科研进展--中国科学院广州分院

近日，中国科学院南海海洋研究所研究员张帆/林间团队，联合国内外多家单位，利用海底大地电磁技术，揭示了南海残留洋脊下方岩石圈-软流圈尺度的电性结构。相关成果发表于以“Magnetotelluric evidence for long-lived melt layer beneath oceanic lithosphere”为题发表于《Communications Earth & Environment》。论文第一作者为研究员张帆，通讯作者为助理研究员杨博、院士林间、研究员张涛。岩石圈-软流圈边界（lithosphere-asthenosphere boundary; LAB）是刚性岩石圈板块与下伏塑性软流圈之间的关键界面，对板块运动具有重要影响。该界面普遍表现出地震波低速和电阻率低阻的特征，通常被认为与地幔部分熔融有关。然而，部分熔融在LAB处的普遍性、熔体含量及其长期稳定性，尤其是在非活跃板块边界和远离地幔柱影响的地区，目前仍缺乏充分认识。残留洋脊是洋中脊扩张停止后形成的特殊地质单元，其热结构相对简单，不受复杂热异常影响，是研究LAB的理想天然实验室。为此，研究团队于2022年9月在南海西南次海盆布设了一条长约125公里、垂直穿过残留洋脊的海底大地电磁剖面。成像结果及综合分析表明（图1），在洋脊两侧50-80公里深处存在低阻层，指示0.1%-1.3%的部分熔融，而洋脊轴部正下方约60公里宽的区域则表现为熔体缺失的相对高阻特征，形成独特的“低-高-低”电阻率结构。这一特征与活动洋脊下方广泛发育的高导熔融区明显不同。结合本次观测结果及活动洋脊研究成果，研究团队提出了洋脊下方地幔熔体演化模型（图2）。在洋脊扩张阶段，扩张中心下方发育两个熔体区域：较浅的熔融汇聚三角区，以及其下更深、更广的低程度熔体层。随着扩张停止，1300 °C等温线逐渐下移，浅部熔体逐渐结晶固化；同时，扩张停止后洋脊附近的火山活动表明，部分浅部岩浆仍可向上运移并喷出，从而在洋脊轴部下方留下熔体亏损的地幔。相比之下，洋脊两翼的熔体能够长期保存，且至少已持续存在19百万年（19 Ma）。研究结果表明，洋脊扩张过程中产生的熔体可能是一种广泛分布且长期稳定存在的地质特征，并为解释全球海洋LAB处普遍观测到的部分熔融现象提供了新的机制。本研究得到广东省自然科学基金、国家重点研发计划等项目资助。论文信息： Fan Zhang, Bo Yang*, Jian Lin*, Tao Zhang*, Samer Naif, Jiabiao Li, Makoto Uyeshima, Chuanzhou Liu, Weiwei Ding, Xubo Zhang, Jiangyang Zhang, Caicai Zha, Alexandra Yang Yang, Zihua Cheng, Pengcheng Zhou, Jinyu Tian & Wule Lin. Magnetotelluric evidence for long-lived melt layer beneath oceanic lithosphere. Communications Earth & Environment, 7, 713 (2026).原文链接：https://www.nature.com/articles/s43247-026-03703-9图1 南海残留洋脊岩石圈-软流圈电性结构与熔体分布及含量图2 南海残留洋脊地幔演化过程示意图

2026-09-02

南海海洋所 | 研究揭示南海不同因素驱动海洋热浪的时空分布特征

近日，中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境与岛礁生态全国重点实验室海洋动力热力过程及其环境效应研究团队在海洋热浪研究方面取得新进展。相关研究成果以“Spatiotemporal characteristics of marine heatwaves driven by different factors in the South China Sea”发表于《中国科学：地球科学》（Science China Earth Science）。论文第一作者为博士研究生陈铭洋，通讯作者为研究员陈更新和研究员储小青。海洋热浪是指持续多天的异常海水变暖事件，对海洋生态系统及社会经济产生深远影响。南海作为全球最重要的边缘海之一，近年来海洋热浪事件的发生频率和强度显著增加。持续发生的海洋热浪事件可引发珊瑚礁白化、有害藻华暴发和渔业资源波动等一系列生态灾害，进而对沿海区域经济的可持续发展构成潜在威胁。尽管已有研究对其时空分布特征及部分驱动机制进行了探讨，但关于大气过程与海洋过程在海洋热浪形成与演变中的相对贡献仍缺乏定量评估。这不仅限制了对南海海洋热浪驱动机制的深入理解，也在一定程度上使得其预测和预报面临较大挑战。研究团队基于OISST观测数据以及GLORYS和ECCO2两套再分析产品，根据海洋热浪发展阶段中主要热收支项的相对贡献对1993–2022年南海海洋热浪进行了分类研究，并系统探究了不同类型海洋热浪的时空变化特征。结果表明：南海不同区域海洋热浪的主导驱动因素存在显著差异，南海北部、中部及南部大部分区域的海洋热浪主要由热力过程驱动，而越南以东海域及吕宋海峡附近则以海洋动力过程为主导（图1）。进一步分析发现，不同驱动机制不仅决定了海洋热浪的形成过程，也显著影响其特征。热力驱动型海洋热浪通常具有更长的持续时间，但强度相对较弱；动力驱动型海洋热浪则表现出更高的强度和更深的垂向影响范围（图2），这种差异与南海不同区域的海洋动力结构和大气强迫背景密切相关。此外，研究还对不同再分析数据集带来的不确定性进行了讨论，指出空间分辨率、数据同化以及模型偏差等因素均可能影响海洋热浪的分类及特征刻画。进一步强调，结合卫星观测、多套再分析资料及高分辨率区域模式开展交叉验证，是提高海洋热浪驱动机制识别可靠性的重要途径。本研究从驱动机制视角深化了对南海海洋热浪形成与演变过程的认识，揭示了海洋动力过程与大气热力强迫在塑造海洋热浪特征中的区域差异及其作用机制，为南海海洋热浪的分类监测、风险评估和精准预警提供了新的科学依据，也为气候变化背景下海洋生态系统极端事件的风险应对与保护提供了重要支撑。该研究获得广东省基础与应用基础研究基金项目、国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目、广州科技菁英“领航”项目和国家自然科学基金委员会共享航次计划项目的联合资助。论文信息：Chen, M., Chu, X. & Chen, G. Spatiotemporal characteristics of marine heatwaves driven by different factors in the South China Sea. Sci. China Earth Sci. (2026).原文链接：https://doi.org/10.1007/s11430-025-1917-6图1 不同类型南海海洋热浪的占比及各项热收支贡献。（A、B）为不同类型海洋热浪事件的占比；（C、D）为各网格海洋热浪的主导驱动类型；（E、F）为不同类型海洋热浪发展阶段的热收支贡献，包括混合层温度趋势（Tend）、净海表热通量项（Hflux）、水平平流项（Adv）、夹卷项（Entri）和余项（Res）。其中，蓝色为动力驱动型，粉色为热力驱动型，紫色为联合驱动型，绿色为余项驱动型。左列结果基于ECCO2，右列结果基于GLORYS数据。图2 不同类型海洋热浪海表温度及位温的时间-深度演变特征。（A、C、E）为不同类型海洋热浪在海洋热浪发生日期前后30天的复合海表温度异常，阴影部分为温度异常的标准差，其中红线为基于ECCO2的结果，蓝线为基于GLORYS的结果；（B、D、F）为对应时间段内的0–200m深的位温异常，其中阴影为基于ECCO2的结果，等值线为基于GLORYS的结果

2026-09-02

CEE | 俯冲板片-地幔楔最大解耦深度的流体控制机制

板块俯冲是深渊海沟形成和分布的根本原因。俯冲带动力学中的一个重要科学问题是：什么控制着俯冲板片与地幔楔之间的最大解耦深度（maximum depth of decoupling，MDD）——这一全球观测到的、将冷的刚性弧前地幔与热的对流弧下地幔分隔开的边界？围绕该问题，中国科学院深海科学与工程研究所（以下简称“深海所”）科研人员开展高温高压实验模拟研究，揭示滑石的交代脱水反应可能是控制MDD的关键机制，相关成果于近日发表于国际地球科学权威杂志Communications Earth & Environment。板块俯冲是深渊海沟形成和分布的根本原因。俯冲带动力学中的一个重要科学问题是：什么控制着俯冲板片与地幔楔之间的最大解耦深度（maximum depth of decoupling，MDD）——这一全球观测到的、将冷的刚性弧前地幔与热的对流弧下地幔分隔开的边界？围绕该问题，中国科学院深海科学与工程研究所（以下简称“深海所”）科研人员开展高温高压实验模拟研究，揭示滑石的交代脱水反应可能是控制MDD的关键机制，相关成果于近日发表于国际地球科学权威杂志Communications Earth & Environment。滑石广泛分布于俯冲板片与上覆地幔楔之间的界面处（图1）。作为含水矿物，滑石也是已知最软的矿物，不仅在俯冲带深部水循环中扮演重要角色，还对俯冲板片与地幔楔之间的界面起到润滑作用。因此，滑石在俯冲带中的稳定范围和脱水深度至关重要。以往对滑石最大稳定极限的评估，大多基于富硅的理想化条件，所得脱水温度约为800 ℃，对应俯冲深度最深可达160 km。然而，在真实的自然俯冲带界面中，滑石常与蛇纹石和橄榄石共生，处于一种富水、低硅的复杂流体环境中。这种环境下的滑石脱水行为及其地球动力学效应，长期以来缺乏直接的实验约束。因此，研究人员开展了高达33.8 kbar和875 ℃的原位高温高压实验，并与热力学计算的结果进行了对比。结果表明，在富水、低硅环境中，滑石会发生一种特殊的交代脱水反应（metasomatic dehydration），生成镁橄榄石和含硅的水溶液流体，而非传统上认为的顽火辉石、石英/柯石英和水。该反应比传统石英饱和模型预测的温度低90–170 ℃，将滑石脱水深度推至约80 km（图2），与观测到的MDD深度一致，适用于从马里亚纳到卡斯卡迪亚等全球冷、热俯冲带。该成果为理解俯冲带动力学机制提供了全新的实验约束。本研究第一作者和通讯作者为深海所程南飞副研究员，合作单位为中国科学院海洋研究所。研究获深地国家科技重大专项、国家自然科学基金项目和海南省“南海新星”科技创新人才平台项目资助。文章信息：Nanfei Cheng*, I-Ming Chou, Zhenhao Duan, Zhou Gui, Haiyan Zhang, Hao Yan, Jianhui Sun. Metasomatic dehydration of talc constrains the maximum depth of slab–mantle decoupling in subduction zones. Commun Earth Environ. 2026; in press. Available from: https://doi.org/10.1038/s43247-026-03979-x.冷俯冲带剖面示意图。图中展示了来自脱水板片的两种潜在流体运移路径：沿封闭界面下方上倾方向运移，或直接进入地幔楔熔融区（俯冲带基础模型修改自Wada & Wang (2009)；流体路径概念据Halpaap et al. (2019)）。最大解耦深度（MDD，紫色星标）在此由滑石的分解所界定。压力（深度）-温度图解，展示了在低 m(SiO2) 条件下滑石脱水反应相对于硅饱和（高 m(SiO2)）条件的偏移，并同时给出了两条滑石+镁橄榄石反应曲线以及三种典型俯冲带的热梯度。

2026-09-15

华南植物园揭示光环境调控大豆种子异黄酮的生物合成机制

异黄酮是大豆种子中一类重要的次生代谢产物，它不仅参与植物抗病、微生物互作、非生物胁迫响应和根瘤形成等生理过程，还对人体具有重要的营养与健康价值。尽管大豆种子异黄酮合成的分子机制已有一定研究，但在自然环境中，季节变化引起的光环境改变如何调控种子异黄酮含量仍不清楚。华南植物园科研团队通过全基因组关联分析（GWAS），定位到了一个调控大豆种子异黄酮含量的关键基因ICR1。进一步研究发现，光周期信号通过GmCOL2b-ICR1分子模块调控异黄酮积累，而紫外光UV-B则通过增强ICR1蛋白稳定性促进其积累。因此，该研究揭示了在夏、秋季节转换过程中，光周期缩短与紫外辐射变化协同促进大豆种子异黄酮积累的分子机制。图. 光环境调控大豆种子异黄酮积累的分子模式图侯兴亮研究团队致力于大豆种子发育、品质及环境适应性研究，并取得了一些重要进展（Liu et al., PNAS, 2025; Zhang et al., Nature Communications, 2025; Li et al., Molecular Plant, 2024; Yu et al., Nature Plants, 2023）。此项研究进一步揭示了光环境促进大豆种子次生代谢产物积累的分子机制。相关研究成果以“Photoperiod and UV-B orchestrate ICR1 to control seed isoflavonoid accumulation in soybean”为题目发表在国际学术期刊The Plant Cell上。中国科学院华南植物园博士后菅明阳和博士生武欢为共同第一作者，侯兴亮研究员与张春雨副研究员为共同通讯作者。该研究得到了广东省自然科学基金、国家自然科学基金和国家重点研发计划等项目的资助。论文链接：https://doi.org/10.1093/plcell/koag268

2026-09-11

深圳先进院｜打造首个“双模型协同”材料创制智能体MatBrain

材料创制是一项涉及多学科知识交叉的复杂系统工程，长期面临研发周期长、试错成本高等挑战。近年来，大语言模型（LLM）在辅助材料设计与预测方面展现出巨大潜力。然而，当前通用大模型参数巨大，部署成本高，并且在严谨的材料推理和复杂的多步工具调用之间难以兼顾，成为AI for Materials领域面临的关键难题。材料创制是一项涉及多学科知识交叉的复杂系统工程，长期面临研发周期长、试错成本高等挑战。近年来，大语言模型（LLM）在辅助材料设计与预测方面展现出巨大潜力。然而，当前通用大模型参数巨大，部署成本高，并且在严谨的材料推理和复杂的多步工具调用之间难以兼顾，成为AI for Materials领域面临的关键难题。日前，中国科学院深圳先进技术研究院（简称“深圳先进院”）材料人工智能研究所喻学锋团队成功打造了面向材料创制的轻量化双模型协同智能体MatBrain。相关工作以“A collaborative agent with two lightweight synergistic models for autonomous crystal materials research”为题，于2026年9月10日在《Nature Machine Intellegence》（《自然-机器智能》）在线发表。深圳先进院喻学锋研究员、王佳宏研究员为论文通讯作者；深圳先进院博士后史桐雨、博士生李玉堂、研究助理李湛渊和博士后（已出站）刘倩为论文共同第一作者。深圳先进院为论文第一单位。在该研究中，喻学锋团队首次提出了知识+工具双模型融合的材料创制智能体技术理念，通过自主开发轻量化科学推理模型Mat-R1和工具执行模型Mat-T1，构建了“科学推理-工具执行”双模协同智能体MatBrain。具体而言，针对通用大模型在材料科学任务中存在专业知识碎片化、物理化学约束理解不足、复杂科学推理稳定性不高等问题，提出“多源知识关联—推理数据蒸馏—领域能力内化”的材料科学推理模型构建方法，研制轻量化科学推理模型 Mat-R1。针对现有大模型智能体主要依赖提示词或预设流程调用科研工具，存在工具选择不稳定、复杂参数易出错、多步骤任务易中断、长程执行能力不足等问题，提出“工具即环境、执行即反馈”的科学工具过程强化学习方法，研制轻量化工具执行模型Mat-T1。借鉴认知分析与行动执行分工协同的类脑机制，将低熵科学推理模型Mat-R1作为“认知中枢”，将高熵工具执行模型Mat-T1作为“行动中枢”，建立共享状态驱动的“生成—验证—反馈—再执行”动态闭环，实现复杂科研任务的自主纠错、迭代探索和长程闭环。MatBrain通过有效降低因“低熵知识推理”与“高熵工具执行”冲突引发的“信息熵坍缩”概率，实现了科学知识可靠性与工具探索灵活性的协同统一，在多项材料预测和结构设计任务中预测准确率相较于GPT-5等主流模型提升66%，并将先进材料智能体的硬件部署成本降低95%以上；在实际案例中，MatBrain自主完成3万个候选晶体结构生成、七级筛选及候选优选，在48小时内获得38个新候选材料并指导实验开展，验证了双模智能体开展复杂材料创制任务的自主科研能力。团队相关核心专利“一种双模型协同的轻量化材料科学智能研究方法与系统”已获得授权，同时登记了“材料科学模型协同生态平台软件V1.0”软件著作权，相关成果入选2025年度中国科学院网信工作十大进展。团队已经将MatBrain开发成可应用的AI智能体软件，现正式发布MatBrain体验版软件供公众下载（下载地址见文后链接）。团队还一直致力于推动MatBrain的成果应用和转化。一方面，团队将MatBrain大模型与材料中试生产数据相结合，构建智能化材料中试解决方案。相关技术应用于团队孵化的控股企业中科先材，构建了AI驱动的先进功能材料中试平台，于2025年成功获批首批国家级制造业中试平台（全国仅21家，材料领域仅两家）。另一方面，团队还与多家企业共建创新联合体，助力企业研发提速增效。代表性地，团队与磷化工龙头企业兴发集团开展长期合作，将材智云脑MatBrain融合企业数据、构建面向磷化工及新材料领域的智能研发平台：兴发云脑；实现了从文献检索、知识分析、实验方案设计到工艺优化的全流程智能辅助，帮助兴发集团成为新能源领域增速最快企业之一。此外，研究团队正致力于将MatBrain作为机器人“决策大脑”，与具身智能技术相结合，构建具身智能机器人科学家（Dr. Mind）。其在灵巧手控制、离心机操作、精准“反馈”移液、精准“微量”加粉、样品表征分析等方面实现了精准、智能的自主实验，帮助科研人员高效完成生化合成、材料创制、细胞培养、样品检测等科研任务，从而推动构建具身智能自主实验室新范式。论文链接材智云脑MatBrain体验版下载地址：https://matbrain.siat.ac.cn/trial.html图1 | MatBrain双模型协同框架图2 | MatBrain性能展示及实际案例研发过程图3. 材智云脑MatBrain软件核心架构

2026-09-10

深圳先进院｜定量合成生物学全国重点实验室构建新型菌藻共生体系，实现工业废水中难降解含氮污染物与PET微塑料同步去除

近年来，工业废水，特别是印染行业废水，其核心治理难点在于溶解态顽固有机氮化合物（如N-杂环、芳香胺类）与颗粒态PET微塑料的复合污染。这两类污染物化学性质迥异、结构稳定，传统工艺各自为政——生物硝化针对无机氮、高级氧化针对溶解物、膜过滤针对颗粒物，难以同步应对；而天然藻菌共生体虽被视为可持续平台，却受限于微藻对高浓度染料的敏感性和现有工程细菌对PET降解效率的低下，始终停留于概念验证阶段。近日，由中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称“深圳先进院”）定量合成生物学全国重点实验室/合成生物学研究所Howard H. Chou正高级工程师领衔的研究团队在环境工程领域国际权威期刊Bioresource Technology发表重要研究成果"Synthetic microalgal–bacterial symbiotic system integrating oxidase-protease fusion enzyme for simultaneous removal of recalcitrant nitrogen-containing organic compounds and PET microplastics"。本研究打破“单一物种”思维定式，通过合成生物学手段构建人工菌藻分工协作体系：将顽固有机氮降解功能赋予工程化小球藻，将PET微塑料降解功能交由改造的恶臭假单胞菌执行，并利用碳-信号交换回路（胞外多糖与吲哚-3-乙酸互惠）将两者紧密耦合，旨在为复合污染物的协同治理提供全新设计路径。研究团队在分子层面取得关键突破，在微藻中发现了一种此前未知的氧化酶-蛋白酶融合酶（A20674）——其氧化酶结构域广谱去除N-杂环与芳香族化合物，蛋白酶结构域负责有机氮矿化，为微藻去除顽固含氮污染物奠定了首个酶学基础。基于此，团队理性组合工程化小球藻与恶臭假单胞菌，形成互惠增强的正反馈循环：小球藻分泌胞外多糖为细菌供碳，细菌回馈IAA促藻生长并同步降解含有有机污染物和PET微塑料。该优化菌群将有机氮浓度降低16倍（达≤5 mg/L的国家排放标准），顽固有机氮去除提升5倍，PET微塑料去除提升9倍——实现了溶解态含氮物与颗粒态塑料的集成去除，这是单一生物或传统工艺无法达成的组合。该成果不仅揭示了一种双功能酶架构用于降解结构多样的工业污染物，也为后续藻类污水处理技术的智能化、模块化设计提供了可拓展的合成生态学框架。1 废水驯化揭示关键氧化酶研究团队首先将小球藻在印染废水中驯化三个月。结果显示，延长光照时间可大幅提升生物量积累和营养物去除，但有机氮去除呈现独特的阈值响应——光照超过18小时后去除率方才显著提升，连续光照下达最大水平。即便如此，残余有机氮浓度仍高于中国印染废水排放标准（GB 4287-2012）及欧盟相关指令要求。转录组分析发现多种种氧化酶相关基因在废水条件下被强烈诱导。其中仅A23292与A20674两个异类污染物降解相关基因能使未驯化细胞直接在印染废水中生长。在不同类型废水（市政、酿造、畜牧、印染废水）中的评估显示，质粒过表达这两个酶可使COD去除提升4-6倍，氨氮去除提升3-7倍，有机氮去除提升2-55倍。在底物特异性层面，研究团队针对六大类代表性含氮污染物进行了系统测试：芳香族染料（吲哚、四氢喹啉、偶氮苯）、除草剂（敌草快）及兽用抗生素（林可霉素、恩诺沙星）。结果显示，氧化酶过表达使吲哚、四氢喹啉和偶氮苯的去除率提升4-6倍，并首次实现了对敌草快、林可霉素和恩诺沙星的降解（图1）。2 双功能融合酶的结构解析与功能分区A20674表现尤为突出——它在市政、酿造和畜牧废水中的有机氮去除效果甚至超越了经典P450酶A23292。AlphaFold建模揭示其独特结构：N端为氧化酶样区域，C端为蛋白酶样结构域。数据库检索发现单个结构域在微藻中存在同源物，但此前从未报道过同时包含这两种结构域的单条多肽蛋白。更有趣的是，将此蛋白的两个结构域分别独立表达后，测试结果呈现出明确的功能分工：蛋白酶样结构域单独即可再现全酶绝大部分的有机氮去除能力，在三种废水中稳定超越氧化酶结构域3-4倍；而氧化酶结构域则主要负责六种顽固含氮化合物的去除。这意味着A20674在单条蛋白中整合了两种功能。3 藻菌互惠机制的揭示与工程放大尽管工程化小球藻能有效去除溶解态污染物，微塑料去除仍因蛋白表达量低而受限。研究团队转而构建人工微藻-细菌共生体系：将恶臭假单胞菌（P. putida PP1a）引入体系，发现该菌株单独无法在印染废水中增殖，但与小球藻共培养后生长恢复—关键证据在于微藻分泌的胞外多糖（EPS）在共培养中被消耗高达41%，证实细菌以微藻释放的碳源为生。更重要的是，这种关系是双向互惠的：共培养同时提升了微藻的生长和营养物去除效率。机理上，恶臭假单胞菌分泌的IAA促进了微藻生物量及EPS产量提升，而EPS反过来又保护微藻细胞免受废水中有毒化合物的侵害，为氧化酶解毒争取了关键时间窗口。为了进一步增强互惠循环，团队进行了双向工程改造：在小球藻中过表达EPS合成相关基因（A16215或A19684），在恶臭假单胞菌中增强EPS分解代谢能力。同时，经过定向进化和分子改造相结合，获得了一株PET降解菌株B84，其不仅PET去除能力提升4倍，IAA产量也意外提高了3倍，完美契合了共生体系的需求（图3）。4 工程化菌藻共生系统实现顽固有机氮与PET微塑料同步去除集成所有工程化模块后，最优体系（含PET酶/EPS降解增强型恶臭假单胞菌，以及过表达A23292/A20674和EPS增产基因的小球藻）展现出惊人性能：PET微塑料去除提升9倍，塑料碎片去除提升5倍，相较于仅过表达PETase/MHETase的小球藻对照组；有机氮浓度降至5 mg/L以下，满足中国及欧盟排放标准；在含偶氮苯或活性黑5的限定成分印染废水中，染料去除提升5倍，PET微塑料去除提升4倍。除此之外该共生体系在厨余废水和含恩诺沙星、敌草快、偶氮苯的培养基中也得到了验证，结果与印染工业废水一致：B84与氧化酶过表达小球藻联用使有机氮去除提升6倍，EPS增产再额外提升3倍；对三种顽固化合物的去除提升21–45%。本研究提供了三项核心贡献：第一，首次鉴定并功能表征了微藻中的氧化酶-蛋白酶融合酶A20674——其氧化酶结构域负责广谱去除N-杂环与芳香族化合物，蛋白酶样结构域负责有机氮去除，为微藻去除顽固有机污染物建立了首个分子机制基础；第二，解析了小球藻与恶臭假单胞菌的互惠关系——EPS供碳与IAA促生构成的代谢交换回路，并通过工程手段放大该互惠效应；第三，将氧化酶、EPS过表达微藻与PET酶工程菌整合于单一人工合成菌藻共生体系中，首次实现了溶解态顽固含氮有机物与颗粒态微塑料的同步去除，有机氮达标排放的同时PET微塑料去除较纯培养提升9倍。该研究不仅揭示了一种双功能酶架构用于降解结构多样的工业污染物，更建立了一个合成生态学框架——将代谢功能分配于经理性设计的微生物伙伴之间，通过分子交换互联——为应对工业废水中多污染物共存的现实挑战提供了机理与工程基础，这是任何单一生物或传统处理工艺都无法企及的。深圳先进院定量合成生物学全国重点实验室/合成生物学研究所Howard H. Chou正高级工程师为本文的通讯作者，课题组助理研究员肖睿为本文的第一作者，中国科学院深圳先进技术研究院为本文第一完成单位。本研究得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金的资助以及深圳合成生物学创新研究院等项目的支持。图1.过表达氧化酶的小球藻对工业废水的处理效果。比较质粒过表达与染色体整合过表达两种方式下，(a)化学需氧量（COD）的去除率；(b)氨氮的去除率；(c)有机氮的去除率；(d)总磷的去除率；(e)含氮有机化合物的去除率；(f)在含氮有机化合物存在条件下，过表达氧化酶后微藻生长量的变化。EV：空载体对照；P&D：印染废水，Muni.：市政废水；Brew.：酿造废水；PD：养猪场废水；DFD：养鸭场废水。图2. 氧化酶-蛋白酶融合蛋白A20674的结构分析。(a)A20674的BLASTP比对分析结果。(b)AlphaFold3预测的A20674（左）与P450-细胞色素P450还原酶（CPR）融合蛋白CYP102A1（右）的三维结构。(c)A20674（左）与CYP102A1（PDB编号：1JPZ，右）活性位点比较。图3. 人工合成微藻-细菌共生体系的工程化构建。(a)刚果红染色显示胞外聚合物（EPS）的分布情况；(b)在印染废水中，小球藻单独培养（Cv）或与恶臭假单胞菌PP1a共培养（Cv + PP1a）72小时后，EPS中单糖组成及含量分析。(c)比较小球藻与PP1a共培养体系中，过表达IAA合成通路（+IAA）与未过表达（−IAA）条件下，相对于小球藻单独培养对照组的营养物去除效率变化。(d)过表达EPS生物合成相关基因后，EPS总含量及藻细胞密度的变化。图4. 微藻-细菌共生系统对PET塑料及有机氮的去除效果。(a)印染废水中PET微塑料粉末经5天处理后的去除情况。(b)在基础培养基中，一次性塑料餐盘经60天处理后的降解去除情况。(c)由工程化PP1a（过表达PETase/MHETase及PP1228）与过表达氧化酶及EPS合成基因（A16215或A19684）的小球藻所组成的共生体系，在印染废水中对PET微塑料粉末的去除效果。(d)在上述过表达PETase/MHETase及PP1228的共生体系条件下，有机氮（Org.N）的去除效果。

2026-09-10

深圳先进院 | 研发新型活性物质系统，让水凝胶像生物一样随时间变形

生物的形态变化无处不在，从向日葵的向光弯曲到组织器官的生长塑形，其背后是活性物质的持续生成与有序分布。这些活性物质通过扩散、反应及反馈，在数秒至数周的时间里完成形态转变。然而，传统刺激响应高分子材料主要依赖分子化学键改变形态，难以复现生物活性物质的跨时间尺度形态变化，严重制约了其在医学场景中的应用。9月4日，中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称“深圳先进院”）生物医学与健康工程研究所、医学成像科学与技术系统全国重点实验室杜学敏研究员等，在形态演化水凝胶方向取得了重要研究进展，相关成果以"Self-sustaining reactive species program morphological evolution across timescales in hydrogels"为题，发表在国际权威材料期刊Matter上。研究团队研发了一类具有时空演化特征的活性物质系统——STERS（Spatiotemporally evolving reactive species），可让水凝胶按照设定，在微观至宏观层面、数分钟至数周时间里，实现单次至多次循环的形态变化。STERS系统（图2）由三个核心要素构成：（1）液态金属颗粒（LMPs），用于持续产生活性物质——自由基与镓离子；（2）经典乙烯基单体（丙烯酰胺与丙烯酸），可与LMPs氧化层反应并参与聚合；（3）近红外光（NIR），用于构建活性物质的时空梯度。研究团队发现，光照前，液态金属颗粒就会和单体溶液发生反应，产出自由基、镓离子，引发化学反应，慢慢形成水凝胶。当使用近红外光照射后，液态金属颗粒会产生光热效果，进一步加速活性物质生成。在凝胶被照射和没被照射的区域、凝胶上下表面之间，形成活性物质浓度梯度。通过调节液态金属颗粒浓度、单体比例或光照时间，可精确调控水凝胶薄膜的形态演化时间及演化次数。研究团队进一步将该形态变化水凝胶体系拓展至生物医学领域应用（图3）。微观层面，利用水凝胶集成的微结构动态演化平台，在数天内诱导间充质干细胞向成骨或神经样定向分化；在宏观层面，构建水凝胶集成的形态演化电极，使其能够在数周内动态适配大鼠生长过程中脑表面的形态变化，并实现脑电图信号的连续监测，从而解决了传统固定形态电极难以匹配动态生长组织表面的核心技术难题。该研究为解决传统材料与器件难以匹配特定生物学时间尺度的问题提供了新策略。深圳先进院杜学敏研究员为该论文的通讯作者，聂明哲博士为第一作者。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院青年创新促进会、深圳市医学研究专项、深圳市基础研究计划等科技项目支持。原文链接STERS设计与程控凝胶化原理及NIR光调控活性物质的时空动力学形态演化水凝胶在数天内诱导干细胞分化及数周内动态适配脑机接口应用

2026-09-09

深海所 | 会“感知”氧气的蛋白：HIF-1α结构变化揭示深海鱼低氧适应新线索

近日，何舜平院士领导的科研团队在《Zoological Research》发表题为《Analysis of hypoxia-inducible factors in the deep-sea fish reveals genetic adaptation to hypoxic environments》论文、研究以马里亚纳海沟狮子鱼（Pseudoliparis swirei）、深海鳗鲡（Ilyophis sp.）和细纹狮子鱼（Liparis tanakai）为对象，系统解析了深海鱼类低氧诱导因子（HIF）及其调控机制。结果发现，Ilyophis sp. HIF-1α具有更强的转录活性，并能更有效地激活低氧响应基因；进一步的突变与功能实验表明，HIF-1α核输出信号（NES）附近的特异性缺失可能与其增强的低氧响应能力有关，同时Polo样激酶3（Plk3）可能作为HIF-1α的负调控因子参与这一过程。该研究揭示了不同深海鱼类低氧适应的差异化分子策略，为理解海洋低氧环境下鱼类的遗传适应机制提供了新的认识。氧气对于动物生存至关重要，但海洋中的氧气并不是均匀分布的。在部分中深层海域，水体中的氧气含量很低。面对这样的环境，鱼类必须及时“感知”氧气变化，并调整自身的生理状态。HIF就是细胞感知氧气变化的关键蛋白之一。可以把它理解为细胞中的“氧气感应器”：当氧气充足时，HIF会被快速降解；当氧气减少时，HIF会逐渐积累，并启动一系列低氧响应基因，帮助细胞调节能量代谢和氧气利用。研究团队比较了马里亚纳海沟7125米深处的马里亚纳海沟狮子鱼（Pseudoliparis swirei）、3425米深处的深海鳗鲡（Ilyophis sp.）以及浅海生活的细纹狮子鱼（Liparis tanakai）。结果发现，三种鱼类都保留了较为经典的HIF氧感知系统，但它们的HIF-1α“工作效率”并不相同。其中，Ilyophis sp. HIF-1α表现出更强的低氧响应能力。在细胞实验中，它能够更有效地激活低氧响应；进一步的斑马鱼实验也显示，表达Ilyophis sp. HIF-1α的斑马鱼在低氧环境下能够更强地启动相关基因，并表现出更低的死亡率。那么，是什么让它变得不一样？研究人员在比较HIF-1α蛋白序列时发现，Ilyophis sp. HIF-1α在一个重要调控区域附近缺少了约15个氨基酸。这一细微的结构变化可能影响HIF-1α的稳定性，使其在低氧条件下维持更强的活性。研究还发现，Polo样激酶3（Plk3）可能像一个“刹车”，对HIF-1α起负调控作用，而Ilyophis sp.的特殊结构变化可能改变了这一调控过程。这些结果表明，动物对极端环境的适应，并不一定需要产生全新的基因。有时，蛋白质序列中一小段结构的改变，就可能影响整个生理调控过程。值得注意的是，深海并不意味着越深氧气越少。海洋中的氧气分布受到水团运动、温度和生物活动等多种因素影响。因此，不同鱼类的低氧适应能力也并不是简单地随着生活深度增加而增强，而更可能与它们长期经历的具体环境和进化历史有关。随着全球海洋持续去氧化，理解鱼类如何感知和适应低氧环境，对于认识海洋生物的环境适应机制以及预测未来海洋生态系统变化具有重要意义。论文第一作者为中国科学院深海科学与工程研究所博士研究生艾耕，该研究得到国家重点研发计划（2022YFC2805400）、国家自然科学基金（32570512、32500445、42330405）、国家资助博士后研究人员计划（GZB20250218）以及中国科学院战略性先导科技专项（XDB42030000）等项目资助。图1 3种深海鱼类样品的外部形态。左上为新鲜马里亚纳海沟狮子鱼的标本；右上为2条新鲜深海鳗鲡的样本；下图为新鲜细纹狮子鱼的样本。图2 示意图展示了三种深海鱼类（Pseudoliparis swirei、Ilyophis sp.和 Liparis tanakai）中随水深相关变化的NES介导Plk3对HIF-1α调控差异。

2026-09-07

华南植物园对重塑枸杞生长习性研究获重要进展

枸杞（Lycium barbarum L.）是兼具营养与药用价值的多年生木本经济作物，产业价值突出，但其典型的无限花序特性是制约产业发展的重要瓶颈，该特性使枸杞枝条持续抽生、分期开花结果，单枝同时存在不同发育时期的花果，无法实现机械化采收，严重限制了枸杞规模化、产业化发展。在部分农作物育种中，选育顶生开花、花果同步、株型紧凑的有限生长种质，是实现机械化采收、降本增效的有效手段。但目前枸杞无限/有限生长习性的分子调控机制尚不明确，极大阻碍了适配机械化采收的枸杞新品种定向选育。针对上述产业难题，中国科学院华南植物园植物资源研发团队通过构建宁夏枸杞F1杂交群体，选取无限生长型（N）、有限生长型封顶前（TB）、有限生长型封顶后（TA）三类关键材料开展研究。扫描电镜观察表明，两种生长类型枸杞的茎尖发育模式存在显著差异（图1）。在无限生长枝条中，顶端持续生长；相比之下，在有限生长枝条中，顶端发生封顶前的生长与无限生长枝条相似，但当顶端出现顶生花序分生组织时，茎尖生长便停止，随即由营养生长转为生殖生长。研究团队进一步对三份试验样本开展比较转录组分析，筛选获得15个调控枸杞开花与茎尖生长确定性的候选基因，并重点对SP-like家族基因LbSP1及番茄SlSP5G的枸杞同源基因LbSP5G1进行功能验证。由于宁夏枸杞的稳定遗传转化体系尚未建立，该团队转而选用其近缘物种黑果枸杞（BGB, Lycium ruthenicum），利用CRISPR/Cas9基因编辑技术成功获得了单敲除和双敲除株系。表型分析表明，LbSP1与LbSP5G1以功能互补的差异化方式调控枸杞株型建成（图1）。LbSP1单突变体可形成顶生穗状花序，枝条紧凑；LbSP5G1单突变体产生多花花序，单枝坐果数增加，并丧失了光周期敏感性，整体开花更早。而LbSP1+LbSP5G1双突变体整合了两种单突变的优良性状，表现出株型更紧凑、开花更早、花序密度更高的特征。从数量性状上看，双突变体在所有产量相关性状上均优于单突变体和野生型（WT），平均单株产量达到174.94克——几乎是野生型植株（约55–65克）的三倍——同时具有最高的单枝和单节果实密度。蛋白互作测定进一步揭示了这种功能分化的机制基础，并由此提出了PEBP核心调控网络（图1）：其中LbSP5G1作为直接相互作用枢纽，LbSP1作为依赖环境条件的调节因子，二者共同平衡枸杞中的分生组织维持和生殖转变。该研究基于转录组学和基因编辑技术，鉴定并证明敲除两个保守的开花调控基因LbSP1和LbSP5G1，能够将枸杞枝条的无限生长习性转变为紧凑的有限生长结构，实现开花同步并提高产量，为培育紧凑、适宜机械化采收的枸杞品种提供了分子框架，标志着枸杞作物改良现代化迈出了重要一步。近日，相关研究成果以“CRISPR/Cas9-mediated knockout of LbSP1 and LbSP5G1 reveals efficient customization of shoot architecture in black goji berry”为题近日发表在国际权威期刊Plant Biotechnology Journal上。中国科学院华南植物园Fazal Rehman博士后（已出站）和刘焕芳助理研究员为共同第一作者，王瑛研究员为通讯作者，硕士生马云（已毕业）、吴妍，曾少华研究员，杨超副研究员，以及香港浸会大学宗渊博士为论文共同作者。该研究在实验过程中得到了李玉萍助理研究员、硕士生石怡和中国科学院遗传与发育研究所曹晓风教授的帮助，并得到了国家自然科学基金、广东省科技计划项目、中国科学院战略性先导科技专项以及广东省重点研发计划的资助。论文链接：https://doi.org/10.1111/pbi.70753图1.茎尖无限与有限生长类型的扫描电子显微镜观察，以及CRISPR/Cas9敲除LbSP1和LbSP5G1对枸杞茎尖分生组织发育及地上部形态重建作用，揭示了有限生长和高产背后的PEBP核心调控网络

2026-09-06

广州健康院 | 成功培育出“线粒体DNA突变生成器”猪模型：为研究人类衰老和线粒体疾病提供新利器

近日，中国科学院广州生物医药与健康研究院工具猪研究组和医用大动物研究组联合五邑大学等机构。纯合子、杂合子和野生型猪mtDNA突变总体分布情况。近日，中国科学院广州生物医药与健康研究院工具猪研究组和医用大动物研究组联合五邑大学等机构，在国际学术期刊Science Advances上发表了题为“Development of mitochondrial mutator pigs exhibiting increased mitochondrial DNA mutations and premature aging via prime editing”的最新研究成果。该研究利用先导编辑技术结合体细胞核移植技术，成功培育出“线粒体DNA突变生成器”猪模型。该模型携带校对功能缺陷的线粒体DNA聚合酶γ，表现出线粒体DNA随年龄增长而累积突变的特征，并精准重现了人类线粒体功能障碍所引发的早衰表型。线粒体几乎存在于我们身体的每一个细胞中，负责生产细胞活动所需的能量，因此被称为细胞的“能量工厂”。线粒体有一个独特之处：它拥有自己独立的遗传物质—线粒体DNA，只从母亲遗传给后代。当线粒体DNA复制时，需要一种叫做“DNA聚合酶γ”（由POLG基因编码）的关键酶来保证复制的准确性。这个酶的3'-5'外切酶结构域就像一位“校对员”，负责检查和修正复制过程中出现的错误。一旦这位“校对员”失职，线粒体DNA的突变就会大量累积，加速细胞衰老，最终导致身体出现早衰症状，例如体重下降、脱发、脊柱弯曲，甚至寿命缩短。那么，厘清线粒体DNA突变积累与机体衰老之间的关系，是否能帮助人们更健康地老去？为此，科学家们培育出携带类似基因缺陷的小鼠模型，试图在模式动物中探究二者的关联。小鼠确实帮了大忙，让人们认识到POLG蛋白功能缺陷所引起的线粒体DNA突变积累，是驱动机体衰老的关键因素。但问题在于：小鼠和人类的差异太大了。小鼠体型小、寿命短、代谢方式与人类不同，难以精确地模拟人类疾病的临床表型。从小鼠身上得到的实验结果，往往难以直接应用到人类身上。于是，科学家们把目光投向了猪。猪的器官大小、生理代谢、免疫系统都和人类高度相似，被认为是研究人类疾病的理想“替身”。为了使线粒体DNA聚合酶γ的“校对员”功能丧失，需要把猪POLG基因中的一个特定碱基从“A”变成“C”。传统的基因编辑工具难以做到如此精准的单碱基替换。为此，研究人员采用了先导编辑技术—一种具备“搜索替换”功能的新型基因编辑工具。通过优化设计，在猪的细胞中实现了超过50%的精确编辑效率，随后通过体细胞核移植技术，成功培育出失去了线粒体DNA复制校对功能的猪模型。携带纯合基因缺陷的猪表现出典型的全身性早衰症状，包括体重显著下降、毛发粗糙杂乱、严重贫血、皮肤和睾丸组织发生病变、寿命明显缩短（大多数未能活过7个月）。更关键的是，与小鼠模型相比，猪模型的症状出现得更早、程度更严重，更接近人类患者的真实情况，弥补了小鼠模型“病情太轻”的短板。通过对突变猪的线粒体DNA进行深度测序，研究团队发现：随着年龄增长，猪体内的线粒体DNA突变不断累积，且不同组织的突变程度存在差异。这些特征与人类线粒体疾病高度吻合。将猪模型中出现的线粒体DNA突变与人类致病突变数据库对比后发现，这种猪可以复现超过70%的人类致病线粒体DNA突变。这意味着，这种猪不只是研究早衰的工具，更是一个“线粒体DNA突变生成器”。科学家可以从中筛选携带特定致病突变的个体，进而培育出针对不同线粒体疾病的猪模型，有望解决当前线粒体疾病动物模型极度匮乏的难题。论文共同第一作者为中国科学院广州生物医药与健康研究院陈方兵博士、梁艳慧副研究员、五邑大学已毕业硕士生郑伟和广州医科大学已毕业硕士生姚奥博。通讯作者为王可品研究员、赖良学研究员和梁艳慧副研究员。该研究成果得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会、广东省自然科学基金等项目的资助。论文链接培育出的“线粒体DNA突变生成器”猪模型图注：（A）POLG基因突变位点示意图；（B）2月龄和4月龄纯合子猪模型照片（同一头猪）；（C）纯合子、杂合子和野生型猪mtDNA突变总体分布情况。

2026-09-04