科研进展--中国科学院广州分院

2024年8月21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Nature Communications上发表了题为“METTL3/METTL14 maintain human nucleoli integrity by mediating SUV39H1/H2 degradation”的研究论文。该研究发现了RNA甲基转移酶复合物METTL3/METTL14维持人胚胎干细胞中核仁相分离及功能完整性的新功能。2024年8月21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Nature Communications上发表了题为“METTL3/METTL14maintain human nucleoli integrity by mediatingSUV39H1/H2 degradation”的研究论文。该研究发现了RNA甲基转移酶复合物METTL3/METTL14维持人胚胎干细胞中核仁相分离及功能完整性的新功能。核仁是rRNA合成和核糖体亚基装配的亚细胞结构，决定细胞蛋白的合成及细胞稳态。目前研究表明，核仁主要通过多种生物大分子的液-液相分离（liquid-liquid phase separation，LLPS）方式维持正常多层级结构和功能。然而，核仁的正常液-液相分离及功能完整性是如何维持的尚不清楚。METTL3/METTL14是已经被证明的经典甲基转移酶复合物（MTC），通过催化mRNA上的N6-腺苷甲基化（m6A）参与多种RNA代谢过程，包括RNA稳定性、剪切、转运和翻译等过程，进而调控多种生物学过程和疾病发生。此项研究发现在人胚胎干细胞中敲除METTL3或METTL14后，并没有导致传统认为的mRNA变化，而是引起核仁结构和功能的剧烈异常，包括核仁变小、数目异常增多、rRNA合成减少、核糖体装配障碍、核仁功能异常导致的核仁应激导致的细胞生长停滞等。进一步发现，缺失METTL3或METTL14后，彻底破坏了核仁的液-液相分离，从而核仁不能形成完整且规则的由多种大分子相分离形成的正常多层级聚集体结构。随后，研究发现在METTL3/METTL14缺陷的细胞中，H3K9me3甲基转移酶SUV39H1/H2蛋白显著升高，导致H3K9me3在整个核仁中积累和浸润，并损害LLPS。从机制上说，METTL3/METTL14复合物作为CRL4 E3泛素连接酶的必要接头，靶向SUV39H1/H2并促进其多泛素化和蛋白酶体降解，从而阻止H3K9me3在核仁中的积累，并维持其正常的LLPS和结构。科研人员这些新的发现揭示METTL3/METTL14虽然作为经典的mRNA修饰酶，但在维持核仁的相分离和功能方面发挥关键作用。该发现不仅揭示了METTL3/METTL14维持细胞功能的一个从未报道的机制和作用，而且也有助于体现核仁这样一个无膜亚细胞结构如何维持其正常结构和功能。潘光锦研究员和单永礼副研究员为论文的共同通讯作者，单永礼副研究员、张燕琪博士后、卫焱星博士为论文的共同第一作者。该研究工作得到了科技部、中国科学院、国家自然科学基金委、中国科学院青年创新促进会、广东省及广州市科技计划等项目的资助。论文链接METTL3/METTL14维持人胚胎干细胞中核仁完整性的模式图

2024-08-28

华南植物园在重金属毒性调控研究取得重要进展

环境中的有毒金属通过各种途径进入食物链，并可能对人体造成多种危害，例如镉过量摄入引起骨脆性或肾损伤，铅会导致肾、脑中毒(神经胶质瘤)等。某些特定膳食补充剂（维生素族、抗氧化剂、矿质元素）具有缓解重金属胁迫和毒性的作用，但其对肠道过程中降低重金属生物有效性的影响机制尚不清楚，因此探索饮食干预对重金属的吸收、转运和积累的影响因素及其调控机制对减轻或预防镉和铅对人体的毒性和危害具有重要的现实意义。中国科学院华南植物园海岸带生态系统过程与环境健康组博士生孙硕、硕士生陈香华等人研究了多种抗氧化剂和矿质元素对模拟胃肠和小鼠中重金属生物有效性的抑制作用，发现添加蜂胶及其提取物显著降低了糙米中铅的生物有效性(p < 0.05)；中剂量原花青素对糙米和精米中镉的生物可给性和生物有效性均有显著的降低作用(达76% )。同时发现糙米中铅的生物可给性和生物有效性的下降与铁含量显著负相关。蜂胶提取物和原花青素能有效降低小鼠肝脏中H2O2含量、MDA水平，恢复还原性谷胱甘肽(GSH)水平(p<0.05)，说明它们对减轻体内Pb、Cd的氧化损伤有一定作用。本研究证实抗氧化剂能更好地抑制重金属的生物利用度，蜂胶及其提取物和原花青素等可能是干预人体铅和镉暴露的替代膳食补充剂。原花青素、金属硫蛋白和葡萄糖酸锌显著降低模拟胃肠消化和Caco-2细胞中Cd生物有效性，分别降低了60.5 %、82.5 %和73 %，有效降低镉的跨膜转运，并增强了跨膜电阻(TEER)，表明这些补充剂对镉诱导的屏障功能障碍具有保护作用。转录组学结果显示膳食补充剂下调了相关基因的表达，揭示了这些成分可以调节与膳食镉毒性和吸收相关的特定途径基因的表达，如凋亡途径(Jun,Ddit3)、抗氧化相关途径(Cat,Hmox1)和矿物质吸收途径(Mt,Slc39a4)。多食用富含原花青素和锌的果蔬可以一定程度上控制经口摄入镉的负面影响。相关研究成果于近期（在线）发表在国际学术期刊Science of The Total Environment（《总环境科学》）和Environmental Technology & Innovation（《环境技术与创新》）上。中国科学院华南植物园博士生孙硕为论文第一作者，庄萍副研究员为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金项目和广东省科技计划项目联合资助。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.175697和https://doi.org/10.1016/j.eti.2024.103771图1. 蜂胶及其提取物显著降低了糙米中铅的生物有效性图2. 原花青素、金属硫蛋白和葡萄糖酸锌对镉胁迫的响应机制模型

2024-08-28

广州地化所赵时真、张干等-ES&T观点：重视大气中的高挥发性持久性有机污染物（HV-POPs）

中国科学院广州地球化学研究所张干研究员团队赵时真副研究员、肖雨薇博士生，与英国兰卡斯特大学Kevin Jones教授和联合国化学品管理（UNEP/Chemicals）顾问Roland Weber博士近期联合撰文，呼吁应重视大气中的高挥发性持久性有机污染物（HV-POPs）。大气是持久性有机污染物（POPs）重要的赋存介质，在POPs的地表系统循环中起着重要作用，同时也是理想的POPs监测介质。大气POPs监测提供的POPs的分布、来源和传输等信息，可用于POPs的风险评价和管控政策有效性的评估。在已发表的绝大多数资料中，对POPs的挥发性特征的表述，均笼统地以“半挥发性”（Semi-volatile）一以概之，认为POPs可在大气气相—颗粒相间动态配分，在大气—地表界面频繁交换。但一些污染物或新列入《斯德哥尔摩公约》的POPs在大气中表现为高挥发性（如VOCs）或低挥发性。目前，主要存在于气相中的高挥发性POPs（HV-POPs），鲜有关注。在环境大气科学中，对挥发性组分的划分，是一个贯穿低挥发性（LVOCs）—半挥发性（SVOCs）—中等挥发性（IVOCs）—挥发性有机化合物（VOCs）的“连续谱”（Continuum），或全挥发性区间有机物组分，而有机污染化学范畴内的泛化的“半挥发性”概念，实际暗含了SVOCs/IVOCs中的许多化合物，却无明确的边界界定。这一不同学科方向上在概念的“割裂”，无疑将使对POPs大气环境行为的研究，与环境大气科学的叙事“若即若离”，从而在客观上妨碍对POPs在大气环境中赋存、迁移、转化乃至环境风险的深入认知，尤其表现在与大气二次有机气溶胶（SOA）或PM2.5研究的脱节上。有鉴于此，我们认为，应将POPs纳入环境大气科学的范畴，而对其挥发性进行细分界定。下图显示了基于真实实验室数据的典型POPs与正构烷烃同系物色谱峰叠加的质量色谱图。例如，IVOCs定义为有效饱和浓度（C*）300<C*<3×106 μg/m3，饱和蒸汽压为0.01至10 Pa（298K），对应C12-C20正构烷烃的饱和蒸汽压。我们认为，HV-POPs可定义为挥发性从IVOCs到VOCs的POPs，包括六氯丁二烯（HCBD）、五氯苯（PeCB）和六氯苯（HCB）、以及甲基硅氧烷（VMSs）和氟调醇（FTOHs）等新污染物。除了下图中标识的化合物外，超短链全氟和多氟烷基化合物（PFASs），如三氟乙酸（TFA）及其酯类衍生物，以及超短链氯化石蜡（vSCCPs，C6-C9）也可能为HV-POPs。值得关注的是，许多传统POPs，如六氯环己烷（HCHs）以及多氯联苯（PCBs）、多溴二苯醚（PBDEs）和多氯萘（PCNs）的低卤同系物，也属于HV-POPs范畴。与历史遗留POPs相比，目前对大气中HV-POPs的研究还相对较少且分散。图1. 典型POPs和C6-C30正构烷烃叠加的色谱图。图中横坐标为正构烷烃碳数。大气HV-POPs的采样方法，包括主动和被动采样两种。主动大气采样器包括使用滤膜和采样筒（cartridge）的小/大流量采样器、以及脱附（denuder）采样器。前者易于操作，而脱附采样器在捕集气态HV-POPs上更有效，可降低采样误差。被动大气采样器（PAS）易于准备和大范围部署，无需用电，因此在涉及偏远地区和采样站点较多的研究中更为合适。强吸附剂如XAD、Tenax树脂和活性炭通常用于捕集高挥发性有机物（VOCs）。此外，HV-POPs也可以通过基于XAD浸渍的聚氨酯泡沫（PUF）被动大气采样装置（SIP-PAS）采集。有报道表明，以HCBD为代表的HV-POPs很容易在PUF中发生穿透，导致实际大气浓度被低估。因此，需要针对HV-POPs的样品采集和实验室前处理，制定特定的质量控制和保证（QA/QC）措施，确保可靠的回收率。HV-POPs的大气采样亦可通过规范操作流程，使得来自不同实验室的监测数据更具可比性。大气中的HV-POPs不容忽视。其一，多数HV-POPs均是重要的化工原料乃至化工溶剂，用途广、产量大、历史长。如，氯苯类（CBs）被广泛用作农药生产、染料生产和电子工业的原料、助剂和溶剂，我国氯苯类产品的生产能力和消费能力均居世界第一，分别占全球总规模的74%和65%。HCBD主要用作化工溶剂、热交换剂和水力系统用液体，禁用后多来自含氯溶剂生产过程中（如一氯甲烷和四氯乙烯）等非经意排放。我国仅在2016年就排放近千吨HCBD。VMSs作为重要有机合成原料，广泛用于工业、医药、农业、食品、化妆品等领域，全球甲基硅氧烷年均产量800-1000万吨，主要在我国生产。其二，正是由于HV-POPs的高挥发性和大量生产使用，它相较于其他POPs可能在大气中以高浓度存在，并传输至北极等偏远地区。我们对广州城市大气样品中HV-POPs的初步分析表明，HCBD和VMSs的浓度在ng-μg/m3范围内，与众所周知的空气毒害物多环芳烃（PAHs）浓度接近甚至更高。在四氯乙烯厂区周边，HCBD浓度从μg到mg/m3不等，超过其职业暴露限值210 μg/m3。大量证据表明HCBD、HCB和α-HCH在北极地区广泛存在。其三，HV-POPs的高挥发性，使其能够在大气中存在很长的时间，利于其与自由基发生反应。这将导致其矿化和转化为亲水性氧化产物，这些产物可以通过大气沉降被去除。例如，HCB可能转化为更易溶于水的五氯苯酚（PCP）；FTOH可能转化为全氟辛酸（PFOA）。对于在室内空气中浓度较高的VMSs，持续生成的硅醇产物可能参与SOA的形成。大气模型研究人员可将HV-POPs视为“长寿命”气体，而无须特别考虑其多介质交换过程。基于观测的反演模型可用于估算HV-POPs的一次排放量，为化学品管理和政策制定提供理论支持。最后，HV-POPs在生物、人体内广泛检出。呼吸摄入可能是HV-POPs进入动物和人类食物链的关键途径。大部分HV-POPs具有低KOW（<105）-高KOA（>106）的特征，容易进入含有包括人在内的呼吸动物的食物链，进而发生生物富集或食物链放大。HCBD可在人体中形成有毒代谢物，美国环保部（US EPA）将其归类为可能的人类致癌物（C类）。PeCB、HCB、PFAS及其前体物广泛存在于人类乳汁和血清中，并能够在人体胎盘中积累。由上可见，未来的研究应将HV-POPs的概念纳入《斯德哥尔摩公约》的监管框架。强有力的全球合作对于HV-POPs的标准化监测、基于观测的反演模拟、技术领域的减缓策略、以及区域和全球尺度上的直接和间接大气传输研究，至关重要。此研究成果近期发表于国际期刊《Environmental Science & Technology》上，得到中国国家自然科学基金和广东省自然科学基金等的资助。论文信息：Zhao, S.（赵时真）; Jones, K. C.; Weber, R.; Xiao, Y.（肖雨薇）; Zhang, G*（张干）., 2024. Overlooked Highly Volatile Persistent Organic Pollutants in the Atmosphere. Environmental Science & Technology 58, 14062-14064.论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.4c02731

2024-08-26

广州地化所李继兵等ISME + JGR：石油污染区功能微生物的原位代谢特征、地球化学驱动因子、群落组装机制与功能解析

我国是石油生产和消费大国，在原油开采、运输和冶炼过程中，污染事故频发，严重威胁生态安全与土壤健康。微生物在污染物生物地球化学循环中扮演着至关重要的角色，尤其在石油烃类污染物的分解过程中，降解功能微生物能够将有毒污染物转化为无毒化合物，是降解过程的核心执行者。然而，在实际环境中，功能微生物通常以群落形式协同作用，而非单独发挥功能。因此，深入挖掘石油污染土壤中的微生物资源，准确识别复杂微生物群落中起到关键降解作用的功能菌群，明确其驱动因子和群落构建机制，是深入理解石油烃类污染物生物降解和调控机理的关键。现有研究大多聚焦石油污染土壤微生物群落结构，对石油烃降解功能微生物的关注仍然有限。如何在复杂的自然环境中精准甄别具有实际降解能力的微生物，并解析其作用机制，仍是亟待解决的挑战。近期，中国科学院广州地球化学研究所李继兵副研究员、罗春玲研究员团队，将稳定同位素示踪（SIP）、单细胞拉曼分选（RACS）、16S rRNA扩增子测序、基因组测序和地球化学因子分析等技术相结合，以正十六烷和菲作为模型化合物，深入揭示了石油污染区域功能微生物群落的组成差异、代谢机制及其受控因素。研究发现，功能菌群尽管整体组成有所不同，但关键菌种中的假单胞菌、海洋杆菌、食烷菌、苍白杆菌和鞘氨醇单胞菌等始终是正十六烷和/或菲的功能降解菌。其中，假单胞菌、苍白杆菌、食烷菌和鞘氨醇杆等功能菌表现出代谢多样性，能够有效降解两种污染物。进一步通过SIP-宏基因组分箱分析，研究团队获得了假单胞菌属、苍白杆菌属、鞘氨醇单胞菌属的主要功能降解菌的全基因组，并全面解析了石油烃降解途径（如邻苯二甲酸酯和水杨酸代谢途径）及其相关基因（如PAH双加氧酶基因、alkB基因），证实了这些微生物的生物修复潜力及其在石油烃类污染物原位生物降解过程中的重要作用。环境因素和方差分解分析表明，石油污染对功能微生物群落组成的影响最大（12%），其次是有效钾和有效氮；地球化学因子和地理位置分别独立解释了14%和21%的总变异。值得一提的是，功能性微生物群落结构中超过一半（51%）的变异仍未被解释，可能是由于未测量的环境变量所致。为了更深入地探明功能微生物群落原位代谢机制，研究团队创新性地提出了原位功能微生物菌群（FMC）的概念，并以菲为模型化合物建立了原位FMC构建方法。该方法涉及功能微生物的单细胞鉴定、分选和培养，最终形成精准的原位FMC。通过RACS-SIP技术，研究团队成功识别并分离出了菲降解功能菌单细胞，实现了基于基因组指导、精准可控的原位功能菌群构建。原位FMC在实际土壤环境中的降解效率优于传统方案设计的功能菌群，主要归因于原位功能菌群中各个物种具备多样化的菲代谢途径。这些物种通过分工合作或相互交流，能够协同提高菲的降解效率。此外，尽管传统分离方法获得的高效降解菌在人工条件下对污染物具有较好的耐受性，但在自然环境中往往缺乏实际降解能力。相关结论表明，在深入解析原位功能降解菌的基础上构建原位FMC具有巨大潜力，能够实现污染物的持续高效降解；而单细胞测序技术可以建立降解菌、功能基因和代谢途径之间的直接关联，为原位FMC的构建机制提供了深刻见解。以上研究揭示了石油污染区域功能微生物群落结构的影响因素及功能菌群构建机制，为石油烃污染的原位调控和生物修复提供了重要的理论依据。同时，原位FMC体系构建方法强调了在全面微生物功能分析和资源探索中，功能菌单细胞精准识别、分离和培养的关键作用。该技术还具有扩展应用于古菌和真菌FMC研究的潜力，为复杂生态系统中元素循环与污染物转化的FMC构建提供技术支持。该研究得到国家自然科学基金、广东省重点领域研发计划、广东省杰出青年基金以及中国科学院青年创新促进会会员等项目的联合资助。相关成果发表在环境科学和地球化学研究领域权威期刊《JGR-Biogeosciences》和《The ISME Journal》。 1 Li,J.,Huang,Q.,Cai,X.,Zhao,X.,Luo,C.*,Zhang,G.,2024. Metabolic Characterization and Geochemical Drivers of Active Hydrocarbon-Degrading Microorganisms. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences 129,e2024JG008104. https://doi.org/10.1029/2024JG0081042 Li,J.,Luo,C.*,Cai,X.,Zhang,D.,Guan,G.,Li,B.,Zhang,G.,2024. Microbial consortium assembly and functional analysis via isotope labelling and single-cell manipulation of polycyclic aromatic hydrocarbon degraders. The ISME Journal 18,wrae115. https://doi.org/10.1093/ismejo/wrae115 图1. (a) 中国北方石油污染区不同地点土壤样本的空间分布图；(b) 石油污染区不同地点土壤样本石油烃污染水平。图2. (a) SIP 鉴定获得的降解菌（苍白杆菌属、假单胞菌属、鞘氨醇单胞菌属和 Shinella 属）基因组圈图； (b) 参与 PAH 和饱和烃代谢的功能基因聚类分析图 3. (a) 与功能微生物群落结构变异显著相关的土壤地球化学因子的冗余分析 (RDA)；（b）方差分解分析量化地球化学因子 (G)、地理位置 (L) 以及土壤石油污染 (O) 的贡献。(b) 概述，(c) 关键功能微生物。图4. 基于RACS-SIP的原位功能微生物菌群 (FMC) 构建示意图。图5. 菲降解功能微生物细胞的原位识别和分选图6. 菲降解功能微生物细胞的菲代谢通路重建

2024-08-26

华南植物园揭示长期酸雨背景下土壤团聚体介导微生物对有机碳累积及稳定性的影响机制

随着工业化的快速发展，酸雨仍然是全球范围内不可忽视的环境问题之一。近二十年来，我国华南地区酸雨的持续影响，导致土壤酸化日益严重，这也将极大地改变森林土壤中微生物群落结构组成，最终对土壤碳储存产生影响。然而，对于在某种程度上决定土壤碳累积及稳定性的土壤团聚体，长期酸雨背景下其粒径大小分布规律以及如何介导微生物对土壤有机碳累积和养分元素循环产生影响的相关研究仍然缺乏。基于鼎湖山季风常绿阔叶林为期10年的模拟野外酸雨实验发现，长期酸雨处理显著抑制了土壤微生物活性，特别是降低了细菌和真菌的丰度，并导致碳分解相关的酶活性下降。相反，与磷和氮矿化相关的酶活性及其酶化学计量比值在长期酸雨影响下却显著增加。研究还发现，长期酸雨处理还导致了土壤团聚体粒径分布的明显变化，表现为大粒径团聚体向小粒径团聚体转化的趋势（图1）。然而，不同粒径土壤团聚体中微生物群落对酸雨处理的响应存在差异，倾向于寄居在大团聚体（macroaggregate（> 2000 μm））中的细菌群落比其他微生物群落更容易受酸雨处理的影响，而倾向于寄居在微团体（microaggregate（< 250 μm））中的真菌群落对酸雨处理的敏感性高于其他微生物群落。另一方面，酸雨处理对碳分解相关酶活性的抑制同样受土壤团聚体粒径大小和微生物群落分布的影响（图2），如大团聚体中与细菌群落密切相关的β-葡萄糖苷酶（β-glucosidase）活性下降尤为明显，而与真菌群落密切相关的酚氧化酶（PhOx）和过氧化物酶（Perox）活性则在微团聚体中受到显著抑制。该研究表明，长期酸雨处理下大粒径团聚体向小粒径团聚体的转化以及微生物活性的抑制，加上惰性组分碳分解相关的氧化酶活性在小粒径团聚体中的显著下降，可能会减缓森林土壤有机碳，特别是惰性组分有机碳的分解速率，从而提高了有机碳的稳定性并延缓了其在土壤中的滞留时间，促进了土壤有机碳的储存和累积。然而，这一过程也加剧了土壤养分的失衡，特别是磷的限制。相关成果已近期发表在土壤学领域Top期刊Soil Biology and Biochemistry（《土壤生物学与生物化学》）（IF2023-2024=9.8）上。广东省科学院广州地理研究所吴建平副研究员（鼎湖山站博士毕业生）为该论文第一作者，华南植物园张德强研究员和邓琦研究员为共同通讯作者，该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和广东省自然科学基金等项目的资助。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2024.109544图1. 模拟酸雨处理下土壤有机碳含量（a）以及不同粒径团聚体质量百分比的变化规律图2. 不同粒径土壤团聚体中微生物群落和酶活性之间的冗余分析

2024-08-25

西南喀斯特洼地农业生态系统应对洪水风险研究取得新进展

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徐宪立研究员团队在我国西南喀斯特洼地农业生态系统应对洪水风险方面取得重要进展，相关研究成果近期以Responses of crops to flood and implications for agriculture planning in subtropical humid karst peak-cluster depression为题发表在国际水文领域知名期刊Journal of Hydrology上。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徐宪立研究员团队在我国西南喀斯特洼地农业生态系统应对洪水风险方面取得重要进展，相关研究成果近期以Responses of crops to flood and implications for agriculture planning in subtropical humid karst peak-cluster depression为题发表在国际水文领域知名期刊Journal of Hydrology上。由于西南喀斯特区独特的水文地质条件，当发生大规模暴雨时，喀斯特洼地内涝风险显著加剧。中国西南地区是世界上最大的连片喀斯特地区之一，根据广西民政厅统计，2015-2018年，该区共发生 37 次洪涝灾害，造成直接经济损失约15.1亿元，其中34.3%为农业相关损失。然而，全球变暖的影响日益加剧，可能会增加该区极端降雨事件的发生风险，进一步影响农业生态系统。与此同时，意大利北部、西班牙南部和克罗地亚等其他国家的湿润喀斯特区也面临相似问题。因此，了解喀斯特区农业系统如何应对极端降雨事件至关重要。关于植物对洪水的响应，世界各地已开展了大量研究，尤其是在易受洪水影响的地区，如河岸地带、河流边缘湿地环境和洪泛平原。然而，在易受极端降雨影响的喀斯特洼地，植物对洪水的响应仍不明确，鲜有研究。因此，喀斯特地区居民为适应未来洪水而调整农业布局缺乏科学依据。为此，徐宪立研究员团队调查了2016年古周洼地的一次极端降雨事件，分析洪水对峰丛洼地农业生态系统（玉米和牧草）的影响。结果表明，此次极端降雨事件为 10 年一遇，导致洼地78.6%的玉米种植面积绝收和20.4%的牧草种植面积死亡。由于牧草的细根生物量较高且叶片光合能力稳定，其在淹没时表现优于玉米。牧草对洪水的淹没临界耐受时间为10.2天；玉米植株突出水面1.5米时可以存活。针对这一极端降雨事件，相对于洼地标高的最低点（设定为 0.00 米），牧草和玉米的安全种植高度分别为 3.09 米和 6.21 米。这项研究表明，有必要根据植物抵御洪水的能力合理安排喀斯特洼地农业生态系统布局，以应对未来的气候变化。本研究旨在提出一个框架，通过探索植物成活率与洪水（涝）过程之间的关系，确定植物的安全种植高度。但需注意的是，不同地区/景观的洪涝过程可能不一致，不同植物的耐涝能力也不相同，因此要推广到其他地区或景观，需要根据当地的水文环境和植物种类进行一些实验校准和验证。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会等项目资助。论文链接图 1 古周洼地植物淹没调查 a.牧草；b.玉米。上图显示了每个采样梯度上的牧草和玉米的生长地点、植株和茎秆的相对高度(洼地最低点设定为0.00m)。蓝线（最高水位）以下的植物被淹没。图 2 牧草（a）和玉米（b）的安全生存空间。绿色293770空间和灰色空间分别代表植物的存活空间和死亡空间。Hpk ,Hca ,Hc 和 Hs 分别为水位、冠层、茎秆和场地的相对高程。Hsp为生存空间高度，Hp 为植株平均高度。SPE 为相对于洼地海拔最低点(设为 0.00 m)的植株安全种植高度。SPE = Hpk - Hsp。

2024-08-24

喀斯特流域径流和产沙变化影响因素解耦取得进展

西南喀斯特区频发的极端降雨、独特的水文地质结构、浅薄且分布不连续的土壤、复杂的地貌类型以及高异质性景观与流域径流和产沙密切相关。但是，上述影响因素耦合叠加在一起，导致采用传统的主成分分析、因子分析等方法研究不同流域环境因子与径流和泥沙关系时会夸大或掩盖某些因子的作用，因此解析降雨、岩性、土壤、地貌和植被对喀斯特流域径流和泥沙的相对重要性仍是难点。西南喀斯特区频发的极端降雨、独特的水文地质结构、浅薄且分布不连续的土壤、复杂的地貌类型以及高异质性景观与流域径流和产沙密切相关。但是，上述影响因素耦合叠加在一起，导致采用传统的主成分分析、因子分析等方法研究不同流域环境因子与径流和泥沙关系时会夸大或掩盖某些因子的作用，因此解析降雨、岩性、土壤、地貌和植被对喀斯特流域径流和泥沙的相对重要性仍是难点。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研究团队为解决上述问题，选取西南地区40个典型喀斯特流域，获取了2009年至2012年径流和输沙量数据，提取不同喀斯特流域降雨、岩性、土壤、地貌和植被因子共103个，采用皮尔逊相关和随机森林筛选影响径流和产沙的主导因素，并利用偏最小二乘-结构方程模型（PLS-SEM）解耦径流和产沙与其潜在影响因素之间的复杂关系。结果表明，气候、岩性、土壤、地貌和植被可解释不同喀斯特流域79%的径流变化，其中仅有降雨对径流有显著影响（P<0.01，路径系数(β)=0.589）；气候、岩性、土壤、地貌和植被可解释产沙变异的59%，其中植被对不同喀斯特流域产沙量的影响最大（P<0.01，β=-0.458），而降雨对不同喀斯特流域产沙量没有显著影响。本研究通过解耦降雨、岩性、土壤、地貌和植被对不同喀斯特流域产流产沙的影响，研究结果对于深入理解喀斯特区侵蚀产沙机理和水土保持措施的优化配置具有重要意义。该项研究近期以Quantitatively distinguishing the factors driving runoff and sediment yield variations in karst watersheds发表在水文学领域一区期刊Water Resources Research上。该研究得到了湖南省杰出青年基金、中国科学院青年创新促进会、国家自然科学基金和湖湘青年英才等项目的共同资助。论文链接不同喀斯特流域径流和产沙影响因素解耦

2024-08-23

华南植物园在安第斯皇后凤梨保护基因组学研究获新进展

安第斯皇后凤梨（Puya raimondii Harms）是安第斯山脉特有的一种植物（图1），分布在秘鲁和玻利维亚3000—4800米的高山地带。作为凤梨科（Bromeliaceae）中最高大的物种，安第斯皇后凤梨的植株高度可达15米，是安第斯普纳地区（Puna）最为瞩目的植物之一。该物种具有独特的生活史性状，寿命长达40—100年，且一生只开一次花，开花后便迅速死亡。随着下一代测序技术（Next-Generation Sequencing）的发展，保护基因组学在物种保护中正发挥着越来越重要的作用。然而，针对长命单次繁殖植物的保护基因组学研究仍相对匮乏，影响了对这一类植物的保护。中国科学院华南植物园植物科学研究中心刘露等科研人员利用重测序（Resequencing）技术对来自秘鲁的9个群体，共计200个安第斯皇后凤梨个体进行了研究。研究利用全基因组数据分析群体的遗传多样性，利用溯祖法推断群体动态历史，并将结果与长命多次繁殖植物Puya macrura Mez进行了比较。研究结果发现，安第斯皇后凤梨的9个群体间高度分化（图2），群体内具有较低的遗传多样性和较高的遗传负荷。尽管各个群体内部缺乏遗传变异，但平衡选择在维持部分位点的遗传多样性方面发挥了重要作用。此外，安第斯皇后凤梨和其近缘种P. macrura均在更新世受到强瓶颈作用的影响，随后，P. macrura的群体规模逐渐恢复，而安第斯皇后凤梨的群体规模却持续收缩（图3）。研究表明，长命单次繁殖的生活史性状可能影响植物的群体大小和基因组变异，使安第斯皇后凤梨面临较高的灭绝风险，这一发现强调了在未来物种保护和管理中需充分考虑生活史的影响。该研究成果已近期发表在国际学术期刊New Phytologist（《新植物学家》）上。华南植物园博士后刘露为论文的第一作者，葛学军研究员和乌普萨拉大学的Martin Lascoux教授为共同通讯作者。该研究得到中国科学院“一带一路”计划、广东省应用植物学重点实验室及国家留学基金委的资助。文章链接：https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.20036图1. 安第斯皇后凤梨图2. 安第斯皇后凤梨9个群体的遗传结构图3. 基于FASTSIMCOAL2和PSMC推断安第斯皇后凤梨和Puya macrura的群体动态历史。

2024-08-21

深圳先进院翟冰课题组等发现真菌异质性耐药导致突破性血流感染（Nature Medicine）

接收器官移植的患者长期处于免疫缺陷状态，因容易发生包括侵袭性真菌感染在内的各种重症感染，需要通过持续使用抗细菌、抗真菌等药物来预防感染发生。但即便有药物保护，临床上也时常观察到患者在用药期间发生突破性感染，且引发感染的微生物对所用药物并未呈现经典的抗药性（antimicrobial resistance）。目前由于对这类感染的发生机制尚不明确，难以快速找到有效的用药方案，导致一旦发生此类情况，患者面临很高的死亡率。因此，亟需通过高质量的临床数据和实验数据解析其病因，开发新型检测手段，以应对这一棘手的医疗难题。8月2日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所翟冰课题组，联合纪念斯隆凯特琳癌症中心廖辰博士、Tobias Hohl课题组，以及埃默里大学David Weiss课题组在Nature Medicine上发表了题为“Antifungal heteroresistance causes prophylaxis failure and facilitates breakthrough Candida parapsilosis infections”的最新研究成果。文章上线截图该研究发现，在导致突破性真菌血流感染的近平滑念珠菌（Candida parapsilosis）临床菌株中，很多菌株对抗真菌药物米卡芬净存在一种有别于经典耐药的表型——异质性耐药（heteroresistance），肠道定植有异质性耐药菌株的患者发生突破性血流感染的风险显著高于仅有敏感菌株定植的患者。翟冰课题组联合中国真菌病监测网（CHIF-NET）和北美、欧洲的多个课题组，发现这一具有重要临床意义的特殊药敏表型在各国菌株中普遍存在。由于现有临床药敏检测手段将异质性耐药菌株全部鉴定为敏感菌株，会误导抗真菌药物的选择。该研究运用机器学习模型算法，通过不超过10个基因组特征（genomic features）可对异质性耐药表型做出较准确的预测。该研究明确了异质性耐药的临床重要性，并为开发有效快速药敏检测提供了新的策略。抗微生物耐药性（antimicrobial resistance）导致每年全球超过一百万人死亡，是严重的公共卫生挑战。异质性耐药有别于经典耐药表型，描述同一菌株内少数耐药细胞（有时比例仅百万分之一甚至更低）与大多数敏感细胞共存的现象，在较高药物浓度下，绝大部分敏感细胞会被杀死，而耐药细胞还能存活并继续增殖。由于耐药细胞频率低，异质性耐药表型不能通过常规临床药敏检测方法鉴定。重症感染的实际治疗过程常常会同时使用多种抗生素，因此无法直接将临床结局和单一药物的药敏表型联系起来，进而明确异质性耐药在真实世界的重要性。相比之下，免疫缺陷患者的预防性用药通常使用单一抗菌药物，更有助于研究药敏表型的临床意意义。异质性耐药菌株的耐药细胞比例受药物暴露情况影响而变化作者首先回溯分析了2016–2020年间在纪念斯隆凯特琳癌症中心（MSKCC）接受造血干细胞移植的952名患者中发生的突破性真菌血流感染病例，发现其中近半数由近平滑念珠菌（Candida parapsilosis）造成。这些病人移植期间均使用米卡芬净（一种棘白菌素类药物，靶向真菌细胞壁合成）预防真菌感染。值得注意的是，引起突破性感染的近平滑念珠菌都被鉴定为米卡芬净敏感菌。因此，研究者对这些菌株进行了更精确的菌落谱型分析（Population Analysis Profiling，PAP），发现其中多数对米卡芬净发生了异质性耐药。MSKCC突破性真菌血流感染病例多由异质性耐药菌株（橙色）造成在前期的系列工作中，翟冰课题组基于同一临床队列发现近平滑念珠菌在肠道中定植是发生真菌血流感染的必要条件 (Nature Medicine 2020)，但移植期间出现肠道近平滑念珠菌定植的患者仅有部分会发生真菌感染 (Nature Microbiology 2021)。在本研究中作者通过综合分析200多例移植病人的临床信息、肠道菌群信息和肠道/血液近平滑念珠菌菌株的药敏表型，发现在29名移植期间出现近平滑念珠菌肠道定植的患者中，定植有异质性耐药菌株的患者发生突破性血流感染的风险显著高于仅有敏感菌株肠道定植的患者。异质性耐药菌株在肠道定植显著增加移植患者发生突破性血流感染的风险为了探索临床菌株中出现米卡芬净异质性耐药的普遍性，作者检测了来自美国、中国、法国、德国不同医疗机构的共219株近平滑念珠菌对米卡芬净的药敏表型，并对所有菌株都进行了深度全基因组测序。结果显示，各国的临床菌株中均发现了对米卡芬净异质性耐药的菌株，预示着这一具有重要临床意义的药敏表型可能在更广泛的地域范围中影响棘白菌素类药物预防/治疗真菌感染的效力。异质性耐药表型在不同国家来源的临床菌株中普遍存在为了精确表征近平滑念珠菌的基因组特征（genomic feature）并分析其与异质性耐药表型的相关性，本文共同第一作者廖辰博士开发了基于开放阅读框（ORF）完整性和拷贝数的双参数拷贝数变异（CNV）表征法。通过整合219株临床菌株的药敏表型与SNV/CNV信息，作者构建了一个基于不超过10个基因组特征预测异质性耐药表型的机器学习模型算法，并进行了概念验证，为未来开发可应用于临床的异质性耐药快速检测法提供了基础。通过机器学习策略开发异质性耐药检测方法翟冰研究员和Tobias Hohl教授、David Weiss教授为本文的共同通讯作者。翟冰、廖辰博士、Siddharth Jaggavarapu博士、深圳先进技术研究院唐媛媛博士为共同第一作者。本工作获得了国家科技部重点研发计划的经费支持。

2024-08-07

深圳先进院发现生成式AI赋能脑网络构建新范式（IEEE TPAMI )

8月18日，中国科学院深圳先进技术研究院数字所王书强课题组在人工智能权威期刊IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence在线发表了题为"A New Brain Network Construction Paradigm for Brain Disorder via Diffusion-based Graph Contrastive Learning"的研究成果。首次实现了基于生成式AI优化模型的End-to-End脑网络构建。相较于传统的脑影像分析，作为大脑机理探索和脑疾病研究重要工具的脑网络计算，则侧重于不同脑区之间的相互作用和连接模式，能够更好地反映大脑作为一个整体系统的运作机制，有助于从整体角度理解大脑信息处理的方式。此外，脑网络计算能捕捉神经活动中的非线性异常特征，分析潜在的神经机制变化，为开发基于调控大脑网络的创新性治疗手段提供理论依据。8月18日，中国科学院深圳先进技术研究院数字所王书强课题组在人工智能权威期刊IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence在线发表了题为"A New Brain Network Construction Paradigm for Brain Disorder via Diffusion-based Graph Contrastive Learning"的研究成果。首次实现了基于生成式AI优化模型的End-to-End脑网络构建。论文发表截图生成式AI通过从数据中自动学习提取隐藏的模式和规律，在模拟复杂自然过程、分析和预测科学数据等方面表现出巨大潜力。相较于传统方法，生成式AI在学习复杂脑网络结构和连接模式特征方面具有显著优势，它能从脑网络异常特征中挖掘潜在的神经生理病理机制，为神经系统疾病的病因研究提供新线索。与传统的脑影像分析相比，脑网络计算在探索大脑机理和脑疾病分析具有显著优势。然而，现有的脑网络构建方法面临着效率低、一致性差、高度经验依赖等问题。针对上述问题，研究团队提出了一种基于扩散-图对比学习模型(DGCL)的脑网络构建新范式。具体而言，研究团队首先通过设计的大脑区域感知模块(BRAM)的扩散学习过程，实现个性化脑区的精准定位，避免了主观参数选择，并自动化对齐标准脑模板空间。然后利用图对比学习思想，通过稀疏化冗余连接，实现个体化大脑连接优化，从而增强同一组内大脑网络的一致性。最终通过设计节点-图对比损失和分类损失的联合约束机制，实现重建脑网络优化。DGCL模型图为了验证所提出的DGCL模型在脑网络构建和脑疾病分析任务上的通用性和泛化性，研究团队分别在面向阿尔茨海默病（AD）的ADNI数据集和面向自闭症障碍（ASD）的ABIDE数据集进行了大量消融实验和对比实验。实验结果表明，相较于现有脑网络构建工具，DGCL在脑网络构建效率、可靠性（ICC），以及脑疾病预测精度等方面具有显著优势。通过对AD和ASD不同阶段脑网络连接模式分析发现：两种模式的脑网络连通性在疾病早期都呈上升趋势，然后在疾病中期-晚期阶段时减少到较低水平。这一发现与脑科学研究中的神经连接代偿机制一致。不同脑疾病阶段的脑网络连接模式王书强课题组长期专注于基于生成式AI的脑影像-脑网络计算领域的研究，在脑影像增强、跨模态生成、脑网络构建和脑疾病智能辅助诊断等方面取得一系列成果，相关工作发表在IEEE Transactions on Medical Imaging、IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems、IEEE Transactions on Computational Imaging等权威期刊上，其中5篇入选ESI高被引论文。王书强课题组近年来在“基于生成式AI的脑影像-脑网络计算”方向的代表性工作王书强研究员为该文章的通讯作者，数字所研究生宗永承为第一作者。该文章获得国家重点研发计划、国家自然科学基金等科技项目支持。

2024-08-20