科研进展--中国科学院广州分院

近日，中国科学院广州生物医药与健康研究院刘兴国团队与中山大学眼科中心张清炯团队在Science China Life Sciences（《中国科学》（英文版））发表了题为“间充质干细胞介导的线粒体转移在Leber遗传性视神经病变神经祖细胞中恢复线粒体DNA和功能”（ MSC-Mediated Mitochondrial Transfer Restores Mitochondrial DNA and Function in Neural Progenitor Cells of Leber's Hereditary Optic Neuropathy）的文章。近日，中国科学院广州生物医药与健康研究院刘兴国团队与中山大学眼科中心张清炯团队在Science China Life Sciences（《中国科学》（英文版））发表了题为“间充质干细胞介导的线粒体转移在Leber遗传性视神经病变神经祖细胞中恢复线粒体DNA和功能”（ MSC-Mediated Mitochondrial Transfer Restores Mitochondrial DNA and Function in Neural Progenitor Cells of Leber's Hereditary Optic Neuropathy）的文章。该研究表明，间充质干细胞可以恢复Leber遗传性视神经病变（LHON）患者神经祖细胞中的线粒体功能和DNA。这一发现为治疗线粒体疾病带来了新的策略。LHON是一种遗传性视神经疾病，主要由于线粒体DNA突变导致呼吸链功能受损，进而引发视力丧失甚至失明。这种疾病通常在青年时期发病，患者可能会突然经历视力急剧下降，常伴随视野中心的模糊或暗点。LHON主要通过母系线粒体DNA遗传，这意味着病变基因由母亲传递给子女，且男女均可受影响。研究团队将LHON患者的尿细胞重编程为诱导多能干细胞（iPSCs），并进一步分化为神经祖细胞。通过与间充质干细胞共培养，研究观察到线粒体功能显著改善，正常线粒体DNA的比例增加。机制研究发现间充质干细胞介导的线粒体转移可以有效恢复LHON患者神经祖细胞中的线粒体DNA并改善线粒体功能。这些结果表明，间充质干细胞可以将功能性线粒体转移到神经祖细胞中，从而恢复其功能。这一发现不仅揭示了LHON的潜在治疗策略，也为未来研究提供了新的方向。这一治疗方法为遗传性线粒体疾病带来了新的治疗希望，可能帮助改善患者的生活质量，并减少遗传性视力损伤的发病率。通过进一步研究和临床试验，干细胞疗法有望成为治疗LHON及其他类似线粒体疾病的重要手段。论文链接图 LHON神经元电生理评估显示改善：膜片钳记录显示，典型表现为钠电流和钾电流受损的LHON神经元在与间充质干细胞共培养后，电生理功能得到恢复。

2024-08-06

韦振等-GRL：碳酸质熔体与辉石岩反应形成东亚大地幔楔玄武岩

大地幔楔是指地幔过渡带中滞留俯冲板片与上覆板块之间所夹持的广阔地幔区域，是近些年新识别出的独特深部地质构造。统计发现环太平洋50%以上的板块俯冲形成了大地幔楔，板片滞留范围从300到1700km不等。东亚大地幔楔在全球范围内规模最为宏大，研究程度最高，然而，其物质循环机制和玄武岩成因一直存在争议。早先研究揭示中国东部新生代玄武岩由低硅和高硅两个端元混合而成，其中低硅端元起源于碳酸盐化的榴辉岩和橄榄岩混合地幔，高硅端元起源于石榴石辉石岩地幔。放射成因同位素和稳定同位素都指示低硅端元与滞留太平洋板块的脱碳密切相关，但是关于高硅端元的来源存在激烈争论，包括地幔过渡带和岩石圈地幔两种不同的观点。针对上述问题，中国科学院广州地球化学研究所的韦振博士在李洪颜研究员等人的指导下，对山东无棣大山霞石岩开展了橄榄石斑晶熔体包裹体研究，发现熔体包裹体在记录源区组成和熔融机制方面比全岩具有明显的优势。研究发现无棣大山霞石岩橄榄石斑晶中存在两组明显不同的熔体包裹体。Group1以高CaO/Al2O3，低Na2O/TiO2、Ba/Nb和Sr/Nd比值为特征，类似于寄主霞石岩，其源区为碳酸盐化的榴辉岩和橄榄岩混合地幔。Group2具有低CaO/Al2O3，高Na2O/TiO2、Ba/Nb和Sr/Nd比值，这些地球化学特征无法用Group1熔体经历分离结晶或者捕获早期结晶矿物来解释。它们的低CaO/Al2O3和高Na2O/TiO2特征指示其源区（辉石岩/橄榄岩）经历了低压（<2.5 GPa）小比例部分熔融，高Ba/Nb和Sr/Nd比值特征与该区域高硅玄武岩特征类似，指示源区为岩石圈地幔中古老的辉石岩。这些数据说明深部来源的霞石岩熔体经历了与岩石圈地幔中辉石岩的熔-岩反应。升温、减压和挥发份加入是地幔熔融形成玄武岩的主要机制。实验岩石学揭示虽然辉石岩具有比橄榄岩更低的熔点，但在远离俯冲带和地幔柱背景下，它们也难以熔融形成碱性玄武岩。本研究提出山东地区新生代玄武岩的成因新机制：地幔过渡带滞留板片释放碳酸质熔体/流体到上地幔，较低的密度导致其快速上升，在150km以浅的深度助熔橄榄岩熔融形成霞石岩熔体，进一步上升穿越岩石圈地幔过程中，热传导和流体渗入诱发辉石岩熔融，深部来源的霞石岩熔体与浅部辉石岩小比例熔融产物混合形成该区域的玄武岩系列（包括霞石岩、碧玄岩、碱性玄武岩和拉斑玄武岩），部分低CaO/Al2O3的霞石岩记录了深源熔体与岩石圈地幔中辉石岩的反应过程。该研究对于理解滞留板片与大地幔楔的相互作用机制、大地幔楔的物质组成和玄武岩成因、以及挥发份循环过程与机制具有重要启示意义。研究结果近期发表在国际地球科学领域期刊《Geophysical Research Letters》上，该研究受到国家重点研发计划项目资助。论文信息：Wei, Z.（韦振）, Li, H.Y.*（李洪颜）, Ma, L.（马亮）, Hou, Y.S.（侯永胜），Wang, Y.（王煜），Xu, Y.G.（徐义刚）（2024）. Geochemistry of olivine melt inclusion reveals interactions between deeply derived carbonated melts from the Big Mantle Wedge and pyroxenite in the lithospheric mantle beneath eastern Asia. Geophysical Research Letters, 51, e2024GL108234.论文链接：https://doi.org/10.1029/2024GL108234 相关论文：Li, H. Y., Xu, Y.G., Ryan, J.G., Huang, X.L., Ren, Z.Y., Guo, H. and Ning, Z.G., 2016. Olivine and melt inclusion chemical constraints on the source of intracontinental basalts from the eastern North China Craton: Discrimination of contributions from the subducted Pacific slab. Geochimica et Cosmochimica Acta 178: 1–19.Xu, Y.G., Li H.Y., Hong, L.B., Ma, L., Ma, Q. and Sun, M.D, 2018. Generation of Cenozoic intraplate basalts in the big mantle wedge under eastern Asia. Science China Earth Sciences 61 (7), 869–886.图1 无棣大山霞石岩橄榄石熔体包裹体主量和微量元素与区域新生代玄武岩及高压熔融实验数据对比图2东亚大地幔楔玄武岩成因模型。（A）东亚下方地幔过渡带滞留板片释放的碳酸质熔体/流体交代上地幔；（B）碳酸岩化的橄榄岩部分熔融产生霞石岩，上升过程中与岩石圈地幔发生反应，热传导和流体渗入导致辉石岩发生低程度的部分熔融，产生低CaO/Al2O3比值，高Na2O/TiO2、Ba/Nb和Sr/Nd比值的熔体。

2024-08-02

姜连等-OG：广州地化所在朝阳盆地早白垩世沉积物中发现5个系列苯并藿烷类化合物

藿烷类化合物是指示细菌的生物标志物，普遍存在于各种沉积物和原油中。常见的藿烷包括常规藿烷、重排藿烷、异藿烷、降藿烷、断藿烷、甲基藿烷、芳基藿烷、单芳藿烷、二芳藿烷、三芳藿烷、苯并藿烷和降苯并藿烷等系列化合物。苯并藿烷在生物降解沥青、原油、碳酸盐、煤和湖泊沉积物较为常见。目前，已报道的苯并藿烷有三个系列（Hussler 等， 1984；Schaeffer等，1995，Nytoft 等， 2016），包括C-20位环化的常规苯并藿烷（本研究定义为a系列）、六环苯并藿烷（本研究定义为b系列）和C-16位环化的苯并藿烷（本研究定义为c系列）。苯并藿烷系列a和c广泛存在于沉积岩和原油中，但在蒸发岩和碳酸盐岩环境中尤其丰富。到目前为止，苯并藿烷b系列和c系列似乎只出现在未成熟的沉积物中，而苯并藿烷a系列则出现在不同成熟度梯度的地质样品中，这可能说明与苯并藿烷a系列相比，从藿烷类前驱物到苯并藿烷b系列和c系列的转变相对脆弱。近期，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博士后姜连与合作导师王云鹏研究员及国际合作者在中国东北地区朝阳盆地ZK1006井一套早白垩世未成熟-低熟沉积物中发现，除了已报道的三个苯并藿烷系列，地质体中可能还存在另外两个系列苯并藿烷，即新发现的d系列和e系列苯并藿烷（图1-2）。通过进一步对其不同系列苯并藿烷化合物分子量、化学结构式、质谱信息、色谱-质谱出峰顺序和保留时间分析，并结合其母质来源和沉积环境，探讨了苯并藿烷系列化合物的地球化学意义与潜在的地质应用前景，该研究取得的重要进展包括:(1) 苯并藿烷a系列（C31-C35）、b系列（C33-C35）和c系列（C31-C35）的形成途径不同，而新发现的d系列（C31-C34，可能到C35?）和e系列（C31-C32，可能到C35?）苯并藿烷的形成机制相似（图3-4a）。图1 朝阳盆地ZK-1006井3个代表性样品中苯并藿烷系列a和b的分布。TIC =总离子色谱图。BH =未知苯并藿烷。8β-和8α-表示C31二芳型8,14-断藿烷（分子量414 Da）。图2 朝阳盆地ZK-1006井3个代表性样品中苯并藿烷系列c、d和e的分布。(2) 一般而言，地质体中a系列通常是主要的苯并藿烷系列，但偶尔样品以系列c苯并藿烷为主。b系列苯并藿烷可能与陆源有机质有关 (图4b)。(3) a系和b系苯并藿烷可能受氧化还原性质的影响，而c系苯并藿烷的形成和富集更可能受古盐度的控制。与升藿烷指数类似，本项研究提出了两个新的参数（苯并藿烷指数和C35/C34苯并藿烷比值）可作为研究区有用的古环境指标。一般而言，较高的苯并藿烷指数和C35/C34苯并藿烷比值可能提示缺氧环境（图5）。图3 地质体中5个系列苯并藿烷化合物的形成机制示意图图 4 苯并藿烷相关比值散点图图5 朝阳盆地ZK-1006井苯并藿烷等生物标志物及无机地球化学参数深度剖面图。苯并藿烷指数由苯并藿烷系列a和c (BHI-a和BHI-c)计算，苯并藿烷比率由苯并藿烷系列a、b、c计算。BHI-a = C31 a/(C31 a- C35 a) × 100%；BHI-c = C31 c/(C31 c- C35 c) × 100%。GI =伽马蜡烷指数。注：Sr/Ba、(Cu+Mo)/Zn和2U(/U+Th/3)比值见附表。该研究成果首次在地质体中鉴定和识别了五个系列的苯并藿烷类化合物，并提出苯并藿烷指数和苯并藿烷比值可与升藿烷指数类比，作为新的古环境参数指标，进一步丰富了生物标志化合物在古环境研究方面的应用。此研究成果近期发表于国际期刊《Organic Geochemistry》上，得到国家自然科学基金、广东省自然科学基金和中国科学院PIFI项目的资助。论文信息：Jiang, L. (姜连), Li, Li., Nytoft, H. P., Wang, Y. (王云鹏), George, S.C., 2024. Five series of benzohopanes in early Cretaceous sediments from the Chaoyang Basin, NE China. Organic Geochemistry 195, 104843.论文链接：https://doi.org/10.1016/j.orggeochem.2024.104843

2024-08-02

梁天等-OG：利用溶胀实验-X射线衍射（XRD）揭示固液有机质相互作用过程

页岩油作为非常规油气资源的重要类型，在全球化石能源格局中占据重要地位，受到了广泛关注。随着页岩油勘探开发的不断深入，其在烃源岩中的赋存与排烃机理逐渐成为研究的重点。受制于工业技术，目前还无法实现干酪根溶胀吸附态页岩油的开采。因此厘清页岩油溶胀吸附赋存机理对页岩油勘探开发具有重要意义。近年来，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建立了溶胀-X射线衍射（XRD）技术联用方法，初步探索了干酪根及固体沥青赋存液态有机质的结构单元，建立了首个液态有机质赋存模型（Liang et al.,2021;Liang et al.,2022）。但缺少系统的研究规律总结，对杂原子在溶胀吸附过程中的影响研究也没有展开。为解决上述问题，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博士后梁天在彭平安院士、邹艳荣研究员的指导下，通过溶胀实验-XRD联用方法对煤、干酪根及固体沥青等多种类型的样品开展研究，探索了固体有机质化学结构与液态有机质滞留能力的相关关系，分析了以乙酸为代表的杂原子化合物在固-液有机相互作用中的赋存单元及结构改造能力。图1. 脂链评价参数（LA）与烃类滞留总量（SP）相关关系研究发现，与前期已有认识不同，液态烃滞留能力与固体的脂链长度及数量均相关，且过长的脂链不适合液态有机质的赋存，仅当脂链长度与数量所构成的参数LA在一定范围内时，固体有机质度液态烃的赋存能力（SP）达到最高（图1）。图2. 固体有机质结构堆叠参数与乙酸总量间的相关关系研究发现随着乙酸含量的逐渐增加，三类固体有机质的γ带间距均呈现明显的下降趋势。说明杂原子化合物与烃类化合物相同，均赋存于固体有机质无定形碳堆叠的部分。值得注意的是，干酪根组（图2 d）的002带间距同样出现了明显的下降，这说明干酪根与煤及固体沥青的化学结构堆叠可能存在一定程度差别，并且更容易受到杂原子化合物影响。图3. 固体有机质定量溶胀吸附实验结果综合本研究溶胀定量结果发现，相比于饱和烃，所有类型的固体有机质都存在明显的芳香烃选择性吸附现象。这说明在排烃过程中，烃源岩更加倾向于排出饱和烃化合物而聚集成藏，芳烃化合物在饱和前则更倾向于富集在烃源岩干酪根结构中（图3）。本研究对不同类型固体有机质开展了系统性溶胀实验，结合XRD系统比较了溶胀过程中固液有机质相互作用过程，也显出溶胀吸附定量研究在烃源岩排烃及页岩油评价研究中具有很好的应用前景。该成果近期发表于国际期刊Organic Geochemistry，得到广东省基础与应用基础研究基金项目的支持。论文信息：Liang Tian(梁天), Lin Xiaohui(林晓慧), Zou Yanrong(邹艳荣), Zhan Zhaowen(詹兆文), Yu Shuang(于双), Pan Changchun(潘长春), Peng Ping’an(彭平安). Study on the swelling of macromolecular geological organic matter with hydrocarbons and heteroatomic compounds. Organic Geochemistry. 2024, 193, 104809.https://doi.org/10.1016/j.orggeochem.2024.104809

2024-07-31

刘利、丁兴等-AM：化学气相输运法成功合成硫同位素均一的黄铁矿晶体

分析标样通常用来校准仪器、评价测试方法和提供标准参考值，对于化学分析而言具有至关重要的作用。当前，国内外用于黄铁矿硫同位素原位分析的标样均为自然黄铁矿样品，比如Ruttan、Balmat、Maine、Sierra、PPP-1等标样。自然黄铁矿样品可能存在局部的不均一，更为重要的是，自然标样往往在数量上非常有限，面对日益增加的原位分析需求，自然黄铁矿标样供不应求。因此，发展新的可持续供应的黄铁矿标样是当前的迫切需求。化学气相输运法（Chemical Vapor Transport Reaction, CVT）是利用传输剂作为媒介，在一定温度梯度下实现组分传输，在高温端形成气相进行扩散，在低温端凝结生长成晶体。该方法已广泛应用于固相合成、纯化和晶体生长等材料化工领域。中国科学院广州地球化学研究所刘利博士和其合作导师丁兴副研究员等人以FeBr3为传输剂，以FeS、S和Ni等粉末作为初始物，以透明石英管和快速淬火型水热反应釜为反应腔，利用化学气相输运法在~550 °C - ~650 °C温度下成功合成出一系列毫米级自形-半自形含镍和不含镍黄铁矿晶体（图1）。这些黄铁矿晶体的元素和硫同位素成分分析表明，黄铁矿中的Ni显示明显的不均一，而硫同位素则相对均一（图2）。含镍黄铁矿δ34S介于17.3±0.9‰ ~ 17.7±0.6‰，不含镍黄铁矿δ34S为17.9±0.8‰（图3）。总体上，合成的黄铁矿硫同位素均一性介于0.6-0.9‰ (2SD)，优于当前使用的大部分自然黄铁矿标样，比如Maine黄铁矿（0.8-1.5‰）、Balmat黄铁矿（0.2-1.4‰）、Py-1黄铁矿（1.1‰）、Car111黄铁矿（2.5‰）、Gabon黄铁矿（1.1‰）、Isua248474黄铁矿（0.9‰）。这表明CVT法合成的黄铁矿有巨大潜力作为硫同位素分析的新标样。图1 CVT法合成的含镍和不含镍黄铁矿晶体此外，该研究也对CVT法合成的黄铁矿硫同位素均一性的影响因素进行了探讨，包括初始反应物的硫同位素不均一、CVT合成过程中硫同位素的动力分馏、硫同位素分析过程中的基底效应（图4）等等。这为未来合成更为均一的黄铁矿晶体提供了理论指导。相关合成实验在中国科学院广州地球化学研究所高温高压实验中心完成，硫同位素测试在澳大利亚国立大学和中国科学院地球化学研究所完成。本研究受国家自然科学基金项目和中国科学院先导B项目的资助，成果近期发表在国际矿物学期刊《American Mineralogist》上。论文信息：Liu, L.(刘利), Fu, B.(傅斌), Ding, X.(丁兴), Gu, J(谷静). 2024. The 34S/32S homogeneity of Chemical Vapor Transport (CVT) Reaction-synthesized pyrites. American Mineralogist, 109:1024-1035. doi:10.2138/am-2023-9029.原文链接：https://msaweb.org/MSA/AmMin/TOC/2024/Abstracts/AM109P1024.pdf图 2 合成黄铁矿的Ni含量（黄色圆, ppm）和硫同位素（白色圆, ‰）图 3 CVT法合成黄铁矿的硫同位素组成，其中黑点数据代表SIMS方法原位测得的δ34Sin situ，灰线代表IRMS方法测得的δ34Sbulk。图 4 CVT法合成黄铁矿的Ni含量与硫同位素偏差度（Δ34S=δ34Sin situ-δ34Sbulk）的相关性

2024-07-30

严海波、丁兴等-JGR-SE：络合物水热实验和模拟计算刻画Os从岩石圈到海水的迁移和分布

金属络合物是金属元素在流体中的基本载体，也是地球浅部多圈层物质循环和热液成矿作用的主要角色，其稳定性决定了金属元素的基本地球化学行为，比如金属的溶解度、分异、分配和共生组合等等。因此，定量化表征金属络合物的稳定性有助于更加深入地理解这些地球化学行为，更是未来实现地球多圈层物质循环模拟的关键。然而，传统的研究仍停留在定性研究上，偏向于揭示金属元素的赋存状态和特定条件下的络合物种型；建立并发展金属络合物的定量研究方法是当前的一大挑战。中国科学院广州地球化学研究所的严海波和丁兴等人近年来建立和发展了金属络合物的高温高压水解法以及相关的热力学计算，旨在获得表征金属络合物稳定性的关键热力学数据和地球化学模型，并将该方法首次应用于金属锇（Os）在深海中的分布和循环研究。Os属于关键战略性金属的铂族元素之一，主要富集在地幔和相关的（超）镁铁质岩石中。Os在深海中分布极不均匀，在海水中浓度极低，却可富集在一些深海硫化物、铁锰结核结壳和热液中，浓度可相差一万倍至一百万倍。前人研究认为，深海中Os的分布可能与海水-镁铁质岩石或岩浆之间的水岩作用相关，并推测Os-Cl络合物在其中扮演了至关重要的角色，但具体过程和机制并不清楚。本研究以易溶的氯锇酸钾（K2OsCl6）晶体粉末为初始物，溶解于去离子水中，配置了不同浓度的含Os初始溶液。然后将溶液焊封于金管中，再置于冷封式高压釜内进行升温升压，以此模拟深海热液环境下溶解态Os(IV)-Cl络合物的稳定性变化。研究主要取得如下认识：1）Os(IV)-Cl络合物随着温度升高，触发+4价Os离子的水解并发生沉淀，导致Os(IV)-Cl络合物稳定性降低，其中伴随着Os价态和络合物种型的变化（图1）。在150-450℃和100 MPa条件下Os在流体中主要以OsCl62-种型形式存在，而在450℃以上可能主要以Os(IV)-OH-Cl和Os(II)-Cl络合形式存在（图2a）；2）已有的化学热力学数据主要收集于近似常温常压条件下，高温高压下的数据极为缺乏。根据本次水解实验的结果，首次获得了OsCl62-络合物种型在高温高压下的一系列热力学数据，如累积水解平衡常数（Ln K）（图2b），系统熵变（ΔrHm Θ）、焓变（ΔrSm Θ）值和不同温度下吉布斯自由能变化值（ΔrGm Θ）以及OsCl62-的形成常数（ln β）。作为Os-Cl络合物中最为稳定的种型，高温高压下OsCl62-络合物的热力学数据对于模拟富Cl热液中Os的地球化学行为极为重要。3）通过地球化学建模，实现了OsCl62-络合物稳定性与流体温度、pH和氯浓度之间的定量化表征（图 3），进而明确OsCl62-络合物的稳定环境为相对低温强酸（≤300℃和pH<5）以及高温近中性（>300℃和pH<7）环境，由此进一步证实OsCl62-络合物可稳定存在于大部分深海热液系统中。4）研究认为，Os在深海中的分布主要受控于热液和相关的扩散羽状流与海水的混合（图4）。在此过程中，溶解态的Os会经历+2价向+4价以及OsCl42-络合物种型向OsCl62-、Os-OH-Cl和Os-OH种型的转变。考虑到深海热液系统的特点以及Os-Cl络合物的稳定性，洋中脊、弧后和沉积物系统起源的热液对全球海洋溶解态Os储库以及Os从岩石圈到水圈的迁移发挥了主要作用，而蛇纹石化流体则贡献极其有限。相关实验和模拟工作均在中国科学院广州地球化学研究所高温高压实验中心完成，分析测试在同位素地球化学国家重点实验室完成。研究成果近期发表在Nature Index期刊《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》上，第一作者为严海波博士，通讯作者为其合作导师丁兴副研究员，共同作者包括长安大学刘军锋副教授、中国科学院广州地球化学研究所涂湘林高级工程师、中国科学院海洋研究所孙卫东研究员和中国科学院深海科学与工程研究所周义明研究员。本研究受中国科学院先导B项目和国家自然科学基金项目的资助。论文信息：Yan, H.B., Ding, X., Liu, J.F., Tu, X.L, Sun, W.D., Chou, I‐M. (2024). Osmium transport and enrichment from the lithosphere to the hydrosphere: New perspectives from hydrothermal experiments and Geochemical modeling. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 129, e2023JB028261.论文链接：https://doi.org/10.1029/2023JB028261图1 Os-Cl络合物水解沉淀物的拉曼分析，结果显示随着温度升高，体系内Os的价态逐步由+4价向+2价转变，表明金属的价态和络合物种型均发生了改变。图2 （a）水解实验中Log[Os-Cl] vs Log[H+]之间的关系，150-450°C的数据呈线性，且斜率一致，表明该条件下络合物种型一致，以OsCl62-形式存在；500-600°C的数据偏离了其他数据，表明溶液中主导络合物种型发生了改变。（b）OsCl62-累积水解平衡常数（Ln K）与温度之间的线性关系表明150-450°C的数据符合范特霍夫方程，表明遵循同一络合物种型的水解反应。图3 OsCl62-络合物的稳定性与流体温度、pH和含氯浓度之间的定量关系图4 Os从岩石圈向海水中迁移的模式图

2024-07-30

我国东部四个气候带农田土壤有机碳保护机制取得进展

我国粮食主产区主要分布于东部中温带至热带区域。我国东部从北到南气候条件和土壤物理化学差异极大，其团聚体保护，矿物吸附和微生物合成代谢途径对土壤有机碳积累的贡献和机制有何差异尚不清楚。剖析不同气候区、不同土地利用下长期积累土壤有机碳的稳定性与保护机制有助于理解区域耕地质量状况、提升潜力，发掘农田优化管理措施。我国粮食主产区主要分布于东部中温带至热带区域。我国东部从北到南气候条件和土壤物理化学差异极大，其团聚体保护，矿物吸附和微生物合成代谢途径对土壤有机碳积累的贡献和机制有何差异尚不清楚。剖析不同气候区、不同土地利用下长期积累土壤有机碳的稳定性与保护机制有助于理解区域耕地质量状况、提升潜力，发掘农田优化管理措施。中国科学院亚热带农业生态研究所流域农业环境研究中心陈香碧研究员小组从我国东部四个气候带（中温带、暖温带、亚热带和热带）配对采集典型水田和旱地土壤样品，采用有机碳密度和粒径分级结合短期同位素示踪技术，量化了游离态颗粒有机碳、团聚体保护态有机碳和游离矿物结合态有机碳对土壤长期积累有机碳的贡献，分析了微生物合成代谢产物（微生物残留物）对团聚体保护态和游离矿物结合态碳库的贡献，浅析了南方和北方农田土壤有机碳保护机制。结果表明，团聚体保护态有机碳对全土有机碳积累的贡献从北到南减少，而游离矿物结合态有机碳的贡献率呈递增趋势，这主要是因为：1）北方土壤中交换性钙镁离子和球囊霉素含量高于南方，该活性离子和真菌代谢物促进了团聚体的形成；2）南方土壤中DCB提取态铁铝含量高于北方，该活性矿物提升了游离态矿物对有机碳的吸附能力；3）北方种植制度为一年1~2季，南方为2~3季，南方高频率的耕作破坏了土壤团聚体。微生物残体碳对游离矿物结合态有机碳的贡献率从北到南增加，这是因为南方高温高湿条件下游离态矿物中微生物残体碳的合成代谢强度高于北方。据此得出结论：我国东部北方农田土壤有机碳积累受团聚体保护主导，南方受矿物保护主导，且北方微生物合成代谢对有机碳积累的参与程度弱于南方。该结论对优化区域农田管理措施促进土壤有机碳积累和肥力提升有重要指示意义。该项研究近期以题为Shifts in organic carbon protection mechanism in agricultural soils across climatic gradients发表在土壤学领域一区期刊Agriculture,Ecosystems & Environment上。该研究得到了湖南省杰出青年科学基金项目，国家自然科学基金等项目的共同资助。南方和北方土壤有机碳形成与保护机制

2024-07-30

Device | 自供能静电镊实现高度灵活与适应性物体操控

因能通过物理场以非接触的方式操控微粒、液滴和生物样品，光镊、电场操控等技术在化学反应、微纳机器人和生物医学等领域得到了广泛应用。特别是电润湿和静电镊等电场操控技术，因能产生强大可调的电场并实现高时空分辨的物体操控而备受关注。然而，这类电场操控技术通常需要预先设计的复杂电极阵列和外接电源，因此在实际应用中面临灵活性低和适应性差的挑战。7月25日，中国科学院深圳先进技术研究院智能医用材料与器械研究中心杜学敏研究员团队在自供能静电镊及物体操控方面取得重要研究进展，相关成果以“Self-powered electrostatic tweezers for adaptive object manipulation”为题，发表在Cell Press旗下旗舰期刊Device上。该静电镊基于聚偏氟乙烯-三氟乙烯（P（VDF-TrFE））基电极摩擦过程中的电荷累积和动态调控能力，为气、液、固等多种材质物体的精准操控提供了前所未有的灵活性和适应性，且适用于从开放到封闭的操控体系、单个到多个物体、二维到三维的操控表面，并广泛应用于液滴机器人、细胞组装和无泵微流控等领域。论文上线截图为解决物体操控灵活性和适应性的问题，研究团队基于前期光诱导带电表面材料及液滴操控的研究基础上，成功设计出无需复杂电极阵列和外部电源的摩擦发电供能的静电镊（Self-powered electrostatic tweezer, SET）。该SET由表面设计有微结构的P(VDF-TrFE)基自供能电极（Self-powered electrode，SE）、摩擦对介电衬底（Tribo-counter substrate）和润滑表面（Slippery surface）三部分组成。SET操控原理、设计制备及摩擦电性能值得指出的是，P(VDF-TrFE)基电极具有优越的压电、摩擦电能力和独特的电荷累积功能，能通过调节电极和介电衬底表面间作用力以实时调节其表面电荷密度，可产生高达~40nC cm-2的电荷密度，且该摩擦电能力经过逾千次摩擦循环仍能稳定保持。由于自供能电极具有强大的摩擦电荷累积和调节能力，故能产生实时可调的强大静电力，进而实现对气泡、固体颗粒、各类液滴等不同材质物体的精准操控，最高液滴操控速度高达~353 mms-1。SET实现高度灵活性与适应性操控SET不仅适用于包括PMMA、石英和氧化铝陶瓷在内的多种电介质衬底材料，而且适用于P(VDF-TrFE)和聚二甲基硅氧烷（PDMS）等多种润滑层设计，同时还适用于开放到封闭体系、手持到机械操控系统、单个物体到多个物体，以及二维到三维路径的精准操控。SET的高度灵活性和适应性可广泛应用于液滴分裂、液滴机器人、无泵微流控和细胞组装等领域。SET有望为非接触物体操控和微流体领域带来全新的技术。深圳先进院杜学敏研究员为该文章的通讯作者，博士研究生刘聪为第一作者。该文章获得国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院青年创新促进会、广东省重点、深圳市医学研究基金等科技项目支持。

2024-07-29

广州健康院利用自制工具猪模型发现Cas9蛋白在体内基因编辑中的新安全隐患

近日，中国科学院广州生物医药与健康研究院赖良学/王可品课题组在Signal Transduction and Targeted Therapy杂志上发表了题为In vivo evaluation of guide-free Cas9-induced safety risks in a pig model的研究论文。该研究发现，Cas9蛋白本身在猪体内持续性表达会导致体内基因组损伤、转录组稳态改变和全基因组突变增加，从而引发安全风险。近日，中国科学院广州生物医药与健康研究院赖良学/王可品课题组在Signal Transduction and Targeted Therapy杂志上发表了题为In vivo evaluation of guide-free Cas9-induced safety risks in a pig model的研究论文。该研究发现，Cas9蛋白本身在猪体内持续性表达会导致体内基因组损伤、转录组稳态改变和全基因组突变增加，从而引发安全风险。CRISPR/Cas9系统由Cas9蛋白和单链导向RNA（sgRNA）组成，因其强大的基因组改造能力而备受关注。CRISPR/Cas9系统已被广泛应用于基因功能研究、人类疾病模型构建、作物和家畜生产性能改良等。此外，CRISPR/Cas9介导的基因治疗已被应用于治疗各种遗传性疾病或其他难治性疾病的临床试验中，特别是首款CRISPR/Cas9基因治疗药物的批准上市，标志着CRISPR/Cas9技术已经跨越实验室的门槛，正式步入临床应用的新纪元。尽管临床试验结果振奋人心，但CRISPR/Cas9介导的基因治疗仍存在重大的安全性风险，包括脱靶、基因组损伤和潜在的免疫原性等。sgRNA依赖的脱靶和基因组损伤已引起了广泛关注，并开发出多种新型基因编辑方法来减低以上风险的发生。然而，有报道显示Cas9蛋白作为外源蛋白，也可以诱发基因组损伤，激活p53相关通路并富集p53失活突变，引发CRISPR/Cas9系统临床应用的额外安全性担忧。目前，对Cas9蛋白本身导致的安全性风险的评估仅限于体外细胞实验研究，而对于在体基因治疗，亟需在体评估Cas9蛋白导致的安全性风险。猪在器官大小、解剖结构、生理代谢、免疫系统等方面与人非常相似，被认为是评估基因治疗有效性和安全性的理想大动物模型。前期，赖良学课题组培育出了小分子药物灵活调控基因剪刀蛋白Cas9表达的工具猪。利用该工具猪，小分子药物可灵活调控Cas9蛋白在猪体内的表达时间和表达剂量，极大方便了在大动物体内评估Cas9蛋白单独表达导致的安全性风险。研究人员首先证实，Cas9蛋白在猪体内单独表达会导致体内细胞DNA双链断裂，引起基因组损伤，并且这种损伤程度与Cas9蛋白的表达时间和表达剂量呈正相关。接着，研究人员进一步证实，Cas9蛋白短期（2周）持续体内表达还可导致多器官转录组稳态改变，包括凋亡、细胞周期阻滞、DNA损伤修复等相关信号通路基因的激活。更为重要的是，随着Cas9在猪体内长期表达（5个月到12个月），模型猪出现了生长迟缓和消化功能障碍等异常表型，全基因组测序分析显示，长期表达Cas9蛋白的猪体内基因组突变数量显著增加，并且肿瘤驱动基因突变数量同样高于对照组，表明Cas9蛋白的长期表达不仅影响个体生长发育，还可能增加肿瘤发生的风险。该研究在大动物体内系统发现了Cas9蛋白的上述新安全风险，提示我们在应用CRISPR/Cas9基因编辑技术进行基因治疗时，还需要充分考虑来源于Cas9蛋白本身潜在的安全隐患。中国科学院广州生物医药与健康研究院葛维凯博士、苟士学博士，赵筱竹博士研究生和金琴副研究员为该论文的共同第一作者，王可品研究员、赖良学研究员和吴涵副研究员为该论文的共同通讯作者。该研究成果得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国医学科学院院外创新单元、海南省重大科技计划、中国科学院青年创新促进会等项目的资助。论文链接猪体内单独表达Cas9蛋白引发的安全性风险示意图

2024-07-27

华南植物园揭示全球无机磷肥的去向及其主要影响因素

磷是所有生物体生长发育和繁殖必需的重要矿质营养元素。随着人类对食品和木材等物质的需求持续增加，当前人类对无机磷肥料的需求也不断增加，全世界的磷肥年消耗量已从1961年的500万吨磷增至2020年的2500万吨磷，并可能在2050年增至2700万吨磷（约等于6000万吨磷肥）。磷肥的生产原料主要为磷矿石（84~90%），而当前全球磷矿石的储量只够维持50至400年，因此人类对磷肥需求的增长面临着严重的资源短缺挑战。与此同时，磷肥的低效利用（利用率往往低于15%）导致了水体磷含量升高，引发水体富营养化，成为很多地区的主要环境问题。为了缓解磷资源的供需矛盾和由此引发的环境问题，迫切需要深入认识无机磷肥在陆地生态系统中的去向和主要影响因素。中国科学院华南植物园磷素研究方向建立了一个关于磷添加实验中磷肥去向的全球数据库，整理了磷肥在植物吸收、土壤滞留和淋溶流失方面的占比，纳入了1972年至2021年间发表的274篇论文中的987组观测数据。基于此数据库，量化分析了施用磷肥的去向，并运用MetaForest分析方法，综合分析了不同地点磷肥去向差异的影响因素。研究发现，就全球平均水平而言，只有大约12.6%的无机磷肥被植物吸收利用，67.2%的无机磷肥滞留在土壤中，另有约4.4%的无机磷肥从生态系统中流失掉。而且，存留在土壤中的磷肥大部分以非活性无机磷形式存在。因子分析结果表明，过量施肥是导致植物磷肥利用率下降的主要原因，土壤pH和容重也是影响磷肥利用效率和磷肥去向的重要原因。这些研究结果增加对陆地生态系统磷循环过程的认识，对于农田磷肥管理具有重要指导意义。相关研究成果已近期发表在国际学术期刊Cell子刊One Earth (IF5yr =18.1)上。华南植物园磷素研究方向罗先真博士为该论文的第一作者，温达志研究员和侯恩庆研究员为论文通讯作者。该项研究得到国家自然科学基金优青项目和广东省基础与应用基础研究基金等项目的共同资助。文章链接：https:///www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590332224003270 该研究是我园磷素研究方向在磷添加实验系列研究中的一个重要部分。前期相关研究包括磷添加对植被生产力的影响（全球空间分布特征：Nature Communications（2020） https://www.nature.com/articles/s41467-020-14492-w；纬度格局：Ecology Letters （2021） https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/ele.13761；对土壤氮动态的影响：Earth’s Future（2022） https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2021EF002479；对土壤有机碳库的影响：Soil Biology and Biochemistry（2023） https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038071723002201图1. 全球无机磷肥去向的平均估计图2. 影响无机磷肥去向因子的重要性排序

2024-07-26