科研进展--中国科学院广州分院

氢能作为终极清洁能源可有效规避温室效应，近年来化学链制氢 (CLHP) 作为一种高效灵活的能源转化与制备平台获得广泛关注，但该技术对载氧体的选择具有十分严格的要求，需同时具备较高的氧容量、可调控的反应活性并在苛刻工况下依然能保持结构完整。氢能作为终极清洁能源可有效规避温室效应，近年来化学链制氢 (CLHP) 作为一种高效灵活的能源转化与制备平台获得广泛关注，但该技术对载氧体的选择具有十分严格的要求，需同时具备较高的氧容量、可调控的反应活性并在苛刻工况下依然能保持结构完整。载氧体在晶格氧释放和恢复过程中发生烧结、团聚和失活，是制约化学链工艺大规模工业化的主要原因之一。载氧体发展至今，其结构从简单的宏观机械混合逐渐趋向于微观纳米调控，由此提升活性和稳定性。核壳结构载氧体具备优异的热稳定性和机械强度，能有效避免活性组分浸出。然而，惰性组分的引入不可避免地降低了载氧体的活性，且针对多级载氧体晶格氧的迁移转化以及金属离子的运动过程仍缺乏系统的研究。如何精准调控、平衡载氧体活性和稳定性之间的“跷跷板”问题，已成为亟待解决的关键问题。针对这一问题，广州能源研究所新兴固废高值循环研究中心废弃物处理与资源化利用科研团队黄振研究员和东北石油大学化学化工学院李翠勤教授创新性设计并合成了系列具有精准外壳厚度、纳米级限域的多级核壳结构载氧体Fe2O3@SiO2，深入探究惰性载体厚度与空间结构对载氧体稳定性与传质速率的双重影响机制，旨在寻求化学链制氢过程中活性与稳定性的动态平衡。研究结果表明，薄壳层 (70 nm) 展现出卓越的循环稳定性，连续30次氧化还原循环性能保持稳定；而厚壳层 (200 nm) 因反应过程中生成大量的惰性Fe2SiO4导致快速失活。研究还利用聚焦离子束-透射电子显微镜（FIB-TEM）结合原位透射电子显微镜（in-situ TEM）直观揭示了惰性SiO2壳层的限域作用，有效抑制了Fe2O3的团聚行为。这种独特的核壳结构与可控壳层厚度为具有空间结构的高效长寿命载氧体的设计合成提供新思路。Fe2O3@SiO2核壳结构载氧体氧化还原活性和稳定性之间的“跷跷板”问题Fe2O3@SiO2核壳结构载氧体的合成和结构表征Fe2O3和Fe2O3@SiO2 (FS) 的制氢性能和循环稳定性研究该研究得到国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金等项目的资助。相关研究成果以Nanoconfinement-Engineered Iron-Based Redox Catalysts: Precise Shell Thickness Gradients Enhanced Durability of Chemical Looping Hydrogen Production为题发表于Journal of Energy Chemistry。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jechem.2025.05.005 动态还原过程-释放晶格氧内部活性组分体积收缩动态氧化过程-恢复晶格氧内部活性组分体积膨胀

2025-05-22

广州地化所高名迪、王煜等-SA：地幔氧化还原状态研究新进展

地幔氧化还原状态对地球内部挥发组分的迁移与储存具有重要影响，进而影响地球长期宜居性。深俯冲洋壳物质可将氧化组分携带进入深部还原地幔，进而导致深部地幔氧逸度（fO2）高度不均一。然而，由于深部地幔样品稀缺，使得人们对深部氧化还原平衡机制的理解依然有限。近日，中国科学院广州地球化学研究所高名迪副研究员与王煜研究员、徐义刚研究员以及澳大利亚国立大学Stephen Foley教授合作，在Science Advances期刊上发表了题为“Variable mantle redox states driven by deeply subducted carbon”的研究论文。该研究通过高温高压实验与超深金刚石包裹体成分对比研究的方法，揭示了再循环碳酸盐如何改变地幔氧化还原状态，以及其对克拉通演化和深部碳循环的影响。研究团队利用多面砧压机在9-21 GPa高压条件下开展了板片碳酸质熔体与含金属Fe地幔橄榄岩的反应实验，并将不同氧逸度条件下实验产物成分与克拉通内超深金刚石包裹体成分进行了对比分析。结果发现，不同克拉通内超硅石榴子石（majorite）和铁方镁石（ferropericlase）包裹体记录了显著不同的地幔氧化还原状态：南非Kaapvaal克拉通超深金刚石包裹体整体指示了氧化的地幔环境，而巴西Amazonia克拉通内超深金刚石包裹体则反映了一个整体还原的地幔环境。图1. 实验产物超硅石榴子石与天然超深金刚石中超硅石榴子石包裹体成分对比。进一步将实验结果与板块重建工作结合，研究团队认为地幔热状态在该过程中起到了决定性作用：在非地幔柱条件下，板片碳酸质熔体在与还原地幔反应过程中被逐渐消耗直至完全被还原冻结为金刚石及Fe-C金属相，因此地幔整体仍保持高度还原的状态。而在地幔柱背景下，碳酸质熔体与地幔的反应过程会诱发地幔组分溶解至熔体中，其中溶解的Fe3+组分会缓冲碳酸盐的还原冻结过程，进而导致碳酸质熔体在与还原地幔反应的过程中稳定存在。当氧化的碳酸质熔体上升迁移至克拉通根之后，会进一步诱发克拉通根活化、岩石圈根拆沉与地表隆升、以及大规模火山作用和CO2释放。图2. 非地幔柱与地幔柱条件下碳酸盐与地幔反应过程模式图。本研究提出了一种统一模型，解释了俯冲碳在不同地幔热状态下对氧化还原条件的调控路径，并指出这种机制对克拉通稳定性与深部碳循环具有关键意义。研究不仅加深了对地幔氧化还原状态演化、克拉通稳定性差异及金刚石形成机制的理解，也为全球碳循环提供了新视角。该研究工作受国家自然科学基金优秀青年项目、科技部重点研发项目以及中国科学院B类先导专项等项目的联合资助。论文信息：Gao,M. (高名迪),Wang,Y. (王煜)*,Foley,S.,Xu,Y-G (徐义刚).,2025. Variable mantle redox states driven by deeply subducted carbon. Science Advances, eadu4985.

2025-05-21

广州能源所在“纳米-生物杂化系统”脱氮研究方面取得系列进展

近日，中国科学院广州能源研究所生物质高值化利用研究中心生物质能生化转化科研团队利用能量耦合策略，设计出一种新型“纳米-生物杂化系统”。该系统通过可见光输入耦合微生物铁腐蚀驱动、调节水体硝酸盐去除，在无额外有机碳源输入下，硝酸盐去除速率最高达233.3 mg N/d/L。相关成果为低碳生物脱氮领域提供了重要理论依据和技术支撑。近日，中国科学院广州能源研究所生物质高值化利用研究中心生物质能生化转化科研团队利用能量耦合策略，设计出一种新型“纳米-生物杂化系统”。该系统通过可见光输入耦合微生物铁腐蚀驱动、调节水体硝酸盐去除，在无额外有机碳源输入下，硝酸盐去除速率最高达233.3 mg N/d/L。相关成果为低碳生物脱氮领域提供了重要理论依据和技术支撑。研究图文摘要低碳氮比废水由于缺乏电子供体难以实现氮去除。而以零价铁作为电子供体可以实现脱氮，且该过程具有安全性高、成本低廉等优势。由于反硝化菌的代谢多样性，微生物铁氧化的作用始终是黑箱般的存在，目前受限于模式菌株的缺乏和获取胞外电子机理未知。针对上述问题，研究团队构建了电活性菌Shewanella oneidensis和反硝化菌Pseudomonas aeruginosa共培养体系，以零价铁作为唯一电子供体，硝酸盐作为唯一电子受体，探究了“嗜铁”反硝化可行性及其反应机理。研究发现S. oneidensis菌可作为生物引擎，收集并释放铁腐蚀产生的电子，用于P. aeruginosa菌脱氮过程。宏转录组学分析手段显示，微生物电共生过程调控编码反硝化酶、胞内电子转移蛋白以及群体感应的基因表达，对微生物脱氮具有重要作用。系统功能基因表达示意图在进一步在可见光调控下（λ=395 nm），该体系实现了硝酸盐的反硝化与异化还原为铵的双路径协同。研究发现在光照下通过S. oneidensis菌自组装形成的FeS纳米颗粒介导微生物电子跨膜传递，从而提升电子利用效率。该体系实现了平均63.8 mg N/d/L的硝酸盐去除率，以及27.1%的铵氮回收效率。更重要的是，该系统还成功与实际污水活性污泥耦合，在模拟废水中表现出优异的脱氮（233.3 mg N/d/L），显示出较强的工程应用潜力。种间电子传递过程中光电子、硝酸盐利用路径以上研究得到国家重点研发课题、国家自然科学基金青年项目以及广东省自然科学基金杰出青年项目资助。系列成果分别以Electric syntrophy-driven modulation of Fe0-dependent microbial denitrification和Light-regulated dentification and dissimilatory nitrate reduction by nano–bio electric syntrophic consortium为题，先后发表于环境领域顶刊Water Research。论文第一作者为高天宇特别研究助理，通讯作者为李颖研究员。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122722https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.123780

2025-05-21

广州能源所在CH4和CO2共转化制烯烃方面取得新进展

工业上乙烯的生产主要依赖于石油裂解工艺，但该工艺面临着资源限制和环境问题的挑战，研究者一直在努力开发一种生产过程更可持续的乙烯生产替代方案。甲烷氧化偶联（oxidation coupling of methane, OCM）通过一步反应将甲烷直接转化成烯烃，是非石油路线合成低碳烯烃的重要途径，对于改善能源利用结构及环境污染问题具有极大的促进作用。传统的OCM反应将氧气作为氧化介质，不可避免地带来过度氧化反应的发生，导致甲烷转化率和烯烃选择性存在“跷跷板矛盾”，极大程度上限制了烯烃收率。工业上乙烯的生产主要依赖于石油裂解工艺，但该工艺面临着资源限制和环境问题的挑战，研究者一直在努力开发一种生产过程更可持续的乙烯生产替代方案。甲烷氧化偶联（oxidation coupling of methane,OCM）通过一步反应将甲烷直接转化成烯烃，是非石油路线合成低碳烯烃的重要途径，对于改善能源利用结构及环境污染问题具有极大的促进作用。传统的OCM反应将氧气作为氧化介质，不可避免地带来过度氧化反应的发生，导致甲烷转化率和烯烃选择性存在“跷跷板矛盾”，极大程度上限制了烯烃收率。针对这一难题，广州能源所新兴固废高值循环研究中心废弃物处理与资源化利用科研团队创新性地提出了以CO2辅助的甲烷化学链氧化偶联方法，将甲烷和二氧化碳两种温室气体同时用于烯烃化学品的产生过程，并且保留了化学链反应的概念。本研究报道了一种以MnO-Na2WO4/SiO2为载氧体的CO2辅助甲烷化学链制烯烃方法。反应过程中CO2作为弱氧化剂补充载氧体上释放的晶格氧，XPS分析证实了CO2的引入可以明显提高反应过程中载氧体表面氧物种浓度，维持反应中的载氧体催化氧化活性，并且CO2的调控作用使得反应过程中载氧体可以在更长时间内匀速释放晶格氧，从而提高甲烷转化率和烯烃生成速率等关键指标。同位素表征实验揭示了CO2与载氧体发生了充分的氧交换反应，交换过程中一部分氧物种保留在载氧体表面并参与到后续的氧化偶联反应，同时反应过程中少量CO2发生向烷烃生成的碳转移途径，从而实现了更高的CH4转化率和烯烃产率。CO2辅助的甲烷化学链氧化偶联反应示意图CH4-CO2在载氧体上的反应路径研究成果为以CH4和CO2为主要组分的沼气、垃圾填埋气等气体高值化利用提供了借鉴意义。该研究得到了国家自然科学基金面上项目和广东省自然科学基金杰出青年基金项目的资助。相关研究以CO2-assisted oxygen exchange to enhance the chemical looping oxidation coupling of methane为题发表于ACS Sustainable Chemistry & Engineering。论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acssuschemeng.5c01466

2025-05-20

华南植物园揭示热带山地雨林球囊霉素相关蛋白空间分异规律

球囊霉素相关土壤蛋白（GRSP）作为丛枝菌根真菌（AMF）的重要代谢产物，在改良土壤结构与表征土壤碳储量方面具有关键作用。中国科学院华南植物园恢复生态学研究团队依托海南尖峰岭60公顷热带山地雨林动态监测样地，系统解析了GRSP组分的空间分异特征及其对土壤有机碳的贡献机制，为森林碳汇管理与生态系统恢复提供了科学依据。研究聚焦总球囊霉素相关蛋白（T-GRSP）和易提取球囊霉素相关蛋白（EE-GRSP）两大组分，揭示了三方面重要规律：（1）地形梯度效应显著：T-GRSP与EE-GRSP含量呈山脊>山坡>山谷的垂直递减格局，但其与土壤有机碳（SOC）的比值（T-GRSP/SOC、EE-GRSP/SOC）在山谷区域达到峰值。（2）环境驱动因子分异：山脊区GRSP含量主要受土壤全氮、速效磷和pH调控，而山谷区GRSP/SOC比值则主要响应pH变化。（3）生物多样性关联特征：整体树木多样性水平与EE-GRSP/SOC呈显著正相关，但AM树种丰富度及生物量未显现显著影响。该研究首次阐明热带山地雨林GRSP空间分异的地形-环境-生物协同驱动机制，证实景观异质性与生物多样性对土壤碳固存的关键调控作用。研究成果为优化森林碳管理策略、提升生态系统恢复力提供了新视角，特别强调在碳中和实践中需综合考虑微地形特征与生物多样性保育。相关研究成果已近期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博士后丁彰琦和中国林业科学研究院热带林业研究所李艳朋博士为论文共同第一作者，华南植物园刘占锋研究员和中国林业科学院热带林业研究所许涵研究员为论文共同通讯作者，该研究得到广东省基础与应用基础研究旗舰项目和国家自然科学基金等资助。论文链接：https://doi.org/10.1007/s11104-025-07515-2图1. 尖峰岭热带山地雨林三类地形中球囊霉素相关蛋白分布特征对比。注：T-GRSP，总球囊霉素相关蛋白；EE-GRSP，易提取球囊霉素相关蛋白；SOC，土壤有机碳。

2025-05-20

华南植物园从柠檬桉果实中发现抑制铜死亡活性新骨架成分Corymbinols A和B

铜死亡（Cuproptosis）作为近年来新发现的铜依赖程序性细胞死亡方式，已被证实与神经退行性疾病等重大疾病的病理机制存在密切关联。铜螯合剂可抑制铜死亡的发生，但铜死亡特异性抑制剂的研发仍处于探索初期。近期，中国科学院华南植物园战略植物资源保育与利用团队与中国科学院昆明植物研究所植物化学生物学团队展开合作，从柠檬桉（Corymbia citriodora）果实中分离并鉴定了两个具有新颖骨架结构的多环多甲基间苯三酚类化合物——Corymbinols A（1）和B（2a/2b）（图1）。通过构建elesclomol (ES)/CuCl2诱导的HepG2细胞铜死亡模型，研究发现Corymbinol A在20 μM浓度下表现出一定的铜死亡抑制活性。柠檬桉（C. citriodora）是桃金娘科伞房桉属的一种高大乔木，其枝叶和树脂已被广泛用于提取具有抗菌和抗炎活性的成分。然而，长期以来，柠檬桉的果实并未受到化学研究的充分关注。本研究团队通过核磁共振（NMR）、电子圆二色光谱（ECD）及X射线单晶衍射技术，成功解析了corymbinols A和B的复杂结构。其中，corymbinol A具有前所未有的6/6/10/6/6五环骨架，该骨架由倍半萜单元（C15）与双β-三酮通过连续两步杂Diels–Alder（HDA）环加成形成；corymbinol B为一对对映异构的双β-三酮-二氢查耳酮杂合物。铜与线粒体三羧酸循环中的酯化酶结合而导致蛋白质毒性应激，并最终导致细胞铜死亡。本研究通过铜离子载体elesclomol与Cu2+联用构建铜死亡诱导模型，旨在发现非铜螯合剂的铜死亡抑制剂。实验表明，corymbinol A在20 μM浓度下可部分逆转由于Cu2+过度积累导致的肝母细胞瘤HepG2细胞的铜死亡。同时corymbinol A部分回复了铜死亡相关线粒体铁硫簇蛋白ACO2和SDHB的表达水平。研究团队还提出了其生物合成路径：桃金娘科植物中广泛存在的β-三酮单体（leptospermone）经还原、脱水生成关键中间体ii，该中间体分别与hedycaryol和2,4,6-三羟基二氢查尔酮发生HDA环加成反应，从而形成了化合物corymbinol C（3）和4，化合物3和4进一步与中间体ii发生HDA反应，最终分别生成corymbinols A（1）和B（2）（图2）。该研究不仅拓展了多环多甲基间苯三酚类化合物的化学多样性，还为靶向铜死亡的药物研发提供了全新的分子骨架。相关研究成果以“Corymbinols A and B: Bis-β-triketone Conjugates of Sesquiterpene and Chalcone from the Fruit of Corymbia citriodora”为题发表于国际权威期刊Organic Letters（《有机化学通讯》）。中国科学院华南植物园李玉林博士后、中国科学院昆明植物研究所丁骁副研究员和段先乐硕士研究生为本文的共同第一作者。华南植物园邱声祥研究员和中国科学院昆明植物研究所郝小江研究员为本文的共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金和中国科学院科技服务网络计划的资助。文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.orglett.5c01245 图1. 柠檬桉（C. citriodora）果实中发现新颖骨架结构化合物图2. Corymbinols A和B可能生源途径（左），化合物1抑制铜死亡活性（右）

2025-05-20

深圳先进院｜在活细菌中合成金属-聚合物纳米复合物：探索细胞内材料构筑新路径（Angew. Chem.）

将活体生物系统作为材料合成平台，已成为功能性纳米复合材料研究的一个重要方向。相比传统的体外合成方法，细胞内原位构建材料具有环境友好、反应温和、空间控制精确等优势。因此，如何有效调动细胞这一“天然反应器”的功能，引导其在体内合成复杂纳米结构，成为当前亟需攻克的关键技术难题。将活体生物系统作为材料合成平台，已成为功能性纳米复合材料研究的一个重要方向。相比传统的体外合成方法，细胞内原位构建材料具有环境友好、反应温和、空间控制精确等优势。因此，如何有效调动细胞这一“天然反应器”的功能，引导其在体内合成复杂纳米结构，成为当前亟需攻克的关键技术难题。近期，中国科学院深圳先进技术研究院耿晋研究员团队在Angewandte Chemie International Edition上发表研究论文，题为“Intracellular Polymerization Induced Self-Assembly and Gold Nanocomposite Synthesis in Living Bacteria”。该工作发展了一种基于细胞内聚合诱导自组装（iPISA）的新策略，实现了在活大肠杆菌中合成金–聚合物纳米复合物，将细菌转化为“活体纳米制造工厂”。细胞内自组装的设计与调控研究团队设计了一系列结构和电荷性质不同的聚合单体，通过RAFT聚合机制在细胞内引发自组装。结果发现，不同电荷特性的聚合物与细胞膜的相互作用差异显著，直接影响材料的空间分布。某些配方更倾向于在细胞内部形成纳米复合物，而另一些则主要定位于细胞表面。这一结果为调控纳米材料的合成位置提供了可行策略：只需调整反应体系中的关键成分，即可实现在胞内或胞外构筑功能材料。拓展功能：构建细菌-材料杂合体系用于光催化反应除了材料合成，该体系在功能拓展方面也表现出良好潜力。团队进一步利用“负载”金-聚合物复合材料的大肠杆菌，开展了光催化反应研究。结果表明，这些“杂合细菌”能够在温和条件下催化醛醇缩合反应，有效合成2-乙基己烯醛。此外，复合材料中的金纳米颗粒可吸收可见光，激发高能电子，从而提升聚合物材料的光催化活性。在染料罗丹明B的降解实验中，该体系亦表现出优异效率，显示出在环境治理领域的应用潜力。展望与意义本研究展示了活细菌在纳米复合材料原位构建中的独特优势，为绿色合成提供了新策略。通过精确调控细胞内外的反应行为，该方法有望在催化、传感、生物制造等领域实现更广泛应用。该工作由中国科学院深圳先进技术研究院耿晋研究员、戴卓君研究员和澳门大学郭珩辉研究员共同通讯，博士研究生张诗玲为第一作者。研究获得国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省珠江人才计划以及深圳市医学研究专项等资助支持。

2025-05-19

亚热带生态所 | HAN2/OsABCB5基因调控机制破解粳稻耐寒密码

中国科学院亚热带农业生态研究所联合多家单位在Nature Communications发表题为Suppressing an auxin efflux transporter enhances rice adaptation to temperate habitats的研究论文，阐述生长素外排转运蛋白HAN2/OsABCB5通过生长素信号通路调控水稻低温环境适应性的分子机制。该研究获得两个新发现：① 生长素转运及其信号通路调控水稻低温环境适应性的遗传基础，② Copia逆转座子介导的表观遗传修饰驱动籼粳适应性分化的分子机制，为培育气候韧性水稻品种提供新的理论依据与基因资源。中国科学院亚热带农业生态研究所联合多家单位在Nature Communications发表题为Suppressing an auxin efflux transporter enhances rice adaptation to temperate habitats的研究论文，阐述生长素外排转运蛋白HAN2/OsABCB5通过生长素信号通路调控水稻低温环境适应性的分子机制。该研究获得两个新发现：① 生长素转运及其信号通路调控水稻低温环境适应性的遗传基础，② Copia逆转座子介导的表观遗传修饰驱动籼粳适应性分化的分子机制，为培育气候韧性水稻品种提供新的理论依据与基因资源。水稻作为起源于热带或亚热带的粮食作物，其生长发育对低温胁迫敏感。伴随全球气候变化加剧，极端低温事件发生频率显著上升，发掘耐冷基因并解析分子机制，有利于水稻高产稳产遗传改良。目前利用自然群体挖掘的水稻耐冷基因资源有限。该研究团队基于正向遗传学方法在温带粳稻中克隆到一个同时调控水稻苗期与孕穗期耐冷QTL-HAN2，HAN2编码一个生长素外排转运蛋白（OsABCB5），通过生长素介导的“OsARF24-OsMAP1/OsMPK3“信号通路负调控水稻耐冷性。在水稻驯化过程中，HAN2在籼稻和温带粳稻中出现分化。在温带粳稻中，HAN2等位基因在其下游获得一个Copia型逆转座子的插入，通过表观遗传学修饰降低基因表达，从而增强耐冷性，适应温带环境。温带粳稻HAN2等位基因向籼稻品种中导入可以增强水稻苗期与孕穗期耐冷性，因此该基因具有高产稳产育种价值。该研究深化了温带粳稻向北扩张的适应性驯化机制的理解，为气候韧性水稻育种提供了新的理论依据与基因资源。中国科学院亚热带农业生态研究所毛东海研究员为通讯作者，崔延春博士、黄丽芳、刘朋博士及王晓东为共同第一作者。研究获陈彩艳研究员、邢永忠教授（崖州湾国家实验室）、张文利教授（南京农业大学）、唐文帮教授（湖南杂交水稻研究中心）等专家指导，崖州湾国家实验室吴比博士、湖南杂交水稻研究中心谭勇俊博士等参与试验。南方科技大学陈永龙教授团队及本所公共技术中心提供技术支持，谢卡斌教授（华中农业大学）提供了遗传材料。研究获国家自然科学基金、湖南省科技重大专项等项目资助。论文链接水稻基因HAN2促进温带粳稻适应低温环境基于HAN2介导的水稻耐寒适应机制模型

2025-05-16

亚热带生态所 | 反刍动物消化道微生物膳食选择驱动纤维动态利用过程研究取得新进展

牛、羊等反刍家畜可为人们提供优质牛羊肉和奶类，是可满足人民群众日益多元化食物消费需求的优质蛋白来源。牛羊生产面临着饲草料供需失衡和饲料效率低等瓶颈，严重阻碍了高质量草食畜牧业的发展。膳食纤维作为反刍动物的主要营养来源，其利用效率直接影响动物的生长性能和健康状况。然而，不同纤维类型在反刍动物消化道的动态利用过程尚不明晰，尤其是消化道微生物在此过程中扮演的角色仍缺乏系统研究。牛、羊等反刍家畜可为人们提供优质牛羊肉和奶类，是可满足人民群众日益多元化食物消费需求的优质蛋白来源。牛羊生产面临着饲草料供需失衡和饲料效率低等瓶颈，严重阻碍了高质量草食畜牧业的发展。膳食纤维作为反刍动物的主要营养来源，其利用效率直接影响动物的生长性能和健康状况。然而，不同纤维类型在反刍动物消化道的动态利用过程尚不明晰，尤其是消化道微生物在此过程中扮演的角色仍缺乏系统研究。近日，中国科学院亚热带农业生态研究所畜禽健康养殖与农牧复合生态研究中心谭支良研究员团队针对提高纤维利用率的现实需求，基于微生物分解纤维的速率差异，以山羊为试验动物，构建了快速发酵型纤维（FF组，纤维素16.6%、半纤维素10.1%、果胶3.4%）和慢速发酵型纤维（SF组，纤维素22.8%、半纤维素13.7%、果胶1.3%）模型，构建了“纤维解聚→糖酵解→短链脂肪酸生成”级联代谢图谱。研究发现 SF组显著富集了瘤胃和盲肠中的纤维素降解菌Fibrobacter和Ruminococcus，而 FF组富集了果胶降解菌Prevotella，并通过提高果胶酶（PL1、GH28、CE8）的基因丰度提升动物生长性能。与此同时，慢速发酵型纤维可通过增强维生素B12 介导的瘤胃微生物纤维级联代谢提升生长羊纤维利用效率。相关成果以Dietary selection of distinct gastrointestinal microorganisms drives fiber utilization dynamics in goats为题发表于Microbiome（一区Top，IF=13.8）杂志上。此研究从全消化道的角度解析了哪些微生物、酶和途径参与了不同纤维组分利用的动态过程，可为靶向消化道微生物提升反刍动物纤维利用效率提供理论依据。该工作得到了国家自然科学基金、湖南省自然科学基金、湖南省科技创新计划和中国科学院青年创新促进会等项目的联合资助，亚热带生态所毕业生张小丽为本论文第一作者，焦金真副研究员为论文通讯作者。论文链接山羊消化道微生物纤维代谢图谱

2025-05-16

深圳先进院 | 李汉杰团队提出并定义“小胶质细胞谱系”（Trends in Immunology）

5月13日，中国科学院深圳先进技术研究院的李汉杰团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Trends in Immunology发表了题为 “The Microglial Lineage: Present and Beyond”的论点文章。5月13日，中国科学院深圳先进技术研究院的李汉杰团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Trends in Immunology发表了题为 “The Microglial Lineage: Present and Beyond”的论点文章。基于外周组织中存在具有小胶质细胞特征的免疫细胞的研究进展，该文章提出使用“小胶质细胞谱系”这一术语，统一定义此类细胞和经典中枢神经系统小胶质细胞。小胶质细胞谱系是指具有小胶质细胞分子表型特征，相同胚胎起源的组织驻留免疫细胞，但其组织分布和功能呈现多样性。中枢神经系统（CNS）小胶质细胞的发现小胶质细胞的发现是神经生物学领域的里程碑（图1A）。过去一个世纪的研究表明，小胶质细胞是大脑健康的“守护者”，在发育、稳态维持、免疫监视及神经退行性疾病中发挥关键作用。以词源学角度，“microglia”（希腊语“micro-”意为“微小”）指代胞体较小的胶质细胞。广义的“胶质细胞”（希腊语“glue”，意为“胶水”）概念起源于19世纪中叶，反映早期学界将其视为神经系统的“粘合剂”。尽管“星形胶质细胞”一词于19世纪末被提出，但直到1919年，Pío del Río-Hortega才通过新型染色技术从小胶质细胞和少突胶质细胞中区分出星形胶质细胞，明确定义了具有独特小胞体特征的小胶质细胞。后续研究将视网膜中具有类似形态和染色特征的细胞也归入此范畴。尽管Pío del Río-Hortega从未将小胶质细胞严格限定于CNS，但由于历史研究重点和技术限制，学术界长期认为小胶质细胞仅存在于CNS。外周类小胶质细胞的发现单细胞基因组学以前所未有的精度揭示了细胞多样性，改变了生物学的传统研究范式。它能够以单细胞和转录组分辨率进行跨组织比较，重新定义对细胞亚群定义的理解，挑战了长期以来认为某些细胞具有严格组织特异性的观念。此外，单细胞基因组学技术、先进的计算生物学技术，和时间分辨率采样技术相结合，有望揭示人类和其它不常见物种中不同细胞类型的个体发育。基于单细胞测序技术，近期在人类及非啮齿类动物外周组织中发现，与CNS小胶质细胞具有相同转录组、表观遗传特征和相同卵黄囊起源的免疫细胞（图1A）。通过无偏性分析人类胚胎发育不同阶段的多个器官/组织单细胞转录组数据，作者团队及其他研究者发现：在胎儿皮肤、睾丸、心脏及外周神经系统（PNS）中，存在一类具有小胶质细胞转录组特征（表达P2RY12、SALL1、TMEM119，不表达MRC1、DAB2、LYVE1）的免疫细胞群。流式细胞术及免疫组化进一步证实，此类细胞为CD45lowMRC1-P2RY12+，与CNS小胶质细胞高度相似，而非其他组织定居巨噬细胞。稳态下，它们呈现典型分支状形态（胞体延伸出树突状结构）。时序性单细胞转录组联合原位免疫荧光染色表明，这些外周类小胶质细胞与其CNS对应物同步出现于神经管发育阶段，并可能起源于卵黄囊巨噬细胞祖细胞。表观遗传分析进一步显示，PNS类小胶质细胞与CNS小胶质细胞具有相同特征。综上，这些外周类小胶质细胞与CNS小胶质细胞共享转录组、蛋白标记、形态、表观遗传及胚胎起源（图1A）。小胶质细胞谱系：具有小胶质细胞分子表型与胚胎起源的组织驻留免疫细胞尽管Pío del Río-Hortega的早期研究聚焦于CNS，但其染色技术主要针对神经组织，限制了对外周区域的探索。后续啮齿类动物研究（小鼠和大鼠）强化了“小胶质细胞仅存于CNS”的观点。然而，近期单细胞基因组学研究在人类及非啮齿类外周组织中发现了与小胶质细胞具有相同分子特征及卵黄囊起源的细胞（Table 1）。这些发现挑战了传统认知，表明小胶质细胞谱系是一类分布广泛且具有器官特异性功能的独特免疫谱系（图1B）。文章提出使用“小胶质细胞谱系”统一指代CNS小胶质细胞及其外周同类细胞。该术语强调此类细胞共享小胶质分子表型与胚胎起源，代表一类广泛分布的定居免疫细胞（图1B）。这一命名方案符合现代细胞分类学原则，可避免术语混淆，并促进跨器官比较研究。1. 符合现代细胞分类学：传统细胞分类依赖有限标记物（如IBA1）和形态特征，而单细胞技术可基于分子与发育特征进行无偏分类。将组织定居巨噬细胞亚群纳入“小胶质细胞谱系”，体现了以发育关系和分子状态为核心的分类原则。2. 避免术语混淆：“类小胶质细胞”一词常被误用于iPSC衍生模型、单核细胞来源的CNS浸润细胞或仅表达部分小胶质相关基因（如TREM2、CX3CR1）的外周巨噬细胞。而通过多组学分析和跨组织比较鉴定的外周小胶质细胞谱系，在分子与发育层面与CNS小胶质细胞同源。将其归入“小胶质细胞谱系”可明确其生物学独特性。基于其与神经系统的关联，作者建议将PNS类小胶质细胞命名为“PNS小胶质细胞”。3. 促进跨器官比较：小胶质细胞谱系在CNS中调控突触修剪等神经功能的分子机制，可能在外周被“改造”用于调控神经嵴细胞分化或神经元成熟。统一命名有助于揭示该谱系在不同组织中的保守与特化功能。外周小胶质细胞谱系的功能意义外周小胶质细胞谱系在不同组织（包括胎儿皮肤、睾丸、心脏和周围神经系统）中表现出显著的多样性空间分布（图1B）。它代表着一个多样化的驻留巨噬细胞群，这些巨噬细胞在不同器官中发挥着特殊作用，它们源于胚胎但又适应于不同的组织微环境。在胎儿皮肤中，小胶质细胞谱系分布于表皮，并与神经嵴细胞发生物理相互作用，促进神经嵴细胞分化为黑素细胞前体。在睾丸中，它们在发育和成年期聚集于睾丸的输出管和附睾管周围。在心脏中，它们在发育过程中主要定位于心脏的主动脉壁。它们在睾丸和心脏中的功能仍在研究中。在感觉神经节（例如背根神经节，DRG）和交感神经节（SG）内，PNS小胶质细胞将神经元胞体包裹在由卫星胶质细胞 (SGC) 形成的膜内，与神经元胞体形成直接的物理界面。这些相互作用通过调节神经元胞体增大和轴突生长，对神经元成熟至关重要。PNS小胶质细胞的缺失会损害神经元的兴奋性和躯体感觉。多样化的组织分布和功能凸显了小胶质细胞谱系细胞对其微环境的适应性及其在组织发育和体内平衡中的关键作用（图1B）。未来研究展望为了全面了解小胶质细胞谱系，在未探索的组织、发育阶段和物种中鉴定新的亚群至关重要。跨物种比较研究至关重要，因为小鼠和大鼠中缺乏关键亚群（例如皮肤和PNS中的亚群）。通过对不同物种不同组织中小胶质细胞的存在进行系统发育分析，不仅可更好地理解小胶质细胞谱系的进化保守性和分化性，而且还可揭示进化和发育压力如何塑造小胶质细胞谱系在不同生态位中的可塑性。进一步阐明组织微环境如何塑造它们的表型和功能，将有助于阐明它们对不同组织体内平衡的贡献。由于CNS小胶质细胞参与不同的病理状况，而探索外周小胶质细胞谱系是否以及如何在男性不育、心血管疾病和周围神经病变等疾病中发挥作用，值得未来关注。填补这些研究空白将加强小胶质细胞谱系的进化多样性、组织共同和特异适应性及其与人类疾病相关性的理解。本文提出“小胶质细胞谱系”这一术语，以整合中枢神经系统与外周组织中具有相同小胶质细胞分子特征及发育起源的免疫细胞。这一分类方案旨在减少术语混淆、促进跨学科研究，并强调其进化连续性。但是最终该术语的适用性，需经科学界广泛讨论与共识确认。该研究获国家自然科学基金、深圳市医学研究专项资金、国家科技部重点研发计划、深圳市科技计划，以及深圳合成生物学创新研究院科研计划等多个项目的支持。文章上线截图图1. 小胶质细胞谱系是指包含小胶质细胞转录组和相同发育的免疫细胞。(A) 时间轴展示了小胶质细胞谱系的发现历史。(B) 示意图展示了小胶质细胞谱系在人类中的发育起源、组织分布和功能。

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