科研进展--中国科学院广州分院

板块重构研究表明，侏罗纪以来北半球逐渐形成了以欧亚大陆东部为代表的长期板块汇聚中心，表现为西伯利亚、蒙古、印度、阿拉伯等地块群以及（古）特提斯、（古）太平洋板块向该区域的汇聚。此外，该阶段（重）新启动的单向俯冲过程也大多是朝欧亚大陆东部发起的。从定性的角度来看，似乎有“黑洞”似的结构长期位于欧亚大陆东部的下方，并将周边的板块吸引到自身之下，加剧板块间的挤压。然而，现有模型较难解释北半球至少200 Ma以来、板块间挤压增强且成为陆内构造-岩浆迁移活动聚集地的根本原因。近日，中国科学院广州地球化学研究所徐义刚院士团队的刘亮副研究员与合作者，采用基于地球深部物理状态建立正演动力学模型的研究思路，约束了当今上地幔的温度分布情况（欧亚大陆东部之下保留有显著的低温端员）（图1a-1b），并据此系统且定量模拟了上地幔温度分布不均一对北半球动力学演化的影响，揭示出北半球“黑洞”现象的本质，即地幔温差驱动的地幔对流会吸引周边板块向其汇聚，显著增强板块间的相互挤压作用（图1c）。图1. 北半球上地幔的温度分布不均一与长期板块汇聚过程驱动机制的示意图。(a)-(b) 借助地震衰减模型揭示的北半球上地幔温度分布不均一。根据本研究中的模拟结果，当今西北太平洋下方的低温结构，可能是从欧亚大陆东部下方沉降并迁移过去的。(c) 北半球长期汇聚过程的上地幔温度不均一驱动模型。本项研究表明，上地幔的温度不均一所诱发的地幔对流，可以驱动侏罗纪以来北半球代表性板块汇聚事件的发生。根据对模拟结果的统计，在原有俯冲过程结束后的~19 Myr内：88%的测试模型中发生了朝向冷地幔端员的单向俯冲；在大约43%的模型中，更轻的板块可以向冷地幔端员上方的更重的板块之下俯冲（图2）。与此相反，在地幔热状态均匀的模型中，俯冲重启的时机延长到了十倍之久，且更轻的板块从未俯冲到更重的板块之下。因此，本项工作解释了侏罗纪以来新启动的单向俯冲过程大多是朝欧亚大陆东部发起的原因。数值模拟结果还表明，在不同的汇聚带初始条件下，大规模平俯冲、年轻边缘海的俯冲、以及俯冲板片在地幔过渡带内滞留等北半球代表性现象也可以在模型中自发产生（图3）。此外，本研究中的数值模型很好地再现了西太新生代起始俯冲阶段的平均汇聚速率，很大程度上支持了模型结果在论证大时空尺度板块汇聚问题上的可靠性。图2. 模型结果总结。(a) 数值模型的俯冲极性。每个单元格中的数字标记了对应模型的编号。在模型29中，热且轻的大洋板块首先俯冲到上盘之下，但是俯冲极性在~2 Myr发生反转。(b) 每个模型中俯冲启动所需的时间。图3. 上地幔温度差异可以有效驱动200 Myr以来北半球多类代表性俯冲过程的发生论文中的正演数值模型基于刘亮主导开发与升级的热-动力学数值模拟程序LL_AM_TMM，该程序有自适应型网格（A2ML）、非线性粘-密度、熔-流体迁移、以及岩浆地化组成演化等算法。研究成果发表于国际学术期刊Geology（5-year IF 5.9）。本项研究受到国家自然基金委重大研究计划集成项目与国家自然基金委重大项目的共同资助。论文信息：Liu,L.*（刘亮）,Cao,Z.（曹泽斌）,Morgan,J.P.*,Li,H.Y.（李洪颜）,Yang,F.（杨帆）,and Xu,Y.G.（徐义刚）,2024,Geology,doi.org/10.1130/G51948.1.论文链接

2024-03-21

广州地化所：板块间横向挤压在小笠元-伊豆-马里亚纳俯冲起始中的关键作用

大洋板块俯冲是地球浅表最具代表性的地质过程之一。理论上来讲，大洋板块在形成之后的20-40 Myr内，就已经具备了发生俯冲的密度等自身属性条件。然而，50%以上的大西洋板块形成于40 Ma之前，至今却几乎没有发生俯冲；位于地中海东部的部分大洋块体甚至已在地表存在了3亿年之久。因此，除了大洋板块自身的属性外，新俯冲的开启往往还伴随某种外部因素的存在、以打破大洋板块与上盘之间的平衡状态，如：横向或纵向的外部驱动力（图1）。然而，两类驱动力在起始俯冲中的相对贡献却仍存在广泛争议。图1. 大洋俯冲体系孕育-成熟演化过程的示意图。(a)-(b) 纵向驱动。上盘减薄或弱化后，大洋板块的负浮力导致俯冲起始。(c)-(d) 横向驱动。板块间的横向挤压作用克服来自上盘的阻力，触发俯冲起始。(e) 成熟俯冲阶段。该阶段地幔楔内具有朝向俯冲板片的横向地幔流，俯冲带的岩浆活动变得稀疏，俯冲板块的主要脱水岩性转为蛇纹岩化的地幔岩类。针对以上科学问题，中国科学院广州地球化学研究所徐义刚院士团队的刘亮副研究员、李洪颜研究员与合作者，基于正演模拟与岩浆地球化学证据联合约束的研究思路，以小笠元-伊豆-马里亚纳俯冲带（IBM）为主要研究对象，系统模拟了两类起始俯冲模型孕育-成熟的演化过程（图1），归纳总结了108个数值模型的模拟结果，揭示出俯冲前的板块间横向挤压对解读起始俯冲阶段岩浆地球化学演化与时空分布规律的具有关键作用。根据研究结果，在横向驱动的起始俯冲模型中，1）板块间的横向挤压会导致俯冲板块浅部的物质被剐蹭掉（图2b、2i），致使俯冲起始后~2 Myr内发生脱水与熔融的板块物质主要为下洋壳（图2k），因此，该阶段的岩浆地球化学组成无法显示出俯冲沉积物、蚀变洋壳的地球化学贡献；2）伴随起始俯冲的板片回撤过程，会引起上盘岩石圈伸展减薄、发育裂谷（图2c-2g），并导致岩浆活动的中心向远离海沟的方向迁移约~100公里（图2j）；3）随着裂谷区域的持续冷却，俯冲板片中脱水与熔融的主体转为蛇纹岩化的地幔橄榄岩（图2k），该阶段俯冲带岩浆活动变得稀疏（图2j），模型进入到成熟俯冲带阶段（图1e）—以上时空演化特征与IBM的相关记录吻合。图2. 横向驱动起始俯冲的代表性模型。(a)-(h) 模型的关键时空演化节点。蓝色箭头标明了上盘的伸展中心。图中浅绿色物质为上-下盘间的解耦层、如转换断层等，紫色为沉积物，橙色为上洋壳，绿色为下洋壳，浅蓝色为大洋板块的岩石圈地幔，褐色为俯冲带的上盘岩石圈。(i) 弧前增生楔中沉积物与上洋壳体积随时间的演化。(j) 地幔熔体的时空分布规律。(k) 俯冲板块中脱水岩性随时空的演化规律。与此作为对比，在纵向驱动的起始俯冲模型中：1）早期>300公里的大洋板块前端部分会快速进入到深部地幔，在地表形成一个等宽的新生洋盆（图3a-3e）；2）与此同时，上涌的软流圈地幔会迅速熔融，形成较厚的新生岩石圈（图3f-3g），因此，起始俯冲阶段的岩浆活动只会发生在新生岩石圈形成之前（起始俯冲后3 Myr内）；3）随后模型进入到成熟俯冲带阶段（图3l-3m）（IBM则需要7-8 Myr）。在以上“短暂”的演化过程中，岩浆活动中心的迁移距离超过300公里，与IBM的观测不吻合。更为重要的是，由于板片的埋藏几乎与裂谷同时发生（图3c），在模型中起始俯冲早期阶段，所有板片物质均会发生脱水与熔融（图3k），这同样与IBM的岩浆地球化学记录不吻合。因此，本研究中的数值模拟结果与岩浆地球化学证据共同揭示，在起始俯冲之前或早期，IBM俯冲带存在有显著的板块间横向挤压作用（持续时间可以短至1-2 Myr）。该研究还阐明了，上盘岩石圈裂谷的冷却与固化速率在很大程度上控制了IBM俯冲带由“起始”转向“成熟”的演化进度。图3. 纵向驱动起始俯冲的代表性模型。(a)-(j) 模型的关键时空演化节点。 (k) 弧前增生楔中沉积物与上洋壳体积随时间的演化。(l) 地幔熔体的时空分布规律。(m) 俯冲板块中脱水岩性随时空的演化规律。论文中的正演数值模型基于刘亮主导开发与升级的热-动力学数值模拟程序LL_AM_TMM，该程序有自适应型网格（A2ML）、非线性粘-密度、熔-流体迁移、以及岩浆地化组成演化等算法。研究成果发表于国际学术期刊Communications Earth & Environment（5-year IF=7.9）。本项研究受到国家重点研发计划项目与国家自然科学基金委重大研究计划集成项目的共同资助。论文信息：Liu,L.*（刘亮）,Li,H.Y.*（李洪颜）,Liu,L.J. （刘丽军）,Ryan,J.G.,Morgan,J.P.,Ren,K.X.（任可心）,Xu,Y.G.（徐义刚）,2024,Communications Earth & Environment,5,91. 论文链接

2024-03-21

广州能源所在藻菌体系资源化处理奶牛场沼液方面取得进展

微藻和活性污泥（MAS）体系，构建简单，且能够有效去除污水中的氮、磷和COD等污染物而受到广泛关注。在污水处理中，水力停留时间（HRT）是一个至关重要的影响因素，直接影响污水处理性能、处理成本、微生物群落构建等。但迄今为止，对HRT在 MAS体系资源化处理实际污水中的作用鲜有研究。微藻和活性污泥（MAS）体系，构建简单，且能够有效去除污水中的氮、磷和COD等污染物而受到广泛关注。在污水处理中，水力停留时间（HRT）是一个至关重要的影响因素，直接影响污水处理性能、处理成本、微生物群落构建等。但迄今为止，对HRT在 MAS体系资源化处理实际污水中的作用鲜有研究。近期，广州能源研究所研究人员将小球藻和活性污泥组成的MAS体系应用于奶牛场沼液处理，分别在3个不同HRT（4 天、6天和8天）下培养4个周期，以探究HRT在MAS资源化处理奶牛场沼液中的作用。研究结果表明， HRT为4-8天时，MAS生物质的增长主要归因于微藻，较长的HRT有助于MAS生物质的积累和氮磷的去除，HRT为8天时达到最高生物质产量（2.20-2.52 g/L）和最高营养去除（总氮和总磷的去除率分别为87.68 ± 4.57 % 和 100 %）。生物群落分析结果表明，HRT显著影响了细菌群落的丰度和多样性，HRT为6天时细菌群落的丰度和多样性最高。微藻的生长会选择性富集特定的细菌，Proteobacteria 和 Bacteroidetes在3个处理体系中均为最主要的菌门。HRT影响MAS生物质的生化组成，但对MAS生物质的热值影响并不显著。较长的HRT由于营养缺乏导致生物质中油脂的积累；较短HRT中营养物质充足，MAS生长较快，可以积累更多的多糖。上述研究阐明了HRT对MAS体系资源化处理奶牛场沼液过程中生物质生产、污染物去除、细菌群落以及MAS生物质生化组成的影响，对MAS体系的实际应用以及在该连续处理过程中藻菌联合体的构建有重要意义。以上研究成果以Role of hydraulic retention time in integration of microalgae and activated sludge process for nutrient recycle from diluted dairy liquid digestate为题发表于Chemical Engineering Journal期刊，广州能源所生物质能生化转化研究室硕士毕业生冯思然为该论文第一作者，朱顺妮研究员和悉尼科技大学Huu Hao Ngo教授为共同通讯作者。该研究获得国家自然科学基金和国家重点研发项目的资助。原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.149538

2024-03-20

海洋药物递送系统靶向治疗肾脏疾病获得重要进展

近日，中国科学院南海海洋研究所刘永宏、周雪峰团队和南方医科大学唐斓团队在海洋药物靶向治疗肾脏疾病研究中获得重要进展，相关成果“A novel marine-derived anti-acute kidney injury agent targeting peroxiredoxin 1 and its nanodelivery strategy based on ADME optimization” 在线发表在中国科技期刊卓越行动计划领军期刊《药学学报》英文刊（Acta Pharmaceutica Sinica B）（IF14.5）上，研究员周雪峰和南方医科大学药学院教授唐斓、教授涂盈锋为本文共同通讯作者。海洋蕴藏着丰富的生物资源，海洋生物活性物质不仅包含具有药用潜力的天然产物，还包括广泛用于轻工、食品和医疗等行业的生物功能材料。海洋多糖在药物载体，特别是靶向药物递送中的优势越来越明显。合作团队多年来从海洋微生物中筛选发现了一系列具有肾癌肾病治疗潜力的粉蝶霉素糖苷类新颖药物先导化合物（J Org Chem 2019 ，84 ，12626；J Med Chem 2019 ， 62 ，7058；J Med Chem 2021 ， 64 ，9943），特别是粉蝶霉素糖苷S14在治疗急性肾损伤中显示了良好的开发前景（Theranostics 2022 ， 12 ，7158）。然而，由于靶向氧化应激的机制尚不清晰，且由于生物利用度原因，药物在肾脏分布不足，限制了粉蝶霉素糖苷作为治疗肾脏疾病的新药研发。团队前期通过化学基因组学等手段，发现过氧化还原酶1（PRDX1）是调节受损肾脏氧化应激中的关键靶标。本研究进一步揭示了S14通过与PRDX1的Cys83结合增加过氧化物酶活性，并通过增加PRDX1核转位激活Nrf2/HO-1/NQO1通路来抑制氧自由基产生，从而在急性肾损伤中发挥保护作用。基于药物先导物的药代动力学和ADME/T成药特性分析，设计一种靶向肾脏受损部位的药物递送系统是肾脏疾病精准治疗的有效策略。本研究对海洋甲壳类动物来源的壳聚糖进行丝氨酸修饰和改造，构建了一种pH敏感的靶向肾脏损伤分子 (KIM-1)的自组装结构的聚合物胶体，包裹具有疏水链的粉蝶霉素糖苷S14，“精准投递”到肾脏受损部位，并在酸性的溶酶体环境中“定点释放”。该系统通过延长S14的血浆半衰期、改善药-时曲线、增加药物肾脏分布，减缓经药物代谢酶UGTs的生物转化，显著改善了S14的ADME和药代动力学性质，优化了粉蝶霉素糖苷作为治疗肾脏疾病先导药物的成药性。综上，本研究利用修饰改造的海洋多糖大分子，构建海洋微生物来源药物小分子的靶向递送系统，阐明这个“高内涵”的海洋药物靶向治疗肾脏疾病的新机制并优化成药性，从而为肾脏疾病治疗提出新策略和特有的海洋智慧。本研究依托中国科学院海洋生物资源与生态重点实验室、广东省海洋药物重点实验室、广东省新药筛选重点实验室、国家药监局药物代谢研究与评价重点实验室和广东菜恩医药研究院有限公司等平台，得到了广东特支计划 “海洋药物研究开发创新团队”、国家自然科学基金、广东省重点研发计划等项目资助。相关论文信息：Ping Yu† ，Tanwei Gu† ，Yueyang Rao ，Weimin Liang ，Xi Zhang ，Huanguo Jiang ，Jindi Lu ，Jianglian She ，Jianmin Guo ，Wei Yang ，Yonghong Liu ，Yingfeng Tu* ，Lan Tang* ，Xuefeng Zhou*. A novel marine-derived anti-acute kidney injury agent targeting peroxiredoxin 1 and its nanodelivery strategy based on ADME optimization. 2024. doi:10.1016/j.apsb.2024.03.005.文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S22168

2024-03-19

广州健康院在人多能干细胞来源基因工程化巨噬细胞抗肿瘤研发中取得新进展

近日，中国科学院广州生物医药与健康研究院潘光锦课题组在Molecular Therapy-Methods&Clinical Development期刊发表了题为Large-scale generation of IL-12 secreting macrophages from human pluripotent stem cells for cancer therapy的文章。近日，中国科学院广州生物医药与健康研究院潘光锦课题组在Molecular Therapy- Methods & Clinical Development期刊发表了题为“Large-scale generation of IL-12 secreting macrophages from human pluripotent stem cells for cancer therapy”的文章。该研究提供了一种大规模生产用于实体瘤治疗的基因工程化巨噬细胞（GEMs）策略，并开发了一种功能增强型抗肿瘤GEMs，为GEMs的研发和应用提供了新的思路。巨噬细胞可以被募集并驻留在肿瘤微环境(TME)中，在肿瘤发生过程中发挥重要作用。与T细胞、NK细胞等其他免疫细胞相比，巨噬细胞具有更好的肿瘤浸润能力，近年来其在实体瘤治疗中引起广泛的关注。TME存在多种免疫抑制机制，因此，GEMs已成为调节TME，治疗癌症的一种新型策略，旨在改善TME免疫环境。然而，巨噬细胞来源受限和基因修饰操作难等问题限制了巨噬细胞疗法广泛应用。因此，开发更有效的方法来克服这些限制对于GEMs治疗实体瘤至关重要。该研究利用人多能干细胞（hPSCs）定向体外诱导分化产生成熟巨噬细胞（iMacs），从1个T150培养瓶106个hPSCs开始，1个月内可产生109个以上的成熟巨噬细胞，从而克服细胞来源的局限性。研究者利用hPSCs无限自我更新的特性，通过基因编辑将IL12的基因靶向整合到hPSCs的特异性安全位点上，随后通过上述分化体系产生稳定分泌IL12的GEMs（iMac_IL12)。iMacs及iMacs_IL12表达巨噬细胞相关标识物，具有典型的巨噬细胞特性，如吞噬和极化，在转录组水平与人外周血单核细胞来源的巨噬细胞相似。白细胞介素12（IL12）通过刺激NK细胞和T细胞来促进免疫，具有改善TME的极大潜力。但是IL12的半衰期短，且系统给药副作用较大。研究者发现通过静脉移植，iMacs_IL12可以在小鼠体内被招募并稳定驻留在实体瘤组织中，降低其副作用。接下来，研究者发现iMacs_IL12可以诱导PBMCs产生大量IFN-γ以增强免疫。在体外及体内实验中，iMacs_IL12对CD8+T细胞的维持、增殖和激活均具有积极作用，并且可以抑制T细胞的耗竭。除此之外，iMac_IL12显著促进T细胞对宫颈癌、神经胶质瘤和肺癌等肿瘤细胞系的杀伤。在小鼠CDX模型中，iMac_IL12联合T细胞可以显著抑制小鼠的肿瘤生长并延长生存周期，并在小鼠肿瘤转移模型中同样可以显著降低肿瘤负荷，延长生存周期，并减少肿瘤细胞向主要脏器转移。综上，本研究分化的iMacs可以克服巨噬细胞产品临床应用面临的来源障碍，避免了巨噬细胞在基因编辑和病毒整合中的安全性和低效性等问题。该GEMs显示出T细胞依赖的强抗肿瘤作用，可以显著抑制肿瘤生长和系统性转移，提高癌症存活率。中国科学院广州生物医药与健康研究院博士后康保强为该论文的第一作者，中国科学院广州生物医药与健康研究院潘光锦研究员、朱艳玲副研究员为该论文的通讯作者。该研究成果得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省科技计划项目、广州市重点研发计划等项目的资助。论文链接人多能干细胞来源的分泌IL12巨噬细胞抗肿瘤示意图

2024-03-18

广州地化所: 揭示溶液环境下文石白云石化过程中团簇同位素的热重置机制

碳酸盐团簇同位素（Δ47）具有独特的温度指示特性，在古气候古环境重建研究中占有重要地位。然而，由于地质时期的碳酸盐沉积物容易受成岩蚀变作用的影响，导致其Δ47发生重置而无法准确反映原始碳酸盐沉淀时的环境温度。对此我们有必要理解Δ47如何响应一些关键的成岩蚀变作用如固态重排和重结晶中的同位素效应。剖析这种响应规律或机制一方面有助于我们更好地判断Δ47温度计的可靠性，另一方面也有利于我们应用蚀变碳酸盐样品Δ47来指示成岩温度以及相关的地质过程。自然成岩蚀变环境导致Δ47重置往往是多种过程的共同作用结果，其中碳酸盐矿物的重结晶反应不仅普遍发生在矿物表面，也经常在矿物内部以溶解-再沉淀的形式进行，然而目前对Δ47如何响应内部重结晶过程还尚未明确，理解其中的作用机制对利用蚀变碳酸盐Δ47重建古温度具有重要意义。对此，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郭炀锐副研究员、孔凯博士等人开展了一系列文石白云石转化实验，聚焦于文石这类极易受后期成岩作用影响的碳酸盐矿物，研究了文石在高温高水岩比条件下转化成白云石过程中氧同位素（δ18O）和团簇同位素的分馏规律，揭示了文石在溶液环境中重结晶时存在显著的内部水交换作用并导致团簇同位素快速分馏的特征。该研究获得以下重要认识：1）文石的重结晶过程可发生在矿物内部（图1），即使在外部存在溶液的环境下，内部水与矿物间的同位素交换作用因体系的封闭性仅导致微小的δ18O变化但却可产生显著的Δ47重置（图2）；2）文石内部水交换作用，可视为亚微米尺度下的重结晶（溶解-再沉淀），其在高温下导致Δ47的快速变化有别于固态重排效应，其联合外部溶液的重结晶作用共同决定了碳酸盐δ18O与Δ47的“非线性”分馏关系（图3）；3）对于仅部分受后期成岩蚀变作用影响（如未与成岩环境达到平衡）的碳酸盐，内部水交换作用将导致这些样品的Δ47温度“无用武之地”，联合氧同位素温度计推导的流体δ18O值也无法准确指示成岩流体的来源和性质。该研究结果为蚀变碳酸盐团簇同位素的应用敲响了警钟，也预示了未来研究碳酸盐矿物内部水成因及同位素交换反应动力学的重要性。图1 碳酸盐颗粒与内部水（FIn）和外部水（FEx）的交换作用概念模型图2不同含水比例（MW）下模拟内部水与文石交换作用对同位素分馏的影响图3 模拟不同实验温度下文石白云石化过程中内部水和外部水交换作用。其中k值表示内部水交换相对于外部水交换作用的重要性，当k值越高意味着在反应进程中内部水交换作用对同位素分馏的影响越重要。该项研究受国家自然科学基金项目资助，成果近期发表在国际重要地学期刊《Chemical Geology》上。论文信息：Guo, Y.*（郭炀锐）, Kong, K.（孔凯）, Liu, X.（刘熙）, Deng, W.（邓文峰）, Wei, G.（韦刚健）, 2024. Fluid-mediated exchange reaction induces clumped isotope resetting: Insights from aragonite dolomitization experiments. Chemical Geology: 122036.论文链接

2024-03-15

华南植物园揭示豆科和非豆科人工林叶片氮稳定同位素自然丰度指示土壤氮动态的差异

氮稳定同位素自然丰度（δ15N）被广泛用于指示生态系统氮循环特性。豆科树种在全球森林广泛分布，尤其是在热带地区。由于具有共生固氮能力，豆科森林15N丰度受固氮过程中氮气（δ15N=0‰）的影响，其15N模式以及对生态系统氮循环的指示作用可能与非豆科森林存在差异。然而，目前有关两类森林叶片δ15N对土壤氮循环指示作用的差异性以及其对养分有效性变化的响应尚不明确。中国科学院华南植物园郑棉海研究团队依托广东省鹤山森林生态系统国家野外科学观测研究站的长期氮磷添加试验平台，选取豆科人工林（Acacia auriculiformis）和非豆科人工林（Eucalyptus urophylla）为研究对象，对“植物-凋落物-土壤”连续体的δ15N进行了分析，同时监测了土壤氮动态相关指标用以系统地对比养分添加下两类人工林植物和土壤15N的变化趋势以及其对土壤氮循环的指示作用。研究发现，氮添加对叶片δ15N的影响取决于森林类型，非豆科人工林林下植物叶片δ15N在氮添加下显著增加，而豆科林无显著变化。长期养分添加显著改变了两个人工林的土壤氮损失，具体表现为氮添加显著增加了土壤N2O排放以及NO3-淋溶速率，而磷添加表现出相反作用。此外，非豆科人工林叶片δ15N与土壤N2O排放和NO3-淋溶速率之间表现出显著的正相关关系，豆科人工林未表现出显著的相关关系。本研究表明，养分添加下的植物叶片δ15N对土壤氮动态的指示作用在豆科和非豆科森林之间存在差异，该研究结果拓展了15N自然丰度指示生态系统氮循环过程和状态的传统认知。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生毛晋花（已毕业，现为中国科学院地理科学与资源研究所博士后）为论文第一作者，郑棉海副研究员为通讯作者，毛庆功副研究员为共同通讯作者。该项研究得到国家自然科学基金等项目的资助。论文链接：https://doi.org/10.1007/s11104-024-06523-y图1. 氮磷添加下豆科和非豆科森林植物叶片δ15N对土壤氮动态的指示作用

2024-03-13

华南植物园发现长期氮和磷添加减少亚热带森林土壤底层微生物残体碳的积累

亚热带森林土壤通常被认为是富氮或贫磷，因此氮和磷输入不仅会影响亚热带森林土壤养分循环，而且还会影响土壤碳循环和碳储量。微生物残体碳在调节森林土壤有机碳稳定性中起着重要作用，但长期氮和磷输入对不同土壤层微生物残体碳的影响仍不清楚。了解不同土层深度微生物残体碳的驱动因素对于准确预测森林土壤有机碳的稳定性和碳储量至关重要。中国科学院华南植物园生态中心范琳杰博士在郑棉海副研究员的指导下，依托广东省鹤山森林生态系统国家野外科学观测研究站的长期氮磷添加试验平台，选取两种典型的亚热带人工林，即大叶相思林（豆科林，Acacia auriculiformis）和尾叶桉林（非豆科林，Eucalyptus urophylla）为研究对象，探索两种亚热带人工林土壤微生物残体碳在不同土层的变化及其对长期氮和磷添加的响应机理。经过长期（12年）的氮磷添加处理，发现不同土层微生物残体碳浓度的响应存在差异。长期氮和磷添加对表层土壤（0-20cm）的微生物残体碳浓度没有显著影响。磷添加显著降低了两种人工林深层土壤（20-40cm）的微生物残体碳浓度，而氮添加仅降低了尾叶桉林深层土壤微生物残体碳浓度，对大叶相思林的影响不显著。氮和磷同时添加降低了大叶相思林的深层土壤微生物残体碳浓度，但对尾叶桉林没有显著影响。进一步发现，深层土壤的微生物残体碳主要受微生物属性和矿物保护的影响，而在表层土壤中，植物碳输入和矿物保护的作用更为重要。对于深层土壤而言，磷添加导致微生物周转和钙结合碳浓度降低，从而减少了微生物残体碳的积累。虽然表层土壤微生物周转和钙结合碳也减少，但由于表层凋落叶分解速度加快及微生物量增加，植入碳的输入和微生物量的增加可能弥补了表层微生物残体碳的减少，导致表层土壤微生物残体碳浓度无显著变化。这项研究表明，长期大气氮沉降和土壤磷缺乏可能会影响亚热带森林底层土壤碳的稳定性，未来研究需要更多地关注森林不同土层（尤其是底层土壤）有机碳的稳定性及其驱动机理，这对于准确理解和预测亚热带森林土壤固碳潜力至关重要。相关研究结果已近期发表在全球变化领域期刊Global Change Biology（《全球变化生物学》）上。中国科学院华南植物园范琳杰博士为论文的第一作者，郑棉海副研究员为通讯作者。华南植物园莫江明研究员、武东海研究员等参与了该项研究工作。该项研究得到国家重点研发-青年科学家项目、中国科学院青年创新促进会项目、国家自然科学基金项目等资助。论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/gcb.17210图1. 氮和磷添加对豆科和非豆科人工林不同土层微生物残碳的影响图2. 氮和磷添加下豆科和非豆科林不同土层微生物残体碳的响应机制

2024-03-14

广州地化所：城市地区有机气溶胶挥发性分布的定量表征: 热解析和分子测量结果的相互比较

挥发性是有机气溶胶（OA）最重要的物理化学性质之一，挥发性高低决定OA的气固分配过程，进而影响其大气生消机制。基于挥发性的量化表征（饱和蒸气压浓度C*的分布）是模型模拟二次有机气溶胶（SOA）生成的关键，准确量化OA的挥发性分布及其影响因素有助于促进对SOA模拟的准确性。目前，测量环境OA挥发性的通常利用加热方法加速气溶胶挥发过程，并通过气溶胶测量仪器检测，结合动力学模型或者经验法模拟该挥发过程，以量化有机气溶胶的挥发性分布；随着OA在近分子水平上的测量和研究的发展，应用分子结构或分子元素组成的参数化方法估计OA的挥发性也越来越广泛，然而不同方法之间挥发性估计的差异仍不明确，导致OA挥发性量化仍有较大不确定性。特别是城市地区一次源排放和二次生成过程复杂，有机物分子成千上万，不同方法对环境OA挥发性测量的估算影响，尚无系统性研究。而针对其OA中关键含氮组分，有机硝酸酯（R-ONO2，简称pON）的研究更是十分缺乏，阻碍了对OA在大气中动态生成和老化的模拟与认识。为了量化城市环境OA的挥发性及不同挥发性估计方法之间的差异，中国科学院广州地球化学研究所陈卫博士在胡伟伟研究员的指导下，在中国的华南珠江三角洲特大城市广州开展了综合外场观测。在观测中基于多种测量技术，采用五种方法估算了OA和pON的挥发性分布（表1）：其中包括基于测量环境OA热解析曲线（OA挥发比例随温度变化）的（1）经验法和（2）动力学模型法；（3）基于官能团挥发性贡献的SIMPOL模型法和（4）基于有机分子元素组成的参数化方法，以及（5）基于有机分子气体和颗粒相分配的气固分配法。方法（1）和（2）的热解析曲线由热解析管与气溶胶质谱仪联用（TD-AMS）测量得到。方法（3）和（4）分别基于膜采样的电喷雾源（ESI-）傅里叶变换离子回旋共振分析仪（FT-ICR-MS）和配有在线气体气溶胶进样口的化学电离质谱仪（FIGAERO–CIMS，碘离子源）两套环境OA分子式计算得到。方法（5）的数据由FIGAERO–CIMS测量得到的气态和颗粒态有机物提供。本研究对不同挥发性估算方法进行了综合评价，发现城市地区环境有机气溶胶OA在不同方法间呈现出的挥发性高低趋势为: TD-AMS经验法≈TD-AMS动力学模型法≈SIMPOL模型法（FT-ICR-MS）<参数化方法（FT-ICR-MS）<气固分配法（FIGAERO-CIMS）<SIMPOL模型法（FIGAERO-CIMS）<参数化方法（FIGAERO-CIMS）。具体来说，基于TD加热法量化的OA挥发性的方法（1）和（2）具有较好的一致性。当假设该观测期间环境OA主要由有机硫酸酯、有机硝酸酯和羧酸基团组成时，基于FT-ICR的SIMPOL模型量化的OA挥发性分布（方法3）与两种加热法的挥发性一致，验证了这三种方法的有效性。但基于FI-ICR-MS测量的参数化方法（方法4）与前三种方法存在较大差异，高估环境OA的挥发性约2个数量级(>100倍)，且目前文献报道的不同参数化方案之间的估算结果亦不同。这表明基于有机分子组成的参数化方法目前仍存在较大的不确定性，在利用该方法阐述有机气溶胶挥发性结果时，需要考虑该不确定性，而参数化方案仍需进一步细化与改进。基于FIAGERO-CIMS测量结果的气固分配法估算的OA挥发性分布（方法5）较其他方法偏差较大，仅分布于较狭窄的饱和蒸汽压范围内 (0≤饱和蒸气压log C*≤4 μg m-3)。这种狭窄的挥发性分布结果主要由于FIGAERO-CIMS中进样口气溶胶挥发加热而导致有机物分子热解，以及质谱中碘离子源的选择性较强，利于测量含氧等有机极性物种两个原因主导。与FT-ICR相比，FIGAERO-CIMS测量到的OA种类较少，特别缺乏含S和极性较弱的含N物种。针对大气中的有机硝酸酯（pON），基于TD加热法和SIMPOL模型结果发现pON挥发性分布在log C*≤-9和≥2 μg m-3时贡献的质量分数均较高，表明pON中既存在较多的低挥发性组分，也存在相当一部分半挥发性组分。其中同时含N和S的有机物种（CHONS，推测为硝基有机硫酸盐）可贡献pON质量的约28%，突出了非均相/液相反应对城市地区pON形成的重要贡献。综上所述，本研究对环境有机气溶胶不同挥发性估算方法进行了系统的评估，并用不同方法量化了城市环境有机气溶胶和有机硝酸酯的挥发性分布，为研究城市地区OA和pON的挥发性测量和认识提供了新的视角，为城市地区气溶胶二次生成机制的研究提供基础科学依据。图1 根据不同方法计算的有机气溶胶（OA）挥发性分布：（a）基于热解析曲线的经验法和动力学模型法；基于FT-ICR数据集的（b）SIMPOL模型法 (Pankow and Asher 2008) 和（c）参数化方法 (Isaacman-VanWertz and Aumont 2021; Li, Poschl, and Shiraiwa 2016)；以及基于FIGAREO-CIMS数据集的（d）气-固分配法、（e）SIMPOL模型以及（f）参数化方法。图2（a）颗粒有机硝酸盐（pON）、无机硝酸盐（主要是硝酸铵）和实验室生成的纯硝酸铵颗粒物的TD热解析曲线；（b）基于TD-AMS系统测量的NO+, NO2+,CxHyN+, CxHyON+的热解析曲线；（c）基于两种热解析管加热法估计的pON的挥发性分布：包括经验法 (Faulhaber et al., 2009) 和本研究自行搭建动力学模型；基于FI-ICR测量的（d）SIMPOL模型 (Pankow and Asher, 2008) 和（e）参数化方法 (Li et al., 2016; Daumit et al., 2013) 估计的pON挥发性分布图。（f）不同挥发性估计方法得到的极低挥发性（ELVOC）、低挥发性（LVOC）和半挥发性（SVOC）占总OA的比例，右轴显示算术平均饱和蒸汽压浓度（C*）的log值。本研究成果近期发表在国际知名期刊Journal of Geophysical Research: Atmospheres上，相关定量研究结果为理解城市地区有机气溶胶的挥发性及不同挥发性研究方法差异提供了新的认知。论文第一作者为中国科学院广州地球化学研究所博士研究生陈卫，中国科学院广州地球化学研究所胡伟伟研究员为通讯作者。本研究受到国家自然科学基金委基金（42375105, 42230701, 41875156）、国家环境保护城市大气复合污染成因与防治重点实验室开放项目（2021080540）、国家重点研发计划项目（2022YFC3701000、2021YFA1601800）、广东省珠江人才计划（2019QN01L9480)广东省科技研究基金（2023B1212060049）等项目的联合资助。论文信息： Chen, W. ★（陈卫），Hu, W.*（胡伟伟），Tao, Z.（陶梓），Cai, Y.（蔡义宇）, Cai, M.，（蔡明甫），Zhu, M.（朱明），Ye, Y.（叶宇晴），Zhou, H.（周怀姗），Jiang, H.（姜鸿兴），Li, J.（李军），Song, W.（宋伟），Zhou, J.（周嘉仪），Huang, S.（黄山），Yuan, B.（袁斌）, Shao, M.（邵敏），Feng, Q.（冯茜丹），Li, Y.（李颖），Isaacman-VanWertz, Gabriel，Stark, Harald，Day, Douglas A.，Campuzano-Jost, Pedro，Jimenez, Jose L. , and Wang, X.（王新明）: Quantitative Characterization of the Volatility Distribution of Organic Aerosols in a Polluted Urban Area: Intercomparison Between Thermodenuder and Molecular Measurements, Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 129(4), e2023JD040284,论文链接

2024-03-14

真菌直线型四环混源萜生物合成机制研究获进展

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（LMB）闫岩研究员团队在真菌直线型四环混源萜ochraceopones的生物合成与酶反应机制研究方面取得新进展，相关成果“An Enzymatic Carbon-Carbon Bond Cleavage and Aldol Reaction Cascade Converts an Angular Scaffold into the Linear Tetracyclic Core of Ochraceopones”在线发表于Angewandte Chemie International Edition（《德国应用化学》）。助理研究员李艳芹、硕士丛梦静为共同第一作者，研究员闫岩、王俊锋与张长生为共同通讯作者。混源萜（meroterpenoids）是一类部分分子骨架来源于萜烯的天然产物，它们具有复杂多样的化学结构及广泛的生物学活性。这些丰富的骨架结构既可能来源于萜烯部分多样化的重排与环化，也可能来源于其非萜烯部分如聚酮、吲哚、莽草酸等丰富的后修饰。因此其生物合成途径中可能蕴含了大量新颖的酶促化学反应机制，深入研究这些酶学机制将为我们创建具有新型骨架结构和生物学活性的药物先导提供基础。真菌直线型四环混源萜ochraceopones具有优异的抗病毒和抗炎活性，然而其由常见的四元折线型结构转化为独特的直线型结构所涉及的化学合成和酶学反应机制却极具挑战性。研究团队早期从一株南极土壤来源真菌Aspergillus ochraceopetaliformis SCSIO 05702中分离得到了一类四环混源萜类化合物ochraceopones（化合物1-4，7）（J Nat Prod, 2016,79:59-65）。基于基因组学及生物信息学分析定位了负责该类化合物生物合成的基因簇（图1），通过构建构巢曲霉异源表达体系，联合体外微粒体实验及蛋白表达，成功鉴定和表征了负责化合物ochraceopones形成的所有生物合成酶，并阐明了完整的生物合成途径（图2）。图1. 直线型四环混源萜ochraceopones的生物合成基因簇图2. 直线型四环混源萜ochraceopones的生物合成途径推测在这项研究中，研究团队证明了ochraceopones的线性四环骨架是由同一个折线型前体即ochraceopone E（7）衍生而来。通过体外氘水标记的微粒体实验，证实了化合物7生成16涉及的碳-碳键断裂反应不是自发进行的，而是由多功能细胞色素P450-OchH催化完成。其通过将C13位羟基形成氧自由后促发C13-C14键断裂，而后通过羟基化形成十元环的中间体18，之后自发形成化合物16（图3）。图3. OchH的功能表征为了验证16作为真实底物的正确性，研究团队将16与基因簇内其余后修饰基因在构巢曲霉中进行了生物转化，并通过体外微粒体与蛋白的联合反应证实了该反应过程。结果显示，异构酶OchL通过催化分子内的羟醛反应将经过多步修饰的碳-碳键断裂形成的十元环重新连接，形成了一个新的碳-碳键而呈现出最终的线性四环化合物3（图4）。图4. 三环到线性四环骨架ochraceopones的生物转化表征然而，在异源表达及体外反应过程中，除了获得一系列不能被继续转化的途径副产物如化合物19、19’、21和23之外，均没有检测到反应的真正中间体（图4）。但是就观察到的实验结果表明在目前的生物反应体系中，随着氧化后修饰的多步积累，反应的真实底物在缺乏其后续生物转化酶的条件下无法稳定存在。肯定的是，根据分离到的一系列副产物及对其形成机制的推测，可以确定整个反应中间过程存在的真实性。总之，本研究鉴定并表征了合成ochraceopones的所有生物合成酶，并证明了完整的生物合成途径。证实了ochraceopones类化合物是由OchHJGL催化的酶级联反应将常见的折线型四环前体合成独特线性四环骨架结构。其中，多功能细胞色素P450-OchH负责催化自由基形成并引发C-C键断裂和随后的C12的羟基化，然后OchJ催化C15羟基化和OchG催化C15-OH脱氢。最后，醛缩酶OchL通过催化分子内羟醛反应导致新的C-C键形成而构建最终的线性四环骨架。OchH和OchL的发现及其功能阐明将为寻找更多新的P450酶和醛缩酶提供途径。然而，由于OchL底物的不稳定性，可能需要通过合成更稳定的底物衍生物来进一步研究其催化机理。上述研究工作得到了国家重点研发计划、海南省科技计划三亚崖州湾科技城科技创新联合项目、国家自然科学基金、中国科学院王宽诚率先人才计划“卢嘉锡国际团队项目”和海南省自然科学基金等的资助。相关论文信息：Yanqin Li， Mengjing Cong，Wengui Wang, Xiufeng Zhang, Yiguang Zhu, Yongxiang Song, Wenjun Zhang, Hua Xiao, Yonghong Liu, Changsheng Zhang, Junfeng Wang, and Yan Yan. An Enzymatic Carbon-Carbon Bond Cleavage and Aldol Reaction Cascade Converts an Angular Scaffold into the Linear Tetracyclic Core of Ochraceopones. Angew Chem Int Edit,2024. doi.org/10.1002/anie.202403365文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202403365

2024-03-12