科研进展--中国科学院广州分院

王健等–Geology：欧亚大陆碰撞期间的碳循环过程

地球内部和表层系统是一个紧密相连的整体，地球内部和表层的物质循环深刻影响了地球各圈层的物质组成、结构和动力学过程，还形成了人类赖以生存的资源能源，同时对地球宜居性有着决定性的作用。欧亚大陆碰撞、青藏高原隆升是新生代以来最显著的地质构造事件，对全球气候变化有着至关重要的影响。青藏高原上有广泛的新生代火山活动，这些火山喷发释放的大量二氧化碳（CO2）可能是驱动全球气候变化的关键因素。然而，欧亚大陆碰撞期间的深部碳循环过程如何影响火山活动的CO2排放通量，仍有待进一步研究。近日，中国科学院广州地球化学研究所博士后王健在唐功建研究员和王强研究员的指导下，对青藏高原西昆仑地区的新生代超钾质火山岩及其所携带的地幔包体进行了系统研究。研究发现，该区域地幔包体中含有大量的原生碳酸盐矿物（如方解石和白云石）及CO2气泡，证明青藏高原岩石圈地幔极其富碳。结合该区域火山岩的Mg−Zn−Mo同位素组成及地球物理资料，确认这些富碳成分可能直接来自俯冲再循环的印度大陆地壳。研究认为，在长期的欧亚大陆碰撞中，持续俯冲的印度大陆板块将大量富含碳的沉积物引入到青藏高原的岩石圈地幔中，通过交代反应将碳酸盐矿物转变成CO2，并最终影响火山活动的CO2排放通量（图1）。该研究揭示了欧亚碰撞过程中重要的碳循环机制，对于理解地球深部与表层的物质循环及其与气候变化之间的关联有重要启示。上述研究得到了国家自然科学基金青年基金项目和青藏高原第二次科考等的资助，相关成果发表在国际知名地球科学期刊《Geology》上。图1：欧亚碰撞中的碳循环过程及估算的碳循环通量论文信息:Wang,J (王健),Sebastian Tappe,Wang,Q (王强),Li,J (李杰),Zou,Z.-Q (邹宗琪),Tang,G.-J* (唐功建). 2024. Carbon cycling during the India-Asia collision revealed by δ26Mg–δ66Zn–δ98Mo evidence from ultrapotassic volcanoes in NW Tibet: Geology,https://doi.org/10.1130/G52267.1.论文链接：https://doi.org/10.1130/G52267.1

2024-06-24

叶丰等-PALO:末次冰消期以来南海北部水体氮循环的演化历史及其对气候变化的响应

氮是大多数海洋生态系统浮游植物光合作用最重要的限制性元素之一，其来源与迁移转化过程在调控海洋初级生产力、生物泵运转效率和生源要素的生物地球化学过程中扮演着极其关键的作用，并和全球气候变化之间有着密切的联系。阐明全球变化背景下海洋氮循环的现代过程、重建历史时期海洋氮循环的演变进程及其对气候变化的响应是当前海洋生物地球化学和全球变化领域的关键问题之一。海洋氮稳定同位素(δ15N)信号包含了关键的生物地球化学信息，并且可以通过颗粒物沉降传递保存在海洋沉积物中，进而用以反演地质历史时期海洋生物地球化学循环和海洋环境演变。海洋沉积物中总氮同位素(δ15Nbulk)通常作为海洋上层水体氮循环的替代指标，用于重建与反演过去氮生物地球化学过程。然而，由于受到陆源无机氮（主要为矿物晶格氨）的影响，利用沉积物岩心δ15Nbulk重建陆架边缘海区氮循环演化历史往往存在问题。南海是西太平洋最大的边缘海，其对气候环境变化的响应十分敏感，同时也是边缘海氮循环研究的理想场所。尽管一些新型载体（包括浮游有孔虫、源氨基酸和有机氮）的氮同位素成功揭示了南海温跃层硝酸盐氮同位素在轨道尺度上的变化过程，但由于高分辨率沉积记录的缺乏，目前在亚轨道和千年尺度上南海水体氮循环演变及其主要调控机制仍不清楚。此外，源自西太平洋的黑潮水入侵也在调节现代南海上层水体氮动力学过程中扮演了重要作用，但对于历史时期其对边缘海上层水体氮循环的影响及控制机制尚未被充分认识。针对上述科学问题，中国科学院广州地球化学研究所稳定同位素地球化学学科组的叶丰副研究员、王利伟博士生、韦刚健研究员等人在剔除沉积物无机氮干扰的基础上，对南海北部陆坡边缘区获取的高分辨率连续沉积物岩芯 (NH07) 样品进行了有机氮同位素(δ15Norg)分析，同时结合海洋古生产力和陆源输入等地球化学指标（图1）重建了末次冰消期以来南海北部水体氮循环的演化历史，通过与全球海区氮同位素沉积记录的比较综合探讨了其对气候环境变化的响应机制。研究结果表明：(1) 在末次冰消期和早全新世，海洋沉积物δ15Norg对不同气候特征时期（冷期如海因里希1期(HS1)和新仙女木(YD)事件、暖期如博令-阿勒罗德期(B/A)和早全新世(EH)）具有显著的响应特征，南海北部上层水体氮动力过程主要由自东向西传输的热带东太平洋水体硝酸盐信号和低海平面时期陆源物质输入影响，并受到北太平洋中层水形成和东亚冬季风强度的调控；(2) 中全新世以来(MH-LH)，南海北部水体氮循环过程逐渐受到不断增强的海洋固氮作用影响，而固氮作用由厄尔尼诺事件控制的入侵南海的黑潮水强度所调控（图2）。上述研究结果对于理解全球变化背景下海洋生物地球化学循环演变过程以及预测未来的变化趋势有着至关重要的意义。图1 末次冰消期以来南海北部沉积物有机氮同位素组成与海洋生产力及有机碳来源指标随沉积年代的变化图2 末次冰消期以来南海北部沉积物有机氮同位素组成与古气候记录之间的比较该研究工作获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金和中科院青年创新促进会等项目的资助，研究成果近期发表于美国地球物理学会（AGU）古海洋学与古气候学领域权威期刊Paleoceanography and Paleoclimatology上。论文信息:Ye,F.* (叶丰),Wang,L. (王利伟),Wei,G. (韦刚健),Shi,X. (石雪松),& Huang,C. (黄超),2024. Sedimentary organic nitrogen isotopic constraints on the mid-Holocene transition in the nitrogen dynamics of the northern South China Sea. Paleoceanography and Paleoclimatology,39,e2023PA004819. https://doi.org/10.1029/2023PA004819论文链接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2023PA004819

2024-06-24

曹根深、陈华勇等-G-Cubed：磷灰石微量元素对于造山型金矿床的勘查指示意义

造山型金矿床是指形成于汇聚板块边界、在时间和空间上与增生造山或碰撞造山密切相关的、常受韧-脆性断裂控制，主要呈脉状和弥散状矿化的金矿床系列，为全球提供了30%以上的金资源量。尽管造山型金矿床是全球十分重要的金矿床勘查类型，但是由于造山型金矿床可以产出于各个深度、不同的岩性中，使得传统的勘查方法很难给出稳定的勘查标识，勘查难度较大。磷灰石作为热液矿床中一种重要的副矿物，其微量元素对于揭示成矿流体物理化学条件和成矿过程有着显著作用。近些年来，越来越多的研究发现造山型金矿床中磷灰石与金矿化有着密切联系，然而有关磷灰石是如何形成以及磷灰石的微量元素含量受控于何种因素，目前还缺乏深入的研究，磷灰石能否发展为勘查指示矿物还需要进一步的研究。针对上述科学问题，中国科学院广州地球化学研究所曹根深博士生在陈华勇研究员的指导下，从已发表的文献中汇编了566组造山型金矿床磷灰石的微量元素数据，通过传统统计分析以及分层聚类法（HCA）、随机森林（RF）和深层神经网络（DNN）等机器学习方法，分析了磷灰石微量元素对于造山型金矿化的识别能力，并通过Shapley分析揭示了磷灰石中各种微量元素对于机器学习模型的贡献度。研究取得的具体认知如下：1）造山型金矿床磷灰石在石英脉和蚀变带中均有产出，且两种类型磷灰石的稀土配分模式存在明显差异，石英脉型以亏损轻稀土元素为主要特征，而蚀变带型则表现出明显的负Eu异常（图1）；2）利用分层聚类（HCA）对中心对数比（CLR）转化后的磷灰石微量元素进行分析，将造山型金矿床磷灰石以4种元素组合分为成5类（图2），分类结果与实际情况基本吻合；3）随机森林（RF）和深度学习网络（DNN）能够有效地识别出石英脉和蚀变带中与金矿化相关的磷灰石，表明磷灰石具有发展为勘查指示矿物的潜力，特征值分析结果显示微量元素Pb对于模型的贡献度最高，其次为As、U、Eu、Fe、Mn等变价元素；4）Pb的高贡献度可能为Au是以Pb-(Bi)-Au熔体的形式运移，Pb在磷灰石中的含量同时受到熔体中Pb的含量、流体氧逸度以及硫逸度共同控制，从而表现出对模型较高的贡献度；5）通过线性判别分析（LDA）给出新的磷灰石微量元素判别图解，用于判别造山型金矿床石英脉和蚀变带的含矿性（图3）。相关成果近期发表于国际地学刊物《Geochemistry,Geophysics,Geosystems》，该项研究成果获得了国家自然科学基金和科技部重点研发项目等项目的联合资助。论文信息：Cao,G.S. (曹根深),Chen,H.Y*. (陈华勇),Zhang,Y. (张宇),Sun,W.P. (孙唯品),Zhao,J.F. (赵骏峰),Zhao,H.T. (赵红涛),Wang,H. (汪浩). 2024. Primary controlling factors of apatite trace element composition and implications for exploration in orogenic gold deposits. Geochemistry,Geophysics,Geosystems,25,e2024GC011574.论文链接：https://doi.org/10.1029/2024GC011574图1 造山型金矿床磷灰石稀土配分模式图图2 磷灰石微量元素分层聚类分析结果图3 线性判别分析（LDA）给出的磷灰石微量元素判别图解

2024-07-05

IEEE TMI | 基于深度学习无创获得血液输入函数，助力动态脑PET定量成像

全面量化大脑PET图像，常常需要精确的血流输入函数。然而传统方法中，获取这一函数通常依赖于侵入性且耗时的动脉导管采血，这在临床实践中往往难以实现。全面量化大脑PET图像，常常需要精确的血流输入函数。然而传统方法中，获取这一函数通常依赖于侵入性且耗时的动脉导管采血，这在临床实践中往往难以实现。7月2日，中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称“深圳先进院”）孙涛副研究员课题组与河南省人民医院王梅云副院长团队合作，在医学影像顶级期刊IEEE Transactions on Medical Imaging上发表了题为“Non-Invasive Quantification of the Brain [18F]FDG-PET Using Inferred Blood Input Function Learned From Total-Body Data With Physical Constraint”的文章。该研究介绍了一种通过训练全身数据，实现从动态脑PET数据推断血液输入函数（IF）的方法。文章上线截图本研究提出了一种基于深度学习的替代方法，用于估计动态脑FDG扫描的输入函数（DLIF）。这一标记的输入函数是通过CT图像上定义的升主动脉勾画全身PET数据生成的。在构建深度学习网络结构方面，该研究采用了长短时记忆（LSTM）网络与全连接网络的组合。此外，研究团队还强调了将动力学建模拟合度纳入作为额外物理损失的重要性，这有助于引导模型减少偏差并降低对大量训练样本的依赖。为了验证该方法的有效性，研究团队使用了一个包含85个全身动态扫描的数据集，包含了来自八个脑区和颈动脉的时间-活动曲线数据。图1 物理信息驱动的DLIF学习框架图解与现有方法的比较结果表明，DLIF生成的输入函数在形状和幅度上与参考值非常相似。计算得出的所有区域动力学参数Ki（以及K1）与参考值的相关系数分别为0.961和0.913，相对偏差分别为1.68±8.74%和0.37±4.93%。图2 展示两个个体使用不同方法估计的输入函数的比较。可以看到，所提出的方法(DLIF)估计的输入函数相较于其他方法更为接近参考曲线（Reference）。从视觉和定量两个方面来看，参数图像也与参考图像高度吻合（图3）。这些结果证实了无创且准确地估计血流输入函数的可行性，该方法适用于常规的短视野或专用脑部扫描PET系统，并且无需进行部分容积校正。通过精准计算获得的全局灌注、净流入、净代谢和其他微观参数，有助于推动在广泛的神经和精神疾病中大脑代谢功能的研究，进而辅助制定更有效的治疗策略。图3 展示了使用不同方法估计的输入函数所计算的K1/Ki图像（左）。可以观察到，使用所提出的方法(DLIF)估计的参数图像与参考图像最为接近，且误差值范围最小（右）。孙涛和王梅云为本研究的共同通讯作者，深圳先进院博士后王振国是第一作者。该研究是研究团队关于全身PET成像方法与应用的系列研究之一，得到了中国科学院、广东省重点实验室、广东省区域联合基金、深圳市科创委基础研究等项目的支持。

2024-07-05

Neuron | 朱英杰团队发现外侧隔核脑区调控奖赏和甲基苯丙胺成瘾的关键机制

7月2日，中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所/深港脑科学创新研究院朱英杰团队在Neuron期刊上发表了题为“Cellular and circuit architecture of the lateral septum for reward processing”的研究论文。1954年，心理学家Olds和Milner通过大鼠颅内自我刺激实验（ICSS）发现了大脑的奖赏系统，被视为现代神经科学的重要里程碑之一。该实验在大鼠的脑中植入电极，当大鼠通过按压杠杆获得特定脑区的电刺激时，它们会不懈地按压杠杆，甚至忽略进食和饮水等基本生理需求，展示了这些脑区与强烈的愉悦感密切相关。其中外侧隔核脑区（Lateral septum,LS）是产生奖赏效应最强烈的脑区之一。由于传统ICSS电刺激技术的限制，该脑区产生奖赏效应的精准细胞来源一直不清楚。7月2日，中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所/深港脑科学创新研究院朱英杰团队在Neuron期刊上发表了题为“Cellular and circuit architecture of the lateral septum for reward processing”的研究论文。论文详细描述了外侧隔核脑区（LS）的单细胞转录图谱及其主要神经元类型的空间分布，并发现集中在腹侧亚区的雌激素1型受体阳性神经元（LSEsr1）通过激活腹侧被盖区（VTA）多巴胺神经元促进奖赏效应且在甲基苯丙胺成瘾中发挥重要作用。文章上线截图朱英杰团队通过单细胞转录组测序和新型空间组学技术（MiP-seq），揭示了LS脑区的转录图谱，鉴定了其主要神经细胞类型及空间分布。研究团队通过光遗传技术选择性地激活LS不同类型神经元，发现LSEsr1神经元通过去抑制（disinhibition）的方式激活VTA的多巴胺神经元，促进了多巴胺在伏隔核（NAc）的释放，是产生奖赏效应的关键细胞类型。VTA-NAc通路是经典奖赏系统的核心，以往研究表明，自然奖赏（如美食和社交）和毒品（甲基苯丙胺等）都可以增加NAc脑区的多巴胺水平。有意思的是，研究团队发现LS也接收VTA多巴胺神经元投射，并且LS的多巴胺释放只有在毒品（甲基苯丙胺、阿片等）刺激后才会增加，提示LS的多巴胺释放更能代表毒品奖赏的特征。与之对应的是，失活LSEsr1神经元可以消除甲基苯丙胺的奖赏效应，而不影响美食和社交奖赏，从而为特异地干预毒品成瘾提供了新的环路和细胞靶点。研究示意图进一步研究发现，长期暴露于甲基苯丙胺后LSEsr1神经元的兴奋性增加，其原因是HCN1离子通道的表达发生上调。特异性敲除LSEsr1神经元的HCN1通道，小鼠仍能体验到甲基苯丙胺的奖赏效应，但其对甲基苯丙胺的行为敏化则被消除。这一结果提示HCN1通道在甲基苯丙胺成瘾的发生发展中具有重要作用。考虑到调控LSEsr1神经元不影响自然奖赏，靶向该群神经元和HCN1通道的治疗策略有可能是解决毒品成瘾的重要方向之一。深圳先进院朱英杰课题组的博士后陈高伟、云南大学博士生赖诗诗为论文的共同第一作者，朱英杰研究员为该论文的通讯作者。研究工作得到毕国强研究员、徐富强研究员、曹罡教授、徐放副研究员等人的技术支持。论文得到了Erwin Neher教授、陈晓科教授和王昆华教授等人的宝贵建议和帮助，在科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目等经费的资助下完成。

2024-07-04

刘萧冬、王素素等-OG+MPG：烃源岩-油多组分N同位素热演化规律及古老叠合盆地原油多来源识别应用

高的热演化程度对生物标志物有较大影响，叠合盆地中古老烃源岩对原油贡献的识别一直是油气地球化学面临的难题。相比之下，总有机质C-S-N同位素组成受热深化作用影响小，有望成为解决这一技术问题的有效途径。前人通过大量地质分析和模拟实验研究已经证明了有机C和S同位素联用在油-源对比以及原油蚀变等研究中的有效性，但有机N同位素的适用性则关注较少，其有效性值得深入研究。针对上述问题，中国科学院广州地球化学研究所彭平安院士团队的博士生刘萧冬、王素素在贾望鲁研究员的指导下，开展了烃源岩的高压半开放体系模拟实验研究，揭示了多组分的N含量与同位素组成的热演化规律，进而通过典型地区的实例研究证明了C-S-N同位素组成在原油多来源判识中的重要价值。图1. 高压半开放体系中烃源岩-油多组分的N含量(左)和同位素组成(右)热模拟实验研究结果表明（图1）：1）烃源岩总N损失主要发生在干气及更高的热成熟阶段，除生-排油过程外，N损失还与氮气的生成-排出和无机氮的排出有关。2）随热成熟度增加，烃源岩N同位素组成变化有限（0.5−1.5‰），沉积N同位素组成可以成为古环境研究的有效指标。3）原油的生成和初次运移伴随一定的N同位素分馏，排出油与烃源岩N同位素组成的可比性可能与烃源岩有机质类型及不同类型N组分的比例有关。使用N同位素进行油-源对比时应谨慎并与其他指标结合使用。图3. 川西北多套烃源岩-沥青的有机C-S (a)和C-N (b)同位素组成对比川西北是四川盆地产出多套烃源岩和储层沥青（原油）的典型地区，本次研究结果表明（图2）：1）不可溶的固体沥青和可溶的沥青与沥青质的C-S同位素组成具有较好的一致性，能够将样品清楚的划分为四类，主要反映了有机质来源的差异。2）C-S-N同位素组成结合生物标志物组成可以更有效的揭示母源沉积时期的有机质输入类型和沉积环境特征。3）除了已有研究揭示的晚埃迪卡拉-早寒武世主力烃源岩外，N同位素组成还显示中二叠统和中泥盆统等关注较少的烃源岩也可能对该地区广泛分布的低成熟沥青有重要贡献。上述研究结果对扩展该区周缘上古生界烃源岩的天然气勘探具有重要的参考价值。研究成果近期发表在油气领域主流刊物《Organic Geochemistry》和《Marine and Petroleum Geology》，研究得到国家自然科学基金的资助。论文信息：(1) Susu Wang (王素素),Jian Chen (陈键),Wanglu Jia (贾望鲁)*,Ping’an Peng (彭平安),2024. Multiple isotopes (C-S-N-H) and bound biomarkers in asphaltenes: New constraints on the classification and genesis of reservoir bitumens from the northwestern Sichuan Basin,South China. Organic Geochemistry 193,104807.(2) Xiaodong Liu (刘萧冬),Wanglu Jia (贾望鲁)*,Qiang Wang (王强),Jinxiang Wu (吴锦祥),Jian Chen (陈键),Ping’an Peng (彭平安),2024. Experimental simulation of thermal evolution of nitrogen content and isotopes in source rocks: Implications for nitrogen cycling characterization and oil-source correlation. Marine and Petroleum Geology 163,106796.论文链接：https://doi.org/10.1016/j.orggeochem.2024.104807；https://doi.org/10.1016/j.marpetgeo.2024.106796

2024-06-25

贺依琳等−CG：微生物驱动抗风化稀土磷酸盐矿物溶解为离子吸附型稀土成矿提供物源

基岩中的原生矿物风化并向环境中释放稀土元素是形成离子吸附型稀土矿床的先决条件。目前的研究认为离子态稀土主要来源于易风化的含稀土矿物，而抗风化能力较强的含稀土矿物的贡献常常被忽视。这主要是因为即便在风化壳浅层，仍能观测到这些矿物的残留。典型的抗风化稀土磷酸盐矿物独居石和磷钇矿在离子吸附型稀土矿床的各类成矿基岩中广泛存在，且具有极高的稀土富集量（稀土氧化物平均含量约55%-60%）。基于无机条件的矿物溶解反应热力学计算结果指示着磷钇矿和独居石在离子吸附型稀土矿床的风化环境中无法被溶解（Li et al.,2022）。然而，近年来越来越多的研究报道了磷钇矿和独居石的自然风化现象，且这种风化在花岗岩风化壳的弱风化层已经开始发生（Kalintsev et al.,2021）。此外，与原生矿物相比，虽然风化环境中的磷钇矿和独居石颗粒形态未发生明显改变，但其中的稀土元素却显著亏损（Santana et al. 2015）。上述研究无疑为磷钇矿和独居石中稀土元素的可迁移性增添了争议。为此，中国科学院广州地球化学研究所何宏平研究员团队基于其前期研究（He et al.,2023）提出“微生物是抗风化稀土磷酸盐矿物风化的潜在驱动力”的假设并利用离子吸附型稀土矿床风化壳中的野生微生物菌株开展了模拟风化实验。实验结果表明，在类天然风化壳条件下，微生物能够驱动磷钇矿和独居石的溶解（图1和2），稀土元素的溶解量被提升约2个数量级，总稀土元素溶解速率约10−13−10−12 mol·m−2·s−1。据估算，独居石（∼10−9 g·m−2·s−1）的溶解速率约比磷钇矿（∼10−10 g·m−2·s−1）高1个数量级。此外，结合代谢组学分析和非生物溶解实验该研究揭示了主要的微生物风化机制包括酸解和络合作用。微生物分泌的有机酸是重要的风化介质，其中酒石酸具有高效浸取稀土元素的潜能。该研究强调，微生物作用在风化壳表层最为强烈，上部活跃的微生物活动驱动抗风化稀土磷酸盐矿物磷钇矿和独居石的风化溶解能够为风化壳中下部稀土元素的富集提供有效物源。该研究为关于磷钇矿和独居石风化的模拟预测与实地观测结果之间的矛盾提供了可能的解释，并为厘清离子吸附型稀土矿床成矿物质的来源及全面认识稀土元素生物地球化学循环提供了重要启示。该研究得到国家自然科学基金项目、广东省科技计划项和广州市科技计划项目的联合资助。相关成果在线发表于Chemical Geology期刊。论文信息：Yilin He (贺依琳),Lingya Ma (马灵涯),Xiaoliang Liang (梁晓亮),Xurui Li (李旭锐),Jianxi Zhu (朱建喜),Hongping He (何宏平),2024. Resistant rare earth phosphates as possible sources of environmental dissolved rare earth elements: Insights from experimental bio-weathering of xenotime and monazite. Chemical Geology 661,122186.论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0009254124002663 参考文献：He,Y.,Ma,L.,Li,X.,Wang,H.,Liang,X.,Zhu,J.,He,H.,2023. Mobilization and fractionation of rare earth elements during experimental bio-weathering of granites. Geochim. Cosmochim. Acta 343,384-395. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016703722006743Kalintsev,A.,Brugger,J.,Etschmann,B.,Ram,R.,2021. An in situ,micro-scale investigation of inorganically and organically driven rare-earth remobilisation during weathering. Mineral. Mag. 85,105-116.Li,M.Y.H.,Kwong,H.T.,Williams-Jones,A.E.,Zhou,M.-F.,2022. The thermodynamics of rare earth element liberation,mobilization and supergene enrichment during groundwater-regolith interaction. Geochim. Cosmochim. Acta. 330,258-277.Santana,I.V.,Wall,F.,Botelho,N.F.,2015. Occurrence and behavior of monazite-(Ce) and xenotime-(Y) in detrital and saprolitic environments related to the Serra Dourada granite,Goiás/Tocantins State,Brazil: Potential for REE deposits. J. Geochem. Explor. 155,1-13.图1. 不同反应条件下的稀土元素溶解量（Exp-Biow：非缓冲培养基+微生物+矿物；Exp-Control：非缓冲培养基+矿物；Buffered-Biow：缓冲培养基+微生物+矿物；Buffered-Control：缓冲培养基+矿物）。图2. 反应结束时矿物表面的SEM-EDS分析结果。A-F：附着在矿物表面的微生物及其分泌物和新形成的次生沉淀。G-I：能谱分析结果指示次生沉淀为稀土磷酸盐。

2024-06-25

华南植物园在广藿香醇合成的分子调控研究取得进展

广藿香Pogostemon cablin（Blanco） Benth是道地“十大广药”之一，其味辛、微温，归脾、胃、肺经，具有芳香化浊、和中止呕、发表解暑的功效，用于治疗湿浊中阻、脘痞呕吐、发热倦怠等病证。广藿香除了可供药用外，其挥发性成分广藿香油还具有重要的商业价值，主要通过对广藿香干燥的叶片进行蒸馏提取获得。广藿香醇是广藿香油的主要成分，也被认为是广藿香的主要有效成分。《中华人民共和国药典》中规定广藿香中广藿香油的含量不得少于2.5%，广藿香醇的含量不得少于0.10%。在所有能生产精油的植物中，广藿香因其独特的香味以及生物活性而在全球市场上具有巨大的商业潜力。因此，提高广藿香中广藿香醇的含量具有重要的应用价值和经济价值。中国科学院华南植物园农生中心李俭等科研人员通过对广藿香外施水杨酸，发现叶片中广藿香醇的含量显著增加。对水杨酸处理的叶片进行转录组测序分析，筛选得到表达量显著上调的转录因子PatWRKY71。通过酵母单杂与双荧光素酶实验证明PatWRKY71直接靶向广藿香醇合成酶PatPTS的启动子，上调该基因表达。利用病毒介导的基因沉默(VIGS)系统在广藿香叶片上沉默PatWRKY71，可以显著降低叶片中广藿香醇的含量。将PatWRKY71在拟南芥中过表达，导致转基因株系对外源非生物胁迫敏感，并增加了活性氧的含量及相关基因表达。该研究鉴定了一个新的调控广藿香醇生物合成的转录因子，并探究了该转录因子在非生物胁迫应答反应中的功能，为广藿香分子育种提供理论依据。研究结果已于2024年1月2日发表在国际学术期刊BMC Plant Biology上。华南植物园陈焕镛副研究员李俭为论文第一作者，夏快飞研究员与为广东药科大学何梦玲教授为论文共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金等的资助。文章链接：DOI: 10.1186/s12870-023-04660-7图. A-B：PatWRKY71结合在PatPTS启动子上并上调其表达。C-D：过表达PatWRKY71增强了植株对非生物胁迫的敏感性。

2024-07-03

广州健康院开发跨物种单细胞组学数据分析的新工具CACIMAR

近日，中国科学院广州生物医药与健康研究院王杰课题组开发了新的计算工具CACIMAR（Cross-species Analysis of Cell Identities, Markers, Regulations），用于分析跨物种单细胞转录组测序数据（scRNA-seq），揭示物种间细胞类型、标志基因、细胞内调控以及细胞间相互作用的进化保守性。近日，中国科学院广州生物医药与健康研究院王杰课题组开发了新的计算工具CACIMAR（Cross-species Analysis of Cell Identities,Markers,Regulations），用于分析跨物种单细胞转录组测序数据（scRNA-seq），揭示物种间细胞类型、标志基因、细胞内调控以及细胞间相互作用的进化保守性。相关成果以“CACIMAR: cross-species analysis of cell identities,markers,regulations,and interactions using single-cell RNA sequencing data”为题目发表在学术期刊Briefings in Bioinformatics上。物种不仅在基因层面，也在细胞类型、基因表达、基因调控、细胞间相互作用等方面显示出进化保守性。单细胞转录组测序技术已广泛用于不同物种的单细胞表达研究，为在细胞类型水平研究物种的进化保守性提供了新机会。已有的算法能通过分析跨物种单细胞转录组数据识别进化保守的细胞类型，如Seurat和SAMap等。但是，这些方法主要通过跨物种的单细胞聚类确定保守细胞类型，其准确性在很大程度上取决于跨物种批次效应校正的能力。这些软件对进化距离较远物种进行聚类分析，仍存在明显不足。此外，目前仍没有方法能确定细胞间相互作用的进化保守性。针对以上问题，我院王杰课题组开发了新的R软件包CACIMAR，用于分析跨物种的单细胞转录组数据。CACIMAR的保守性分析主要包含三个步骤（图1）。第一步，CACIMAR基于每个物种内的单细胞聚类结果确定每个物种的细胞类型、标志基因、细胞内调控和细胞间相互作用。该策略不用进行跨物种的单细胞聚类，有效避免了跨物种的批次效应。第二步，基于标志基因的统计值（statistical power）和物种同源性（homolog），CACIMAR计算细胞类型的保守性分值。此外，CACIMAR还建立了特征加权和的模型（weighted sum model），分别计算细胞内调控网络的保守性分值和细胞间相互作用的保守性分值。最后一步，基于计算的不同保守性分值分别确定跨物种保守或特异的细胞类型、细胞内调控和细胞间相互作用。该研究将CACIMAR应用于小鼠、斑马鱼和小鸡的视网膜损伤再生的公共单细胞转录组数据中，有效地确定了小鼠、斑马鱼和小鸡视网膜中保守的细胞类型、标志基因、细胞内调控和细胞间相互作用。总体上，CACIMAR提供了一种新的算法，能克服现有跨物种单细胞转录组数据分析的挑战，特别是在识别跨物种保守和特异的细胞类型、基因调控以及细胞间相互作用方面。通过该算法，研究人员能深入地分析不同物种的细胞和分子水平的进化保守性，为理解物种进化的机制提供了新的视角。广州健康院的王杰研究员和徐雪丽助理研究员为本论文的共同通讯作者，蒋俊尧和李金连为论文的共同第一作者。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省自然科学基金等项目的资助。论文链接图1 CACIMAR进行跨物种单细胞转录组数据分析示意图

2024-07-02

姚红杰课题组揭示染色质结构蛋白CTCF-R567W点突变导致神经发育障碍的分子机制

2024年7月1日，姚红杰研究团队在Nature communications（《自然通讯》）期刊上发表了题为CTCF mutation at R567 causes developmental disorders via 3D genome rearrangement and abnormal neurodevelopment的研究论文。真核生物的基因组DNA以复杂而有序的层级结构折叠于细胞核中，包括：远距离染色质环、拓扑相关结构域（TAD）、染色质区室和染色质疆域等。这些染色质高级结构的动态变化与细胞命运决定以及疾病的发生发展密切相关。CCCTC结合因子（简称CTCF）最初被报道作为绝缘子结合蛋白发挥作用。另外，CTCF作为染色质架构蛋白在调节染色质高级结构中同样发挥重要的功能。姚红杰课题组前期在CTCF的分子生物学功能研究方面取得了一系列进展，包括筛选CTCF的共定位因子、鉴定CTCF可变剪切体并解析其分子细胞功能、CTCF调控染色质绝缘和染色质开放协同调控体细胞重编程为诱导多能干细胞等。此外，临床研究发现CTCF基因突变与多种发育障碍疾病相关，如智力发育迟缓、自闭症谱系障碍和先天性心脏病等。CTCF精氨酸567突变为色氨酸（R567W）的临床表现为智力障碍、喂养困难，并伴随自闭症样等特征。然而，CTCF R567W突变导致这些复杂发育异常的分子机制仍不清楚。2024年7月1日，姚红杰研究团队在Nature communications（《自然通讯》）期刊上发表了题为CTCF mutation at R567 causes developmental disorders via 3D genome rearrangement and abnormal neurodevelopment的研究论文。该研究综合运用小鼠模型和人源类器官模型，揭示了染色质架构蛋白CTCF的R567W点突变通过调控CTCF在染色质上的结合和局部三维基因组结构，进而导致神经发育障碍的分子机制。这一发现为理解CTCF突变导致临床发育疾病提供了重要见解。研究团队首先在小鼠模型中引入CTCF-R567W点突变，以模拟其对发育的影响。结果显示，CTCF-R567W杂合突变小鼠除了幼年时期的瘦小表型外，与野生型小鼠相比没有明显异常，未能很好地模拟临床杂合病例的神经发育障碍行为表型；而携带纯合CTCF-R567W突变的小鼠在出生30分钟内死亡，并表现出大脑、心肺组织的发育异常。研究团队对纯合突变小鼠进行深入研究，发现纯合突变导致神经发育和突触通路紊乱，并揭示纯合突变导致神经祖细胞和放射状胶质细胞等干性细胞过早耗竭，而抑制性GABA能神经元加速发育。研究团队同时将CTCF-R567W突变引入人胚胎干细胞（hESCs）中，并构建了大脑皮质类器官模型。研究人员发现携带杂合突变的类器官在分化早期表现出神经祖细胞减少和GABA能神经元增加，具有与小鼠模型类似的神经发育失衡现象。这一发现与近期在多个自闭症风险基因的皮质类器官研究中的报道结果相一致，表明CTCF突变可能与自闭症风险因子通过共享的细胞发育通路诱发神经发育障碍。在分子机制层面上，该研究团队发现CTCF-R567W突变减弱了CTCF在染色质上部分位点的结合（尤其是在具有上游结合基序特征的位点）。这种结合减弱进一步导致了局部染色质结构重组（特别是在对神经元身份识别和神经回路组装至关重要的成簇原钙黏蛋白（cPcdh）基因座）。该基因座由Pcdhα、Pcdhβ和Pcdhγ三个基因簇构成。CTCF-R567W突变主要导致Pcdhβ基因簇多个基因启动子上的CTCF结合减弱，并通过降低远距离启动子与增强子相互作用进而改变了cPcdh基因座的染色质高级结构，使该基因座TAD结构发生分裂，同时伴随着Pcdhβ基因的全局性表达下调，而这些基因的表达异常与神经发育及功能受损密切相关。该研究阐明了CTCF-R567W突变的作用机制，揭示了CTCF-R567W突变与人类神经发育障碍之间的联系，对理解CTCF突变调节发育障碍的发病机制具有重要意义，并为进一步探索基于三维染色质结构调控的干预方法奠定了基础。中国科学院广州生物医药与健康研究院为该论文第一完成单位。广州国家实验室姚红杰研究员为该论文通讯作者。中国科学院广州生物医药与健康研究院博士后章杰博士、广州实验室副研究员胡功成博士、中国科学院广州生物医药与健康研究院博士生卢玉丽和山西农业大学博士生任华伟为该论文共同第一作者。该研究工作得到了来自广州国家实验室苗智超研究员、张炜研究员、马宁研究员、刘会生研究员，暨南大学曲宜波教授，安徽医科大学王华教授和张玲玲教授，中国科学院广州生物医药与健康研究院潘光锦研究员以及山西农业大学王海东教授的大力帮助。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。论文链接揭示染色质结构蛋白CTCF-R567W点突变导致神经发育障碍的分子机制

2024-07-02