科研进展--中国科学院广州分院

Nature Communications | 深圳先进院李光林/唐为研究团队等提出原位释氢调控衰老微环境促老龄骨修复的策略

研究提出了原位长效释氢阻止衰老进程、重塑老龄组织修复能效的策略，并系统探究了氢分子对于老龄骨组织中三类关键细胞（干细胞、巨噬细胞、骨细胞）衰老行为的影响。
　　近年来，人口老龄化日益加剧，老龄化不仅直接导致了对组织修复材料和制品的巨大需求。值得关注的是，老龄患者的组织损伤伴有衰老相关变化，衰老环境中免疫系统紊乱，衰老细胞发生DNA损伤、线粒体功能障碍、过度氧化应激反应等现象，且大量表达由炎症因子、趋化因子、基质降解蛋白酶等组成的衰老相关分泌表型因子（Senescence-Associated Secretory Phenotype，SASP），严重制约组织再生修复效果。尽管一系列抗衰老药物被报道，但均具有半衰期短、系统性毒副作用、有效性不足（不同细胞对药物的敏感程度不一）等问题。目前国内外缺乏针对改善衰老微环境的组织修复材料。
　　近日，集成所神经工程中心李光林/唐为研究团队联合上海交通大学氢科学中心何前军教授、华东理工大学刘昌胜院士在Nature Communications发表了题为Local H2 release remodels senescence microenvironment for improved repair of injured bone 的文章，共同提出了原位长效释氢阻止衰老进程、重塑老龄组织修复能效的策略，并系统探究了氢分子对于老龄骨组织中三类关键细胞（干细胞、巨噬细胞、骨细胞）衰老行为的影响。研究发现，氢分子具有广谱抗衰老效应，并展现出明显的SASP抑制效应（senomorphics）和一定程度的衰老细胞清除效应（senolytics）。基于此，设计、开发了一种具有高产氢率（911 mL/g）、良好生物相容性的硅化钙纳米材料（CaSi2，CSN），采用静电电喷策略以可降解聚合物聚羟基脂肪酸酯为载体（Polyhydroxyalkanoate，PHA）共电喷于介孔活性玻璃支架上（Mesoporous Bioactive Glass，MBG），实现了体内原位超1周释氢，较传统注射等量富氢水释氢量高46000倍。体内原位释氢显著性减缓了修复过程中多细胞衰老进程，介导衰老巨噬细胞抑炎极化和干细胞活性与功能维持，促进老龄骨缺损衰老与炎症叠加的病理微环境向促再生方向转化，有效实现24月龄老龄小鼠临界股骨缺损修复。
　　中国科学院深圳先进技术研究院、上海交通大学与华东理工大学为该论文共同通讯单位。中国科学院深圳先进技术研究院为论文第一完成单位。该工作也得到了国家自然科学基础科学中心、中国科学院人机智能协同系统重点实验室、国家自然科学基金、广东省自然科学基金、深圳市科创委基础研究项目、中国科学院青年创新促进会、博士后创新人才支持计划和上海交通大学氢科学中心等的资助。
　　图1：氢分子对老龄骨组织中干细胞、巨噬细胞和骨细胞均具有显著抗衰老效应
　　图2：原位释氢支架CSN@PHA-MBG有效实现了24月龄老龄鼠临界骨缺损修复
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2023-12-01

广州地化所：大理苦橄榄岩中橄榄石熔体包裹体的水含量和氢同位素研究——重新评估水在峨眉山大火成岩省形成中的作用

　　大火成岩省是短时、巨量喷发的镁铁质岩浆建造，代表了地球内部巨量物质和能量的集中释放。地质记录表明，大火成岩省可以通过大规模火山脱气（包括H2O、SO2、CO2、F和Cl）对全球环境产生重大影响，可能造成生物大灭绝等重大灾变事件。大火成岩省的成因目前还没有一致看法，早期科学家们都强调了过量的热或者减压熔融的作用，但是后来的研究者强调岩浆中高的水含量对大火成岩省的形成才是最重要的因素。位于我国西南地区的峨眉山大火成岩省是我国第一个世界公认的大火成岩省，其源区和原始岩浆水含量存在较大的争议。传统上认为峨眉山大火成岩省非常干，根据橄榄石和熔体中Ca的分配系数计算结果表明，其源区几乎不含水。但是通过红外光谱测试的单斜辉石斑晶的水含量推断的大理苦橄岩原始岩浆中的水含量可能高达3.4%，相当于岛弧岩浆。因此水对峨眉山大火成省形成的贡献仍然存在争议。
　　为了厘清峨眉山大火成岩省原始岩浆中的水含量，以及水在大火成岩省形成中扮演的角色，广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室、深地科学卓越创新中心的陈绮静博士研究生在夏小平和任钟元研究员的指导下，研究了峨眉山大火成岩省中大理苦橄岩橄榄石中的熔体包裹体的主、微量元素、挥发分和氢同位素组成，发现熔体包裹体记录的水含量为0.01-1.73 wt.%；氢同位素为δD=87 ± 11‰至-267 ± 14‰，均具有很大的变化范围（图1）。最低的氢同位素比值低于平均地幔（-80±10‰），与脱水板块及深部地幔源区（<-200‰）的氢同位素比值相当，表明大理熔体包裹体大多经历了H +扩散丢失和H 2O脱气的影响，但是一些熔体包裹体可能经历了快速冷却，仍然保留了其原始岩浆的氢同位素和水含量特征。根据这些数据恢复的大理苦橄榄岩原始岩浆H 2O含量约为1.35 wt.%，低于前人对峨眉山大火成岩省原始岩浆的估计（3.44 ± 0.89 wt.%或4.0–5.6 wt.%；图2），支持峨眉山大火成岩省原始岩浆为中度富水的洋岛玄武岩型（OIB），而不是高度富水的岛弧型，其源区的H 2O/Ce比跟其他中度富水的大火成岩省如塔里木，Karoo，Columbia River， Snake River Plain相当（图3），远小于科马提岩，可能说明水在峨眉山大火成岩省形成过程中所起的作用与其他大火成岩省差不多，没有科马提岩那么明显。
　　图1 大理熔体包裹体水含量和氢同位素图解
　　图2 大理苦橄岩岩浆水含量与不同构造岩浆水含量对比。
　　图3 科马提岩、大火成岩省等不同来源岩浆的H 2O/Ce比对比图（修改自Liu et al., 2017）。
　　该成果近期发表在JGR：Solid Earth上，本研究得到了国家重点研发计划项目（2018YFA0702600）和国家科学基金项目（41672057；41973021）的资助。
　　论文信息：Qijing Chen (陈绮静), Zhong-Yuan Ren (任钟元), Xiao-Ping Xia* (夏小平), Le Zhang (张乐), Qing Yang (杨晴), Chao Yuan (袁超) (2023). Water content and hydrogen isotopes of olivine-hosted melt inclusions in the Dali picrites, SW China: Reassessing the role of water in the formation of the Emeishan large igneous province. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 128, e2023JB027547
　　论文链接
　　

2023-11-28

研究团队揭示苏禄海大尺度环流对内孤立波动力学特征参数的影响规律

　　近日，中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境国家重点实验室蔡树群研究团队在苏禄海大尺度环流对内孤立波传播及其色散和非线性平衡的影响研究方面取得进展。相关成果于近日发表在Progress in Oceanography《海洋学进展》上，博士谢皆烁为论文第一作者，研究员蔡树群为通讯作者，合作者还包括国防科技大学博士杜辉、中国船舶科学研究中心博士刘乐等。
　　卫星图像显示，苏禄群岛附近激发的内孤立波能够跨越整个苏禄海海盆传播。这些内孤立波的传播过程及其能量等的变化可能受其背景大尺度环流变化的影响。本研究借助再分析及遥感观测数据，并结合内孤立波的基本理论参数模型，探究了苏禄海海盆尺度环流及其西边界流这两个主要大尺度环流模态对该海域内孤立波关键动力参数（包括传播速度、非线性强度、色散强度等）的调制情况；指出背景平均的苏禄海大尺度环流会增加内孤立波的传播速度及其色散强度，但减少内孤立波的非线性强度，从而表明内孤立波的色散分裂过程会被增强，有利于内孤立波能量向高频波动部分串级；内孤立波关键动力参数海盆模态的季节变化则分别与两个主要大尺度环流模态的季节变化强相关，内孤立波传播速度、非线性强度及色散强度受大尺度环流变化影响的季节性扰动幅值分别可达到背景值的15%、30%和20%；苏禄海环流引起的内孤立波速度异常主要受其大尺度海流变化所影响，而内孤立波非线性强度异常则主要由其背景层化变化所导致（图1）。该研究表明，内孤立波活动关键海域主要大尺度环流模态的变化会在一定程度上改变和调整内孤立波非线性陡化过程及色散分裂过程的平衡关系，进而调制内孤立波能量串级的其他关键过程，并最终影响内孤立波破碎及消亡规律。
　　该研究由国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、“广东特支计划”青年拔尖人才项目、中科院南海海洋所“南海新星”项目等共同资助完成。
　　相关论文信息：Xie J., H. Du, Y. Gong, J. Niu, Y. He, Z. Chen, G. Liu, L. Liu, L. Zhang, S. Cai. The role of seasonal circulation in the variability of dynamic parameters of internal solitary waves in the Sulu Sea. Progress in Oceanography, 2023, 217, 103100.
　　文章链接： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S007966112300143X
　　
　　图1 苏禄海海盆尺度环流致层化和海流变化对内孤立波传播速度及其非线性和色散的影响
　　

2023-11-24

华南植物园发现植物入侵产生的蓝碳增汇可弥补因土地利用造成的碳损失

盐沼湿地作为典型的滨海蓝碳生态系统，是全球蓝碳碳汇的主要贡献者之一。盐沼湿地广泛分布于中国滨海区域，据估计我国的盐沼湿地土壤碳储量为7.5 ± 0.6 Tg ，平均碳沉积速率( CAR )达到201 g C m-2 yr-1 ，高于全球平均水平( 168 g C m-2 yr-1 ) 。然而，近几十年来，由于植物入侵和土地利用的改变，我国盐沼湿地的景观分布格局发生了巨大的变化。这些过程都极大地改变了盐沼湿地的面积分布和物种组成，从而对滨海湿地碳储量和碳埋藏产生深远的影响。该研究表明滨海蓝碳的碳汇功能很大程度上受盐沼植被覆盖的调控，而向海侧的互花米草入侵光滩有利于盐沼湿地碳固存。1982 -2 021年间盐城盐沼湿地蓝碳碳汇功能的变化.
　　盐沼湿地作为典型的滨海蓝碳生态系统，是全球蓝碳碳汇的主要贡献者之一。盐沼湿地广泛分布于中国滨海区域，据估计我国的盐沼湿地土壤碳储量为7.5±0.6 Tg，平均碳沉积速率 (CAR) 达到201 g C m-2 yr-1，高于全球平均水平 (168 g C m-2 yr-1)。然而，近几十年来，由于植物入侵和土地利用的改变，我国盐沼湿地的景观分布格局发生了巨大的变化。这些过程都极大地改变了盐沼湿地的面积分布和物种组成，从而对滨海湿地碳储量和碳埋藏产生深远的影响。
　　中国科学院华南植物园海岸带生态系统过程与环境健康研究组为了探究在双重因子（植物入侵和人类活动）的驱动下，盐沼湿地过去的几十年里景观格局及其碳汇功能的变化。中国科学院华南植物园海岸带生态系统过程与环境健康研究组以盐城滨海湿地为研究对象，综合运用遥感分类与数据整合的方法，研究了1982-2021年间来植物入侵和人类围垦在时空尺度上对盐城盐沼湿地蓝碳碳汇功能的影响。
　　研究结果发现，过去四十年来，外来植物互花米草（Spartina alterniflora）的入侵大大增加了盐城区域的蓝碳储量，这主要与互花米草在光滩上的扩张以及该植物所具有的高效固碳能力相关。从土地利用转移矩阵来看，互花米草较少直接入侵本土植物覆盖的盐沼湿地，而是其在光滩的定植和扩张减少了海水的盐分输入，从而改变了本土植物之间的种间竞争。我国特有的“红海滩”——盐地碱蓬（Suaeda salsa）湿地面积由于土地围垦和本土物种芦苇（Phragmites australis）的侵占而大幅减小，其面积减幅达到了90%。芦苇湿地面积前期被人类围垦所大量占据，但其通过侵入盐地碱蓬湿地而得到很好的抵消，因此芦苇湿地的面积在过去四十年间没有太大的变化（图1）。最终对碳汇的核算表明：过去四十年间，盐城盐沼湿地的总面积减少了43.09 km2，但由互花米草入侵带来的蓝碳增益超过了土地围垦和盐地碱蓬湿地丧失导致的碳损失（图2）。
　　该研究表明滨海蓝碳的碳汇功能很大程度上受盐沼植被覆盖的调控，而向海侧的互花米草入侵光滩有利于盐沼湿地碳固存。类似的生物入侵与植被演替过程可能适用于世界其他地区，对蓝碳碳汇研究和盐沼时空变化具有重要的研究意义。文章建议制定环境管理措施来平衡互花米草的生态负面影响及其强大的碳固存能力是一项复杂的挑战，需要付诸更多的实践以系统评估其综合生态效应。
　　相关研究成果已近期在线发表在国际专业期刊Carbon Research（《碳研究》）。华南植物园博士研究生周金戈为论文第一作者，王法明研究员为论文通讯作者。该项研究得到国家自然科学基金、广东省重点研发计划、广东省基础与应用基础研究基金、中国科学院基础研究青年团队和青年创新促进会等项目的共同资助。论文链接：https://doi.org/10.1007/s44246-023-00070-4
　　图1. 盐城盐沼湿地过去四十年的时空格局变化及其蓝碳碳汇效应（摘要图）
　　图2. 1982-2021年间盐城盐沼湿地蓝碳碳汇功能的变化
　　

2023-11-21

华南植物园揭示不同类型热带海洋岛屿具有不同的生物多样性维持机制

在辽阔的中国海域上，分布着数千个大大小小的海洋岛屿。近年来，中国科学院华南植物园科研团队选择一些代表性的热带海洋岛屿（包括热带大陆性海岛、热带火山岛和热带珊瑚岛）进行植物多样性考察，旨在摸清我国热带海洋岛屿植物多样性本底资料并解释我国热带海洋岛屿植物群落组成、结构和维持机制。2022年10月，研究团队在对近200个中国热带海洋岛屿进行植被和植物多样性调查的基础上，出版了《中国热带海岛植被》（主编：涂铁要、张奠湘、任海），描述了我国小型热带海洋岛屿的主要植被特征，记录了11种植被型、 86个群系、 111个群丛。热带珊瑚岛和热带大陆性海岛具有不同的物种多样性维持机制。
　　在辽阔的中国海域上，分布着数千个大大小小的海洋岛屿。这些海洋岛屿不仅是中国固有领土的一部分，也是确定国家领海范围的重要依据；同时，这些岛屿为海洋植物、动物、微生物提供了不同于大陆的独特的栖息地，是我国海洋生物资源不可替代的宝库。以往由于海岛考察费用高、难度大，对我国多数海洋岛屿生物多样性和生物资源状况的认知几近空白。近年来，中国科学院华南植物园科研团队选择一些代表性的热带海洋岛屿（包括热带大陆性海岛、热带火山岛和热带珊瑚岛）进行植物多样性考察，旨在摸清我国热带海洋岛屿植物多样性本底资料并解释我国热带海洋岛屿植物群落组成、结构和维持机制。2022年10月，研究团队在对近200个中国热带海洋岛屿进行植被和植物多样性调查的基础上，出版了《中国热带海岛植被》（主编：涂铁要、张奠湘、任海），描述了我国小型热带海洋岛屿的主要植被特征，记录了11种植被型、86个群系、111个群丛。
　　中国科学院华南植物园植物科学研究中心科研团队在前期研究的基础上选择两组不同类型的海洋岛屿，包括16个热带珊瑚岛（西沙群岛）和21个热带大陆性海岛（万山群岛）（图1），对589个样方的植物物种多样性数据和土壤元素进行了分析。结果表明虽然2组不同类型的海岛植物物种多样性分布格局均符合生物地理学经典的“种-面积关系”理论（岛屿面积越大、物种多样性越高），但是2组不同类型的海岛存在不同的植物物种多样性维持机制。对于热带珊瑚岛而言，决定群落结构和植物物种多样性的主要因素是土壤养分和空间距离，土壤Fe含量和α多样性正相关；而对于大陆性海岛而言，面积效应更加明显、土壤养分的影响次之，土壤N含量和α多样性负相关（图2）。总体而言，生境质量（habitat quality）对维持热带珊瑚岛的植物物种多样性尤其重要，而被动取样效应(passive sampling effect)对热带大陆性海岛的植物物种多样性影响更为显著（图3）。
　　相关研究成果以“Different mechanisms underlie similar species-area relationships in two tropical archipelagoes”为题近期发表在学术期刊Plant Diversity（《植物多样性》）（IF2022=4.8）上。华南植物园毕业博士生李盛春为论文第一作者，涂铁要副研究员、张奠湘研究员及佐治亚理工学院蒋林教授为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划和科技部科技基础专项项目等项目的支持。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.pld.2023.08.006
　　图1. 热带珊瑚岛（a）和热带大陆性海岛（b）的植物及植被
　　图2. 两组岛屿面积如何影响γ多样性的结构方程模型。
　　图3. 热带珊瑚岛和热带大陆性海岛具有不同的物种多样性维持机制。
　　

2023-11-21

IEEE TRO | 逆流而上的自矢量微型机器人

面向血管等流体环境下微型医疗机器人逆流游动难、控制力不足等挑战，提出了无束缚微型机器人独特软膜胶囊结构及其挂壁旋进的控制策略，为微型磁性机器人在实际血管中应用提供了新研究思路和解决方案。
　　近日，中国科学院深圳先进技术研究院集成所智能仿生中心尚万峰课题组，与香港科技大学智能制造中心合作在微型机器人领域取得新的进展。面向血管等流体环境下微型医疗机器人逆流游动难、控制力不足等挑战，提出了无束缚微型机器人独特软膜胶囊结构及其挂壁旋进的控制策略，为微型磁性机器人在实际血管中应用提供了新研究思路和解决方案。
　　研究成果以An On-Wall-Rotating Strategy for Effective Upstream Motion of Untethered Millirobot: Principle, Design, and Demonstration为题，发表在机器人领域TOP期刊IEEE Transactions on Robotics （中科院一区，影响因子：7.8）。我院客座博士生杨柳为第一作者，先进院尚万峰副研究员和香港科技大学申亚京副研究员为通讯作者。IEEE Transactions on Robotics 是IEEE旗下机器人与自动化协会的汇刊，是国际机器人领域顶级期刊之一，每年收录论文仅一百余篇。
　　心血管疾病（CVD）是全球第一大死因，大约 80%的CVD死亡是由心脏病发作和脑卒中引起的。为了实现微创CVD疾病治疗的最终目标，近年来科学家提出了许多用于血管的磁性无束缚机器人。但由于血液流动性，血管中无绳系、无束缚微型机器人承受着巨大阻力，很难在自由状态下保持静止，更是难于实现逆流而上的定点给药控制。为降低无线机器人在血管中所受流体阻力，研究团队提出了流线型结构设计和更易于临床应用的贴壁运动策略。如图1所示，结合椭圆弧线和抛物线的设计使机器人相较于传统结构所受流体阻力减少了约58.5%。贴壁的运动模式使得机器人可在流体阻力较低的管壁处前进，相较于管中央前进的经典方式，流体阻力进一步减少约30.7%。
　　旋转匀强磁场驱动模式受到截止频率限制，无法提供充足的动力实现机器人的高速逆流运动，因而限制了此类磁驱机器人在临床中的进一步应用。建立贴壁旋转磁驱策略，通过旋匀速旋转梯度磁场在流线机器人表面产生的高效磁旋推“拖拽”力克服流体阻力，使机器人在运动过程中受到均匀的动摩擦力，从而可控制无线机器人在管中匀速前进，解决了由于传统梯度磁场驱动机器人时静摩擦力不断变化的扰动，而使机器人运动卡顿、不稳定等问题，达到约143mm/s的相对逆流速度。为探究新方法的临床潜力，研究人员在猪血管中进行了机器人运动能力的测试。通过将一段130mm的猪腹主动脉与蠕动泵连接，模拟了2700mm3/s的血流环境，见图2。机器人成功在26s内通过上述血管，充分验证了机器人在真实血管中的逆流运动能力，使血管内无线机器人的临床应用成为可能。
　　目前，团队在微操控和微型机器人等相关研究成果，近五年已累计有2篇文章发表在IEEE Transactions on Robotics，3篇文章发表在机电领域TOP期刊IEEE/ASME Transactions on Mechatronics（中科院一区，影响因子：6.4）；而且团队还在2020年提出的一种通用微尺度下机器人快速制备范式-磁胶喷雾微型外骨骼赋能理论，发表在《科学》子刊Science Robotics（中科院一区，影响因子：27）。该系列研究工作得到了国家自然科学基金委与香港研究资助局合作项目、国家自然基金面上、深圳市基础研究重点等科技项目资助。
　　图1 自矢量流线型胶囊机器人设计与优化
　　(a) 胶囊机器人逆流控制系统 (b) 控制策略比较：梯度力不足、卡顿不稳定移动、匀速连续移动 (c) 机器人逆流匀速通过猪腹主动脉
　　图2 机器人逆流控制系统及其体外实验验证
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2023-11-17

广州地化所：发展了单细胞SIP-反向基因组学技术定向识别-分离-培养功能微生物

　　微生物是地球上最为丰富且分布最为广泛的生命形式，在生态系统中对有机物的生物地球化学循环发挥着关键作用。微生物降解是有机污染物分解过程中至关重要的环节，其中，降解功能微生物可将污染物转化为无毒化合物，是有机污染物降解的执行者。因此，深入研究原位降解功能微生物的种类和代谢特性，并从复杂环境微生物群落中发掘具有“特定代谢功能”的活体菌株资源，以提升有机污染物去除效率，是业界长期追求的目标，亦是环境微生物研究的焦点和难点。
　　近期，中科院广州地球化学研究所李继兵副研究员、和罗春玲研究员等，将稳定同位素示踪（SIP）、单细胞拉曼分选（RACS）和反向基因组学（GDC：基因组指导微生物培养）技术联用，发展了RACS-SIP-GDC技术。以石油污染土壤中的甲苯为研究对象，从复杂的石油污染土壤微生物群落中鉴定、分离和培养活性甲苯降解菌。通过SIP成功识别出了活性甲苯降解菌 Pigmentiphaga；采用RACS，基于其光谱峰的偏移进一步分选出单个功能微生物细胞，并借助单细胞基因组测序，成功重建了石油污染土壤中活性甲苯降解菌的完整代谢途径，实现了单细胞水平上将功能微生物与其功能基因和代谢通路直接相关联；随后，基于功能微生物的代谢特性，通过添加抗生素、氨基酸、碳源和生长因子（如特定的维生素和矿物质元素）等对传统培养基进行修改，成功培养了RACS分选的活性降解菌 Pigmentiphaga sp。
　　本研究发展的RACS-SIP-GDC新方法，可从复杂环境群落中精准识别、定向分离和培养功能微生物，为真实环境中特定有机污染物降解微生物的培养提供了技术支持。同时，该技术实现了在单细胞水平上准确识别降解目标有机污染物的功能微生物，并将降解功能微生物与功能基因和代谢通路直接关联，为研究有机污染物生物降解机制提供了新思路。
　　该研究得到国家自然科学基金（32061133003&42277210）、广东省重点领域研发计划（2020B1111530003）、广东省杰出青年基金（2023B1515020038）以及中国科学院青年创新促进会会员等项目（2023368）的联合资助。相关成果以副封面文章发表在环境科学领域权威期刊《Environmental Science & Technology》。
　　论文信息：Jibing Li（李继兵）, Dayi Zhang（张大奕）, Chunling Luo*（罗春玲）, Bei Li（李备） and Gan Zhang（张干）. In Situ Discrimination and Cultivation of Active Degraders in Soils by Genome-Directed Cultivation Assisted by SIP-Raman-Activated Cell Sorting, Environmental Science & Technology, 57(44), 17087-17098.DOI：10.1021/acs.est.3c04247
　　原文链接
　　图1.文章入选副封面
　　图2. RACS-SIP-GDC 技术的方案示意图。
　　图3. 甲苯降解微生物细胞的原位识别和分选
　　图4.降解功能微生物细胞甲苯代谢途径的重建
　　图5.降解功能微生物细胞的培养及其系统发育
　　

2023-11-16

Nature Synthesis｜首次实现植物激素茉莉素在酿酒酵母的异源从头合成

研究提出在酿酒酵母中重构茉莉素的生物合成途径，建立微生物细胞工厂以实现高效和绿色生产，为茉莉素在农业及化妆品行业的规模化应用铺平道路。
　　11月14日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所罗小舟研究员和Jay. D. Keasling教授课题组在Nature Synthesis上发表题为Engineering yeast for de novo synthesis of jasmonates的文章。该研究针对现阶段植物激素茉莉素在生产上面临的化学合成难度大、植物提取得率低等挑战，提出在酿酒酵母中重构茉莉素的生物合成途径，建立微生物细胞工厂以实现高效和绿色生产，为茉莉素在农业及化妆品行业的规模化应用铺平道路。
　　茉莉素（jasmonates）是茉莉酸及其衍生物茉莉酸甲酯、茉莉酸异亮氨酸等的统称。作为植物的抗性激素，茉莉素在调节植物生长发育和逆境应答过程中有着举足轻重的作用，被广泛应用于增产提质、抗寒防冻、抵御虫害等。美国和日本等国家已将茉莉素投入到农业生产上,在改善苹果、葡萄、柑橘等作物的果实品质和防御能力上卓有成效，茉莉素正凭借其强大的抗病虫害能力跻身于生物农药主力军的行列。此外，茉莉素还因其特殊的香味，在化妆品领域占据一席之地。素有“合成茉莉”之称的二氢茉莉酮酸甲酯作为茉莉素衍生物，是香料界使用最多的产品之一，最早应用于迪奥的“Eau Sauvage”香水，现被用于几乎所有类型的香水中。一份来自于QYResearch的调研报告显示：2025年，全球二氢茉莉酮酸甲酯的市场规模将达12亿元人民币。茉莉素市场未来可期。
　　然而，茉莉素主要来源于传统的植物提取，但植物中的低含量和萃取过程的繁琐在不同程度上导致生产成本攀升；复杂的立体构型，又给化学全合成带来不少挑战，生产上的种种困境严重限制了茉莉素的规模化应用。
　　合成生物学的发展使得天然产物的异源生产成为可能。自1962年从素馨花中首次发现并分离茉莉酸甲酯以来，科学家一直致力于茉莉素生物合成通路的解析，完整的合成途径在2012年问世。茉莉素在植物中的合成过程较为复杂，通路长，酶促类型多样，还涉及中间产物在不同细胞器间的转运：磷脂酶先将α-亚麻酸（α-LeA）从叶绿体膜上释放；α-LeA在叶绿体内，由多酶复合体催化形成12-氧代-植物二烯酸（OPDA）；OPDA在过氧化物酶体中，经过3轮β-氧化生成茉莉酸（JA）；JA在细胞质中被转化为下游衍生物茉莉酸甲酯（MeJA）、茉莉酸异亮氨酸（JA-Ile）等。公认安全的酿酒酵母因含有多种细胞器，被该团队优先选择为茉莉素异源从头合成的微生物底盘。合成途径的复杂度为重构工作带来不少挑战，其中，在酵母中找寻适合中间体α-LeA和OPDA合成的场所，是途径重构首要解决的难题。
　　在该研究中，研究团队首先在酵母的内质网中合成α-LeA。α-LeA在植物的叶绿体中被合成，而酵母缺少叶绿体结构；酵母虽不能从头合成α-LeA，却可以在内质网中合成α-LeA的前体。受启发于此，该团队尝试在酵母的内质网中合成α-LeA。通过在酿酒酵母中引入克鲁维酵母来源的FAD，实现α-LeA在酵母的从头合成（图2A），但α-LeA的产量仅0.7 mg/L，远不够进行下游转化。共聚焦实验表明，相关基因均成功定位在内质网（图2B）。同时，研究人员还基于改造自由脂肪酸的代谢通路（图2C），将α-LeA的产量提升至51.2 mg/L（图2D）。
　　其次，在酵母的细胞质中合成OPDA。OPDA在植物的叶绿体中被合成，同样需要在酵母中寻找适合OPDA合成的场所。细胞质和过氧化物酶体是潜在的候选选项：若在细胞质中合成OPDA，后续需要OPDA转运进过氧化物酶体完成下游转化；若在过氧化物酶体中合成OPDA，则需要底物α-LeA先行转运至过氧化物酶体。考虑到α-LeA在过氧化物酶体中被降解的可能性，该团队尝试将OPDA合成途径（LOX、AOS和AOC）定位至酵母的细胞质中。首先对不同来源的LOX进行活性筛选（图3A）和组合表达，将中间体13-HPOT的产量提升至10.8 mg/L（图3B）。继续引入AOS和AOC，成功实现OPDA的生产，产量4.9 mg/L（图3C和3D）。共聚焦实验表明，相关基因均成功定位在酵母的细胞质（图3E）。
　　紧接着，在酵母的过氧化物酶体中合成JA。鉴于植物和酵母在β-氧化过程上的相似性，该研究直接模仿植物中JA的合成过程，在酵母中引入保留了自身过氧化物酶体定位肽的相关酶（OPR、ACS、ACX、MFP和KAT），在过氧化物酶体中成功实现JA的合成，产量达9.6 mg/L（图4A和4B），进一步饲喂底物α-LeA，JA的产量可达19.0 mg/L。　
　　最后，在酵母的细胞质中合成MeJA和JA-Ile等衍生物。在产JA的酵母底盘中引入JMT以合成MeJA，产量3.1 mg/L（图5A和5B）；引入JAR合成JA-Ile，产量7.0 mg/L（图5C和5D）。
　　至此，研究团队成功建立了植物激素茉莉素的酵母细胞工厂。相较于传统的植物提取，此法在生产上不受时令限制、可规模化放大，为茉莉素的高效和绿色生产提供了重要的参考。
　　中国科学院深圳先进院合成生物学研究所罗小舟研究员、Jay. D. Keasling教授和汤红婷副研究员为本文的共同通讯作者，团队成员汤红婷副研究员、林淑敏和邓吉良为文章并列第一作者。该研究获得国家重点研发计划、国家自然科学基金委、广东省基础与应用基础研究基金委、深圳市科技计划及深圳合成生物学创新研究院等多个项目的支持。同时，感谢于涛研究员在脂肪酸代谢通路改造研究上的学术讨论和宝贵意见；感谢科研助理魏珍琴在项目实施过程中协助组织会议讨论；感谢化学与组学分析平台为本项目的色谱和质谱分析提供强大的硬件支撑。
　　图1：茉莉素的生物合成通路。根据产物类型和合成场所的不同，将茉莉素在酵母中的重构途径分为4个模块：模块1在内质网中合成α-LeA；模块2在细胞质中合成OPDA；模块3在过氧化物酶体中合成JA；模块4在细胞质中合成MeJA和JA-Ile。灰色代表相应化合物在植物中的合成场所。
　　图2：在酵母内质网中合成α-LeA。
　　图3：在酵母细胞质中合成OPDA。
　　图4：在酵母过氧化物酶体中合成JA。
　　
　　图5：在酵母细胞质中合成MeJA和JA-Ile。
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2023-11-16

广州地化所：二次生成和生物质燃烧对污染城市地区氧化有机氮（OON）的重要贡献：化学电离质谱仪（CIMS）现场测量的启示

　　氧化性有机氮（oxygenated organic nitrate, OON）主要由有机硝酸酯（-ONO2）和硝基化合物（-NO2）等组成，在城市环境大气中普遍存在。该类物质是大气氮氧化物的重要储库，对大气氮氧化物循环和臭氧的生成有重要影响，从而影响空气质量、气候变化和生态系统的营养循环。目前对于OON的分子水平高时间分辨率的现场测量由于受到仪器设备的限制，其定量测量是目前大气化学的难点之一，仅有的测量结果主要是针对国外的一些森林和乡村地区，对于受污染的城市地区的研究非常有限。并且虽然OON来源包括大气一次排放和二次生成，但是其在城市地区具体的来源贡献和生成途径，仍不明确，需要进一步研究。
　　图1 本研究基于高分辨率飞行时间化学电离质谱探讨城市地区分子水平上OON的特征和来源研究概念图。
　　针对以上问题，中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室的胡伟伟研究员和暨南大学环境与气候研究院的袁斌教授等人利用了世界先进的气体和气溶胶滤膜进样口（FIGAERO）与高分辨率飞行时间化学电离质谱仪（CIMS）相结合的手段在中国典型城市广州地区进行综合的外场观测研究。本研究概念图如图1所示。定量一直是化学电离质谱仪器的难点，本研究利用电压扫描的方法首次对所有的分子层面有机含氮分子（气态和颗粒态）进行了定量计算，得到OON分子层面高时间分辨率（分钟-小时）的变化特征。这些有机分子总浓度与基于独立仪器-高分辨率飞行时间气溶胶质谱仪估算得到的有机硝酸酯浓度变化（分钟）相一致（如图2所示），证明了该定量方法的可靠性。
　　本研究通过明确OON物种高时间分辨率变化特征，进一步将左旋葡聚糖作为生物质燃烧排放的示踪物来计算生物质燃烧和二次生成（主要包含生物源和人为源非生物质燃烧二次生成）对气态和颗粒态OON的贡献；如图3所示，最终发现测量得到的气态OON分子三分之二由二次生成贡献，其余由生物质燃烧贡献，证明了二次生成对气态OON的重要性。然而颗粒相OON中，约一半的质量来自生物质燃烧，其余由二次生成贡献。该结果强调了生物质燃烧对城市地区颗粒相OON的重要贡献，随着全球气候变暖，野火燃烧频发，生物质燃烧其对城市和森林地区含氮有机物的影响会更加深远，可能是以后重要的一个研究方向。
　　本研究继续将质子转移反应飞行时间质谱仪等在线仪器测量到的挥发性有机物结合烟雾箱OON的产率等参数计算了气相OON的二次生成在不同氧化通道的下的贡献。如图4所示，研究发现气相OON二次生成主要由大气羟基自由基（OH-）和硝基自由基（NO 3-）氧化生成所贡献，其余为臭氧氧化生成。值得注意的是，通过直接测量NO 3自由基的高时间分辨率浓度时间序列，本研究发现与以往认为的NO 3自由基主要在夜晚存在的传统认知不同，NO 3浓度及其对OON的贡献在白天下午浓度有一个高峰，表明NO 3自由基氧化通道对OON的贡献可能比之前的报道所认为的更加重要。基于气态OON的物种贡献计算结果发现，单萜烯是广州城市地区气态OON的主要前体物（约一半），其余由异戊二烯、芳香烃和烯/烷烃贡献。但单萜烯被发现可能主要来自挥发性化学品等人为源，最终计算发现城市地区气态二次OON主要来自于人为源。本研究还发现，对于颗粒相OON，除气/固分配外，非均相反应亦可能是其一个重要的生成途径。最后，本研究系统研究了气态和颗粒相OON的分子组成，发现测量得到的OON中有大量高氧化的OON分子（O数>6）及部分多聚物，而复杂的多代氧化和自氧化反应可能是高氧化性OON生成的重要反应机制，表明了在城市环境地区气态OON和颗粒态OON来源和化学反应的复杂性。
　　图2 本次外场观测检测到的OON质量浓度时间序列。（a）基于FIGAERO-CIMS和AMS测量的颗粒相OON和总有机物（OA）质量浓度的比对。（b）总硝酸盐浓度低于5 μg m -3期间的FIGAERO-CIMS和AMS测量得到的颗粒相OON的散点图，颜色表示总硝酸盐质量浓度。基于FIGAERO-CIMS检测得到的（c、d）颗粒相和（e，f）气相OON的不同分类的时间序列和日变化曲线，饼图表示各个分类的占比。OA质量浓度、环境温度和NO 2光解速率的日变化也展示在日变化图中。
　　图3 （a）气相和（c）颗粒相OON与左旋葡聚糖的散点图，圆点颜色表示时间，蓝色圆圈表示受到生物质燃烧排放强烈影响的事件的数据点，黑色线斜率表示气相和颗粒相OON与左旋葡聚糖的在生物质燃烧排放期间的平均比值，红色虚线表示白天的回归线。来自二次生成（Sec.）和生物质燃烧（BB.）的（b）气相和（d）颗粒相OON的日变化曲线，阴影部分是标准偏差，黄色曲线表示按时间序列分解的日变化，黑色虚线表示O x（[O x]=[O 3]+[NO 2]），饼图代表二次生成和生物质燃烧的贡献。
　　图 4 （a）分类别的气态二次OON的生成速率日变化；（b）以及不同物种对总气态OON生成速率的贡献。
　　本研究成果近期发表在国际知名期刊Atmospheric Chemistry and Physics上，相关定量研究结果为理解城市地区活性有机氮物种提供了宝贵的数据和新的认知。论文共同第一作者为中国科学院广州地球化学研究所博士研究生蔡义宇和北京大学与暨南大学联合培养博士研究生叶晨朔，中国科学院广州地球化学研究所胡伟伟研究员和暨南大学袁斌教授为共同通讯作者。除通讯作者所在单位参与人员，共同合作者主要来自齐鲁工业大学环境科学与工程学院和北京大学深圳研究生院环境与能源学院。本研究受到国家重点研发计划项目（2022YFC3701000、2021YFA1601800）、国家自然科学基金委基金（42275103、42230701）和广东省珠江人才项目（2019QN01L948）等项目的联合资助。
　　论文信息：Cai, Y.★（蔡义宇）, Ye, C.★（叶晨朔）, Chen, W.（陈卫）, Hu, W.*（胡伟伟）, Song, W.（宋伟）, Peng, Y.（彭钰雯）, Huang, S.（黄山）, Qi, J.（齐吉朋）, Wang, S.（王思行）, Wang, C.（王超敏）, Wu, C.（武彩虹）, Wang, Z.（王泽龙）, Wang, B.（王宝琳）, Huang, X.（黄晓峰）, He, L.（何凌燕）, Gligorovski, S., Yuan, B.*（袁斌）, Shao, M.（邵敏）, and Wang, X.（王新明）: The important contribution of secondary formation and biomass burning to oxidized organic nitrogen (OON) in a polluted urban area: insights from in situ measurements of a chemical ionization mass spectrometer (CIMS), Atmos. Chem. Phys., 23, 8855-8877, 10.5194/acp-23-8855-2023, 2023.
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2023-11-15

碳酸盐岩伴生硫酸根作为古海水代用指标研究取得新进展

　　近日，中国科学院南海海洋研究所边缘海与大洋地质重点实验室研究员颜文领导的“赵焕庭南海岛礁科学钻探研究攻关突击队”在碳酸盐岩伴生硫酸根作为古海水代用指标研究上取得新进展，相关成果发表在Chemical Geology《化学地质》上，副研究员邸鹏飞为论文第一作者，邸鹏飞和颜文为论文通讯作者，德国汉堡大学Peckmann教授、上海海洋大学陈多福教授等为论文合作者。
　　海洋作为地球上最大的生态系统之一，对全球气候和生态平衡有重要影响。因此，通过研究海洋的历史变化，可以更好地了解地球环境的演变。而了解古海水的组成是研究海洋历史变化的关键。但由于古海水的化学组成难以直接测量，需要借助一些代用指标来进行研究。其中，碳酸盐伴生硫酸盐（CAS）是一种重要的古海水组成代用指标，它可以记录全球硫循环、地球表面氧化还原演化和生物活动的信息。然而，早期成岩作用可能会影响CAS的稳定性，从而改变CAS的同位素构成，影响研究结果的准确性。因此，本研究旨在探究早期成岩作用对于珊瑚礁碳酸盐中CAS同位素信号的影响，并确定珊瑚礁碳酸盐能否准确记录海水同位素组成的变化。
　　通过对礁碳酸盐岩中CAS含量及其同位素比值的测定，研究人员发现礁碳酸盐受大气和海洋成岩作用及白云石化作用的影响。在大气和海洋成岩作用过程中，CAS含量迅速下降，当长期暴露于地面，其含量降到最低水平。另外，相较于同期重晶石的20.9 ~ 22.7‰的δ34SCAS值，礁碳酸盐的含量相对较低，但其δ34SCAS值保持在21.5 ~ 24.1‰的狭窄范围内波动。这一现象表明原始的δ34SCAS值得以完好保存下来，基本不受重结晶过程的影响。研究还发现，与硫同位素相比，氧同位素更容易受到成岩作用的影响。
　　
　　图1 NK-1井礁碳酸盐岩矿物组成(A)、Mg/Ca比值(B)、Fe和Mn含量(C)、δ18O和δ13C同位素(D)、Mn/Sr和Fe/Sr比值(E)、87Sr/86Sr比值(F)、Sr数值同位素年龄(G)、WSS和CAS含量(H)、δ34SCAS比值(I)和δ18OCAS比值(J)
　　
　　图2 CAS δ34SSO4和δ18OSO4结果使用最佳年龄模型绘制年龄图。重晶石δ34SSO4和δ18OSO4在同一时间间隔(黑线)进行比较(Paytan et al., 1998; Kurtz et al., 2003; Turchyn and Schrag, 2006)
　　本研究为古海水硫和氧同位素记录提供了新的思路，有助于更准确地了解古海洋的历史变化。
　　该研究工作得到国家重点研发计划项目、海南省重点研发专项、中国科学院战略性先导科技专项项目的联合资助。同时，感谢参与“南科1井”野外科学钻探的全体工程技术和科研工作人员。
　　相关论文信息：Di Pengfei*, Li Niu*, Gong Shanggui, Peckmann J？rn, Wang Shuhong, Chen Duofu, Yan Wen*, 2023. Carbonate-associated sulfate as an archive of sulfur and oxygen stable isotope composition of seawater sulfate: Evidence from reef carbonate rocks of the southern South China Sea. Chemical Geology 638, 121699.
　　论文链接： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0009254123003996?via%3Dihub
　　

2023-11-15