%的固化效率，展现出卓越的耐受性。在镉铅复合污染的环境中，金属之间存在竞争抑制现象。铅由于其更强的结合亲和力，往往在固定化过程中占据主导地位。矿化细菌诱导形成了富含镉或铅的碳酸盐矿物沉淀，这是固化重金属的关键机制。从污染地本土筛选的菌株比外源商业菌株具有更强的环境适应性和重金属固化能力，它们能更快地启动矿化过程，形成更稳定的矿物结构，为原位生物修复提供了优越的“种子”资源。这项工作不仅从机理上深化了我们对微生物矿化过程的理解，更重要的是，它为实际修复重金属污染的水体和土壤提供了一种高效、低成本且环境友好的解决方案。相关研究成果近期以“The Role of Mineralization Bacteria in the Immobilization of Cadmium and Lead in Aqueous Solutions“为题发表在国际环境领域权威期刊Journal of Hazardous Materials（《有害物质杂志》）（IF5-years=12.4）上。与此同时，科研团队同步证实了从污染土壤提取的本土矿化菌对实际镉铅复合污染农田土壤具有高效的修复效果，此成果发表于中文核心期刊《生态与农村环境学报》上。中国科学院华南植物园博士后Ismail Khan和硕士研究员尚丽分别为第一作者，庄萍副研究员为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金和广东省自然科学基金等项目的支持。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2025.140187https://doi.org/10.19741/j.issn.1673-4831.2025.0559图1. 矿化菌通过生物矿化“捕获”水中重金属图2. 本土矿化菌菌株的驯化过程和最佳培养条件筛选

2025-10-28

华南植物园揭示热带珊瑚岛生态恢复的微生物途径-真菌“打头阵”，细菌“稳后方”

热带珊瑚岛生态系统相对独立且封闭，生境条件严酷，常受高温、强光、高盐、季节性干旱等气候因素影响，加之生物种类较为单一，系统结构简单，自我调节能力弱，稳定性较差。人工植被构建往往难以持久维持，易发生退化，植被恢复与生态功能提升面临严峻挑战。因此，如何有效保障该类生态系统的稳定与健康，促进具有自维持能力的近自然植物群落的构建与恢复，已成为推进我国海洋生态文明建设、维护海岛生态安全中亟待突破的关键科学和技术问题。中国科学院华南植物园恢复生态学团队基于我国热带珊瑚岛的植被长期观测样地，选取了草坪、防风固沙林、防护林、公共绿地和行道树五种典型人工植被，并以原生植被作为生态恢复的参照，综合利用高通量测序、磷脂脂肪酸图谱及共现网络模型等技术，系统追踪了植被恢复早期土壤微生物群落与土壤理化性质的动态变化。图1. 热带珊瑚岛不同类型人工植被土壤微生物生物量、土壤理化性质（平均值 ± 标准误）、养分限制情况和微生物群落结构（PCoA）与原生植被较。NF：原始林；GL：草坪；WBSF：防风固沙林；SB：防风林；PGS：公共绿地；RT：行道树。不同小写字母代表不同植被类型间差异显著。研究显示，尽管人工植被的构建显著改善了土壤环境与养分条件，但在恢复早期（<2年），其土壤肥力、微生物生物量、酶活性及生物多样性等关键指标仍明显落后于原生植被。不同人工植被类型的恢复效率存在明显差异：草地和行道树区域因实施灌溉、施肥等精细化管理，生态恢复速度显著优于防风固沙林和防护林等类型。图2. 热带珊瑚岛不同类型人工植被土壤微生物共现网络与原始林的比较。NF：原始林；GL：草坪；WBSF：防风固沙林；SB：防风林；PGS：公共绿地；RT：行道树。该研究的一个重要突破，在于首次揭示了土壤微生物在热带珊瑚岛生态恢复过程中存在“分工协作”的规律：恢复初期，土壤真菌作为“先锋部队”，凭借其耐旱、耐盐特性高效分解难降解有机质，为植物定植创造条件，并在稳定微生物网络结构中发挥核心作用；随着恢复进程的推进，土壤细菌生物量逐渐增加，成为共现网络中的“模块枢纽”，通过促进碳、氮、磷等元素循环，承担起维持生态系统长期功能与稳定性的“主力军”角色。此外，研究还发现，无论是人工植被还是原生植被，土壤微生物均受到碳、磷养分的协同限制，表明养分供给不足是制约微生物活性及生态恢复效率的关键瓶颈。图3. 热带珊瑚岛人工植被向原生植被恢复过程中土壤微生物、土壤理化性质、养分限制情况及微生物网络关键物种动态变化概念图。基于研究结果，研究团队提出针对性优化策略：植被构建初期可接种耐盐真菌菌剂，加速难分解碳的转化，“抢抓”恢复时间；恢复后期，可采取“少量多次”方式补充易分解碳源，促进细菌功能群落的建立；同时应结合热带珊瑚岛土壤高钙低磷的特点，配施低剂量磷肥，精准缓解“碳磷双限制”，全面提升恢复效率。建议未来开展更长周期的监测，评估不同恢复模式的可持续性，不断完善热带珊瑚岛生态恢复技术体系，为我国海岛生态安全及全球脆弱生态系统的恢复实践提供科学依据。相关研究成果近期发表在Soil Ecology Letters（《土壤生态学快报》）上，华南植物园恢复生态学团队吴文佳助理研究员为论文第一作者，刘占锋研究员为通讯作者，研究得到了国家重点研发计划、国家自然基金和广东省自然基金等项目资助。论文链接：https://doi.org/10.1007/s42832-025-0370-7

2025-10-28

亚热带生态所 | 三峡大坝运行后入湖口和出水口水文条件对洞庭湖湿地植被格局影响取得新进展

在全球气候变化与人类活动影响的背景下，河湖生态系统的水文节律与洪泛湿地植被格局正经历深刻变化，引发了湖泊水资源减少、河湖连通性减弱、湿地植被退化等问题。通江湖泊主要通过入水口与出水口调节河湖间的水量交换，对维系区域生态平衡具有关键作用。在全球气候变化与人类活动影响的背景下，河湖生态系统的水文节律与洪泛湿地植被格局正经历深刻变化，引发了湖泊水资源减少、河湖连通性减弱、湿地植被退化等问题。通江湖泊主要通过入水口与出水口调节河湖间的水量交换，对维系区域生态平衡具有关键作用。三峡大坝作为世界上最大的水利工程，自2003年蓄水以来，显著改变了长江中下游的水文环境，尤其对下游通江湖泊洞庭湖的水文情势和植被格局产生了巨大影响。尽管之前有研究关注水文变化与植被响应，但大坝运行如何通过改变湖泊入水口与出水口的水文条件，进而驱动植被格局演变的机制尚不明确。针对这一科学问题，中国科学院亚热带农业生态研究所谢永宏研究员团队基于长期水文观测数据、遥感影像解译和MIKE 21水动力模型模拟，对比分析了三峡大坝运行前后洞庭湖淹水格局与植被格局的时空演变特征，并通过设置多种水文情景，首次量化了湖泊入水口与出水口水文条件对植被变化的贡献。结果表明：（1）三峡大坝运行后，三口年均径流和城陵矶年均水位均显著下降，且两者的年内变化特征在大坝运行前后存在差异，其中7-12月较大坝运行前减少，而1-3月增加；（2）洞庭湖平均淹水时间减少9天，平均淹水深度降低0.25米，其中东洞庭湖变化最为显著；（3）植被面积扩大并向湖心移动，其中芦苇面积增加且分布高程明显下移，挤占苔草空间；（4）苔草和芦苇适宜的淹水时间分别为132–240天和110–186天，表明芦苇在水位减少条件下竞争优势更强；（5）城陵矶出水口水位下降是洞庭湖植被演替的主要驱动因素，对比三口四水，城陵矶水文条件对苔草和芦苇最适宜生长面积的贡献分别为79.26 %和66.62 %。上述结果以Dominant Hydrological Drivers of Vegetation Pattern Changes in a River-Connected Lake after Dam Construction: Outlet or Inlet?为题近期发表在Ecological Indicators上，研究得到湖南省-基金委区域创新联合基金重点项目、湖南省创新生态建设计划科技合作项目和湖南省科技创新平台计划项目等资助。论文链接

2025-10-27

亚热带生态所 | 喀斯特富钙基岩生境重塑森林物种多样性纬度格局取得进展

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陈洪松研究员团队在喀斯特富钙镁基岩–土壤环境重塑森林物种多样性纬度格局的机制方面取得新进展。相关成果以Contrasting Latitudinal Diversity Gradients in Karst and Non-Karst Forests: Evidence for Bedrock-Driven Modulationx为题，发表于国际生态学经典期刊Diversity and Distributions。聂云鹏、陈洪松研究员为通讯作者，博士生黄丽为第一作者。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陈洪松研究员团队在喀斯特富钙镁基岩–土壤环境重塑森林物种多样性纬度格局的机制方面取得新进展。相关成果以Contrasting Latitudinal Diversity Gradients in Karst and Non-Karst Forests: Evidence for Bedrock-Driven Modulationx为题，发表于国际生态学经典期刊Diversity and Distributions。聂云鹏、陈洪松研究员为通讯作者，博士生黄丽为第一作者。物种多样性沿纬度梯度递减（Latitudinal Diversity Gradient ，LDG）是生态学和生物地理学中最为经典的规律之一。传统观点认为，低纬度地区温暖湿润的气候条件能支撑更高的物种多样性，而高纬度地区气候限制导致多样性降低。然而，近年来研究表明，气候并非唯一决定因素，基岩通过影响土壤形成与养分供给深刻塑造植物群落结构及其生长状况。喀斯特地区由富含钙、镁的碳酸盐岩组成，岩石易溶、土壤浅薄，水分与养分匮乏，与邻近的非喀斯特地区形成鲜明对比。这类由基岩驱动的土壤环境是否以及如何改变森林群落物种多样性及其纬度格局，仍是未解的重要科学问题。针对这一科学问题，研究团队在中国西南跨越约10°纬度的亚热带森林样带上，设置了60个喀斯特与非喀斯特平行样地，记录了654种木本植物共17740个个体，系统解析了气候和基岩-土壤环境对森林多样性的协同影响机制。结果显示，（1）喀斯特与非喀斯特森林的基岩–土壤环境存在显著差异：喀斯特森林的基岩SiO₂含量和土壤厚度显著较低，而土壤中钙、镁等元素含量更高。沿纬度梯度变化时，这种富钙贫硅的基岩-土壤环境使喀斯特森林的物种多样性呈现出与传统模式相反的变化趋势，即越往高纬度，物种越多、群落越复杂；（2）结构方程模型分析进一步揭示，气候对物种多样性的正向作用被喀斯特高钙镁、浅土层环境的负向作用所抵消甚至逆转，导致物种多样性“逆纬度梯度格局”的出现；（3）喀斯特森林的物种与系统发育多样性和基岩SiO₂含量、土壤厚度及钙镁含量紧密耦合，说明地质环境通过影响土壤化学组成和水分养分供给，深刻塑造了森林群落的多样性格局。该研究从地质-土壤-植物耦合视角系统解释了地质多样性如何改变传统的生物多样性分布规律，为理解岩性差异在全球生态格局形成中的作用提供了新证据。研究成果提示，在未来的生物多样性保护和生态恢复规划中，应将地质多样性纳入生态管理框架，以更科学地维护生态系统的稳定与功能。论文链接样带位置示意图与喀斯特和非喀斯特森林群落物种多样性的纬度格局气候因子和基岩-土壤环境对物种多样性的影响机制

2025-10-27

广州能源所联合北京工业大学等单位在Nature发表论文

近日，广州能源所袁浩然研究员团队联合北京工业大学吴玉锋教授团队、井冈山大学罗旭彪教授、北京师范大学黄国和教授等多家科企单位在顶级学术期刊Nature上发表重要研究成果。该研究针对锂电池行业面临资源稀缺性、技术快速变革等独特挑战，开发了锂循环可计算一般均衡（LCCGE）模型，首次实现了自下而上的生命周期分析与自上而下的经济建模方法的弥合，为全球锂离子电池供应链中的“价值-排放悖论”提供了量化依据。近日，广州能源所袁浩然研究员团队联合北京工业大学吴玉锋教授团队、井冈山大学罗旭彪教授、北京师范大学黄国和教授等多家科企单位在顶级学术期刊Nature上发表重要研究成果。该研究针对锂电池行业面临资源稀缺性、技术快速变革等独特挑战，开发了锂循环可计算一般均衡（LCCGE）模型，首次实现了自下而上的生命周期分析与自上而下的经济建模方法的弥合，为全球锂离子电池供应链中的“价值-排放悖论”提供了量化依据。锂离子电池作为能源转型和交通电气化的核心技术，电池制造以及循环利用对实现净零排放目标至关重要。然而，锂离子电池供应涉及多个国家，从澳大利亚和智利矿物开采到中国、韩国和欧盟金属精炼最终到全球市场电池组装，在全球形成了复杂的经济和法规网络，极大限制了关键金属矿物的采购。迫在眉睫的矿产短缺中，先进的回收退役锂离子电池技术极大地提高了工业效率并减少供应链的碳足迹，而设计电极材料生产和新兴回收行业之间关键的系统性碳减排动态路径联系经常丢失。现有研究多聚焦于特定的回收阶段或部分经济系统，缺乏对政策调整、贸易动态和技术创新之间复杂的系统性分析，亟需一种能够捕获锂离子电池回收过程级细节与宏观经济模型动态联系的综合性战略框架，以制定全面且可持续的电池供应链深度脱碳策略。鉴于此，该研究开发的LCCGE模型首次将生命周期评价的微观技术细节与可计算一般均衡模型的宏观经济动态相结合，从而能够精准模拟不同政策、技术及贸易策略对全球供应链经济效益与环境足迹的连锁效应。“价值-排放悖论”表明附加值较低的采矿环节，以18.78%的经济价值贡献，产生了38.52%的碳排放；附加值较高的正极材料生产环节，以34.82%的排放，创造了42.56%的经济价值。这一结构性失衡表明，产业链脱碳的关键在于制造环节的重点治理，并迫切需要发掘循环经济的减排潜力。通过对上千种复杂情景的系统性模拟研究，证实了单一的减排政策的效果相对有限且易引发“负担转移”等负面效应；并提出了一种实现产业深度脱碳的最优路径，即“全球协同+区域定制”的综合性战略框架。该框架建议各国在技术、贸易和环境政策上展开跨区域合作，同时根据自身在供应链中的角色量身定制各自的循环经济策略。研究提出的最优策略框架，为有效应对上述挑战提供了协同治理机制。在该策略下，预计到2060年全球锂电池供应链的平均排放强度可降低35.87%，其中中国的减排潜力可达42.35%，美国、欧盟的减排潜力也分别可达39.14%、37.28%。近年来，袁浩然研究员团队在新能源器件循环利用能力提升方面取得系列突破，此次成果标志着中国科学院广州能源研究所在新能源产业可持续发展研究领域迈入国际前沿，为全球退役锂离子电池供应链深度脱碳提供了科学蓝图。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09617-4全球锂电池供应链2018年—2022年累积经济产出与温室气体排放全球锂电池供应链未来经济产出与温室气体排放趋势预测不同循环利用情景下的区域和部门排放变化四种区域合作方案下的排放强度变化循环经济策略的系统性分析

2025-10-24

湖南省重大科技攻关“揭榜挂帅”制项目“洞庭湖总磷污染防治关键技术研究与示范”年度总结会召开

10月20日，湖南省重大科技攻关揭榜挂帅制项目洞庭湖总磷污染防治关键技术研究与示范年度总结会议在中国科学院亚热带农业生态研究所召开。10月20日，湖南省重大科技攻关“揭榜挂帅”制项目“洞庭湖总磷污染防治关键技术研究与示范”年度总结会议在中国科学院亚热带农业生态研究所召开。特邀嘉宾中国工程院院士印遇龙，技术专家组成员湖南农业大学陈光辉教授、北京大学周丰教授、中国科学院生态环境研究中心白志辉研究员、湖南省生态环境厅罗岳平研究员，项目牵头单位有关领导，课题负责人及项目参与单位代表等共30余人参加会议。会议由项目负责人谢永宏研究员主持。会上，谢永宏介绍了项目总体进展情况，各课题负责人逐一汇报了2025年度课题进展情况，技术专家组围绕汇报内容进行了质询和点评，并提出了针对性的改进建议。印遇龙指出，各课题应在后续工作中进一步优化研究方案的系统性设计，形成集成示范效应。例如将污染治理与水产养殖有机结合，构建“治理中生产，生产中治理”的一体化方案。谢永宏在总结中强调项目组要树立攻坚克难的信念，勇于探索创新路径，积极整合新技术与新方法，持续推动项目突破。该项目的实施，对洞庭湖水环境生态保护、湖区农业面源污染防控及绿色农业转型发展等具有重要现实意义。会议现场

2025-10-22

南海海洋所 | 研究揭示印度洋偶极子能够增强热带大西洋海洋热浪

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热带海气相互作用与极端气候变化研究团队在热带大西洋海洋热浪形成机制及其预测方面取得新进展。相关研究成果以“Positive Indian Ocean Dipole Intensifies Marine Heatwaves in the Tropical Southeast Atlantic Coastal Region”为题，发表在Science Advances期刊上。论文第一作者是南海海洋所博士研究生刘衡，研究员张磊为通讯作者。合作者还包括美国国家海洋和大气管理局（NOAA）研究员Michael McPhaden、科罗拉多大学教授Weiqing Han和河海大学硕士生李海禹。热带东南大西洋（TSEA）沿岸区域有着高生产力和丰富的渔业资源。然而，海洋极端高温事件，即海洋热浪，能够对近岸的海洋生态系统造成严重破坏，进而影响沿海居民生产生活与区域社会经济。因此，准确预测TSEA沿岸海洋热浪的发生，有助于提高极端事件的预警能力，从而降低风险与损失。然而，该区域海洋热浪的形成机制仍缺乏系统性的认识，对热浪的预测能力仍有待提升。印度洋偶极子（IOD）是热带印度洋的主要气候变率模态之一，其盛期发生在北半球秋季（南半球春季）。前人研究发现IOD达到峰值之后，可以通过大气遥相关过程调控热带大西洋海气耦合系统，造成热带大西洋海表温度升高，为海洋热浪的发生提供了有利条件。通过分析观测数据，团队发现正IOD事件能够造成南半球夏季TSEA沿岸海洋热浪发生概率提升至其他年份的6倍以上。正IOD事件通过两条路径影响TSEA沿岸海温并引发海洋热浪（图1）：一方面，正IOD引起赤道大西洋西风异常，激发海洋下沉开尔文波，波动传播至TSEA沿岸区域，并引起局地温跃层加深、海温升高，促进了海洋热浪的发生；另一方面，正IOD还可以引起非洲中部降水增多，从而增强刚果河入海的淡水径流，引起近岸海洋层结增强以及混合层变浅，进一步助推海温升高以及海洋热浪的发生。利用气候模式开展的印度洋起搏器试验结果也证实了IOD对TSEA沿岸区域海洋热浪的显著调控作用。研究团队基于上述过程建立了TSEA区域海洋热浪的经验预测模型，利用南半球春季IOD指数对夏季的海洋热浪进行预测。模型展现出较好的预测能力，提前3个月预测的月均海洋热浪天数与观测结果相关性达0.63。这一结果也表明IOD是调控TSEA海洋热浪的主要因子。该研究阐明了印度洋对热带东南大西洋沿岸海洋热浪的影响机制，深化了对于跨洋盆相互作用的认识，为该区域的海洋极端事件预警、提升气候预测与风险防范能力提供了理论依据。该研究获得国家自然科学基金创新研究团队项目、广东省基础与应用基础研究卓越青年团队项目等的联合资助。论文信息：Liu,H.,L. Zhang,M. J. McPhaden,W. Han,and H. Li,2025: Positive Indian Ocean Dipole intensifies marine heatwaves in the tropical southeast Atlantic coastal region. Sci. Adv.,11,eadx8525,https://doi.org/10.1126/sciadv.adx8525.原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adx8525图1 正的印度洋偶极子事件对热带东南大西洋沿岸海洋热浪远程影响示意图。海洋路径：正IOD事件引起的赤道大西洋西风异常激发海洋开尔文波，使TSEA沿岸海域的温跃层加深，海温升高，海洋热浪活动增强；陆地路径：正IOD事件发生使非洲中部降水增加，增强刚果河流量，从而导致TSEA沿海区域混合层变浅，有利于海温升高和海洋热浪发生。

2025-10-21

亚热带所 | 喀斯特富钙基岩风化提升土壤多功能机制取得进展

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喀斯特富钙基岩提升土壤多功能性的机制方面取得进展，相关研究成果近期以Calcium-rich parent materials enhance multiple soil functions and bacterial network complexity为题发表在Communications Earth & Environment，张伟、王克林研究员为论文通讯作者，胡培雷副研究员为第一作者。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喀斯特富钙基岩提升土壤多功能性的机制方面取得进展，相关研究成果近期以Calcium-rich parent materials enhance multiple soil functions and bacterial network complexity为题发表在Communications Earth & Environment，张伟、王克林研究员为论文通讯作者，胡培雷副研究员为第一作者。基岩作为关键带的下边界，深刻塑造着土壤性质与功能。一方面，基岩类型和风化通过矿物释放和养分供给影响土壤结构和养分来源；另一方面，基岩化学组成通过调节土壤理化环境，进而塑造微生物群落结构和功能，影响土壤固碳和养分固持等关键土壤功能。富钙基岩（或成土母质）在全球广泛分布，涵盖碳酸盐岩、硅酸盐岩（如富钙变质岩）等，具有多样的风化特征。其中，碳酸盐岩风化速率显著高于其它富钙基岩，可能在较短时间尺度上对土壤功能产生更强的调控作用。尽管已有研究揭示了喀斯特碳酸盐岩对特定土壤功能（如碳固定）的影响，但尚缺乏将基岩-微生物-土壤功能耦合的机制框架。本研究结合野外调查和室内微宇宙培养实验，系统探讨了富钙碳酸盐岩对土壤功能的影响及其微生物机制。野外调查以西南典型水热梯度样带为研究区，对比喀斯特（富钙碳酸盐岩）与非喀斯特（贫钙碎屑岩）土壤功能与微生物网络复杂性，揭示岩石钙含量与土壤功能之间的关联。为进一步验证碳酸盐岩对高钙土壤功能的持续效应，设计了在富钙土壤中添加碳酸盐岩粉末的微宇宙培养实验，检验碳酸盐岩风化是否仍能提升土壤功能潜力。结果表明：（1）喀斯特土壤有机碳、全氮和全磷含量分别比非喀斯特土壤高33%、58%和55%，但活性有机碳及与碳相关的水解酶活性较低，土壤持水能力差异不显著；（2）喀斯特土壤细菌网络复杂性显著高于非喀斯特土壤，且与多种土壤功能呈显著正相关；（3）碳酸盐岩发育的石灰土，其钙含量水平与基岩钙含量具有继承性特征，是促进土壤碳、氮、磷积累及微生物网络复杂性增强的主要驱动因子；（4）微宇宙培养实验证实，即使在高钙土壤中，添加碳酸盐岩粉末仍能在短期内促进土壤碳氮循环过程，并增强细菌网络复杂性。富钙碳酸盐岩提升土壤功能的作用机制主要体现在两个方面：一方面，岩石风化释放的钙不仅直接促进碳和养分在土壤中的积累，还通过增强细菌群落互作与代谢效率，提升土壤功能；另一方面，碳酸盐岩中伴有氮（来源于沉积岩特性）和磷灰石等矿物，较高的钙含量意味着更快的风化溶解速率，可同步释放更多氮、磷等养分，提升土壤功能。研究团队前期发表于Environmental Science & Technology (2024) 以及Soil Biology and Biochemistry (2023 ，2022) 的研究，揭示了喀斯特土壤通过强化微生物与矿物互作过程促进土壤有机碳积累。本研究进一步将基岩化学性质与微生物群落结构及土壤功能相结合，阐明了三者之间的内在关联，证实富钙碳酸盐岩在提升土壤多功能性与维持养分循环方面展现出显著的“超限效应”，有助于为喀斯特生态功能提升提供以岩石风化为核心的理论支撑。论文链接实验设计富钙碳酸盐岩风化提升土壤功能机制

2025-10-10

深圳先进院 | 揭示肺癌脑转移的驱动基因和克隆演化规律（Cell Reports）

转移是导致90%以上癌症病人治疗失败和死亡的原因。其中非小细胞肺癌（NSCLC）患者中约1/3会发生脑转移。与其他转移部位不同，脑转移需跨越血脑屏障，既影响肿瘤细胞的适应性，也限制治疗方案的选择。既往关于转移的基因组学研究，主要基于非配对原发和转移的肿瘤突变图谱比较。然而，这种研究策略难以鉴定原发灶中驱动转移的突变基因，同时难以解析转移的演化规律和适应性。因此，系统分析和比较同一病人的原发灶和多器官转移灶的基因组学，阐明转移器官趋向性的基因组学特征与演化规律，具有重要意义。转移是导致90%以上癌症病人治疗失败和死亡的原因。其中非小细胞肺癌（NSCLC）患者中约1/3会发生脑转移。与其他转移部位不同，脑转移需跨越血脑屏障，既影响肿瘤细胞的适应性，也限制治疗方案的选择。既往关于转移的基因组学研究，主要基于非配对原发和转移的肿瘤突变图谱比较。然而，这种研究策略难以鉴定原发灶中驱动转移的突变基因，同时难以解析转移的演化规律和适应性。因此，系统分析和比较同一病人的原发灶和多器官转移灶的基因组学，阐明转移器官趋向性的基因组学特征与演化规律，具有重要意义。近日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所胡政、广东省人民医院/广东省肺癌研究所钟文昭和中山大学肿瘤防治中心牟永告团队在Cell Reports在线发表题为“Deciphering genomic evolution of metastatic organotropism with 535 paired primary lung cancers and metastases”的研究论文。报道了对223例非小细胞肺癌基因组测序数据（共885个原发/转移配对肿瘤样品）的分析结果，揭示了不同转移部位的克隆起源、转移趋向性决定基因以及转移灶中观察到由杂合性丢失驱动的“早期驱动突变丢失”现象。首先，研究者通过整合团队自主数据和公共数据，构建了大规模的配对原发-转移全外显子组数据队列（图1），涵盖223个配对原发肿瘤、94个脑转移（BM）、39个远处颅外转移（ExM）和179个淋巴结转移（LNM）。结果显示，原发与配对转移灶的肿瘤驱动突变总体高度一致，但有趣的是，与未转移的早期原发肿瘤相比，肺癌脑转移配对的原发肿瘤中富集PTPRD、FAT1等突变基因（图2A），且在原发阶段即呈更高的突变克隆性(图2B-D)，提示这些驱动基因可能在转移启动前已赋予器官转移趋向性。然后，研究者通过团队之前开发的转移克隆性计算框架，比较原发/转移灶中携带突变的肿瘤细胞比例（cancer cell fraction或CCF），解析了转移的克隆起源模式，即单克隆起源（monoclonal seeding）或多克隆起源（polyclonal seeding）（图3A）。单克隆起源指转移由原发灶中的单个细胞发起（“单兵作战”），而多克隆起源指转移由多个细胞发起（“团队协作”）。研究者发现多克隆起源在脑转移中相比于其他转移中相对较为普遍（图3B左），且药物治疗并不影响这一结果（图3B右）。该结果表明脑部的独特结构（例如血脑屏障）导致原发灶肿瘤细胞在转移过程中面临高强度的选择压力，造成了显著的瓶颈效应。最后，在多例配对进化树中，研究者鉴定到转移灶通过特异性LOH而丢失原发阶段即存在的早期驱动突变，提示转移微环境可能对部分“原发适应性驱动”施加负选择，导致早期在原发部位获得的驱动突变在转移灶丢失（图4）。总之，该研究通过系统地分析不同转移部位、大规模原发-转移配对测序数据，揭示器官转移趋向性驱动基因突变在原发阶段即已存在，跨越血脑屏障的强瓶颈效应使脑转移倾向于以单克隆转移，而转移后又可能通过LOH“丢失”原发肿瘤获得的早期驱动突变。这些发现为肺癌脑转移风险预测和早期靶向干预提供了指导。中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所胡政研究员、广东省人民医院/广东省肺癌研究所所长钟文昭教授和中山大学肿瘤防治中心神经外科牟永告教授为本文共同通讯作者。中国科学院深圳先进技术研究院-澳门大学联合培养博士研究生解铎；中山市人民医院心胸外科主治医师、广东省肺癌研究所博士研究生唐文芳；同济大学附属上海市肺科医院蒋涛教授；中山大学肿瘤防治中心神经外科副主任医师段昊博士为论文的共同第一作者。该项研究成果获得国家自然科学基金、广东省自然科学基金、深圳合成生物学创新研究院等项目的资助。文章上线截图原文链接：https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(25)01220-3图1. 223例转移性非小细胞肺癌的原发-转移配对基因组数据集图2. （A）发生脑转移的原发灶vs早期肺癌的驱动突变基因比较;(B-C)驱动突变基因在不同原发灶（B）和转移灶（C）的相对丰度；（D）驱动突变基因的克隆性图3. 非小细胞肺癌不同转移灶的定植克隆性图4. 杂合性丢失引起的的早期驱动突变丢失

2025-10-21

广州地化所伍耀文、田辉、樊海峰等—NC：地球深浅联动新机制——大陆弧火山作用驱动的风化演变促进寒武纪生命大爆发

大约5.4亿至5.15亿年前的寒武纪初期，地球生命发生了前所未有的快速演化，被称为“寒武纪生命大爆发”。为何复杂的多门类动物会在这一时期“突然”出现？学界普遍认为，营养元素（如磷）的供应和大气氧气水平的上升是两个关键的环境条件。然而，什么样的全球性构造事件触发了这些环境剧变一直是一个悬而未决的科学问题。虽然前人提出冈瓦纳大陆聚合造山作用驱动的风化营养盐输入和海水化学变化是寒武纪生命大爆发的重要机制，但主要的陆陆碰撞造山期（600Ma之前）要远早于寒武纪生命大爆发的时间。值得注意的是，冈瓦纳大陆边缘活跃的俯冲作用和大陆弧火山会促使高效的深部二氧化碳脱气和地幔物质抬升暴露，进而产生更强的风化-营养盐-海洋化学之间的反馈机制。鉴于该过程与寒武纪大爆发时间重叠，其极有可能是寒武纪生命大爆发的重要驱动力，但目前仍缺乏关键的地球化学证据来建立二者之间的因果联系。鉴于此，在广州地化所彭平安院士指导下，由广州地化所田辉研究员和地化所樊海峰研究员共同主导，合肥工业大学、德国迈因茨大学、美国迈阿密大学、荷兰乌得勒支大学等国内外多家研究机构参与的联合研究团队，提出了地球深浅联动驱动的寒武纪生命大爆发新模式。研究团队选取了华南扬子区块两个钻井（ZK4803和ZK4411）中保存完好的碳酸盐岩和黑色页岩/硅质岩样品，综合新获取的锂（Li）和锇（Os）同位素和已发表的锶（Sr）同位素数据，发现在5.4亿至5.25亿年前海水的上述地球化学指标出现了同步的显著 “负漂移” ，即Os和Sr同位素比值变轻，同时Li同位素（δ⁷Li）值急剧降低（图1）。Os-Sr同位素的负漂移指示了大量来自地幔的年轻非放射成因物质被风化并输入海洋。Li同位素的负漂移则指示当时正处于强烈的一致性风化阶段，岩石被快速溶解，侵蚀率极高。据此，研究团队推断在这一时期发生了大陆弧火山驱动的气候变暖和新鲜火山岩石的快速侵蚀作用。基于上述新发现并综合前人成果，研究团队创新性提出了“构造-风化-生命”三阶段演化模型，清晰地勾勒出了该时期从构造活动到生命爆发的关联演化过程（图2）：（1）早期地壳增厚阶段（约550–540 Ma）：俯冲作用导致大陆地壳增厚和气候变暖，启动了强烈的风化作用。（2）关键营养（磷）输入和增氧阶段（约540–525 Ma）：大陆弧火山活动进入高峰，富含磷等营养元素的新鲜火山岩被快速侵蚀，向海洋输送了前所未有的磷，极大促进了海洋生产力，随之而来的有机碳埋藏则导致大气氧含量上升。（3）氧气巩固与生命辐射阶段（约525–515 Ma）：风化模式转变为以形成粘土为主的不一致风化。粘土矿物促进有机质高效埋藏，进一步增进了大气氧积累，最终满足了大型、具骨骼动物演化的氧气需求，直接催生了寒武纪生命大爆发。这项研究不仅解答了“什么构造过程驱动了寒武纪环境变革”这一长期悬而未决的问题，也进一步证明了地球深部活动（俯冲与弧火山作用）、地表风化过程、海水地球化学与生命演化的紧密联系，为学界深入理解地球系统各圈层如何协同打造地球宜居性这一地球科学前沿研究提供了新的案例。目前，该研究已在线发表在国际知名期刊Nature Communications，论文第一作者为广州地化所伍耀文博士，广州地化所田辉研究员和地化所樊海峰研究员为论文通讯作者，广州地化所李杰正高级工程师指导了Re-Os同位素测试。该研究受国家自然科学基金和重点研发计划联合资助。论文信息：Yaowen Wu, Hui Tian*, Haifeng Fan*, Philip A. E. Pogge von Strandmann, Wei Zhao, Jie Li, He Sun, Haiou Gu, Chaojin Lu, Xianyi Liu, Tengfei Li, Sui Ji & Ping’an Peng, 2025. Enhanced erosion by continental arc volcanism as a driver of the Cambrian Explosion. Nature Communications 16, 9204. DOI: 10.1038/s41467-025-64253-w.图1 约560–510 Ma期间的构造运动、磷块岩分布、同位素地球化学记录（δ13Ccarb-Os-Sr-Li）与生物多样性模式关系图。a：本研究及前人报道的Os同位素记录(Xu et al., 2011; Fu et al., 2016)；b：汇总的Sr同位素记录(Derry et al., 1994; Brasier et al., 1996; Kaufman et al., 1996; Kaufman et al., 2007)；c：大陆弧长度、俯冲带长度(Mills et al, 2017)、LIPs (Ernst et al., 2021) 以及弧岩浆活动记录(Zhu et al., 2012; Brown et al., 2020; Oriolo et al., 2021)；d：钻孔ZK4803碳酸盐岩样品的Li同位素记录。紫色线显示使用局部加权散点平滑法得到的最佳估计曲线，其95%置信区间以灰色区域表示；e: 全球尺度磷块岩矿床估算的P2O5吨位(Cook and Shergold,1984) 以及海水Ca2+浓度演化(Horita e al., 2002; Brennan et al., 2004)；f ：全球范围内的门和纲级生物数量(Erwin et al., 2011)；g：碳酸盐δ13Ccarb记录(Zhu et al., 2006)。图2 俯冲和弧火山驱动的风化和海水化学演化三阶段模型图。a：约550–540 Ma：俯冲驱动的加厚地壳发生一致风化；b：约540–525 Ma：与岩浆弧相关的新鲜岩石侵蚀作用增强，促进了生物必需营养元素（如磷、钙）向全球海洋的快速输送；c：约525–515 Ma：转变为大陆地壳的不一致风化，伴随次生粘土形成，以及由此产生的粘土-有机碳高效埋藏和氧气积累。主要参考文献：Brennan, S. T., Lowenstein, T. K. & Horita, J. Seawater chemistry and the advent of biocalcification. Geology 32, 473 (2004).Brasier, M. D., Shields, G., Kuleshov, V. N. & Zhegallo, E. A. Integrated chemo- and biostratigraphic calibration of early animal evolution: Neoproterozoic–early Cambrian of southwest Mongolia.Geol. Mag. 133, 445–485 (1996).Brown, D. A., Hand, M., Morrissey, L. J. & Goodge, J. W. Cambrian eclogite-facies metamorphism in the central Transantarctic Mountains, East Antarctica: Extending the record of early Palaeozoic highpressure metamorphism along the eastern Gondwanan margin. Lithos 366, 105571 (2020).Cook, P. J. & Shergold, J. H. Phosphorus, phosphorites and skeletal evolution at the Precambrian-Cambrian boundary. Nature 308, 231–236 (1984).Derry, L. A. et al. Sr and C isotopes in Lower Cambrian carbonates from the Siberian craton: A paleoenvironmental record during the‘Cambrian explosion’. Earth Planet. Sci. Lett. 128, 671–681 (1994).Ernst, R. E. et al. Large igneous province record through time and implications for secular environmental changes and geological time-scale boundaries. In: Large Igneous Provinces: A Driver of Global Environmental and Biotic Changes 1–26 (2021).Erwin, D. H. et al. The Cambrian conundrum: early divergence and later ecological success in the early history of animals. Science 334, 1091–1097 (2011).Fu, Y. et al. New Re-Os isotopic constrains on the formation of the metalliferous deposits of the Lower Cambrian Niutitang formation. J. Earth Sci. 27, 271–281 (2016).Horita, J., Zimmermann, H. & Holland, H. D. Chemical evolution of seawater during the Phanerozoic: Implications from the record of marine evaporites. Geochim. Cosmochim. Acta 66, 3733–3756 (2002).Kaufman, A. J. et al. Integrated chronostratigraphy of Proterozoic–Cambrian boundary beds in the western Anabar region, northern Siberia. Geol. Mag. 133, 509–533 (1996).Mills, B. J. W., Scotese, C. R., Walding, N. G., Shields, G. A. & Lenton, T. M. Elevated CO2 degassing rates prevented the return of Snowball Earth during the Phanerozoic. Nat. Commun. 8, 1110 (2017).Oriolo, S. et al. Early Paleozoic accretionary orogens along the Western Gondwana margin. Geosci. Front. 12, 109–130 (2021).Wotte, T. et al. C-, O- and Sr-isotope stratigraphy across the Lower–Middle Cambrian transition of the Cantabrian Zone (Spain) and the Montagne Noire (France), West Gondwana. Pa. laeogeogr. Palaeoclimatol. Palaeoecol. 256, 47–70 (2007).Xu, L. et al. Re-Os age of polymetallic Ni-Mo-PGE-Au mineralization in Early Cambrian black shales of South China—a reassessment. Econ. Geol. 106, 511–522 (2011).Zhu, D.-C. et al. Cambrian bimodal volcanism in the Lhasa Terrane, southern Tibet: Record of an early Paleozoic Andean-type magmatic arc in the Australian proto-Tethyan margin. Chem. Geol. 328, 290–308 (2012).Zhu, M.-Y., Babcock, L. E. & Peng, S.-C. Advances in Cambrian stratigraphy and paleontology: Integrating correlation techniques, paleobiology, taphonomy and paleoenvironmental reconstruction. Palaeoworld 15, 217–222 (2006).

2025-10-21