科研进展--中国科学院广州分院

土壤水分运移行为通常有两种表现形式，即优先流和基质流。本研究依托鼎湖山站，分析了亚热带森林演替序列上的三种不同林型内（常绿阔叶林BF ，混交林MF和马尾松林PF ）的土壤水分运移格局及驱动机制，结果表明：尽管前两个林型内的土壤连通性（如容重和孔隙度）以及水分入渗能力均优于马尾松林。土壤中的大孔隙是优先流的通道，植物根系、裂缝、石砾、洞穴等因素都是形成大孔隙的条件，它们的分布格局影响水分流动路径以及优先流程度。三个林型9个采样点处的土壤水分流动路径分布。
　　土壤水分运移行为通常有两种表现形式，即优先流和基质流。水分运移的活跃程度会直接影响溶质迁移、地下水交换及植物水分获取等过程。该研究依托鼎湖山站，分析了亚热带森林演替序列上的三种不同林型内（常绿阔叶林BF，混交林MF和马尾松林PF）的土壤水分运移格局及驱动机制，结果表明：尽管前两个林型内的土壤连通性（如容重和孔隙度）以及水分入渗能力均优于马尾松林，但是土壤水分运移格局和优先流程度并未呈现相同的变化趋势，主要的原因可归于复杂的土壤孔隙分布。土壤中的大孔隙是优先流的通道，植物根系、裂缝、石砾、洞穴等因素都是形成大孔隙的条件，它们的分布格局影响水分流动路径以及优先流程度。从染色剖面来看，在三个林型的9个采样点中，土壤中的石砾、根系、裂缝等分布不均匀，这些对水分运移路径产生深刻影响，例如优先流程度（PF-fr, LI, PI）呈现不同程度的变化(图1)。该研究为开展森林水土资源管理提供了水文前情认知。
　　相关研究结果于近日发表在Catena（IF2021= 6.367）。华南植物园博士后张婉君为该文第一作者，刘菊秀研究员为通讯作者。该研究得到广东省重点研发计划、国家自然科学基金和博后基金的资助，文章链接：https://doi.org/10.1016/j.catena.2022.106748
　　图1. 三个林型9个采样点处的土壤水分流动路径分布
　　

2023-02-21

干细胞诱导移植实现在野生型动物体内高嵌合率、长期、多谱系造血

2023年2月16日，来自中国科学院广州生物医药与健康研究院的王金勇研究团队和广州医科大学的张梦云研究团队合作，在Stem Cell Reports上发表了题为Prolonged generation of multi-lineage blood cells in wild type animals from pluripotent stem cells的研究论文，首次报道了通过干细胞基因编辑手段操纵Runx1、Hoxa9和Hoxa10基因组合表达，高效诱导多能干细胞（PSC）定向分化再生造血种子细胞（induced hematopoietic progenitor cells, iHPCs）。
　　骨髓移植/造血干细胞移植（HSCT）是治疗多种血液肿瘤、罕见病的有效手段。然而，HSCT的干细胞来源主要是配型成功的健康捐赠者或患者自身动员的CD34+血液干细胞，来源限制条件较多，加之成本高昂，限制了HSCT在患者中的广泛应用。长期以来，诱导多能干细胞（包括天然的人胚胎干细胞和诱导型多能干细胞等）分化，制备再生型的造血干细胞，是彻底解决骨髓移植种子细胞来源问题的理想手段。然而，如何诱导出真正的造血干细胞，即具备移植后能够在宿主体内长期稳定嵌合、与宿主生理和免疫系统兼容、产生功能性的多谱系血液细胞，一直是实验血液学和再生医学领域的关键技术挑战。事实上，迄今尚没有一种通用、高效的方法，能够诱导PSC实现在野生型动物体内长期重建和多谱系造血。
　　2023年2月16日，来自中国科学院广州生物医药与健康研究院的王金勇研究团队和广州医科大学的张梦云研究团队合作，在Stem Cell Reports上发表了题为Prolonged generation of multi-lineage blood cells in wild type animals from pluripotent stem cells的研究论文，首次报道了通过干细胞基因编辑手段操纵Runx1、Hoxa9和Hoxa10基因组合表达，高效诱导多能干细胞（PSC）定向分化再生造血种子细胞（induced hematopoietic progenitor cells, iHPCs）。iHPCs移植后能在野生型（先天和获得性免疫系统正常）受体鼠中稳定嵌合长达6个月以上时间，输出完整的髓系细胞、B细胞和T细胞等细胞谱系，实现长期、稳定多谱系造血重建，且未发现致瘤现象。
　　在该研究中，作者首先通过同源重组的方法构建了可诱导表达转录因子Runx1、Hoxa9和Hoxa10组合的ESC细胞系（iR1A9A10-ESC，C57BL/6 background，CD45.2 strain），并基于“体外再生种子细胞，体内发育成熟”的两步法策略，将体外分化产生的iHPCs移植到经过预处理的野生型小鼠（C57BL/6 background，CD45.1 strain）体内。结果显示，移植的iHPCs在受体鼠的外周血、骨髓、脾脏等多个组织器官中输出完整的单核髓系、B细胞谱系和T细胞谱系等细胞类型，并可维持6个月以上时间。多次移植试验结果表明，iHPCs移植后的动物没有出现肿瘤现象。单细胞测序聚类结果进一步显示移植后受体鼠的外周血中再生的髓系细胞、B细胞和T细胞与天然发育来源的细胞群具有相似的转录谱特征。
　　为了解析iHPCs长期植入的细胞学机制，作者进一步在受体鼠的骨髓中检测到干细胞来源的免疫表型为Lin-CD127-c-kit+Sca1-的髓系祖细胞和Lin-Sca1lowc-kitlowCD127+CD135-淋系祖细胞。为了评估这些再生的祖细胞能否重构小鼠的造血系统，作者分离了一次移植受体鼠（移植后6周）的骨髓细胞进行了二次移植实验。二次移植12周后，仍然可以在受体鼠的外周血、骨髓和淋巴结中检测到干细胞分化来源的成熟髓系细胞、B细胞和T细胞。随后，作者分选了各组织中再生的各类血液谱系细胞，并提取其基因组进行了PCR实验，从基因组水平证实了这些细胞是起源于基因编辑的干细胞。
　　综上所述，该研究建立了一个利用基因编辑手段通过特定转录因子（Runx1、Hoxa9和Hoxa10）组合诱导多能干细胞定向分化再生造血种子的方法。分化再生的种子细胞具有HSC的部分特征，即具有可移植、显著的多谱系嵌合率、长期稳定的成熟血液细胞输出、二次移植潜能等。该研究利用经过基因编辑的干细胞作为种子，诱导后移植在野生型动物体内重建多个血液谱系，并初步在活体动物证明这一策略的安全性。该体系稳定易重复，便于跨实验室平台测试和从事造血分化基础研究、为造血干细胞再生转化医学提供了重要的理论和技术支持。
　　该研究是继上述合作团队发现转录因子Hoxb5诱导B细胞转分化再生T淋巴细胞（Nature Immunology，2018）、转录因子Runx1和Hoxa9组合诱导多能干细胞定向分化再生T淋巴细胞（Cell Research，2020）、转录因子Runx1、Hoxa9和Lhx2组合诱导多能干细胞定向分化再生B淋巴细胞（Cellular & Molecular Immunology，2021）等研究基础上的新的发现。
　　中国科学院广州生物医药与健康研究院博士生彭欢和中国科学院动物研究所博士生林云轻为该论文的共同第一作者。张梦云教授和王金勇研究员为该论文的共同通讯作者。研究得到科技部、中科院、国家自然科学基金委等项目经费支持。
　　论文链接
　　
　　Runx1、Hoxa9和Hoxa10组合诱导多能干细胞定向分化长期再生多谱系血液细胞
　　

2023-02-17

广州分院系统研究所广州能源研究所在温和有机预处理生物质方面获进展

预处理是实现以木质纤维素类生物质为原料、制备燃料和化学品生物炼制过程的基础，决定了炼制的方向和效率。有机溶剂预处理由于高效的组分拆解性能、拆解纤维素组分高保留酶解以及回收木质素组分高纯度易于转化的优势，成为预处理研究的热点之一。现有酸性有机预处理体系大多依靠较高的反应温度和（或）酸浓度，才能在一步反应中实现木质素和半纤维素组分的完全脱除。同时，预处理体系对松木等软木原料的适应性有限。
　　预处理是实现以木质纤维素类生物质为原料、制备燃料和化学品生物炼制过程的基础，决定了炼制的方向和效率。有机溶剂预处理由于高效的组分拆解性能、拆解纤维素组分高保留酶解以及回收木质素组分高纯度易于转化的优势，成为预处理研究的热点之一。现有酸性有机预处理体系大多依靠较高的反应温度和（或）酸浓度，才能在一步反应中实现木质素和半纤维素组分的完全脱除。同时，预处理体系对松木等软木原料的适应性有限。
　　针对以上问题，中国科学院广州分院系统研究所广州能源研究所生物质能生化转化研究室庄新姝研究员团队采用调变有机体系溶剂效应以促进体系木质素溶解的策略，构建了乙二醇苯醚-丙酮-水（APW）组成的多元溶剂相变体系，采用简单易行的CSF综合强度因子（combined severity factor）调控预处理过程，实现了温和条件（~120℃）下，一步对多种木质纤维生物质的有效拆解（甘蔗渣、玉米秸秆、竹屑、松木屑中木质素脱除率均超过90%）；并对木质素低含量样品（木质素<4%）的酶水解效率差异进行了相关性分析研究。相关研究成果发表于Green Chemistry。
　　论文图文概要
　　该研究在考察APW预处理体系中木质素脱除率与时间、温度、酸浓度以及固液比的关系中，比较了BBD响应面法优化和CSF调控的差异。提出CSF=~1.86可用作有效木质素去除率的指标，在多个等CSF的温和条件下实现了甘蔗渣的有效拆解（木质素去除和半纤维素去除>98%）。研究对该体系的原料适宜性进行了考察，发现对甘蔗渣、松木、玉米秸秆和竹屑的木质素去除率均在90%以上。
　　APW体系原料适应性考察效果
　　
　　对木质素低含量样品酶水解效率差异的相关性分析研究表明，纤维素的比表面积、LOI、底物比表面积是影响酶解的主要因素。
　　
　　酶解-残渣特性的相关性分析矩阵
　　该研究得到了国家重点研发计划国际科技创新合作项目（2021YFE0114400）、国家自然科学基金（51976221）和广东省基础与应用基础研究基金（2022A1515012078）的资助。
　　原文链接：https://doi.org/10.1039/D2GC04404H
　　

2023-02-10

广州分院系统研究所深圳先进院喻学锋团队成功开发钙钛矿微晶用于高效直接X射线探测成像

首次合成了性能比肩单晶的高质量全无机钙钛矿晶片，成功实现了高效直接X射线探测及扫描成像。
　　近日，中国科学院广州分院深圳先进技术研究院材料所喻学锋、刘延亮团队，在高水平国际学术期刊Nano Research在线发表研究论文“CsPbBr3-DMSO merged perovskite micro-bricks for efficient X-ray detection”。该成果聚焦钙钛矿直接型X射线探测器中全无机钙钛矿厚光敏层制备困难的科学问题，首次合成了性能比肩单晶的高质量全无机钙钛矿晶片，成功实现了高效直接X射线探测及扫描成像。本工作为制备高灵敏、高分辨直接X射线探测器提供了新的技术路线，在高端医疗影像诊断领域具有巨大的应用潜力。
　　线上论文截图
　　论文链接
　　X射线探测被广泛用于医学影像诊断、工业无损检测、核反应监测等领域，与我们的生活息息相关。目前商用的间接X射线探测器存在二次光电转化效率低、可见光色散等难以克服的问题，导致探测灵敏度低、辐射剂量高、空间分辨率差。相比之下，基于半导体材料的直接X射线探测器可通过一次光电转换，直接将X射线转换成电信号，因此可具有更高的光电转换效率、探测灵敏度和空间分辨率。发展新型高效半导体光电转换材料是直接X射线成像探测器走向应用的关键。
　　全无机金属卤化物钙钛矿具有X射线衰减系数大、载流子迁移率高、载流子寿命长、材料稳定等优点，在直接X射线探测领域备受关注。为了充分吸收高能X射线，钙钛矿活性层的厚度应该达到数百微米。钙钛矿单晶是直接X射线探测的理想材料，但是其生长耗时长，且无法获得大面积、尺寸可控的单晶。此外，由于无机钙钛矿前驱体在溶液中的浓度低，材料利用率低，通过溶液法也很难制备出满足要求的钙钛矿厚膜。将钙钛矿粉末压实形成多晶钙钛矿晶片可以构建尺寸、厚度可调的钙钛矿X射线探测光敏层，但由此制备的多晶无机钙钛矿晶片通常含有许多空隙和晶界，严重影响了X射线探测器的效率及工作稳定性。
　　针对上述问题，结合之前的研究基础，喻学锋、刘延亮课题组从提升钙钛矿结晶度、降低钙钛矿晶片缺陷密度出发，发展出用于高性能X射线探测器的全无机钙钛矿晶片。通过机械研磨法可获得CsPbBr3粉体，进一步在少量DMSO中培养可产出大量具有立方形状、高结晶度和优良光电性能的CsPbBr3微晶。此外，合成过程中微量的DMSO通过Pb-O键结合到CsPbBr3微砖表面形成CsPbBr3-DMSO络合物。在热压加工过程中，络合物释放的DMSO蒸汽不仅可以促进CsPbBr3晶粒生长，还能在100 ℃的低温下促进CsPbBr3微砖融合成致密的晶片，从而提高电荷传输性能，获得高效钙钛矿直接X射线探测器，灵敏度可达14,430 μC Gyair –1 cm–2，检出限为564 nGyair s–1，具有良好的工作稳定性。
　　这项工作为钙钛矿材料开拓了新的应用方向，同时也为高质量钙钛矿晶片的制备提供了一种有效策略，具有很大科学和应用价值。
　　喻学锋研究员和刘延亮副研究员为本文通讯作者，史桐雨博士生为本论文第一作者，刘文俊硕士生为本文的共同第一作者。该研究工作获得了国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金青年项目、中科院青年创新促进会、深圳市杰青及中科院特别研究助理等项目的资助。
　　全无机钙钛矿晶片的制备及其应用于高灵敏直接X射线探测
　　

2023-02-08

广州分院系统研究所深圳先进院黄艳团队揭示焦虑相关的注意加工脑电机制

该研究为“高焦虑导致一般性注意抑制功能损伤”的假说首次提供了来自脑电的神经生理证据。
　　2月8日，中国科学院广州分院系统研究所深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所黄艳团队的最新合作研究成果，以“General deficits of attentional inhibition in high trait anxiety: ERP evidence”为题，在线发表于国际高水平期刊Cerebral Cortex。深圳先进院胡立平为文章第一作者，黄艳副研究员为文章的通讯作者。该研究发现高焦虑个体存在一般性（即非情绪特异性）的注意缺陷。具体表现为,个体的焦虑水平越高，对任务无关的干扰刺激的注意抑制能力越差，同时对目标刺激的注意选择也越晚。该研究为“高焦虑导致一般性注意抑制功能损伤”的假说首次提供了来自脑电的神经生理证据。
　　
　　文章上线截图
　　原文链接
　　个体长期的焦虑倾向是其人格属性的反映，称为特质焦虑。高特质焦虑是对应激高度敏感和精神疾病 (尤其焦虑症和抑郁症) 易感的关键风险因素之一。一些研究者提出，对负性刺激（诱发威胁感）的注意偏向可能是导致焦虑症等相关精神疾病持续发展的重要机制。近年来的研究进一步提示，长期焦虑可能伴随一般性的注意功能损伤，而不仅仅是对负性刺激的注意偏向。最新的焦虑认知模型也提出，注意抑制能力的缺损可能与焦虑的发生发展有密切的关系。但是这一重要理论假设缺乏直接的神经生理证据支持。
　　在该研究中，研究人员利用高时间分辨率脑电技术结合特定设计的视觉搜索范式，用以区分注意的不同阶段，有利于厘清焦虑相关的注意损伤机制。研究人员随机招募66名健康受试者，并通过量表测量他们的特质焦虑水平（长期的焦虑倾向）和状态焦虑水平（当前的焦虑程度）。在实验中，科研人员采用了中性几何刺激的视觉搜索任务（见图1），让受试者在一圈几何图形中搜索一个形状不同的目标（例如菱形中的圆形），并尽量忽视可能出现的颜色干扰，同时用高时空分辨率的128通道的脑电设备来记录受试者的脑电信号。
　　在脑电信号中，N2pc成分表征大脑的注意选择功能，Pd成分表征大脑的注意抑制功能。研究发现，在目标搜索过程中，个体先被干扰刺激捕获注意，诱发N2pc成分，然后对干扰刺激进行主动抑制，诱发Pd成分（图2 A和B）。进一步分析发现，个体的特质焦虑水平越高，注意抑制能力越差（Pd振幅减小，图2C），对目标的注意选择也越晚（N2pc潜伏期延后，图2E-F）。与特质焦虑不同，个体的当前的焦虑水平与注意功能没有显著的相关性。
　　
　　亚临床水平的高特质焦虑具有潜在风险，但往往被个人和社会忽视。该研究为焦虑相关的认知损伤提供了新的神经证据，即高特质焦虑损害个体的一般性注意功能。这一发现将有助于理解焦虑的潜在发病机制，为其早期鉴定和干预策略提供新的研究思路。
　　该研究得到了科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目、深港脑科学创新研究院以及中国科学院脑联结解析与调控重点实验室等的项目资助。
　　
　　图1. 实验流程和刺激图形
　　
　　图2. 脑电结果
　　
　　

2023-02-10

广州分院系统研究所广州地化所揭示微生物对花岗岩风化过程中稀土元素活化和分异的影响

离子吸附型稀土矿床主要发育于富含稀土元素的花岗岩风化壳中。风化过程中稀土元素的活化、迁移和再富集是形成此类矿床至关重要的环节。尽管越来越多的研究已经认识到，微生物和其他地球化学因素共同控制着风化过程中的稀土元素地球化学行为，但具体的微生物效应及作用机制仍未明晰。为了探究微生物对花岗岩风化过程中稀土元素活化和分异的影响，以及了解微生物对离子吸附型稀土矿床成矿的潜在贡献，中国科学院广州分院系统研究所广州地球化学研究所何宏平研究员团队利用江西省大埠离子吸附型稀土矿床的花岗岩基岩和矿床风化壳中的野生微生物菌株开展了微生物溶解花岗岩的实验研究。
　　图1. 30天反应结束时不同反应条件下溶液中的稀土元素浓度
　　研究发现，在常温常压及寡营养条件下，实验菌株均能显著促进花岗岩中稀土元素的活化。30天反应结束时，微生物将总稀土元素表观溶解量提升约4-21倍（图1）。而在实际反应过程中，部分溶解的稀土元素会被微生物细胞和胞外代谢物再次吸附固定，这使得稀土元素的表观溶出率被降低约25%-82%。微生物生长代谢导致溶液酸化并分泌丰富的小分子有机酸，从而对花岗岩溶解产生积极影响。在实验菌株溶解花岗岩的过程中，溶液pH在弱酸性至近中性范围内。此条件下，有机酸配体的络合作用是微生物促进稀土元素释放的主导机制（图2）。
　　图2. (A) 盐酸和 (B) 有机酸 (pH 6) 作用下花岗岩中稀土元素的溶出量
　　花岗岩溶解过程中的稀土元素分异主要受稀土元素赋存矿物的物理化学性质的制约，但同时也受微生物作用的影响（图3）。在花岗岩溶解的初始阶段，抗风化能力弱的氟碳钙铈矿和氟碳钙钇矿优先溶解，导致不同反应条件下轻稀土和中稀土元素均具有较高的溶出率（图3）。微生物分泌的小分子有机酸与不同稀土元素的络合稳定性差异也是影响稀土元素分异的重要因素。实验使用的两株芽孢杆菌分泌的丰富有机酸，尤其是苹果酸和酒石酸，可能是导致花岗岩溶解过程中稀土和重稀土元素优先释放的关键（图3和4）。
　　以上认识为理解离子吸附型稀土矿床成矿生物地球化学过程提供了新视角。
　　图3. 不同菌株作用下反应30天花岗岩中稀土元素的溶出率
　　
　　图4. pH 6有机酸（A）和盐酸（B）溶液溶解花岗岩的稀土元素的溶出率
　　该研究得到国家重点研发计划（2021YFC2901701）和中国科学院地球科学研究院重点部署项目(IGGCAS-201901)等项目的联合资助。相关研究成果近期在线发表于Geochimica et Cosmochimica Acta期刊。
　　论文信息：Yilin He (贺依琳), Lingya Ma (马灵涯), Xurui Li (李旭锐), Heng Wang (王珩), Xiaoliang Liang (梁晓亮), Jianxi Zhu (朱建喜), Hongping He*(何宏平), 2023. Mobilization and fractionation of rare earth elements during experimental bio-weathering of granites. Geochimica et Cosmochimica Acta 343, 384-395.
　　论文链接
　　

2023-02-09

广州分院系统研究所华南植物园利用生态基因组学方法预测森林树种应对气候变化的响应

全球气候的快速变化是生物多样性面临的严重威胁之一。森林树种在维护生态系统稳定、提升生态系统服务功能方面扮演着重要的角色。理解森林树种应对气候变化的响应，是发掘未来气候条件下适宜种植的林木资源，贯彻适地适树的造林原则，达到森林资源管理最优化及可持续发展的关键。但是，对于世代时间长、遗传背景复杂的森林树种而言，通过同质园、交互移植等传统实验方法来探究物种对气候变化的响应十分困难。,正向遗传偏移( d , e , f )和反向遗传偏移( g , h , i )的分布。
　　全球气候的快速变化是生物多样性面临的严重威胁之一。森林树种在维护生态系统稳定、提升生态系统服务功能方面扮演着重要的角色。理解森林树种应对气候变化的响应，是发掘未来气候条件下适宜种植的林木资源，贯彻适地适树的造林原则，达到森林资源管理最优化及可持续发展的关键。但是，对于世代时间长、遗传背景复杂的森林树种而言，通过同质园、交互移植等传统实验方法来探究物种对气候变化的响应十分困难。
　　中科院华南植物园王宝生研究员课题组以我国广泛分布的壳斗科栎属物种麻栎（Quercus acutissima）为研究对象，基于群体遗传学和生态基因组学理论，通过遗传-生态因子建模方法探究了该物种在未来气候条件下的适应能力。该研究基于全基因组重测序数据揭示了麻栎的群体结构与分化历史，证实了群体历史和连锁选择作用共同塑造了异质性的基因组景观（图1）；通过遗传-环境关联分析鉴定出一系列与环境适应性相关的功能基因，说明多基因选择是麻栎物种适应性进化的重要机制；进一步基于生态因子差异与遗传成分差异之间的拟合分析（Generalized dissimilarity modelling）量化了麻栎群体为了应对气候变化理论上所需的遗传偏移。该研究发现，边缘群体面临着更高的局部灭绝风险，并且在未来环境中可能无法通过迁移的方式找到新的栖息地；我国北方地区未来的气候条件很难适合麻栎生存（图2）。
　　该研究揭示了复杂进化过程塑造异质性的基因组景观变异的机制，并在基因组水平上提供了麻栎对未来环境适应潜力的视图，为遗传多样性保护和森林资源管理提供了理论依据。相关研究成果以“Genomic vulnerability to climate change in Quercus acutissima, a dominant tree species in East Asian deciduous forests”为题发表在国际进化生物学主流期刊《分子生态学》（Molecular ecology）上，中国科学院广州分院系统研究所华南植物园植物科学中心袁帅助理研究员为论文第一作者，王宝生研究员为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、广东省杰出青年基金和广州市科技项目的资助。论文详见：https://doi.org/10.1111/mec.16843
　　图1. 麻栎的地理分布，群体结构和基因组变异模式。
　　图2. GDM 模型模拟的麻栎的局部遗传偏移（a, b, c），正向遗传偏移 (d, e, f)和反向遗传偏移 (g, h, i)的分布。
　　

2023-01-13

广州分院系统研究所华南植物园利用微波和光学遥感估算中国森林碳储量时空变化格局

随着国家林业重点工程的实施，我国森林在过去几十年间扮演着碳汇功能，对区域和全球碳平衡贡献显著。在全球变化背景下，陆地生态系统，尤其是森林的固碳能力将继续发挥重要作用。为了满足我国森林碳汇的科学管理和应对我国“双碳目标”的科学评估，急需摸清我国森林碳储量空间分布和变化规律。针对该问题，基于团队自主研发的低频被动微波植被光学厚度（ L-VOD ）年际产品（具有时空连续性强、对茂密森林饱和点高的优势），首先评估了不同光学植被指数产品和微波植被光学厚度产品在中国区域对森林地上碳储量的监测能力。2013–2019年全国森林碳储量净变化空间格局.
　　随着国家林业重点工程的实施，我国森林在过去几十年间扮演着碳汇功能，对区域和全球碳平衡贡献显著。在全球变化背景下，陆地生态系统，尤其是森林的固碳能力将继续发挥重要作用。为了满足我国森林碳汇的科学管理和应对我国“双碳目标”的科学评估，急需摸清我国森林碳储量空间分布和变化规律。
　　针对该问题，基于团队自主研发的低频被动微波植被光学厚度（L-VOD）年际产品（具有时空连续性强、对茂密森林饱和点高的优势），首先评估了不同光学植被指数产品和微波植被光学厚度产品在中国区域对森林地上碳储量的监测能力，证明了微波植被光学厚度产品（尤其是L波段）在大尺度范围对地上碳储量监测的优势。然后在随机森林模型框架下，协同使用光学植被指数和微波植被光学厚度产品对我国森林地上碳储量年际变化进行预测，估算了2013–2019年期间我国森林地上碳储量动态变化，进一步分析了重点区域森林地上碳储量变化趋势。
　　研究表明，2013–2019年期间我国地上森林植被碳汇为0.17 Pg C yr-1，其中56%来源于南方地区（图1）。从区域尺度来看，我国南方森林植被地上部分碳汇主要来自贵州（22.35 Tg C yr-1）、四川（14.49 Tg C yr-1）和湖南（11.42 Tg C yr-1）等省份。在实施生态恢复工程的区域也呈现出不同程度的碳增加，其中青藏高原区域为0.02 Pg C yr-1，黄土高原区域为0.03 Pg C yr-1，三北防护林区域为0.01 Pg C yr-1。
　　该研究面向我国“双碳”国家战略需求，发展了融合光学植被指数和微波植被光学厚度的森林碳储量遥感监测技术，实现了我国地上森林碳储量的年际动态监测。研究成果于2023年2月以“Estimating Aboveground Carbon Dynamic of China Using Optical and Microwave Remote-Sensing Datasets from 2013 to 2019” 为题发表于Journal of Remote Sensing（《遥感杂志》）期刊，这是2020年中国科学院空天信息创新研究院创办的新刊。中国科学院广州分院系统研究所华南植物园鼎湖山站博士毕业生常中兵为第一作者，共同通讯作者为西南大学地理科学学院樊磊教授和中国科学院华南植物园鼎湖山站闫俊华研究员。该研究得到国家杰出青年基金项目、中科院战略性先导科技专项等项目的资助。
　　文章链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/remotesensing.0005
　　图1. 2013–2019年全国森林碳储量净变化空间格局

2023-02-09

广州分院系统研究所华南植物园发现光周期调控植物种子大小的普遍性规律

作为自然界中最稳定的环境因子，光周期（ Photoperiod ）广泛调控植物生长发育的多个方面。多年来，人们对光周期影响植物开花以及其背后的分子机制已有较为清晰的认识，但其如何影响花后发育尤其是种子发育仍不清楚，其潜在的作用机制亟待解析。相关研究成果已于2023年2月在Nature Plants发表了题为“ Photoperiod controls plant seed size in a CONSTANS-dependent manner ”的论文，揭示了光周期调控植物种子大小的普遍性规律。原文链接： https : / / www . nature . com/articles/s41477-023 - 01350 - y。
　　
　　作为自然界中最稳定的环境因子，光周期（Photoperiod）广泛调控植物生长发育的多个方面。多年来，人们对光周期影响植物开花以及其背后的分子机制已有较为清晰的认识，但其如何影响花后发育尤其是种子发育仍不清楚，其潜在的作用机制亟待解析。
　　根据成花转变对不同日照长度的响应，光周期敏感植物主要分为长日照（Long Days，LDs）诱导开花的长日照植物和短日照（Short Days，SDs）诱导开花的短日照植物。为探索光周期是否影响植物种子的发育，研究者选取六种具有不同光周期特性的植物，包括长日照植物百脉根（Lotus japonicus）、豌豆（Pisum sativum）和拟南芥（Arabidopsis thaliana）以及短日照植物大豆（Glycine max）、红小豆（Vigna umbellata）和菜豆（Phaseolus vulgaris），并观测其在不同光周期条件下的种子表型。有趣的是，三种长日照植物（百脉根、豌豆和拟南芥）和三种短日照植物（大豆、红小豆和菜豆）分别在LDs和SDs下产生更大的种子，与其各自的光周期开花特性一致。
　　以长日照植物拟南芥和短日照植物大豆进行深入研究，发现当光周期响应因子CONSTANS (CO)发生突变时，植株在不同光周期下会产生同样大小的种子，即种子大小发育的决定失去对光周期的敏感性，表明CO在光周期调控种子发育中具有关键作用。对拟南芥光周期途径中CO上游的生物钟基因及光受体基因突变体的表型观测，以及通过一系列光周期转移实验进一步确定了CO在介导光周期信号调控种子大小中的核心功能。之后，通过转录组、基因表达、遗传分析及细胞学观察，他们发现种子发育负调控基因APETALA2（AP2）是CO的重要靶基因。在LDs下培养的拟南芥以及SDs下培养的大豆中，CO直接抑制AP2的转录，以光周期依赖的方式调控种子大小。进一步分析发现，CO-AP2通过调控种皮表皮细胞增殖以母本依赖的方式发挥功能。
　　基于这些结果，该研究揭示了光周期对种子发育的直接调控作用，并阐明了CO-AP2在该过程中的核心功能。这一发现将加深人们对具有不同光周期特性的植物如何感知季节变化以优化其生殖生长的理解，为环境因子直接影响种子发育的机理提供新的见解和依据。此外，种子大小是影响作物产量高低和品质优劣的重要农艺性状，该研究可为作物在不同纬度的区域性种植提供重要的理论指导。
　　相关研究成果已于2023年2月在Nature Plants发表了题为“Photoperiod controls plant seed size in a CONSTANS-dependent manner”的论文，揭示了光周期调控植物种子大小的普遍性规律。中国科学院广州分院系统研究所华南植物园的余斌博士、何雪梅硕士和广州大学的汤杨博士为论文共同第一作者；中国科学院华南植物园胡一龙副研究员和侯兴亮研究员为该论文共同通讯作者。该研究得到了中国科学院重点部署项目、国家自然科学基金项目和中国科学院战略性先导科技专项等项目的资助。
　　原文链接：https://www.nature.com/articles/s41477-023-01350-y
　　

2023-02-09

广州分院系统研究所深圳先进院研制成功国内首台高清晰磁兼容脑PET功能成像仪器

近日，深圳先进院成功研发国内首台高清晰磁共振兼容人脑PET功能成像仪器（命名为“SIAT bPET”），实现了我国在高端磁兼容脑PET成像仪器研发方面零的突破。
　　近日，中科院广州分院系统研究所深圳先进技术研究院成功研发国内首台高清晰磁共振兼容人脑PET功能成像仪器（命名为“SIAT bPET”），实现了我国在高端磁兼容脑PET成像仪器研发方面零的突破。
　　“通常，PET成像仪器由于探测器的深度不确定效应，空间分辨率会随着偏离成像视野中心而变差，严重影响成像精度。”深圳先进院医工所劳特伯生物医学成像研究中心研究员杨永峰表示，他们团队研发了高三维分辨率双端读出探测器，使得该大口径成像系统达到14%的中心效率（350-750 keV能量窗），和整个成像视野好于1.4 mm的空间分辨率，两项性能指标都处于国际领先水平。
　　杨永峰介绍道，与国外商业磁兼容脑PET成像仪器相比，SIAT bPET的效率提高了近2倍（从7.2%到14%），平均体分辨率提高了30倍以上（从约64mm3到2mm3）。同时，SIAT bPET采用了创新的电子学和磁兼容设计，使得磁共振成像对PET成像的影响几乎可以忽略不计，PET成像对磁共振成像图像信噪比的影响小于5%，满足同时开展PET/MRI成像的尖端科研需求。
　　据了解，PET和MRI都是脑科学研究和脑疾病诊断的重要工具，PET的高灵敏度、高定量精度功能代谢成像和MRI的高空间分辨率、高软组织对比度解剖结构成像高度互补，PET和MRI还可以相互辅助，进一步提升各自的脑神经成像能力。PET分子成像通过测量大脑的血流、葡萄糖和氧的代谢、蛋白质的生成、药物的分布和神经递质的动力学等，探索不同脑区的功能，确定病变脑区的功能演变，对于脑疾病干预治疗策略和新药物探索具有重要意义。
　　“不过，目前市场上并没有高性能脑PET成像仪器。”杨永峰说，与美国脑计划项目正在资助研发的多个高性能脑PET成像仪器相比，SIAT bPET的空间分辨率和效率也处于先进水平。“高空间分辨率使得研究大脑的细微焦点脑功能区和小的核团成为可能，还可以通过降低部分容积效应来提高脑PET成像研究的定量精度；高效率除了通过提高脑PET图像的信噪来提高研究的定量精度，也为高精度研究神经递质活动和其他动态脑生化与功能活动奠定基础。”
　　2022年，团队成员邝忠华在国际核医学和分子影像年会与IEEE医学成像会议上口头报告了该研究成果，随即引起了广泛的国际关注。同时，该仪器也为开展基于PET功能成像的脑科学研究、老年性痴呆等疾病的早期定量诊断研究和新药开发提供了一台重要的新工具。
　　据悉，相关研究由基金委国家重大科研仪器研制、深圳市孔雀团队和中国科学院仪器研制团队等项目资助。
　　深圳先进院研制的SIAT bPET探测器系统和脑成像仪器照片
　　SIAT bPET获得的Derenzo模体图、人脑FDG代谢图和兔子NaF骨扫描图
　　SIAT bPET和联影uMR790 3T磁共振成像系统上同时获得的人脑PET/MRI图像
　　

2023-02-02