科研进展--中国科学院广州分院

广州能源研究所在地热储能方面取得新进展

《“十四五”能源领域科技创新规划》和《“十四五”新型储能发展实施方案》提出，通过消纳风光等可再生能源以实现能源系统稳定输出。地热储能具有高能量储存容量和高储能效率的优势，能大规模消纳非稳定可再生能源并有效解决季节性供需不匹配问题，可作为长时储能和系统调峰的首选。地热储能主要分为岩土储能和含水层储能，岩土储能不受水文地质条件限制，含水层储能则存储温度更高、规模更大，均是国内外储能技术研究的热点。然而，现有的岩土储能和含水层储能系统都避免不了热损失或热突破导致的储能效率低的问题，限制了其大规模应用。
　　《“十四五”能源领域科技创新规划》和《“十四五”新型储能发展实施方案》提出，通过消纳风光等可再生能源以实现能源系统稳定输出。地热储能具有高能量储存容量和高储能效率的优势，能大规模消纳非稳定可再生能源并有效解决季节性供需不匹配问题，可作为长时储能和系统调峰的首选。地热储能主要分为岩土储能和含水层储能，岩土储能不受水文地质条件限制，含水层储能则存储温度更高、规模更大，均是国内外储能技术研究的热点。然而，现有的岩土储能和含水层储能系统都避免不了热损失或热突破导致的储能效率低的问题，限制了其大规模应用。
　　针对地热岩土储能效率衰减问题，中国科学院广州能源研究所地热能研究室龚宇烈团队依托青岛即墨鼎泰丰中深层地热供暖站，开展了基于消纳太阳能的中深层同轴套管岩土储能技术的研究。针对地热含水层长时储能技术瓶颈，联合中国科学院地质与地球物理研究所庞忠和团队，研发了基于消纳风光等不稳定间歇性能源的中深层地热含水层储/供能系统关键技术，并依托雄安新区容城领秀城地热供暖站进行了现场试验验证。
　　在岩土储能方面，国内外研究结果表明：中深层同轴套管换热系统的传热和流动性能直接影响取热系统的供热效率，随着供暖周期增加存在热衰减的风险。研究团队跟踪了青岛即墨鼎泰丰中深层同轴套管换热系统连续四年的供暖运行数据，分析并验证了该热衰减现象（如图1所示）的同时，提出了在非供暖季主动消纳太阳能的地热岩土储能技术，可以有效缓解井筒由于长时取热造成的供热系统效率衰减问题。研究结果表明：非供暖季每年连续向岩土储热后，系统供热效率衰减趋势明显变缓并趋于稳定。相关研究成果发表于国际能源领域学术期刊Energy。（论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360544223001998）
　　在含水层储能方面，科研团队基于复杂地质与水力条件下储能式地热供暖系统的关键物理/化学过程机理分析，明确了影响储能式地热供暖系统性能的关键因素；研究基于“源网荷储”协同优化的新一代电热耦合技术，实现了将不稳定的风电高效转换为稳定的地热输出的关键技术突破。研究团队联合中石化绿源地热能开发有限公司在雄安新区容城领秀城地热站完成含水层储/供能系统现场试验。该系统利用中深层地热含水层长时储能实现了100%可再生能源建筑供暖，为高效就地消纳风光等可再生能源提供了重要技术途径。
　　该研究得到了中国科学院战略性先导科技专项和中国科学院STS计划项目的支持。
　　图1岩土储能原理及20年供暖期出口水温和供热量预测
　　图2含水层储能系统原理及示范现场
　　

2023-03-15

南海海洋所在海洋牧场生态系统研究取得新进展

　　海洋牧场是全球海洋渔业发展转型升级的重要方向，受到中央和沿海各地政府的高度重视。中国科学院南海海洋研究所丁德文院士团队针对我国现代海洋牧场发展中存在的生态学问题，持续开展了海洋牧场生态系统研究工作，相关研究成果分别以“Construction and influencing factors of an early warning system for marine ranching ecological security: Experience from China’s coastal areas” “Trophic structure of fishes and macroinvertebrates in relation to environmental indicators in artificial reef ecosystems of Pearl River Estuary” “现代海洋牧场建设的人工生态系统理论思考”为题目发表在Journal of Environmental management、Ecological Indicators、《中国科学院院刊》等国内外知名期刊。
　　研究团队在系统总结国内外海洋牧场概念演进过程及其实践发展历程的基础上，剖析了现代海洋牧场建设存在生态学理论缺失、生态工程技术缺少、生态管理缺位等问题，并以问题为导向提出海洋牧场人工生态系统理论，海洋牧场渔业资源关键功能群构造及其生境营造原理方法，及包括方案规划设计、生态工程与智能工程建设、生态适应性管理模式在内的海洋牧场人工生态系统构筑基本范式，为我国现代海洋牧场建设探讨生态系统理论体系。
　　图1 海洋牧场人工生态系统结构
　　研究团队采用综合指标评估模型和系统动力学模型，构建了海洋牧场生态安全预警体系，并将该体系应用于2010-2035年中国沿海国家级海洋牧场生态安全评价与预警，探讨未来不同发展模式下中国海洋牧场生态安全的变化趋势。结果表明广东省、山东省和江苏省海洋牧场生态安全耦合协调性较高，资源成为影响中国63.6%区域海洋牧场生态安全协调发展的主要制约因素。在生态优先发展情景下，到2035年中国沿海海洋牧场生态安全将发展到最高水平，但仍有27%的研究区域（江苏、福建和海南省）存在生态安全高度预警。研究结果可为海洋牧场建设规划、管理维护和管理决策提供参考，实现开发与保护的平衡。
　　图2 2011-2018年中国海洋牧场生态安全空间格局
　　研究团队采用碳氮稳定同位素方法研究了珠江口万山、庙湾两个国家级海洋牧场示范区鱼类和大型无脊椎动物的食物网结构，结果表明万山海洋牧场以底栖生物/游泳生物食性鱼类为主，浮游生产是万山海洋牧场生态系统食物网的主要驱动能量（鱼类：80%，大型无脊椎动物：52%），海洋牧场生态系统具有较高的营养多样性和较低的营养冗余；而庙湾海洋牧场以底栖生物食性鱼类为主，底栖生产是庙湾海洋牧场生态系统食物网的主要驱动能量（鱼类：91%，大型无脊椎动物：78%）。大型无脊椎动物功能群以碎屑食性和肉食性类群丰度最高，是底栖食物网中的顶级捕食者。研究结果有助于深入了解珠江口海洋牧场生态系统食物网结构状况，可为珠江口海洋牧场人工鱼礁建设和渔业管理政策提供科学依据。
　　图3 珠江口海洋牧场生态系统鱼类生产贡献和功能群生态位
　　另外，研究团队完成的广东省管辖海域40个区域的海洋牧场选址生态适宜性评价，为广东省海洋牧场“十四五”规划编制提供了技术依据。研究团队研制的海洋牧场大型底栖生物原位调查设备、海洋牧场增殖放流鱼苗索饵游泳训练装置等装备，为广东省现代化海洋牧场建设提供了实用技术装备。
　　图4 广东省海洋牧场选址生态适宜性评价结果
　　研究团队博士研究生焦梦雨、助理研究员周卫国、丁德文院士、索安宁研究员分别是论文的第一作者和通讯作者。研究工作得到南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）人才引进重大项目广东省海洋牧场规划、建设与管理工程技术研究项目（GML2019ZD0402）支持。
　　相关论文信息：
　　https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36840997/
　　https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1470160X22002941?via%3Dihub
　　http://www.bulletin.cas.cn/zgkxyyk/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20220916&journal_id=zgkxyyk
　　https://link.springer.com/article/10.1007/s00343-022-1423-8
　　

2023-03-10

南海海洋所在太平洋加拉帕戈斯洋脊地幔演化研究取得新进展

　　近日，中国科学院南海海洋研究所边缘海与大洋地质重点实验室林间院士团队联合国际多位科学家，对东太平洋加拉帕戈斯洋中脊区域下方的地幔过程进行深入研究并取得重要进展，研究成果发表在国际著名期刊Geophysical Research Letters（《地球物理研究快报》）上。郑婷婷助理研究员为论文的第一作者与通讯作者，林间院士为共同通讯作者，美国伍兹霍尔海洋研究所Hans Schouten教授与Deborah Smith教授、杜克大学Emily Klein教授、Scripps研究所Ross Parnell-Turner教授为论文共同作者。
　　加拉帕戈斯洋脊位于东太平洋加拉帕戈斯三联点（triple junction）区域。由于受该区东部加拉帕戈斯热点的持续作用，洋脊呈现由东向西渐进式的“V”型扩张特征，是研究大洋板片从裂解到扩张这一重要科学问题的关键场所。然而，该区域此前一直缺乏高精度地球物理数据。
　　2018年国际航次在该区域采集了最新的船测地球物理数据，研究人员结合航次数据与卫星数据分析了该区域的重力异常与地壳结构特征，基于剩余地幔重力异常（RMBA）端元模型与地震约束反演了地壳厚度，其结果显示该区域板片裂解到扩张的过程中洋壳的厚度自西向东增加了约2-3公里。同时，横穿洋脊的地幔布格重力异常（MBA）剖面呈现出自东向西逐渐变平的特征，该趋势无法用常规的岩石圈板片冷却模型矫正掉，揭示了该区域的重力异常受到了浅部地幔的影响（图1）。研究人员对热冷却模型进行不同范围的平滑滤波，很好的拟合了穿脊的MBA曲线变化，并基于此认为该区洋中脊在渐进式扩张过程中，其下方地幔部分熔融区域的宽度自东向西逐渐增大。
　　该项研究为东太平洋加拉帕戈斯洋脊的构造演化提供了新见解，对于理解和揭示全球其他渐进式扩张中心的构造演化及其控制因素具有重要启示。
　　该项研究得到了国家自然科学基金、广东省实验室（广州）人才团队引进重大专项、中国科学院项目、广东省重点领域研发计划项目、深圳科创委项目的联合支持。
　　相关论文信息：
　　Zheng, T., Lin, J., Schouten, H., Smith, D. K., Klein, E., & Parnell-Turner, R. (2023). Gravity anomalies and implications for shallow mantle processes of the western Cocos-Nazca spreading center. Geophysical Research Letters, 50, e2022GL102133. https://doi.org/10.1029/2022GL102133
　　图1 太平洋加拉帕戈斯三联点区域位置与地形图
　　图2 研究区自由空气重力异常（FAA，上）与地幔布格重力异常（MBA，下）分布图

2023-03-13

广州健康院发现IGHV1-69人群共享抗体是奥密克戎L452R突变的重要驱动力

近日，中国科学院广州生物医药与健康研究院（广州健康院）与广州医科大学附属第一医院、广州国家实验室等单位合作在Emerging Microbes & Infections发表题为Shared IGHV1-69-encoded neutralizing antibodies contribute to the emergence of L452R substitution in SARS-CoV-2 variants的研究论文。
　　近日，中国科学院广州生物医药与健康研究院（广州健康院）与广州医科大学附属第一医院、广州国家实验室等单位合作在Emerging Microbes & Infections发表题为Shared IGHV1-69-encoded neutralizing antibodies contribute to the emergence of L452R substitution in SARS-CoV-2 variants的研究论文。
　　新型冠状病毒（SARS-CoV-2）引起的COVID-19大流行仍然在全球范围内肆虐。随着群体免疫的逐步建立，新冠病毒持续突变以逃逸群体免疫压力。自新冠病毒出现以后，衍生出了Alpha，Beta，Delta，Omicron等突变株，先后在世界范围内流行。新冠表面刺突蛋白（Spike）尤其是受体结合域（RBD）能够与细胞受体ACE2结合并介导病毒进入，同时也是诱导产生中和抗体最主要的抗原。突变株的突变位点也主要集中在RBD区域，尤其是像K417，L452，E484，N501等位点的突变反复出现在不同的突变株中。此前大量研究表明这些位点的突变一方面能够提升RBD与ACE2的结合能力从而增强病毒的感染和传播，另一方面能够逃逸免疫压力。新流行株的出现通常需要能够逃逸群体免疫才能够大范围流行。因此，探究新冠病毒突变事件的发生与群体免疫之间的内在关系有助于我们理解新冠病毒的突变规律。
　　前期广州健康院陈凌、熊晓犁、何俊、陈新文等团队合作从新冠康复者中分离单克隆抗体并利用抗体组库分析发现新冠感染和疫苗接种人群中广泛存在一类由IGHV1-69编码的中和抗体，被命名为类R1-32抗体谱系（相关报道见http://www.gibh.cas.cn/xwdt/kydt/202211/t20221112_6547852.html）。类R1-32抗体靶向病毒蛋白受体结合域（RBD）半隐藏表位，通过打开刺突蛋白并将其瓦解的方式阻止病毒进入细胞。L452R单点突变能够显著降低类R1-32抗体的亲和力和中和活性，提示L452R具备逃逸群体抗体的能力。因此，研究人员推测人群中广泛存在的IGHV1-69抗体是L452R突变形成的关键驱动力。为了证实这一猜想，本研究首先分析了当前能够获取到的221株解析了结构的新冠人源单克隆抗体，发现其中超过三分之一与L452位点存在相互作用。进一步分析发现这些能够与L452发生相互作用的单克隆中和抗体主要是由IGHV1-69，IGHV1-2，IGHV3-30和IGHV3-11基因编码。然而，抗体组库分析发现只有IGHV1-69编码的L452靶向抗体广泛存在于新冠感染人群中（图1）。
　　为了探究为什么IGHV1-69编码的L452靶向抗体会被广泛诱导，通过比较IGHV1-69与非IGHV1-69抗体与RBD的结合模式，发现IGHV1-69抗体都是利用HCDR2区域的胚系疏水氨基酸就能够与L452，F490，L492构成的疏水区相互作用。然而，其它非IGHV1-69抗体则需要利用体细胞突变或VDJ重排后HCDR3中携带的疏水氨基酸与L452发生相互作用（图2）。通过分析人抗体胚系基因（germline）的疏水性发现，只有IGHV1-69胚系基因HCDR2区域包含多个疏水氨基酸。因此，IGHV1-69抗体不需要发生体细胞突变就能够天然与L452相互作用。通过亲和力实验和真病毒中和实验证明在452位点由疏水氨基酸L突变成亲水氨基酸R几乎能够逃逸所有IGHV1-69的抗体结合与中和。
　　研究人员进一步分析发现IGHV1-69抗体在Omicron BA.1（不携带L452突变）突破感染的病人抗体组库中显著富集，然而在Delta（携带L452R）突破感染病人的抗体组库中没有观察到这一现象。通过分析Omicron BA.1突破感染病人的抗体组库中富集的IGHV1-69抗体序列后发现，这些富集的抗体主要是类R1-32谱系。与R1-32类似，这些从BA.1突破感染者体内分离得到的类R1-32抗体同样对L452R高度敏感。以上结果说明IGHV1-69抗体在Omicron BA.1突破感染者体内的显著富集进一步增加了对L452位点的选择压力。该结果也解释了为什么BA.1出现之后很快又出现了携带L452R，L452Q或L452M的Omicron亚型如BA.2.12.1，BA.2.13和BA.4/BA.5等。
　　综上，本研究解析了L452R与IGHV1-69人群抗体的内在联系，提供证据表明IGHV1-69抗体尤其是研究团队前期发现的类R1-32抗体谱系是L452R突变形成的重要驱动力。该探究有助于我们深入理解中和抗体介导的免疫选择压力，为阐释变异株的起源和免疫逃逸机制提供了依据。
　　广州健康院陈凌研究员、熊晓犁研究员和广州医科大学赵金存教授为本论文共同通讯作者。广州健康院博士研究生颜奇鸿和黄晓涵、硕士研究生侯瑞田、广州医科大学张艳君博士为本论文共同第一作者。该研究得到了国家自然科学基金、广州实验室应急攻关项目等资助。
　　论文链接
　　
　　图1. IGHV1-69编码的靶向L452的抗体的人群分布
　　
　　图2. IGHV1-69、非IGHV1-69抗体与RBD结合模式的比较
　　

2023-03-13

“奋斗者”号完成国际首次环大洋洲载人深潜科考任务标志着我国全球深渊深潜探索计划第一阶段取得圆满成功

在“十四五”国家重点研发计划“深海和极地关键技术与装备”重点专项、中科院国际伙伴计划“全球深渊深潜探索计划”项目、海南省深海技术创新中心“深海深渊科考与装备海试共享航次”项目共同支持下，2022年10月6日，“探索一号”科考船携“奋斗者”号载人潜水器从三亚启航，历时157天，环大洋洲航行22000多海里，3次停靠新西兰进行补给和人员轮换，圆满完成了国际首次环大洋洲载人深潜科考航次任务，于2023年3月11日返航抵达三亚救捞局码头。
　　在“十四五”国家重点研发计划“深海和极地关键技术与装备”重点专项、中科院国际伙伴计划“全球深渊深潜探索计划”项目、海南省深海技术创新中心“深海深渊科考与装备海试共享航次”项目共同支持下，2022年10月6日，“探索一号”科考船携“奋斗者”号载人潜水器从三亚启航，历时157天，环大洋洲航行22000多海里，3次停靠新西兰进行补给和人员轮换，圆满完成了国际首次环大洋洲载人深潜科考航次任务，于2023年3月11日返航抵达三亚救捞局码头。
　　本航次是由中国科学院深海科学与工程研究所牵头发起的 “全球深渊深潜探索计划（Global Trench Exploration and Diving programme，Global TREnD）”第一阶段科考航次，来自新西兰国家水和大气研究所（National Institute of Water & Atmospheric Research, NIWA）、奥克兰博物馆（Auckland Museum），上海交通大学、同济大学、浙江大学、海南热带海洋学院、青岛华大基因研究院、海南狮子鱼深海技术有限公司、海南深科海洋技术服务有限公司，共10所国内外机构参与。科考队先后在西南太平洋克马德克海沟、东南印度洋蒂阿曼蒂那深渊和瓦莱比-热恩斯深渊开展系统性载人深潜综合科考，将我国载人深潜科考由马里亚纳海沟拓展到全球多个深渊海沟，开辟了我国深渊深潜科考新疆域，开启了“奋斗者”号国际合作和万米载人深潜新征程。
　　在新冠疫情阴影和超长航期的双重考验下，科考队克服西风带恶劣海况和突发疫情，通过优化船舶低能耗综合保障和潜水器高效运维体系等方式，使得“奋斗者”号的综合运维能力得到进一步提升。本航次中，“奋斗者”号总共完成了63次有效下潜作业。其中在克马德克海沟完成下潜31次，4次下潜深度超万米，10次下潜深度超9000米；平均深度7429米，最大深度10010.9米（CTD测量数据）。在蒂阿曼蒂那深渊完成下潜30次，下潜站位几乎全覆盖了蒂阿曼蒂那深渊轴部的不同构造单元。此外，在瓦莱比-热恩斯深渊完成下潜2次，到达了该海域最深点。截至目前，“奋斗者”号已累计下潜189次，其中万米级下潜25次，共有来自23家中外单位102人随“奋斗者”号下潜，其中万米级下潜人员29人。
　　除了“奋斗者”号载人深潜作业之外，科考队还完成了着陆器布放回收、CTD采水和重力柱取样等常规作业任务，是国际上首次在克马德克海沟区域开展的大范围、系统性的载人深潜调查，也是历史上人类首次抵达蒂阿曼蒂那深渊和瓦莱比-热恩斯深渊底部开展实地观察和取样，采集了丰富的深渊宏生物、岩石、结核、沉积物和水体样品，为深入理解深渊底部流体活动形成机制与环境效应、深渊的生命演化与适应机制、深渊沉积环境演变以及板块俯冲与物质交换通量提供了重要的支撑。
　　本航次中，中新科学家探索了一种创新的国际科技合作模式。来自新西兰NIWA和奥克兰博物馆的五名外籍科研人员参加了科考并跟随“奋斗者”号下潜。NIWA科学家Kareen Schnabel博士和深海所潜航员邓玉清同时成为了人类历史上首次到达克马德克海沟最深点（Scholl Deep）的女性。Kareen Schnabel博士也成为了“奋斗者”号的首位国际乘客，标志着“奋斗者”号迈进了国际合作新征程。两次靠泊奥克兰期间，依托于“探索一号”，成功举办了中新联合航次招待会和华人华侨参观交流活动。期间，科考团队向中外嘉宾和媒体介绍了科考任务实施情况和成果，充分展现了我国载人深潜的作业能力和运维水平，以及积极面向国际开放合作的自信姿态。中国驻新西兰大使王小龙、中国驻奥克兰总领事陈世杰等对此次中新联合科考给予高度评价，王小龙指出今年正值中新建交50周年，“探索一号”携“奋斗者”的到来为不断发展的中新友好合作关系增添了新的注脚，这次考察访问是一次探索之旅、友好之旅和寻求合作之旅，为中新开展海洋合作提供了重要的平台。
　　本航次的成功实施，标志着“奋斗者”号载人潜水器运维体系走向成熟、稳定，同时Global TREnD计划也迈出了坚实的第一步。后续，“奋斗者”号将进一步加快国际合作步伐，推动Global TREnD计划，将深潜科考拓展到智利海沟、汤加海沟等典型海沟，开展多国联合的、系统的深渊地质、生命和环境科学多学科综合深潜考察。
　　正在返航的“探索一号”科考船
　　参航人员挥手致意
　　活动合影
　　2月4日，“奋斗者”号在蒂阿曼蒂那海沟5600深度发现鲸落
　　2月8日，“奋斗者”号在蒂阿曼蒂那海沟5500米深度发现飞象章鱼
　　通过“奋斗者”号采集到的碳酸盐岩烟囱样品
　　

2023-03-11

南海海洋所海洋牧场生态系统研究取得新进展

　　海洋牧场是全球海洋渔业发展转型升级的重要方向，受到中央和沿海各地政府的高度重视。中国科学院南海海洋研究所丁德文院士团队针对我国现代海洋牧场发展中存在的生态学问题，持续开展了海洋牧场生态系统研究工作，相关研究成果分别以“Construction and influencing factors of an early warning system for marine ranching ecological security: Experience from China’s coastal areas” “Trophic structure of fishes and macroinvertebrates in relation to environmental indicators in artificial reef ecosystems of Pearl River Estuary” “现代海洋牧场建设的人工生态系统理论思考”为题目发表在Journal of Environmental management、Ecological Indicators、《中国科学院院刊》等国内外知名期刊。
　　研究团队在系统总结国内外海洋牧场概念演进过程及其实践发展历程的基础上，剖析了现代海洋牧场建设存在生态学理论缺失、生态工程技术缺少、生态管理缺位等问题，并以问题为导向提出海洋牧场人工生态系统理论，海洋牧场渔业资源关键功能群构造及其生境营造原理方法，及包括方案规划设计、生态工程与智能工程建设、生态适应性管理模式在内的海洋牧场人工生态系统构筑基本范式，为我国现代海洋牧场建设探讨生态系统理论体系。
　　图1 海洋牧场人工生态系统结构
　　研究团队采用综合指标评估模型和系统动力学模型，构建了海洋牧场生态安全预警体系，并将该体系应用于2010-2035年中国沿海国家级海洋牧场生态安全评价与预警，探讨未来不同发展模式下中国海洋牧场生态安全的变化趋势。结果表明广东省、山东省和江苏省海洋牧场生态安全耦合协调性较高，资源成为影响中国63.6%区域海洋牧场生态安全协调发展的主要制约因素。在生态优先发展情景下，到2035年中国沿海海洋牧场生态安全将发展到最高水平，但仍有27%的研究区域（江苏、福建和海南省）存在生态安全高度预警。研究结果可为海洋牧场建设规划、管理维护和管理决策提供参考，实现开发与保护的平衡。
　　图2 2011-2018年中国海洋牧场生态安全空间格局
　　研究团队采用碳氮稳定同位素方法研究了珠江口万山、庙湾两个国家级海洋牧场示范区鱼类和大型无脊椎动物的食物网结构，结果表明万山海洋牧场以底栖生物/游泳生物食性鱼类为主，浮游生产是万山海洋牧场生态系统食物网的主要驱动能量（鱼类：80%，大型无脊椎动物：52%），海洋牧场生态系统具有较高的营养多样性和较低的营养冗余；而庙湾海洋牧场以底栖生物食性鱼类为主，底栖生产是庙湾海洋牧场生态系统食物网的主要驱动能量（鱼类：91%，大型无脊椎动物：78%）。大型无脊椎动物功能群以碎屑食性和肉食性类群丰度最高，是底栖食物网中的顶级捕食者。研究结果有助于深入了解珠江口海洋牧场生态系统食物网结构状况，可为珠江口海洋牧场人工鱼礁建设和渔业管理政策提供科学依据。
　　图3 珠江口海洋牧场生态系统鱼类生产贡献和功能群生态位
　　另外，研究团队完成的广东省管辖海域40个区域的海洋牧场选址生态适宜性评价，为广东省海洋牧场“十四五”规划编制提供了技术依据。研究团队研制的海洋牧场大型底栖生物原位调查设备、海洋牧场增殖放流鱼苗索饵游泳训练装置等装备，为广东省现代化海洋牧场建设提供了实用技术装备。
　　图4 广东省海洋牧场选址生态适宜性评价结果
　　研究团队博士研究生焦梦雨、助理研究员周卫国、丁德文院士、索安宁研究员分别是论文的第一作者和通讯作者。研究工作得到南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）人才引进重大项目广东省海洋牧场规划、建设与管理工程技术研究项目（GML2019ZD0402）支持。
　　相关论文信息：
　　https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36840997/
　　https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1470160X22002941?via%3Dihub
　　http://www.bulletin.cas.cn/zgkxyyk/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20220916&journal_id=zgkxyyk
　　https://link.springer.com/article/10.1007/s00343-022-1423-8

2023-03-10

华南植物园在棕榈科属级层面系统发育基因组学研究获进展

近年来，系统发育基因组学（ Phylogenomics ）的广泛应用为众多疑难生物类群系统关系的解析提供了极大帮助，进一步深化了人们对于“生命之树” （ Tree of Life ）的理解与认识。对于被子植物（有花植物）类群，大量系统发育基因组学研究的开展使得目与科级水平的系统关系不断解析并逐渐稳定，然而对于科下属级水平的研究还存在较大欠缺，尤其对于被子植物中的一些大科，目前相关研究主要集中于对亚科与族水平的代表类群取样。在属级层面广泛取样的研究还较少，尤其对于大科类群在属级层面近乎全面取样的研究还鲜见报道。因此，对被子植物大科类群在属级层面进行深入的系统发育基因组学研究依然是探讨被子植物“生命之树”的重要内容。
　　
　　近年来，系统发育基因组学（Phylogenomics）的广泛应用为众多疑难生物类群系统关系的解析提供了极大帮助，进一步深化了人们对于“生命之树”（Tree of Life）的理解与认识。对于被子植物（有花植物）类群，大量系统发育基因组学研究的开展使得目与科级水平的系统关系不断解析并逐渐稳定，然而对于科下属级水平的研究还存在较大欠缺，尤其对于被子植物中的一些大科，目前相关研究主要集中于对亚科与族水平的代表类群取样，在属级层面广泛取样的研究还较少，尤其对于大科类群在属级层面近乎全面取样的研究还鲜见报道。因此，对被子植物大科类群在属级层面进行深入的系统发育基因组学研究依然是探讨被子植物“生命之树”的重要内容。
　　棕榈科（Arecaceae）隶属于被子植物单子叶鸭跖草分支（Commelinid monocots），包含约181属2600余种，是具有重要经济、文化及生态价值的大科。该科数百个物种在全球不同地区作为人类食物、生产原料或药材等广泛使用，该科类群也因普遍具有优良的园艺观赏价值在全世界尤其热带亚热带地区大量栽培。此外，该科超过90%的物种分布于热带雨林地区，亦是探讨热带雨林生物多样性起源演化问题的理想对象。由于该科社会关注度高，长期以来吸引了众多研究者的关注，关于该科类群的系统分类学研究长期且持续开展，不断增进人们对该科类群在系统演化及分类学等方面的认识，然而到目前为止该科在族层面的系统发育框架依然未能得到很好解决，属级层面系统关系的解析更是如此。
　　中国科学院华南植物园葛学军研究员与华南农业大学姚纲博士、英国邱园William J. Baker博士等多家单位研究人员展开合作，基于叶绿体系统发育基因组学研究手段，采用叶绿体基因组83个编码区序列联合矩阵以及83个编码区序列和22个非编码序列联合矩阵对棕榈科178属 (占该科所有属的98.3%) 276种的系统关系进行了研究。结果表明：（1）基于叶绿体系统发育基因组学手段能有效解决棕榈科系统关系，该科所有5亚科、28族以及绝大部分属间关系均得到解决并获得了很高支持；2）增加部分非编码区序列数据能有效提高棕榈科众多节点的系统发育关系解析度；（3）参考所得叶绿体系统发育框架，棕榈科目前所界定的亚科、族以及众多亚族均获得了支持，但该科之中最大的族槟榔族（Areceae）之中多个亚族的单系性未能获得支持，有待进行新的分类处理；（4）对于棕榈科中目前在亚族水平尚未进行分类处理的多个属，其系统位置得以确定，为其在亚族水平的分类处理提供了系统发育依据；（5）将本研究所得棕榈科叶绿体系统发育框架与前人已报道的该科核基因系统发育框架相比，该科之中众多节点关系高度一致，但同时在族、亚族及属等层面也有不少节点存在明显的核-质冲突（Nuclear-plastid discordance）现象，初步推测可能与杂交（Hybridization）或不完全谱系分选（Incomplete lineage sorting）等进化事件有关。
　　该项目基于对棕榈科在属级层面近乎全面的取样并采用叶绿体系统发育基因组学分析，获取了该科在属级层面系统关系得到高度解析的系统发育框架，增进了对该科类群“生命之树”的理解，为该科在后续的分类学、生物地理学及生物多样性起源演化等方面的研究提供了坚实的系统发育框架，亦为从近乎全属层面进行取样对被子植物大科类群开展系统发育基因组学分析提供了案例参考。
　　相关研究成果发表在BMC Biology杂志上。该项目得到了中国科学院B类先导专项”、中国科学院国际合作计划，以及中国科学院生物资源计划等项目的资助。
　　论文链接：https://rdcu.be/c665m
　　

2023-03-09

深圳先进院搭建机器人辅助胶体纳米晶数字制造平台

该工作有望将科研人员从传统试错实验、劳动密集型表征中解放，实现胶体纳米晶数字化制备。
　　近日，中国科学院深圳先进技术研究院（简称“深圳先进院”）材料所喻学锋、赵海涛团队及其合作者在国际学术期刊《自然-合成》(Nature Synthesis)上发表题为“A Robotic Platform for Synthesis of Colloidal Nanocrystals”的文章。该工作首次将数据挖掘、数据驱动自动化合成、机器学习、逆向设计集成构建了机器人辅助胶体纳米晶数字制造平台，有望将科研人员从传统试错实验、劳动密集型表征中解放，实现胶体纳米晶数字化制备。
　　论文链接
　　纳米晶在能源、光学、光化学、电化学、光电子学以及生物医药等领域的应用潜力巨大。纳米晶物理化学性质与其形貌、尺寸息息相关，而传统的试错实验和密集表征需花费大量时间和精力，制约了纳米晶的研发。
　　为此，研究团队整合数据驱动自动化合成、机器人辅助可控合成、面向形貌逆向设计等技术，构建了机器人辅助胶体纳米晶数字智造平台，以此突破当前纳米晶可控合成研究的局限性。
　　其中自动化平台由自动化合成模块、自动化表征模块和协作机器人三大模块构成，每个模块包含若干子模块，具有高通量合成、样品存储、原位光学、光谱学表征等功能（图1）。
　　研究团队以两种典型的胶体纳米晶为研究范例，一种是目前在生物传感检测领域被广泛研究的金纳米棒，一种是在新能源和光学探测领域有巨大应用潜力的钙钛矿纳米晶。
　　为了实现自动化合成，研究人员对文献进行了数据挖掘，以提供关键合成参数的初始选择。针对金纳米棒，对1300篇已报道的金纳米棒合成的相关文献进行数据挖掘，并对其关键参数进行分水平排序，从而获取机器人执行参数，并设计正交实验及高通量实验验证，获取了金纳米棒形貌调控的重要参数。针对双钙钛矿，通过对其他钙钛矿相关文献进行数据挖掘，筛选出潜在的可供调节双钙钛矿尺寸形貌的48种溶剂和61种表面活性剂，结合高通量原位合成和表征，快速实现了溶剂和表面活性剂的筛选。
　　进一步，通过设计单因素、双因素以及三因素实验，进行高通量合成、原位光学表征（RGB值获取）、原位光谱学表征以及异位表征（透射电镜、扫描电镜）等获得大样本数据和小样本数据，结合机器学习，获得了合成关键参数（结构导向剂）与吸收光谱之间的关系模型以及吸收光谱和纳米晶尺寸的关系（图2）。通过积累数据样本，模型得到进一步完善。此外，根据两种材料大样本颜色信息（RGB），还可构建颜色信息与纳米晶尺寸之间的关系模型，这个模型可作为快速鉴定纳米晶尺寸的另一个指标。得益于这些模型的构建，输入目标产物尺寸信息即可反馈合成关键参数（结构导向剂），从而实现纳米晶高效逆向设计及合成（图3）。因此，这项工作在数据驱动机器人合成纳米晶领域前景辽阔。
　　该研究由中国科学院深圳先进技术研究院材料界面研究中心喻学锋、赵海涛团队、中国科学技术大学江俊、澳大利亚国立大学殷宗友等共同完成。深圳先进院是第一通讯单位。赵海涛副研究员、江俊教授、殷宗友副教授、喻学锋研究员为该文章的共同通讯作者。深圳先进院赵海涛、陈薇，黄浩，澳大利亚国立大学孙哲浩为该文章的共同第一作者。
　　研究得到了获得国家自然科学基金、广东省自然科学基金、深圳市自然科学基金、深港澳科技计划和腾讯犀牛鸟科研基金项目等的支持。
　　图1. 机器人辅助胶体纳米晶数字制造自动化平台
　　图2. 可控合成原位表征机器学习模型与异位表征验证
　　图3. 实验数据库、机器学习模型与纳米晶逆向合成
　　

2023-03-06

华南植物园对野生二倍体草莓系统发育和杂交渐渗研究获进展

杂交与渐渗在野生植物中广泛存在，并对物种形成与适应性进化产生重要影响，一直以来都是进化生物学和生物多样性研究的热点。然而，物种之间的频繁杂交与渐渗使得重建物种系统发育关系非常困难。然而，重组率变异如何影响系统发育关系和杂交渐渗尚不清楚。野生二倍体草莓是重要的作物野生近缘种，广泛分布于世界温带地区，中国是其多样性分布中心与起源中心之一，蕴藏非常丰富的遗传变异，具有重要的发掘利用价值。4个位于选择性清除与高渐渗区域的控制花粉识别的SLF基因可能影响了野生二倍体草莓交配系统的转变.
　　杂交与渐渗在野生植物中广泛存在，并对物种形成与适应性进化产生重要影响，一直以来都是进化生物学和生物多样性研究的热点。然而，物种之间的频繁杂交与渐渗使得重建物种系统发育关系非常困难。遗传重组是产生变异的主要驱动力量之一，在生物进化过程中起着极其重要的作用。然而，重组率变异如何影响系统发育关系和杂交渐渗尚不清楚。野生二倍体草莓是重要的作物野生近缘种，广泛分布于世界温带地区，中国是其多样性分布中心与起源中心之一，蕴藏非常丰富的遗传变异，具有重要的发掘利用价值。
　　华南植物园康明研究团队利用全基因组重测序数据重建了10个野生二倍体草莓（占所有野生二倍体草莓的83%）的系统发育关系，探讨了重组率变化对系统发育关系和基因组渐渗的影响，发现低重组率的基因组区域具有更低的杂交渐渗与不完全谱系分选，以及更一致的系统发育信号，可以反映更真实的系统发育关系（图1，图2）。野生二倍体草莓存在复杂且广泛的杂交渐渗，物种间平均渐渗率约占整个基因组的4.1%。渐渗更倾向于保留在高重组、低基因密度的基因组区域（图2）。祖先态模拟揭示了自交不亲和性状丢失后而重新获得。同时发现自交不亲和性状的重新获得可能与受到正选择的控制花粉识别的SLF基因的历史渐渗有关（图3）。该研究为野生二倍体草莓的进化历史和杂交渐渗的基因组特征提供了新视角，为杂交渐渗在植物交配系统转变中的作用提供了新证据。
　　上述研究成果已在线发表于进化生物学顶级刊物Molecular Biology and Evolution(《分子生物学与进化》)。中科院华南植物园冯超副研究员和江苏省农科院果树所王静研究员为论文共同第一作者，华南植物园康明研究员为论文通讯作者，美国俄勒冈州立大学Aaron Liston教授参与了研究工作。该研究得到了国家自然科学基金、中科院青促会项目和华南植物园青年人才专项等项目的资助。文章链接：https://academic.oup.com/mbe/advance-article/doi/10.1093/molbev/msad049/7067769
　　图1. 野生二倍体草莓系统发育拓扑结构在染色体上的变异揭示了广泛的系统发育冲突
　　图2. 野生二倍体草莓广泛的杂交渐渗及其与重组率和基因密度的关系
　　图3. 4个位于选择性清除与高渐渗区域的控制花粉识别的SLF基因可能影响了野生二倍体草莓交配系统的转变
　　

2023-03-06

研究揭示部分中华白海豚种群的核心栖息地在近年来发生了明显改变，可能跟船舶活动有关

2022年12月20日，中科院深海所海洋哺乳动物研究团队与汕头大学研究团队合作，在国际学术期刊Journal of Environmental Management发表题为《Ranging pattern development of a declining delphinid population: A potential cascade effect of vessel activities》的研究文章。
　　2022年12月20日，中科院深海所海洋哺乳动物研究团队与汕头大学研究团队合作，在国际学术期刊Journal of Environmental Management发表题为《Ranging pattern development of a declining delphinid population: A potential cascade effect of vessel activities》的研究文章。该研究提取了北京大学、北部湾大学、广西省科学院等团队在北部湾大风江口水域（下称该水域）的已发表目击数据，并整合了深海所与汕头大学2015年至2019年间系统调查结果，分析该海域中华白海豚空间分布的长期变化。研究结果显示，该水域中华白海豚的活动范围在本世纪初显著减少。尽管海豚的整体活动范围在近十年内较为稳定地集中在三娘湾至廉江湾一带海域，但海豚的核心栖息地存在明显的偏移。与早期空间分布模式相比，该海域的海豚核心栖息地在2015-2017年间从三娘湾沿岸东移至廉江湾外围海域，而又在2018-2019年稍回落至三娘湾一侧。
　　研究同时通过船舶自动识别系统数据建立该水域船舶活动的历史分布情况。该部分结果表明该海域的船舶活动整体呈增长趋势，且增速在近年有所加快。在2015-2017年间，海豚的核心栖息地与该水域船舶活动的空间分布存在明显的互斥关系。
　　图1. a-e展示2015-2019年大风江口水域船舶活动；f展示三娘湾、廉江湾位置
　　该研究进一步建立了该水域中华白海豚环境适合度模型，发现该种群在2015-2017年的核心活动范围并非白海豚的最适宜栖息地。此期间海豚核心活动范围的栖息地平均适合度甚至要低于整体家域的平均适合度。与之对应的是，研究团队不久前发现该水域中华白海豚的存活率在栖息地东移期间处于极低水平。基于这些发现，研究人员提出该水域中华白海豚种群波动的新假说：船舶活动的快速增长改变了中华白海豚的空间利用策略，进入船舶活动强度低但适合度较低的水域活动；而在低适合度的环境生活的风险造成适应度大幅降低，并经历了快速的种群衰退。最终海豚权衡船舶和栖息地适合度的影响，重新调整空间使用策略而回到船舶活动强度高但适合度更高的水域生活。
　　在此之前，已有多项独立研究认为航运、渔业捕捞、海豚观赏等船舶活动可能会对中华白海豚产生严重影响。大部分研究集中讨论了船舶活动对于中华白海豚的行为影响。而本研究则结合综合多项信息，揭示了船舶活动影响中华白海豚种群动力学过程的隐性机制。
　　图2. 2003-2019年间大风江口水域中华白海豚分布情况，红色为核心分布范围
　　图3. 中华白海豚种群的平均核心栖息地适合度
　　文章信息：
　　Wenzhi Lin, Ruiqiang Zheng, Binshuai Liu, Shenglan Chen, Mingli Lin, Agathe Serres, Mingming Liu, Wenhua Liu and Songhai Li. (2022) Ranging pattern development of a declining delphinid population: a potential cascade effect of vessel activities. Journal of Environmental Management. 330:117120
　　相关文献：
　　Haiping Wu, Chongwei Peng, Hu Huang, Thomas A. Jefferson, Shiang-Lin Huang, Mo Chen, Qianhui Zeng, Xueying Yu, Xianyan Wang and Youhou Xu. (2020). Dolphin-watching tourism and indo-Pacific humpback dolphins (Sousa chinensis) in Sanniang Bay, China: impacts and solutions. European Journal of Wildlife Research. 66: 17
　　Leszek Karczmarski, Shiang-Lin Huang, Carmen, K.M. Or, Duan Gui, Stephen C.Y. Chan, WenzhiLin, Lindsay Porter, Wai-Ho Wong, Ruiqiang Zheng, Yuen-Wa Ho, Scott Y.S. Chui, Angelico Jose C. Tiongson, Yaqian Mo, Wei-Lun Chang, John H.W. Kwok, Ricky W.K. Tang, Andy T.L. Lee, Sze-Wing You, Mark Keith, Glenn Gailey and Yuping Wu. (2016). Humpback dolphins in Hong Kong and the Pearl River Delta: Status, threats and conservation challenges. Advances in Marine Biology. 73: 27-64
　　Wenzhi Lin, Ruiqiang Zhang, Binshuai Liu, Shenglan Chen, Mingli Lin, Mingming Liu, Wenhua Liu and Songhai Li. (2022). Low survivals and rapid demographic decline of a threatened estuarine delphinid. Frontiers in Marine Science. 9: 782680
　　

2023-03-06