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深圳先进院研究发现检测转录因子结合位点的新方法
该研究发展了一种检测转录因子结合位点的新方法，通过诱导转录因子-胞嘧啶脱氨酶融合蛋白表达、高通量测序和单核苷酸多态性（SNP）分析，获得转录因子的全基因组结合位点信息。
12月19日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所金帆课题组在国际学术期刊Microbiology Spectrum上发表了题为《AIDmut-Seq: A three-step method for detecting protein-DNA binding specificity》的研究成果。该研究发展了一种检测转录因子结合位点（transcription factor binding sites, TFBS）的新方法，通过诱导转录因子-胞嘧啶脱氨酶融合蛋白表达、高通量测序和单核苷酸多态性（SNP）分析，获得转录因子的全基因组结合位点信息。
中科院深圳先进院合成所助理研究员倪磊、研究员金帆为共同通讯作者。
文章上线截图
文章链接：https://doi.org/10.1128/spectrum.03783-22
转录因子能够以特定序列与基因专一性结合，保证目的基因以特定的强度在特定的时间空间表达。转录因子和DNA的相互作用在基因调控网络(GRNs)中起着核心作用。目前检测转录因子-DNA结合特异性的主要方法需要先对转录因子结合的DNA片段进行捕获富集然后再进行测序（或其他分析），如染色质免疫沉淀 (ChIP)、配体系统进化指数富集(SELEX)和DNA亲和纯化测序(DAP-Seq)等。这些方法涉及复杂的实验程序，如基因组DNA的碎片化和扩增、转录因子的免疫沉淀等，较高的操作门槛不利于新手或跨学科人员快速展开实验。
在本研究中，金帆团队开发了一种名为AIDmut-Seq的体内方法。活化诱导胞苷脱氨酶(AID)可以将单链DNA序列中的碱基C脱氨化形成碱基U， DNA复制后发生C-T或G-A替代。研究人员将AID融合到转录因子上，并在体内诱导融合蛋白表达，这样就可以在转录因子结合位点附近引入突变，后续可以通过全基因组测序直接检测。由于不需要对转录因子结合的片段进行捕获富集，而仅需对突变标记进行测序，因此AIDmut-Seq的整个工作流程仅包含细菌培养、基因组提取和生信分析三个步骤（图 1），不涉及其他复杂的实验操作，大大节省了实验人员的时间和劳动成本。
图1 AIDmut-Seq的原理和步骤
研究人员使用不同类型的转录调节因子对AIDmut-Seq进行了验证，表明该方法对大多数转录激活因子（如LasR，FleQ，ErdR，GacA，ExsA等）的具有较高效率。而对一些小的转录抑制因子（如RsaL和AmrZ等）虽然表现出较低的效率，但通过该方法计算得到的转录因子识别基序（motif）和现有方法得到的基序具有很大相似性。此外，使用AIDmut-Seq还得到了许多之前没有发现的转录因子结合位点和新的调节模式。这些结果证明了AIDmut-Seq的高效性和泛用性，可以作为现有方法的重要补充工具（图2）。
图2 AIDmut-Seq适用于大多数转录因子
研究人员将ADImut-Seq与目前最常用的ChIP-seq进行了“标杆测试”（benchmarking）。比较发现， AIDmut-Seq和ChIP-seq对TFBS具有相似的检测精度，但AIDmut-seq具有更窄的检测窗口。尤其对于启动子上存在多个结合位点的位置，AIDmut-Seq相比ChIP-seq具有更好的分辨率，因此AIDmut-Seq在识别同一启动子中的多个结合位点具有潜在的优势（图3）。
图3 AIDmut-Seq与ChIP-seq的比较
该研究得到了科技部重大研发计划、国家自然科学基金、中国科学院科学仪器开发和深圳合成生物学创新研究院等项目支持。
2022-12-27
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华南植物园揭示全球降水频率变化对土壤呼吸及其组分的影响
全球变暖加剧了水文循环，导致降水状况(频率和数量)发生变化，这可能对土壤呼吸( Rs )产生重大影响。尽管人们对Rs对降水量变化的响应进行了广泛的研究，但对于全球降水频率( PF )的变化将如何影响Rs ，却未有共识。中科院华南植物园鼎湖山站博士后杜悦（导师闫俊华研究员）等，以全球296篇降水变化控制实验研究论文的观测数据为基础，采用Meta分析方法量化了PF对Rs及其组分的影响。当数据按气候条件分组时， PF的增加在干旱条件下对Rs有积极影响，而在半湿润或湿润条件下无显著影响，而PF的减少在所有气候条件下对Rs均有抑制作用。
全球变暖加剧了水文循环，导致降水状况(频率和数量)发生变化，这可能对土壤呼吸(Rs)产生重大影响。尽管人们对Rs对降水量变化的响应进行了广泛的研究，但对于全球降水频率(PF)的变化将如何影响Rs，却未有共识。
中科院华南植物园鼎湖山站博士后杜悦（导师闫俊华研究员）等，以全球296篇降水变化控制实验研究论文的观测数据为基础，采用Meta分析方法量化了PF对Rs及其组分的影响。结果表明，随着本底年平均降水量的增加，PF对Rs的影响逐渐减小。当数据按气候条件分组时，PF的增加在干旱条件下对Rs有积极影响，而在半湿润或湿润条件下无显著影响，而PF的减少在所有气候条件下对Rs均有抑制作用。PF增加的正效应主要来自干旱条件下异养呼吸的积极响应，而PF降低的负效应主要来自根系生物量和呼吸的减少。本研究首次提供了跨气候区域PF对Rs及其组分的不同影响的综合分析。该研究也为理解和模拟生态系统碳循环对全球降水变化的响应提供了框架。
相关研究成果于近期以“Significant effects of precipitation frequency on soil respiration and its components-A global synthesis”为题发表在国际学术期刊Global Change Biology（《全球变化生物学》）（IF=13.212）上。论文链接：https://doi.org/10.1111/gcb.16532
图1. 不同降水处理下土壤呼吸(Rs, a)、异养呼吸(Rh, b)、自养呼吸(Ra, c)的敏感性
图2. 干旱条件(0 -400 mm)、半湿润条件(400-800 mm)和湿润条件(800 mm)下不同处理条件下的呼吸速率(Rs, a)、异养呼吸速率(Rh, b)、自养呼吸速率(Ra, c)敏感性
2022-12-26
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深海所TS-14航次采集的深海鳗鲡（Ilyophis brunneus）基因组解析揭示其深海适应的分子机制
深海约占地球表面积的65%，然而由于深海环境的探索难度极大，使其成为地球上最后被人类认知且探索最少的区域。深海环境具有高静水压力、低温、食物匮乏、终年无光、缺氧等极端特征，是地球上最恶劣最极端的生存环境之一，是常规生命形式的禁区。其中，高静水压力被认为是对生物体最严苛的环境特征。肌动蛋白的组织和微管组装对于细胞内运输和细胞运动至关重要，可被高静水压力破坏。
深海约占地球表面积的65%，然而由于深海环境的探索难度极大，使其成为地球上最后被人类认知且探索最少的区域。深海环境具有高静水压力、低温、食物匮乏、终年无光、缺氧等极端特征，是地球上最恶劣最极端的生存环境之一，是常规生命形式的禁区。其中，高静水压力被认为是对生物体最严苛的环境特征。肌动蛋白的组织和微管组装对于细胞内运输和细胞运动至关重要，可被高静水压力破坏。此外，高静水压力还会影响细胞调节系统、导致DNA链的损伤和断裂、影响细胞膜的流动性。深海的温度低，变化范围小，温度随着水深的增加而下降，1000米以下的深海温度通常为-1.8°C——5℃。暴露于低温的核酸可以形成二级结构，从而阻碍了遗传信息的处理。此外，深度有效光的缺乏会阻碍光合作用，因此深海生物的食物供应要比浅海匮乏的多。虽然深海环境十分恶劣，但生命体却遍布深海的各个深度和生境，而生命体适应这种极端环境的生理机制在很大程度上仍然是未知的。
2022年12月14日，中国科学院深海科学与工程研究所何舜平研究员团队在SCIENCE CHINA Life Sciences杂志上发表论文"Pseudo-chromosome–length genome assembly for a deep-sea eel Ilyophis brunneus sheds light on the deep-sea adaptation"，公布了首个高质量的深海鳗鲡基因组，解析了其适应深海的分子机制。
本研究涉及的深海鳗鲡样本由我国的深海载人潜水器“深海勇士”号，在马里亚纳海沟3500米的深海中获得。深海鳗鲡的身体细长，皮肤为深黑色。研究人员通过形态学观察及线粒体条形码分析鉴定为褐泥蛇鳗（Ilyophis brunneus ，英文名：Muddy arrowtooth eel，简称MAE）。
图1 深海鳗鲡采样信息
(A) ArcGIS在线地图（B）中国载人潜水器“深海勇士号”（C）深海鳗鲡原位采样观测 （D）两个深海鳗鲡样本
为了研究深海鳗鲡适应如此恶劣深海环境的分子机制，研究人员首先通过结合Illumina高通量测序、PacBio和Hi-C技术，首次测序及组装出了高质量的深海鳗鲡基因组，并对深海鳗鲡基于系统发育、比较基因组等方法进行研究，阐明了其起源和适应机制。研究结果显示：基因组中多个与维持和调节细胞骨架相关的关键基因发生了特异突变，如TUGBCP3、ITGA基因受到强烈的正选择，TUBGCP3是γ微管蛋白复合物的重要组成部分，在中心体的微管成核中起着至关重要的作用，ITGA促进微管细胞骨架稳定和调节细胞骨架组装。研究人员还发现大量发生基因家族扩张、正选择、快速进化的基因与DNA 修复能力、细胞膜的流动性、转录与翻译过程的正常进行、能量代谢有关。此外，通过对深海鳗鲡、欧洲鳗鲡及其他几种浅海鱼类进行选择压力分析发现，深海鳗鲡的ω值要显著高于其他几种鱼类，这表明深海鳗鲡很有可能在极端的深海环境下经历了功能加速进化。这些遗传变异可能使得深海鳗鲡进化出的适应深海极端环境的能力。
图二 深海鳗鲡基因组信息
(A) 深海鳗鲡的基因组组装及Hi-C互作热图 (B) 深海鳗鲡基因组组装特征圈图
图三 深海鳗鲡在细胞骨架调节及能量代谢相关通路发生的遗传改变
论文第一作者为深海所硕士研究生陈洁，共同通讯作者为深海所何舜平研究员和水生所方成池副研究员，研究工作受到中科院战略先导专项、国家自然科学基金等资助。
论文链接：http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11427-022-2251-8
2022-12-26
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广州能源所在糖类催化转化领域取得进展
近日，广州能源研究所生物质催化转化研究室在国际顶级学术期刊《德国应用化学》 (Angew. Chem. Int. Ed.)上发表题为Rational Positioning of Metal Ions to Stabilize Open Tin Sites in Beta Zeolite for Catalytic Conversion of Sugars的研究成果。
近日，广州能源研究所生物质催化转化研究室在国际顶级学术期刊《德国应用化学》 (Angew. Chem. Int. Ed.)上发表题为Rational Positioning of Metal Ions to Stabilize Open Tin Sites in Beta Zeolite for Catalytic Conversion of Sugars的研究成果。
含有孤立金属锡位点的纯硅Beta沸石，即Sn-Beta，已被证明是应用于生物质精炼尤其是催化糖类转化的最优固体路易斯酸催化剂。该催化剂可以将糖类转化为燃料和高价值化学品。Sn-Beta中的开放Sn位点被认为是最具催化活性的路易斯中心，然而在Sn-beta中构建大量稳定的开放Sn位点仍是一个亟待解决的问题。
该研究在Sn-Beta中引入了除Sn以外的其他金属。通过特殊的合成方法，将金属Ni、Co和Mn等通过离子交换掺入与Sn相邻的硅羟基的巢穴中。通过实验和DFT计算证明，这种临近结构较大程度上稳定了开放状态下的Sn位点。含有该结构的Sn-Beta在催化葡萄糖异构化为果糖和转化为α-羟基酯方面表现出优异的催化能力：以廉价的葡萄糖为底物，乳酸甲酯产率高达71.2%，2-羟基-3-丁烯酸甲酯产率10.3%；以其他单糖或寡糖为底物，也表现出优异的乳酸甲酯产率。
该论文中提出的“对特殊位置硅羟基巢穴构建及金属离子交换”的方法具有通用性，为今后合成具有强路易斯酸性的临近双金属分子筛催化剂提供了指导思路，有望进一步推动生物质精炼及生物能源利用。
论文第一作者为广州能源研究所2019级博士生孙朋垚，共同第一作者为中国科学院福建物质结构研究所刘冲副研究员，通讯作者为广州能源研究所王晨光研究员；广州能源研究所为第一作者单位。该研究工作获得国家重点研发计划项目、国家自然科学基金面上项目和广东省重点领域研发计划项目的资助。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202215737
2022-12-26
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亚热带生态所在西南喀斯特地区森林恢复固碳潜力评估取得新进展
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近20年植被恢复固碳潜力评估方面取得重要进展，相关研究成果近期以The Carbon Sink Potential of Southern China After Two Decades of Afforestation为题发表在国际地学领域知名期刊Earth’s Future上。
生态系统碳汇是实现碳中和最绿色、最经济的途径，其中森林贡献最大。近20年来，大规模人工造林与自然恢复下中国西南地区成为全球植被覆盖“变绿”的热点区。然而，森林生长饱和以及可造林土地有限限制了森林碳汇的长期性，喀斯特脆弱地质背景也制约大规模集中造林的可持续性，导致我国西南喀斯特地区生态碳汇效应量化评估存在更大的不确定性。
在中国科学院亚热带农业生态研究所王克林研究员、岳跃民研究员的指导下，博士生张雪梅与丹麦哥本哈根大学Martin Brandt副教授团队合作，考虑中国西南地区植被景观的高度异质性，利用团队前期生产的2002-2017年地上生物量碳密度遥感数据，通过分级界定区域植被达到成熟林的最大地上生物量碳承载力，构建了考虑中国西南地区异质性景观特征的多因子随机森林模型，预测了2002-2017年该地区的最大地上生物量碳承载能力，量化了中国西南地区近20年大规模造林下的地上生物量碳储量及其未来固碳潜力。结果发现，当前生态修复条件下，中国西南八省区森林最大地上生物量碳承载力为20.54PgC，大规模造林下2002-2017年森林地上生物量碳增加了2.34PgC，未来仍有5.32PgC的固碳潜力。同时，利用2002-2017年林地概率数据，识别了尚未充分达到固碳潜力的老林、新林及潜在造林区，发现西南八省区未来潜在造林区域仍能固碳2.39PgC，而老林和新林区未来分别有0.86PgC和0.99PgC的固碳潜力，特别是老林当前已达到其最大承载力的88.8%，是稳定的碳库。全局森林地上生物量固碳潜力的非线性和线性拟合结果显示，西南地区达到当前植被最大地上生物量碳承载力大概在2030-2060年左右，西南八省区造林及林地可持续管理为实现碳中和目标提供了重要窗口期，是我国重要的生态碳汇潜力区。
研究进一步发现，西南八省区森林恢复固碳主要受人类活动强度和地形特征的影响，植被地上生物量固碳潜力存在显著的区域分异特征，进而明确了老林固碳潜力区（主要分布在海拔高、起伏大、坡度陡的区域）、新林固碳潜力区（主要分布在人类活动强度较大的山坡、坡麓地带）及未来造林固碳潜力区（主要分布在当前植被退化依然严重的区域），为未来西南喀斯特地区生态建设空间优化布局提供重要参考。本研究没有考虑具体森林类型、林龄以及森林管理措施等因素对林地固碳能力的影响，同时对老林、新林、未来潜在造林地区的界定也存在一定的不确定性，未来亟需开展基于高分辨率卫星遥感与深度学习的生态恢复碳汇功能精准定量研究。
该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金重点基金、中科院青年交叉团队等项目的资助。
论文链接
2022-12-23
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华南植物园对广东西江流域土壤性质和功能多样性对森林土壤氮空间格局的相对重要性研究取得进展
表层土壤氮是植物养分吸收的主要来源，其动态变化与森林生产力、生态系统碳氮循环等密切相关。作为珠江最大的支流，西江流域占珠江总水网面积的78% ，西江流域的生态系统的稳定对珠江三角洲的发展至关重要。中科院华南植物园生态与环境科学研究中心博士研究生康剑在导师黄建国研究员、丁晓纲教授的指导下，通过与广东省林业科学院合作，对西江流域中下游森林土壤样品全氮含量的采集和测定，采用线性混合效应和广义可加性模型。
表层土壤氮是植物养分吸收的主要来源，其动态变化与森林生产力、生态系统碳氮循环等密切相关。作为珠江最大的支流，西江流域占珠江总水网面积的78%，西江流域的生态系统的稳定对珠江三角洲的发展至关重要。
中科院华南植物园生态与环境科学研究中心博士研究生康剑在导师黄建国研究员、丁晓纲教授的指导下，通过与广东省林业科学院合作，对西江流域中下游森林土壤样品全氮含量的采集和测定，采用线性混合效应和广义可加性模型，研究了森林土壤表层氮素（SN）的空间格局及其影响因素。结果表明，阔叶林土壤全氮含量显著高于针叶林土壤。森林SN受土壤性质和多样性指标的影响，根据影响因素构建的完整模型更适用于阔叶林。土壤性质是SN的主要解释因子(全模型为53.53%，阔叶林为61.02%)，次表层土壤氮(sub SN)是最大的解释量因子(全模型为48.52%，阔叶林为58.04%)。因此，研究者认为西江流域森林管理应避免破坏地下土壤，防止氮素流失。
相关研究结果以“Relative importance of soil properties and functional diversity to the spatial pattern of the forest soil nitrogen”为题发表在国际环境科学期刊Ecological Indicators（《生态指标》）（IF=6.263）上。该研究得到国家自然科学基金，广东省林业局林业科技计划的资助。文章链接：
https://authors.elsevier.com/sd/article/S1470-160X(22)01279-1
2022-12-20
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华南植物园揭示森林生态系统碳氮磷留存时间的时空规律
物质元素的输入和输出不仅是维持生态系统自身运转和发展的需要，也是实现生态系统功能的具体体现。因此，物质元素留存时间是评估生态系统结构和功能稳定性的重要依据，受生态系统内部自组织和外部环境因素双重调控。目前，有关计算森林生态系统物质元素的留存时间报道较少。该研究首次利用创新方法计算了我国典型森林生态系统碳氮磷留存时间，有助于理解森林生态系统碳氮磷周转对环境因子的响应，可为碳氮磷循环模型改进等研究工作提供依据。
物质元素的输入和输出不仅是维持生态系统自身运转和发展的需要，也是实现生态系统功能的具体体现。因此，物质元素留存时间是评估生态系统结构和功能稳定性的重要依据，受生态系统内部自组织和外部环境因素双重调控。目前，有关计算森林生态系统物质元素的留存时间报道较少。
中科院华南植物园鼎湖山站陈洋博士在闫俊华研究员、王应平研究员的指导下，基于中国碳专项127个典型森林样地调查数据，结合GOLUM-CNP循环模型，估算了生态系统碳氮磷留存时间，分析了生态系统碳氮磷留存时间与环境因子的关系。发现调控森林生态系统碳氮磷留存时间的外部环境要素主要是气温（图1），总体表现出随最冷月平均最低温（Tmin）升高而留存时间呈现减少的规律。温带森林和亚热带常绿森林碳磷留存时间随Tmin变化的规律不同（图2），这与两个气候带森林生长的季相变化有关。该研究首次利用创新方法计算了我国典型森林生态系统碳氮磷留存时间，有助于理解森林生态系统碳氮磷周转对环境因子的响应，可为碳氮磷循环模型改进等研究工作提供依据。
相关研究结果已近期以“Temperature dependence of ecosystem carbon, nitrogen and phosphorus residence times differs between subtropical and temperate forests in China ”为题发表在国际林学top期刊Agricultural and Forest Meteorology（《农业与森林气象学》）（IF = 6.42）上。中科院华南植物园陈洋博士为论文的第一作者，闫俊华研究员为通讯作者。该研究得到国家杰出青年基金项目、中科院战略性先导科技专项等项目的资助。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2022.109165
图1. 气候、植被、土壤、地形因子对森林生态系统碳氮磷留存时间的影响
图2. 森林生态系统碳氮磷留存时间与最冷月平均最低温的关系
2022-12-20
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广州能源所在低温厌氧消化的生物强化方面取得进展
通过厌氧消化技术实现有机物废弃物减量和生物质能源（甲烷）回收是当前国内外处理有机废弃物的主流技术。微生物是有机废弃物厌氧发酵的核心，其生长及代谢活性受温度影响，大部分沼气工程的发酵罐在中温（37±2℃）或高温（55±2℃）条件下运行可获得最佳的发酵效率。但在我国寒区低温季节，运行大型中温或高温发酵罐所需增保温能耗极高，甚至超过产能的一半，造成经济效益低，导致我国北方沼气产量及规模均低于南方。虽然低温厌氧发酵（20℃以下）具有能耗低优势，但是低温下微生物生长及代谢较缓慢，因此甲烷产量低。
通过厌氧消化技术实现有机物废弃物减量和生物质能源（甲烷）回收是当前国内外处理有机废弃物的主流技术。微生物是有机废弃物厌氧发酵的核心，其生长及代谢活性受温度影响，大部分沼气工程的发酵罐在中温（37±2℃）或高温（55±2℃）条件下运行可获得最佳的发酵效率。但在我国寒区低温季节，运行大型中温或高温发酵罐所需增保温能耗极高，甚至超过产能的一半，造成经济效益低，导致我国北方沼气产量及规模均低于南方。虽然低温厌氧发酵（20℃以下）具有能耗低优势，但是低温下微生物生长及代谢较缓慢，因此甲烷产量低。
针对以上问题，广州能源所生物质能生化转化研究室生物燃气课题组探究了低温抑制厌氧发酵的机制；在此基础上，利用经长期驯化获得的产甲烷菌系对低温连续厌氧发酵进行生物强化，评价生物强化效果；并从微生物群落组成及宏基因组学层面揭示了生物强化机制。相关成果以Effect of bioaugmentation on psychrotrophic anaerobic digestion: Bioreactor performance, microbial community, and cellular metabolic response（《生物强化对低温厌氧消化的影响：生物反应器性能、微生物群落及细胞代谢的响应》）为题发表于Chemical Engineering Journal （IF:16.7）。
实验设计
具体研究结果如下：
低温抑制厌氧发酵的主要原因。相比于细菌，古菌（主要指产甲烷菌）对低温更敏感，能够引起反应器内中间代谢产物产生和降解速度不平衡，造成挥发性脂肪酸累积和甲烷产量低；此外，细菌和古菌对温度的响应也存在差异，利用宏组学技术结合KEGG代谢通路数据库，发现古菌中仅编码两种耐冷基因（Htpx, CspA）（图1a），但细菌中编码多种耐冷基因，如HslJ, Hsp15, CspA, MerR, HtpX, HspQ（图1b），说明古菌的耐冷能力较差，导致古菌倍增速率明显低于细菌。因此提高反应器中产甲烷菌的丰度及其耐冷能力是促进低温产甲烷的关键。
图1. 低温对厌氧消化微生物代谢的影响 a) 产甲烷菌；b) 细菌
为强化低温厌氧发酵，向低温抑制的发酵罐内投加了自主研发的丙酸产甲烷菌系，从而促进丙酸及乙酸降解，避免酸抑制，提高产甲烷性能。所采用的连续式（每天投加一次菌系）和间歇式（每周投加一次菌系）两种生物强化方法均具有显著的解抑增效作用（图2a），可缓解丙酸的累积（图2c），恢复甲烷产量（图2b），强化效果在停止投加菌系后可维持至少14个水力停留时间（140天）（图2a）。微生物群落分析表明，生物强化提高了嗜乙酸产甲烷菌（Methanothrix harundinacea 和Methanosarcina flavescens）的相对丰度（图2d）；产甲烷菌基因功能分析发现主导调控合成脂多糖以及谷胱甘肽的基因丰度显著增多（图3），这类代谢产物曾多次被报道有助于增强微生物适应恶劣环境的能力。
图2. 生物强化对低温厌氧消化性能及微生物的影响 a) 生物强化过程及产气性能示意；b)生物强化对不同阶段甲烷产量的影响（R-37：37℃中温对照；R-20Bio：20℃低温生物强化反应器；R-20：20℃低温对照；D17-34：第17-34天；D35-252：第35-252天）；c) 生物强化对乙酸和丙酸浓度的影响；d) 微生物群落演替；e) 各反应器内不同阶段pH平均值。
图3生物强化对微生物基因丰度的影响 a)古菌；b)细菌（Ino：接种物）
以上研究揭示了低温下厌氧甲烷化低效的微生物机理，并证实了外源投加菌系进行人为干预可改变厌氧发酵系统内微生物组成，定向提高关键产甲烷菌生物量，促进产甲烷进程，从而提高低温厌氧发酵性能，为有机废弃物低温厌氧消化的生物强化技术形成及优化提供了理论基础及指导。
该研究得到国家自然科学基金面上项目、中科院战略性先导科技专项A、中科院青年创新促进会等支持。文章第一作者为广州能源所博士后闫淼，通讯作者为李颖研究员。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140173
2022-12-20
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亚热带生态所在喀斯特农田土壤磷循环功能调控途径与机制取得新进展
在西南喀斯特地区，施用化肥的传统农田养分管理措施是维持土壤磷供应的最常用手段，但是喀斯特农田土壤高钙镁和养分漏失导致土壤磷限制严重，如何提升土壤磷利用效率是喀斯特区农牧业可持续发展面临的重要问题。微生物是土壤磷循环的关键驱动者，通过无机磷溶解和有机磷矿化作用调控土壤磷有效性，其中丛枝菌根真菌（AMF）和豆科根瘤菌可以调控磷循环且在农业实践中具有重要应用潜力。然而，关于有机的生物调控措施（接种AMF和间作豆科绿肥植物）和无机农业管理措施（添加尿素和无机磷肥）对喀斯特农田土壤磷有效性和磷循环功能的影响机制尚不清楚。
在西南喀斯特地区，施用化肥的传统农田养分管理措施是维持土壤磷供应的最常用手段，但是喀斯特农田土壤高钙镁和养分漏失导致土壤磷限制严重，如何提升土壤磷利用效率是喀斯特区农牧业可持续发展面临的重要问题。微生物是土壤磷循环的关键驱动者，通过无机磷溶解和有机磷矿化作用调控土壤磷有效性，其中丛枝菌根真菌（AMF）和豆科根瘤菌可以调控磷循环且在农业实践中具有重要应用潜力。然而，关于有机的生物调控措施（接种AMF和间作豆科绿肥植物）和无机农业管理措施（添加尿素和无机磷肥）对喀斯特农田土壤磷有效性和磷循环功能的影响机制尚不清楚。
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课题组依托环江站2018年建成的杂交构树人工生态系统养分管理实验平台（图1），采用宏基因组测序方法探究有机和无机农业管理措施对土壤磷有效性、磷循环功能基因和类群组成的影响。实验处理包括空白对照（CK）、接种AMF（A）、间作豆科绿肥植物（Medicago sativa）（L）、同时接种AMF与间作豆科绿肥植物（LA）、添加尿素（+N）、添加无机磷肥（+P）和混施尿素和无机磷肥（+NP）共7个处理，每个处理6个重复。研究结果表明：1）与对照相比，同时接种AMF和间作豆科绿肥植物使土壤有效磷增加了54.3%，且是添加尿素和无机磷肥处理的1.6-2.4倍（图2）；2）与单施无机磷肥相比，同时接种AMF和间作豆科绿肥植物显著增加了无机磷矿化功能基因丰度（ppa）（图3）；3）添加无机磷肥增加了碱性磷酸酶活性，同时添加尿素和无机磷肥增加了编码碱性磷酸酶的功能基因phoA丰度（图3）。综上所述，有机的生物调控农业管理措施有利于增加无机磷溶解的潜能，而无机的化肥添加农业管理措施主要通过改变有机磷矿化潜能来调控土壤磷有效性。 本研究揭示了豆科绿肥植物和AMF增加土壤磷有效性的微生物潜在驱动作用机制，为喀斯特农田土壤磷有效性的管理提供科学依据与理论指导。
研究结果以Metagenomic insights into the effects of organic and inorganic agricultural managements on soil phosphorus cycling为题发表在Agriculture, Ecosystems & Environment。该研究得到了国家自然科学基金联合基金、国家自然科学基金面上项目、湖南省杰出青年基金和广西重点研发等项目资助。
图1 杂交构树人工生态系统养分管理实验平台
图2 有机和无机农业管理措施对土壤磷有效性的影响
图3 有机和无机农业管理措施对磷循环功能基因的影响
2022-12-20
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南海海洋所在珊瑚应对气候变暖的驯化适应机制研究获得新进展
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研究员黄晖团队联合南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)、香港科技大学和阿卜杜拉国王科技大学揭示了珊瑚应对气候变暖的驯化适应及其生理和分子机制，相关研究成果以“Rapid shifts in thermal reaction norms and tolerance of brooded coral larvae following parental thermal acclimation”为题，于12月18日在线发表于生态学领域权威期刊Molecular Ecology（《分子生态学》）。
气候变化引发的海水异常高温是全球造礁石珊瑚和珊瑚礁生态系统面临的首要威胁，因此有关石珊瑚对高温的适应潜力是全球珊瑚礁研究领域的前沿热点。目前学界普遍认为石珊瑚的遗传适应速度不能跟上气候变化的速度，但逐步有研究发现珊瑚经高温驯化后其热耐受能力明显提高，这一表型可塑性也是帮助珊瑚应对气候变化的重要机制。然而，尚不清楚珊瑚亲本高温驯化是否可以改变其子代的表型和热耐受能力。
研究团队以孵幼型的鹿角杯形珊瑚为模式研究了亲本高温驯化对子代幼虫热耐受能力的影响，结果发现珊瑚亲本经过近一个月的高温驯化（32℃）后其虫黄藻密度和光合自养能力均显著降低，其幼虫排放节律则明显提前，单位体积排放幼虫数目也明显升高；尽管两组幼虫的大小基本一致，驯化亲本所排放的子代幼虫所含的虫黄藻密度更低。
图1. 以鹿角杯形珊瑚为模式的高温驯化实验
两组幼虫代谢速率的热性能曲线显示和对照组相比，驯化后幼虫的热性能曲线明显偏离，其最适温度和最大临界温度显著升高了近1-1.6℃。幼虫的温度交叉移植实验同样发现亲本的高温驯化显著缓解了高温对幼虫存活、虫黄藻密度、光化学效率、光合作用的负面效应，说明亲本驯化增强了子代幼虫的热耐受。值得注意的是，驯化组幼虫的光增强呼吸速率总低于对照组幼虫，说明幼虫分解代谢过程的下调以降低幼虫浮游期营养物质的消耗。
图2. 驯化组和对照组珊瑚幼虫的热性能曲线
团队进一步利用转录组研究了交叉移植实验后幼虫在基因表达上的响应和变化，结果发现驯化亲本所产生的幼虫在高温条件下其宿主细胞应激反应发生显著上调，同时细胞周期和有丝分裂相关的基因也上调，说明此时细胞应激反应可以有效地重建细胞稳态从而支持和加快细胞分裂；同时，负责从虫黄藻转移脂类、糖类和氨基酸等营养物质的宿主转运蛋白基因也发生显著上调。在共生虫黄藻中，经过驯化后光捕获蛋白基因发生下调，而参与光保护和卡尔文循环过程的基因表达则发生上调，说明虫黄藻光捕获、光保护和碳固定之间的协作以支持其高温下的光合活性和产量；驯化后虫黄藻的分解代谢过程发生下调，而参与脂类合成的多个关键基因则上调，说明虫黄藻营养物质的净累计会升高，可以为宿主提供更多的营养物质，这和宿主营养转运蛋白的上调相吻合，说明维持宿主和虫黄藻之间营养物质的传递交流可能是共生体热耐受和适应高温的关键过程。
图3. 高温驯化后珊瑚幼虫宿主和虫黄藻基因表达的调控模式
综上，本研究证实珊瑚亲本高温驯化会快速改变其子代的表型和热耐受，暗示着珊瑚的驯化适应具有连续性进而影响进化过程。然而，驯化后幼虫出现代谢抑制，尽管这有利于高温耐受，但却不利于幼虫附着及附着后的生长发育和成熟，因此作者强调呼吁：解决气候变化的根源问题即降低碳排放才能更好地保护珊瑚和珊瑚礁。
南海海洋研究所助理研究员江雷和刘骋跃为论文共同第一作者，黄晖研究员、钱培元教授和Manuel Aranda教授为该论文共同通讯作者。本研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助。
相关论文信息：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/mec.16826
2022-12-20
