科研进展--中国科学院广州分院

1月16日获悉，广州市农业农村局发布了《关于推介发布2023年广州市农业主导品种主推技术的通知》，组织遴选了2023年广州市农业主导品种49个和主推技术24项。其中由中国科学院华南植物园研究员段俊团队和广州双春生物科技有限公司合作选育的食用菌新品种“中科1号红松茸”成功入选，也是此次唯一入选的食用菌主导品种。“中科1号红松茸”不但营养丰富，口感极佳，而且产量高，同时可以在广东省乃至华南地区的“冬闲”季节，利用稻草、谷壳、玉米秆（芯）、花生壳、黄豆秆（壳）、木屑和果园修剪物等“闲料”为材料，在林下、果园、冬闲田（地）、旱地和荒地露天种植，种植效益高。红松茸冬闲田种植现场。
　　
　　1月16日获悉，广州市农业农村局发布了《关于推介发布2023年广州市农业主导品种主推技术的通知》，组织遴选了2023年广州市农业主导品种49个和主推技术24项，其中由中国科学院华南植物园研究员段俊团队和广州双春生物科技有限公司合作选育的食用菌新品种“中科1号红松茸”成功入选，也是此次唯一入选的食用菌主导品种。
　　目前全球能够商业化栽培的食用菌有70余种，我国是全球栽培食用菌种类最多的国家。目前食用菌的栽培方式基本上是设施栽培（在专用菇房可大棚中进行），相对于普通农作物来说，食用菌产业尽管经济效益较高，但也存在技术和投资门坎相对较高、农民难以直接参与受益的问题，因此其社会效益与生态效益并不明显。
　　“中科1号红松茸”不但营养丰富，口感极佳，而且产量高，同时可以在广东省乃至华南地区的“冬闲”季节，利用稻草、谷壳、玉米秆（芯）、花生壳、黄豆秆（壳）、木屑和果园修剪物等“闲料”为材料，在林下、果园、冬闲田（地）、旱地和荒地露天种植，种植效益高，同时种植过后的基质可直接还田还地改良土壤，生态效益好，农民亲切地称其为“三闲品种”。同时“中科1号红松茸”种植成本相对较低，种植技术难度不高，普通农民经过简单技术培训后就可以种植，因此社会效益明显。
　　“中科1号红松茸”品种的选育成功，为广东省乃至华南地区冬季自然条件下规模化露天种植食用菌奠定了基础。目前，该品种已在广东的广州、清远、河源、惠州、梅州、肇庆、云浮等地，以及福建、湖南、广西和江西等省成功种植，综合表现良好。
　　
　　红松茸冬闲田种植现场
　　

2023-01-16

国际地学顶刊Earth-Science Reviews刊发印太交汇区的最新研究成果

　　近日，国际地学顶级期刊Earth-Science Reviews第237卷在线发表了中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境国家重点实验室（LTO）研究员杜岩关于印太交汇区的综述性论文“Multi-scale ocean dynamical processes in the Indo-Pacific Convergence Zone and their climatic and ecological effects”，合作者包括中国科学院海洋研究所研究员王凡、华东师范大学教授张经、广西大学教授余克服以及多位南海海洋所的青年科学家。
　　热带印度洋-太平洋交汇区（简称印太交汇区）泛指西太平洋—南海/印度尼西亚海—东印度洋所交汇的海域，是全球跨圈层、跨洋盆的多尺度物质能量交换和循环中心，是全球季风系统、环流系统的关键纽带，也是全球生物多样性中心（如图1所示）。印太交汇区是澳洲季风、南海季风、东亚季风以及西太平洋季风等的衔接区，交汇区热力结构和海气相互作用直接影响临近季风系统的变化。印太交汇区在构成印太洋盆的物质和能量输运通道的同时，直接衔接了印太低纬度海盆的五个环流圈，包括：北太平洋热带环流、南太平洋热带环流、南海环流、印度洋热带环流和南印度洋副热带环流。印太交汇区作为跨圈层、跨海盆物质、能量交换和循环的重要海区，其海洋动力调整是海洋系统洋际、层际耦联研究的重要环节。印太交汇区的海洋生物多样性极高，是全球珊瑚、鱼类、红树林等海洋生物的重要栖息地，被誉为全球海洋生物多样性的珠峰、生命起源的中心地带。
　　研究人员对国际及国内学术界近几十年来针对印太环流系统之间的耦合联动、物质能量交换、低频调整及其影响印太交汇区热盐平衡和生态演变等科学问题的研究进展进行了系统的回顾。研究发现，印太暖池控制着沃克环流和哈德莱环流的变化，印度洋、太平洋两个海盆通过“大气桥”直接连接，热带印度洋和热带东太平洋年际海表温度（SST）变化存在重要的正相关性，使得印太交汇区在全球气候极端事件（如ENSO、IOD等）中起到了关键性的作用（如图2所示）。印太交汇区通过印尼贯穿流（ITF）连接热带太平洋、南海与印度洋的环流系统，跨海盆的物质和能量交换对区域乃至全球气候和海洋生态环境有着至关重要的调节作用。同时，印太交汇区生物多样性格局是地球地质历史、构造过程、气候事件、海洋环境与生命过程等多圈层、多界面过程相互作用形成的结果，关乎全球生物、生态过程的演变（如图3所示）。
　　研究也发现，由于现有观测和研究的局限，印太交汇区的环流结构和演变规律尚不明确；印太交汇区环流与其临近海盆环流系统的物质、能量交互过程尚不具体；印太海区气候演变对全球海洋、气候过程的影响，尤其是对交汇区生物系统的演变的影响机制并不清晰；生物多样性及生物地球化学过程对海洋环境动力变化的响应也还不明朗。存在一些亟待解决的科学问题：如印太交汇区流场演变和动力成因？印太交汇区环流与海盆尺度五圈环流之间有何联系？印太海盆环流系统的能量的演化与转变过程如何？跨海盆环流的热盐输运对区域热盐平衡有何影响？生态系统演变对海洋动力调整有哪些响应机制？珊瑚骨骼中的生物地球化学指标作为海洋温盐要素的代用指标是否能反映海洋动力调整和生态系统演变？在何种时间尺度上显著？从区域海洋学和气候变化角度，厘清这些问题，将极大程度上推进对印太交汇区及其周边大洋的认识。
　　该工作从不同角度探讨了印太交汇区作为大洋生物-物理-生态过程和生物多样性中心的显著地位和深远影响；阐述海洋物种多样性与区域动力系统特征、扩散与分化进程、以及不同维度间的系统演化关系。同时，该工作也体现了海洋学研究的综合与交叉，从浅海到深海、从区域到全球的国际研究的大趋势。
　　本文受国家自然科学基金，中国科学院院项目，南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）项目联合资助。
　　相关论文信息：Yan Du, Fan Wang, Tianyu Wang, et al., Multi-scale ocean dynamical processes in the Indo-Pacific Convergence Zone and their climatic and ecological effects, Earth-Science Reviews. 237 (2023) 104313. Doi: 10.1016/j.earscirev.2023.104313
　　https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2023.104313
　　https://authors.elsevier.com/a/1gPbx2weQt6-S
　　图1 印太交汇区（三角区示意位置）及其环流（上）、气候（中）系统和生物多样性中心分布（珊瑚礁生态系统；下）
　　图2 ENSO影响下的印度洋-太平洋海盆间物质、能量输运（下）以及大气环流调整（上）
　　图3 印太交汇区跨圈层研究、应用与可持续发展框架图
　　

2023-01-16

广州地化所发现月表普遍存在并不断累积的三价铁

　　铁元素是能够记录太阳系氧化还原状态的关键元素之一。在阿波罗时代，科学家通过对返回的月球样品研究发现，月球样品中的铁元素主要以还原性的Fe2+和Fe0两种状态存在，仅含有极少量氧化性的Fe3+(< 1 wt%)，因此推测认为无大气的月球表面和其内部均呈一种极度还原的状态。尽管如此，近期对阿波罗样品的进一步分析发现了某些样品中含有更高含量的Fe3+，比如苦橄质玻璃珠的Fe3+/∑Fe(Fe3+在总铁含量中占的比例)可高达25 %。
　　自月球样品中发现Fe3+以来，其赋存形式和成因就受到广泛关注。传统观点认为月球Fe3+的形成主要有两种途径：一是月球岩浆通过脱除H2和CO等还原性气体，使得月球岩浆氧化性提高，进而使Fe2+和Fe0被氧化成Fe3+；二是包括在月球表面本身存在的，以及返回样品在转移过程中发生的次生氧化作用。此外，近期科学家通过对糸川小行星返回的样品研究认为，太阳风注入过程中伴随H2O生成的歧化反应也能够在无大气天体表面产生Fe3+。由此可见，传统认知将月表Fe3+主要归因于外部因素对月球原生还原性物质的氧化。然而，作为一个典型的无大气天体，月球表面无时无刻不遭受太阳风辐照和微陨石撞击等太空风化作用；而前人大量的研究表明，太阳风辐照和微陨石撞击等太空风化作用在月球表面主要表现为形成纳米单质铁的还原性作用。因此，Fe3+在极度还原的月球表面如何赋存、形成，及演化仍无定论。
　　近日，中国科学院广州地球化学研究所徐义刚院士和何宏平研究员共同领衔的月球科学研究团队利用嫦娥五号样品对这一问题开展了研究。研究团队选择了月壤中由微陨石撞击作用形成而普遍存在的凝结玻璃为研究对象，发现嫦娥五号凝结玻璃中含有大量由歧化反应而产生的Fe3+（Fe3+/∑Fe >0.4）。这一发现革新了学界对于月球Fe3+赋存形态、含量及成因的认识。
　　研究团队首先在嫦娥五号月壤样品中挑选了~100 μm尺寸的凝结碎屑颗粒，并通过扫描电子显微镜(SEM)对凝结颗粒表面进行了详细观察。在凝结玻璃表面观察到了由微陨石撞击作用产生的玻璃棒以及纳米单质铁球（图1a）。通过聚焦离子束（FIB）对样品进行加工，获得透射电子显微镜（TEM）可观测的薄片（图1b）。研究团队对凝结玻璃及其中赋存的纳米单质铁进行了形态、化学成分和结构分析（图1c-f），发现纳米单质铁为通常太空风化产生的阿尔法铁，平均尺寸为16.2 nm。
　　为表征嫦娥五号凝结玻璃中的三价铁含量，研究团队采用电子能量损失谱对样品中铁的价态进行了定量分析，结果表明样品中Fe3+/∑Fe的平均值为0.41，远高于以往研究获得的值。研究团队分析认为，如此高含量的Fe3+不可能由外部氧化产生，而是凝结玻璃形成过程中Fe2+发生歧化反应所产生（图2）。这一歧化反应可发生在微陨石撞击形成的高温高压阶段，也可能发生在冲击熔融冷却阶段。月表普遍存在的凝结玻璃中大量三价铁的发现预示着月球表面存在着比人们以往认识更多的Fe3+，且Fe3+的含量还会随着微陨石撞击作用的持续进行而不断累积。
　　该研究发现的高含量的三价铁并不意味着月表环境是氧化的，因为本次研究发现产生三价铁的歧化反应并不产生额外的氧，也不会消耗体系中的电子，仅仅将电子进行了重新分配。这一反应过程的发现对于理解无大气天体表面环境铁元素的价态演化有极为重要的意义。
　　该研究得到了中国科学院重点部署项目（ZDBS-SSW-JSC007-11）、中国科学院广州地球化学研究所所长基金《嫦娥五号月球样品集成研究》（2022SZJJZD-03）和中国科学院青年创新促进会（2021353）的联合资助。研究成果于1月9日在线发表于《自然–天文学》（Nature Astronomy）。
　　论文信息：Haiyang Xian(鲜海洋), Jianxi Zhu(朱建喜), Yiping Yang(杨宜坪), Shan Li(李珊), Xiaoju Lin(林枭举), Jiaxin Xi(席佳鑫), Jieqi Xing(邢介奇), Xiao Wu(吴逍), Hongmei Yang(杨红梅), Qin Zhou(周秦), Akira Tsuchiyama, Hongping He(何宏平)*, Yi-Gang Xu(徐义刚)*, 2023. Ubiquitous and progressively increasing ferric iron content on the lunar surfaces revealed by the Chang’e-5 sample. Nature Astronomy. https://doi.org/10.1038/s41550-022-01855-0.
　　文章链接
　　
　　图1 嫦娥五号凝结玻璃中纳米单质铁的电子显微特征
　　a, SEM图；b, HAADF-STEM图；c, 纳米单质铁的粒度统计结果；d, 纳米单质铁的HRTEM图；e-f, 纳米单质铁的高倍HAADF-STEM图和EDS元素面分布图
　　图2 嫦娥五号凝结玻璃中微陨石撞击致纳米零价铁和三价铁的成因示意图

2023-01-10

广州地化所揭示微塑料对红树林沉积物硫循环的影响

　　微塑料（粒径小于 5 mm的塑料）是一类在海岸带环境中广泛分布的新污染物，对海岸带生态系统的健康构成严重威胁。红树林湿地是海岸带最重要的生态系统之一，约占全球海岸线的60-75%。受陆地和海洋活动的影响，红树林湿地已成为微塑料重要的汇。红树林湿地微生物丰富多样，驱动着湿地生态系统的营养物质循环和能量流动，在提高湿地固碳储碳、净化环境污染和维护生物多样性等方面发挥重要作用。湿地沉积物环境富含有机质、硫酸盐和硫化物，硫循环微生物十分活跃，是湿地生物地球化学过程的主要驱动者。然而，微塑料污染对红树林湿地微生物驱动的硫元素迁移和转化、硫循环微生物群落结构和功能的影响却并不清楚。此外，在氧化-还原条件快速波动的红树林湿地环境中，硫还原和氧化过程同时发生，给硫循环过程和机制研究带来了巨大的困难和挑战。
　　针对上述问题，中国科学院广州地球化学研究所博士研究生王贺丽在导师钟音副研究员和彭平安研究员的指导下，开展了微宇宙实验，利用硫稳定同位素分析和宏基因组测序技术，研究了传统石油基微塑料和生物可降解微塑料对红树林湿地沉积物硫循环的影响。研究结果表明，经过20天培养，与不添加微塑料的空白组对比，石油基微塑料聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚氯乙烯（PVC）处理没有显著影响硫酸盐的还原和硫酸根硫同位素组成（δ34SSO42-），而可生物降解微塑料聚乳酸（PLA）处理虽然没有显著降低硫酸盐的浓度，但是显著增加了硫酸根硫同位素分馏，表明PLA微塑料处理加速了硫酸盐还原过程（图1）。而硫酸盐的浓度变化较小可能与硫氧化进一步生成硫酸盐相关。
　　图1 不同微塑料对上覆水硫酸盐浓度(A)和硫同位素组成(B)的影响
　　此外，研究发现PLA微塑料不仅促进了硫酸盐的还原，还促进了酸可挥发性硫（AVS）的生成，AVS会进一步快速转化为单质硫（S0）和铬还原态硫（CRS）（图2）。S0的浓度在第10天后开始降低，这可能与S0进一步发生歧化反应有关。硫元素质量平衡分析显示CRS是主要的硫化物，CRS的浓度随反应时间的增加而增加。PLA微塑料处理导致硫酸盐-CRS之间硫同位素组成差异最大，表明PLA微塑料促进了硫酸盐还原生成CRS。
　　图2微塑料对沉积物硫物种和硫酸盐-CRS之间硫同位素组成差异影响
　　研究团队通过宏基因测序分析发现PLA微塑料处理导致硫酸盐还原菌Desulfovibrio的丰度增加，而且Desulfovibrio的硫酸盐还原基因（dsrAB、aprAB和sat）丰度比其它参与硫酸盐还原微生物的要高，表明PLA微塑料处理促进硫酸盐还原和硫同位素分馏过程中Desulfovibrio可能发挥了重要作用（图3），这可能与PLA微塑料能被降解为可利用碳源，从而促进了Desulfovibrio的生长有关。该研究揭示了在较短的反应时间（20天）里，可降解微塑料PLA会显著促进硫酸盐还原生成AVS、S0和CRS，影响红树林表层沉积物中硫循环的过程以及红树林沉积物中有机质的分解和碳储存。该研究成果为微塑料污染影响红树林湿地生物地球化学过程研究提供了启示，也为微塑料污染海岸带环境的生态风险评估提供了重要的信息。
　　图3 不同微塑料处理对参与异化硫酸盐还原过程的功能基因和微生物的影响
　　该研究获得了国家自然科学基金（42077285）、广东省科学基金（2020B1212060053654、2022A1515011923）、广州市科技计划项目（202102080343）等的资助。研究成果于1月5日在线发表于国际期刊
　　《环境科学与技术》（Environmental Science & Technology）。
　　论文信息：Heli Wang, Qian Yang, Dan Li, Junhong Wu, Sen Yang, Yirong Deng, Chunling Luo, Wanglu Jia, Yin Zhong* and Ping’an Peng. Stable Isotopic and Metagenomic Analyses Reveal Microbial-Mediated Effects of Microplastics on Sulfur Cycling in Coastal Sediments. Environ. Sci. & Technol., in press, DOI: 10.1021/acs.est.2c06546.
　　论文链接
　　

2023-01-10

华南植物园对异型花柱植物的交配多样性演化研究取得进展

繁殖是植物生活史中最重要的阶段。在繁殖过程中雌雄配偶的交配组合受到植物本身生物学特征，以及其他生物和非生物因子的共同影响。不同的交配组合除了影响植物产生后代的数量，也影响了其传递给后代的遗传多样性，进而导致群体间的遗传分化，性系统的转变，甚至最终促进新物种的形成。因此，揭示物种的交配多样性及其影响因素对于研究其演化具有重要意义。随着海拔升高,长喙传粉昆虫访花显著降低，在这些生境中同型花柱可能会取代二型花柱，群体将演化为具有高度自交的同型花柱群体，或者具有混合交配系统的同型花柱群体。虚线表示随机交配的阈值，置信区间在虚线之上表明符合异型花柱典型的异型交配模式。
　　繁殖是植物生活史中最重要的阶段。在繁殖过程中雌雄配偶的交配组合受到植物本身生物学特征，以及其他生物和非生物因子的共同影响。不同的交配组合除了影响植物产生后代的数量，也影响了其传递给后代的遗传多样性，进而导致群体间的遗传分化，性系统的转变，甚至最终促进新物种的形成。因此，揭示物种的交配多样性及其影响因素对于研究其演化具有重要意义。
　　异型花柱多态性是一种由超基因（S-locus supergene）控制的花形态结构的多样性，表现在群体中有两种或者三种雌雄蕊相互异位的花（图1）。这种花的多态性结构至少出现在28个被子植物科中，主要是为了促进异交授粉，提高花粉传递精确性。然而由于基因突变，以及生物因子（例如传粉者）和非生物因子的共同作用，有时异型花柱多态性结构难以稳定维持，在群体间和群体内产生极大变异，最终促进植物交配系统的多样性演化（图1）。
　　中科院华南植物园植物中心科研人员以异型花柱植物迎阳报春（Primula oreodoxa）为研究对象，采用分子标记的手段检测不同群体的母系交配集合（自交率，花型间交配比例，雄配偶多样性），探讨异型花柱多态性结构的演化趋势。迎阳报春具有极高的花型变异，包括二型花柱群体，混合群体和同型花柱群体（图2）；并且迎阳报春不同于典型异型花柱植物，具有自交亲和性，传统定义的非法授粉（授粉不亲和）在迎阳报春中能够正常产生种子。因此，迎阳报春的不同群体分别有6种，12种和2种交配组合（图2），是研究植物交配系统演化的理想模式。
　　研究结果发现（1）同型花柱群体的自交率最高，混合群体的自交率是二型花柱群体的约2倍；（2）从二型花柱群体，到混合群体，到同型花柱群体，雄配偶多样性显著下降，并且配偶多样性和群体的自交率呈显著的负相关关系（图3）；（3）花型间异交/花型内异交比例在不同群体间具有显著差异，但和群体的自交率以及配偶多样性没有显著相关性；其中DWS群体主要发生花型间交配，因此其二型花柱多态性能够维持；而WWS群体主要发生花型内交配，二型花柱多态性可能难以维持，朝着单态花型的方向演化；（4）随着海拔升高，长喙传粉昆虫访花显著降低，在这些生境中同型花柱可能会取代二型花柱，群体将演化为具有高度自交的同型花柱群体，或者具有混合交配系统的同型花柱群体；（5）将群体的花型频率纳入考虑，发现除DWS外几乎所有的多态群体都接近于随机交配（图4），不支持达尔文关于异型花柱群体主要促进花型间异交的假说。
　　相关研究与传统教科书所描述的异型花柱植物中对称性的异型交配不一致。在二型花柱和混合群体中，自交亲和性，雌雄蕊隔离变异以及植物与传粉昆虫的相互作用常常导致非选型（异型）交配的偏离，进而导致花型多态性结构的崩溃和替代性的繁殖策略演化。通过量化伴随这些转变的早期的交配多样性，该研究强调了群体的交配模式在花的表型分化和生殖隔离演化中可能发挥的关键作用。
　　该研究是研究团队在报春花科异型花柱交配系统演化方面取得的系列成果之一。研究团队前期已经以迎阳报春为研究对象，揭示了异型花柱向同型花柱转变的遗传后果和相关生态因子（Yuan et al., 2017; Annals of Botany），验证了同型花柱起源于与超基因（S-locus）相关的主效基因的基因突变/重组（Yuan et al., 2019; Heredity），并发现CYP734A50基因所在的基因共表达模块与花柱长度调控显著相关（Zhao et al., 2020; Heredity），最后发现从异型花柱向同型花柱转变伴随着花气味的丢失，是一种新的自交综合征（Zeng et al., 2022; Journal of Systematics and Evolution）。接下来研究团队将综合繁殖成功，近交衰退和父母本两个维度的交配多样性来衡量在移栽实验中同型花柱究竟能在多大程度上替代二型花柱个体，为交配系统转变提供实证研究案例。
　　相关研究成果已近日以“Diverse mating consequences of the evolutionary breakdown of the sexual polymorphism heterostyly”为题发表在国际学术期刊PNAS上。中科院华南植物园为第一完成单位，袁帅助理研究员和已毕业博士曾桂为共同第一作者，加拿大多伦多大学Spencer C. H. Barrett教授/院士和植物科学中心张奠湘研究员为共同通讯作者。加拿大卡尔加里大学Lawrence D. Harder教授也对该研究做出重要贡献。该研究得到了国家自然科学基金青年基金项目，面上项目和新疆联合基金等项目的资助。文章链接： https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2214492120
　　图1. 有效传粉者长期缺乏时异型花柱植物可能的演化趋势。
　　图2. 迎阳报春的花型结构及不同群体的潜在交配组合。虚线表示在典型异型花柱植物中不亲和，但是在迎阳报春中亲和的交配组合。
　　图3. 雄配偶数量的变异及其相关性因素。
　　图4. 迎阳报春6个群体的异型交配比例。虚线表示随机交配的阈值，置信区间在虚线之上表明符合异型花柱典型的异型交配模式。
　　

2023-01-04

广州健康院提出幽门螺旋杆菌的高敏高精检测方法

中国科学院广州生物医药与健康研究院李志远团队通过环介导等温扩增(LAMP)结合最新的CRISPR/ Cas12a技术，提出针对高致病性幽门螺旋杆菌菌株的高敏感度检测方法。该方法仅需检测唾液样本，就能快速精准检测出感染该菌株的阳性病人，相关研究成果近日以Harnessing enhanced CRISPR/Cas12a trans-cleavage activity with extended reporters and reductants for early diagnosis of Helicobacter pylori, the causative agent of peptic ulcers and stomach cancer为题发表在国际医学检测领域的著名学术期刊Biosensors and Bioelectronics上。
　　中国科学院广州生物医药与健康研究院李志远团队通过环介导等温扩增(LAMP)结合最新的CRISPR/ Cas12a技术，提出针对高致病性幽门螺旋杆菌菌株的高敏感度检测方法。该方法仅需检测唾液样本，就能快速精准检测出感染该菌株的阳性病人，相关研究成果近日以Harnessing enhanced CRISPR/Cas12a trans-cleavage activity with extended reporters and reductants for early diagnosis of Helicobacter pylori, the causative agent of peptic ulcers and stomach cancer为题发表在国际医学检测领域的著名学术期刊Biosensors and Bioelectronics上。
　　幽门螺杆菌感染是慢性胃炎、消化性溃疡的主要致病因子，并与胃癌、胃黏膜相关淋巴组织(MALT) 淋巴瘤等疾病密切相关，被世卫组织 (WHO)列为第一类生物致癌因子。多数幽门螺杆菌感染者遵医嘱进行多联疗法可根治，但绝大多数感染患者早期几乎无症状，极易被忽视。另外，并非所有幽门螺杆菌感染者均会发病，具有细胞毒素相关蛋白（CagA）和空泡毒素（VacA）表达的菌株才是胃部炎症、溃疡及胃癌的相关菌株。因此，临床上迫切需要一种快速、精准、高特异性和高灵敏度的现场检测方法来帮助预防高致病性幽门螺杆菌的传播和对已患病人群的实时监测和诊断。
　　目前临床幽门螺杆菌的检测方法主要依赖于组织学或幽门螺杆菌培养、UBT (13C或14C-尿素呼气试验)和血清学检测，但这些方法因为具有明显的缺点而影响其推广应用。相比而言，李志远团队采用的环介导等温扩增(LAMP)技术已被证明比PCR更敏感(100倍)，并在恒温(65℃)下使用简单的水浴就可快速获得检测结果。另外，结合CRISPR/Cas技术可进一步提高其检测灵敏度，并减少非特异性扩增。具体而言，该方法通过新型优化扩展ssDNA报告基因加上新型缓冲体系优化CEXTRAR来显著提高LbCas12a的反切活性，并使检测灵敏度提高了16倍，无需目标预扩增即可实现皮摩尔灵敏度，可用于临床唾液样本的高致病性幽门螺杆菌的早期检测。结合LAMP技术，使用三种检测手段，CEXTRAR均可成功获得极高灵敏度的CagA和VacA的检测效果，分别为实时荧光(43 aM和96 aM)，管内荧光 (430 aM和960 aM)和横向侧流读数(4.3 aM和9.6 aM)。通过传统的13C-尿素呼气试验和PCR对CEXTRAR方法进行的对比测试，发现CEXTRAR可以检测到13C尿素呼气试验的假阴性结果。
　　相比于传统的幽门螺杆菌检测方法，该方法具有更简便、快速、廉价的特点，并具有更高的灵敏度和特异性，其推广应用将在广大人群的高致病性幽门螺杆菌的检测、治疗以及相关疾病如胃炎、胃溃疡和胃癌的发生和改善预后等方面发挥重要作用。
　　广州健康院博士研究生Jean de Dieu Habimana（吉地）为论文第一作者，黄荣奇博士和李志远研究员为共同通讯作者。本项研究的合作单位为南方医科大学附属东莞医院。该研究获得了广东省自然科学基金、湖南省重点研发计划等基金的支持。
　　论文链接
　　用于幽门螺旋杆菌实时荧光和比色监测的CEXTRAR平台工作示意图
　　

2023-01-04

南海海洋所在南海北部陆缘晚白垩世构造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孙珍研究员团队联合中国地质大学（北京）海洋学院方念乔教授团队，在南海北部陆缘晚白垩世构造演化研究取得最新进展，成果发表在地学期刊Journal of Oceanology and Limnology（《海洋湖沼学报》）上。张哲博士为论文的第一作者，孙珍研究员与方念乔教授为共同通讯作者。
　　南海北部陆缘晚中生代构造演化复杂，该区域经历了由俯冲-碰撞-弧后伸展的主动陆缘环境向拉张-破裂的被动陆缘环境的转换。但是，目前对于南海北部陆缘的主-被动转换是否发生在晚白垩世仍然存在争议。
　　研究人员通过对南海北部陆缘三水盆地上白垩统三水组的露头剖面、岩石学、粘土矿物学以及地球化学特征进行分析，并结合碎屑锆石年代学结果，重建了三水盆地晚白垩世的盆地发育特征。
　　研究结果表明，晚白垩世三水盆地是一个水动力环境强、多物源、沉积物近源快速堆积的山间盆地。南海北部陆缘在早-晚白垩世之交（~100Ma）经历了一次强烈的构造隆升运动。此后，南海北部陆缘在晚白垩世早期（~100-80Ma）进入了广泛的伸展阶段。这一伸展阶段与活动陆缘环境下的弧后伸展有关，不同于新生代的被动陆缘背景下的裂谷伸展作用。研究认为，南海北部陆缘的主-被动转换可能发生在晚白垩世晚期至古近纪之间。
　　该研究对主被动陆缘转换中的一个关键时期-晚白垩纪进行了界定，为厘定南海中新生代构造演化历史提供了重要的补充性依据。
　　该研究得到国家自然科学基金、广东省实验室（广州）人才特殊支持计划、广东省自然科学基金、王宽诚教育基金等联合支持。
　　相关论文链接：https://doi.org/10.1007/s00343-022-2055-8
　　图1 三水盆地三水组碎屑锆石年龄累积比例曲线与不同构造环境对比
　　（A：汇聚环境；B：碰撞环境；C：伸展环境）
　　图2 南海北部陆缘晚白垩世构造演化模式图
　　

2023-01-04

南海海洋所在南海“大洋红层”为研究深水环流演化提供新思路

　　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孙珍研究员团队在南海中新世海相红层成因研究方面取得最新进展，成果发表在国际期刊Gondwana Research（《冈瓦纳研究》）上。张哲博士为论文第一作者，孙珍研究员为通讯作者。
　　“大洋红层”是指深海远洋、半远洋环境下，形成的一套以棕红色-红褐色为主的沉积物，成因机制复杂，其中与深层环流有关的大洋红层对古海洋演化具有特殊的指示意义。大洋钻探（349，367/368/368X）航次在南海洋盆和洋-陆过渡带发现了广为发育的红色粘土层，形成时代主要介于早-中中新世。然而，这些海相红层的成因以及古海洋学意义尚不清楚。其中，U1503A站位位于南海北部最老的洋壳上，这里发育有最完整的同扩张和扩张后沉积地层，且红色粘土层中还发育有四套厚层绿色夹层，是揭示红层成因的理想代表。
　　研究人员运用沉积学、矿物学、地球化学方法，对红层和绿层进行了对比分析。结果表明，沉积物的颜色变化主要与三价铁氧化物（赤铁矿）的含量变化有关，红层中含有更高比例的赤铁矿。
　　进一步分析发现，三价铁氧化物含量变化主要取决于沉积环境的氧化还原情况，如红色粘土岩的沉积环境较绿色粘土岩更为富氧。这种深海氧化还原环境的变化与南海北部富氧底层流的强弱有关。研究认为，南海早-中中新世沉积物颜色的红-绿变化可能指示着太平洋深水环流在早-中中新世暖-冷期进行了重组。
　　本次新发现为研究早-中中新世深水环流演化提供了新思路，对研究和认识早-中中新世全球气候和冰量变化对深水环流的影响具有重要意义。
　　本项研究得到国家自然科学基金、广东省实验室（广州）人才特殊支持计划、王宽诚教育基金等联合支持。
　　相关论文链接：https://doi.org/10.1016/j.gr.2022.10.022
　　图1 U1503站位早-中中新世沉积物颜色与多种深海通风指标、底栖碳、氧同位素曲线对比图
　　图2 南海早-中中新世红、绿层沉积指示冷期-暖期深水环流演化模式图
　　

2023-01-04

深圳先进院：lncRNA HOTAIR小鼠模型解析其促进乳腺癌细胞转移的机制

该研究首次建立了可诱导过表达人类长非编码RNA HOTAIR的小鼠模型。
　　北京时间12月29日，中科院深圳先进院马晴研究员课题组与斯坦福大学Howard Chang实验室、上海交通大学李令杰课题组合作，在国际学术期刊eLife上发表了题为“Inducible lncRNA transgenic mice reveal continual role of HOTAIR in promoting breast cancer metastasis”的研究论文。该研究首次建立了可诱导过表达人类长非编码RNA HOTAIR的小鼠模型。通过该小鼠模型，该研究展示了HOTAIR过表达能影响肿瘤细胞的染色质开放性程度，从而调控基因表达，并最终促使小鼠乳腺肿瘤向肺部转移。更重要的是，通过撤除诱导剂来取消HOTAIR的过表达水平后，细胞的染色质开放性和基因表达改变都能有所回复，且细胞转移能力也会降至原来的水平，这说明该促使乳腺癌细胞转移的过程需要HOTAIR的持续表达来维持，这意味着HOTAIR可以作为抑制乳腺肿瘤转移的潜在治疗靶点。
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　　长非编码RNA（long non-coding RNA, 简称lncRNA）是一类长度大于200个核苷酸的非编码RNA，在哺乳动物中大量表达，是基因调控网络中的重要调控因子。目前已发现多种长非编码RNA在肿瘤的发生、发展和转移过程中起到重要作用。
　　HOTAIR（HOX antisense intergenic RNA）就是一种长度为2.2 kb的长非编码RNA，在乳腺癌等多种癌症中都有过表达，是肿瘤细胞发生转移和扩散及造成死亡的预测因子，那么HOTAIR是否适合作为癌症的治疗靶点呢？目前诸多研究显示HOTAIR能够调控细胞的表观遗传状态，但是调控机制尚未完全清楚。在表观遗传调控中，存在一种“表观遗传记忆”机制，即一些表观遗传调控因子能诱导细胞基因表达谱长期稳定的改变，即使这些表观遗传调控因子不再持续表达。那么HOTAIR诱导的表观遗传状态的变化是否存在长期的“表观遗传记忆”，这也关系到HOTAIR是否能成为抑制乳腺癌转移的治疗靶点。
　　为了解决上述问题，本研究构建了诱导型过表达人类HOTAIR基因的小鼠模型，并将其与能自发产生乳腺肿瘤的小鼠杂交，最终得到了既能诱导过表达人类HOTAIR又能自发产生乳腺肿瘤的小鼠模型。通过该小鼠模型，该研究展示了人类HOTAIR在小鼠中过表达不影响小鼠乳腺肿瘤的增殖，但能促使乳腺肿瘤向肺部转移（图1）。说明了虽然人类HOTAIR基因和小鼠同源基因在序列上很不一致，但是在功能上仍具有高度的保守性，且该小鼠模型可用于研究人类HOTAIR基因在体内的功能机制。
　　接下来，本研究从该小鼠的肿瘤组织中分离出乳腺癌细胞，称为iHOT细胞，该细胞在加入诱导剂Dox后能过表达HOTAIR，而撤掉诱导剂后，HOTAIR表达量很快降回原本水平，由此得到了一种可以控制HOTAIR表达量的乳腺癌细胞。通过表型实验发现，该细胞在诱导过表达HOTAIR后转移能力增强，而HOTAIR表达降低后，转移能力也随之减弱（图2）。
　　该研究进一步分析了基因表达和染色质开放性情况，发现HOTAIR过表达能调控大量细胞转移相关基因的染色质开放性和表达变化；而撤掉HOTAIR以后，这些染色质开放性和基因表达改变都能回复到初始状态（图3）。这说明HOTAIR诱导的表观遗传状态的改变不具有长期的“表观遗传记忆”效应。这些结果也说明了HOTAIR可以作为一个潜在的抑制肿瘤转移的直接治疗靶点。
　　中科院深圳先进院合成所马晴研究员、斯坦福大学Howard Y. Chang教授和上海交通大学李令杰教授为本文共同通讯作者，马晴研究员、其课题组助理研究员杨柳依和斯坦福大学Karen Tolentino为共同一作。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、广东省合成基因组学重点实验室、深圳市合成基因组学重点实验室、中国科学院战略性先导B培育项目、深圳合成生物学创新研究院等多个项目的支持。
　　
　　图1. 诱导过表达HOTAIR促使小鼠乳腺肿瘤向肺转移，但不影响原始肿瘤的重量和数量
　　图2. iHOT乳腺癌细胞的转移能力随着HOTAIR表达量变化而变化
　　图3. HOTAIR诱导的基因表达和染色质开放性变化也随着HOTAIR降低而恢复
　　

2023-01-03

深圳先进院深度挖掘人类肠道宏基因组的古菌病毒

该工作首次对来自人类肠道宏基因组的古菌病毒进行了深入挖掘及全面分析，揭示了人类肠道中古菌病毒组的多样性，为人类肠道古菌病毒组的研究提供了前所未有的一瞥。
　　北京时间12月30日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所马迎飞团队在国际学术期刊《自然-通讯》（nature communications，IF=17.69）上发表了题为"Metagenomic analysis reveals unexplored diversity of archaeal virome in the human gut"的文章。该工作首次对来自人类肠道宏基因组的古菌病毒进行了深入挖掘及全面分析，揭示了人类肠道中古菌病毒组的多样性，为人类肠道古菌病毒组的研究提供了前所未有的一瞥。
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　　人类微生物组的组成和功能与宿主的健康密切相关。除了细菌外，肠道微生物群中的非细菌成员(古菌、真菌和病毒)也在微生物群落的动态演替以及人类的生理、免疫、疾病等方面发挥着重要作用。古菌是人体的共生微生物之一，它们曾在肠道，口腔和皮肤等部位被检测到，与人类疾病密切相关。与细菌相比，古菌在人体内的丰度相对较低，而且大多不可培养，因此与人类相关的古菌经常被忽视。病毒控制着微生物群落的组成和代谢，侵染古菌的病毒在基因组序列和病毒粒子结构方面具有很高的多样性。迄今为止，只有少数研究报道人类肠道内存在古菌病毒，因此，与人类相关的古菌病毒仍然神秘。随着下一代测序技术的发展以及海量数据的产生，基于宏基因组学的方法有助于我们对人类的古菌组和古菌病毒组进行广泛的研究。本文以人类肠道宏基因组数据为研究对象，利用生物信息学的方法，对古菌病毒进行深度挖掘，探究它们的多样性及潜在功能。
　　人类肠道古菌病毒组的多样性
　　研究表明约有90%古菌基因组包含CRISPR结构1，因此CRISPR spacer-protospacer的匹配分析适用于古菌病毒序列的识别。为了对人类肠道中的古菌病毒进行全面搜索，团队首先构建了人类肠道相关古菌spacer序列数据库 (HGASDB, Human Gut Associated Archaeal Spacer Database)，并基于HGASDB和古菌病毒的特征基因构建了一套肠道古菌病毒的鉴定方法，从收集的2271个肠道宏基因组样品中及6个公开的病毒数据库中共鉴定出了1279种古菌病毒，构成人类肠道古菌病毒组数据库 (HGAVD) (图1a)。随后，团队对鉴定出的病毒代表序列进行质量评估，大多数 (67%) 病毒contigs的质量无法得到评估。与此同时，团队基于对病毒序列的网络分析以及病毒蛋白序列的注释信息，对HGAVD中的病毒序列进行了分类学的分析，其中大部分序列 (68.4%) 无法被分类到任何已知的病毒类别，这些分析表明人类肠道中依然存在大量未知的古菌病毒。此外，团队还将HGAVD中的病毒与公共的肠道病毒数据库进行了比较(图1d)，发现来自HGAVD的大多数病毒 (n=1,097; 86%) 均无法与公共数据库中的病毒聚类到一起，这表明HGAVD对肠道古菌病毒组具有良好的代表作用。综上所述，HGAVD极大地扩展了人类肠道中古菌病毒多样性。
　　图 1 肠道古菌病毒的鉴定
　　古菌病毒广泛分布于人类肠道中
　　为了了解肠道古菌病毒在全球人群中的分布情况，团队对1279条古菌病毒contigs在人类肠道样品中的丰度情况进行了估计，主坐标分析 (PCoA) 和Anosim分析的结果显示：肠道古菌病毒群落的组成在不同性别 (ANOSIM, r = 0.004, p = 0.306) 和不同BMI指数 (ANOSIM, r = 0.006, p = 0.201) 的人群中并无显著性差异。然而，当以国家作为界限分析时，我们观察到这些古菌病毒在各地表现出不同的多样性(图2a)。
　　团队进一步调查了这些古菌病毒在所有肠道样品中的检出率，共有7种古菌病毒在人群中的检出率 10%，虽然这些病毒被归类到了7个不同的病毒簇(VCs)中，但它们的宿主均为Methanobrevibacter_A smithii (M.smithii)。就地理分布而言，这些古菌病毒在非洲人群中的检出率较低，但在亚洲、欧洲和美洲人群中则具有相对较高检出率 (图2b)。在人类肠道中检出率高于1%的古菌病毒共有712种，病毒序列IMG|UGV-GENOME-0271153在人群中具有最高检出率 (72.2%)，该序列长度为40.51 kb，被评估为中等质量的基因组，侵染M.smithii古菌。该病毒基因组编码46个基因，其中8个基因被预测为有尾病毒的功能基因 (图2c)。此外，团队从人类肠道样品中共鉴定出13种smacoviruses，它们的长度分布在2.0~2.5kbp之间。这些病毒与古菌基因组上7个不同spacer序列相匹配，其宿主为Methanomassiliicoccus intestinalis 或Methanomassiliicoccus_A intestinalis古菌。与亚洲和美洲人群相比，smacovirus在非洲和欧洲人群中具有更高检出率 (图2d)。
　　图2 肠道古菌病毒的全球分布
　　 M.smithii古菌的病毒在人类肠道古菌组中占主导地位
　　病毒能够以多种方式影响生态系统及微生物进化，例如部分噬菌体能够通过裂解宿主细胞改变微生物的群落结构和生态功能；一些噬菌体能够劫持其宿主的代谢机制，改变宿主细胞代谢产物浓度；噬菌体也可以作为宿主之间水平基因转移的载体2，因此，对于病毒宿主的预测以及病毒与宿主相互作用的研究也是理解病毒的关键步骤。为此，我们通过CRISPR spacer序列建立古菌与其病毒序列间的匹配关系，推断出每种古菌病毒的可能宿主。不出所料，大多数 (n=1217，95.2%) 古菌病毒的宿主都是甲烷短杆菌(Methanobrevibacteria_A)，它也是古菌中的优势属 (图3a)。然后，我们通过统计每个古菌属对应的VC数量来衡量病毒的多样性，其中，47个VCs只侵染M. smithii古菌，17个VCs只侵染M.smithii_A古菌，但有13个VCs与这两种古菌均有关联，反映了古菌病毒能够跨种侵染宿主的特性。为了对古菌的跨宿主侵染情况进行更加详细的研究，团队构建了宿主与病毒关系网络（图3c），发现大约三分之一的肠道古菌病毒都具有广泛的宿主范围，并不局限于单一物种，这些分析为人类肠道微生物群中古菌病毒介导的基因流动网络提供了全面参考。
　　此外，侵染M.smithii的病毒是人类肠道古菌病毒的一个主要分支，为了进一步探索有尾古菌病毒的多样性，团队以末端酶大亚基 (Terl, Large Subunit Terminase) 作为标记构建M.smithii古菌病毒的系统发育树，以此来估计这些病毒的多样性（图3d）。以上基于Terl蛋白的系统发育分析扩展了M.smithii古菌病毒的多样性，并定义了新的谱系。
　　图3 古菌病毒的宿主及宿主范围
　　古菌病毒基因组编码广泛的蛋白功能
　　虽然人类肠道中古菌的功能蛋白已被广泛研究，但是对于肠道内古菌病毒蛋白的理解却十分有限。为此，团队从1279条古菌病毒代表序列上共预测出了97,208个编码蛋白的基因，分别仅有 10.8%和 17.4% 的基因能够与pVOG3数据库及PHROG4数据库中的基因相匹配，表明人们目前对人类肠道古菌病毒的潜在功能知之甚少 (图4a)。
　　在所有鉴定出的肠道古菌病毒中，M.smithii古菌病毒的蛋白功能最为多样，共包含了1034种不同功能的蛋白 (只考虑了被指定生物功能的蛋白) ，其中包括一些病毒特有的功能蛋白，例如与结构、包装、裂解、DNA结合/调控和复制相关的蛋白，但其他一些古菌病毒则缺乏这些病毒特有的功能蛋白 (图4b)。此外，团队还对36条完整古菌病毒代表序列的基因组进行了研究 (图4c)，其中23条序列携带PeiW（pseudomurein endoisopeptidase）基因，揭示了该基因对于病毒侵染产甲烷古菌的重要性。此外对33种有尾病毒基因组的分析结果表明，与人类肠道中的细菌病毒类似，温和古菌病毒在人类肠道古菌病毒中占据主体地位。
　　图4 肠道古菌病毒的蛋白功能
　　
　　在这项研究中，团队对人类肠道中的古菌病毒进行了全面的宏基因组数据挖掘，本研究结果将为深入了解人体肠道内古菌病毒的多样性和蛋白功能提供前所未有的见解，以供人们更好地了解人类肠道生态系统。
　　中科院深圳先进院马迎飞研究员为该文章的通讯作者，实验室已毕业硕士研究生李冉和助理研究员汪永明为文章共同第一作者。该研究得到了中科院先导B，中科院定量工程生物学重点实验室，广东省合成基因组学重点实验室及深圳合成生物学创新研究院的资助。该研究也得到肠道微生物头部企业未知君（XBIOME）研究团队的支持和帮助。
　　参考文献
　　1. Sorek, R., Lawrence, C. M. & Wiedenheft, B. CRISPR-mediated adaptive immune systems in bacteria and archaea. Annual Review of Biochemistry vol. 82 Preprint at https://doi.org/10.1146/annurev-biochem-072911-172315 (2013).
　　2. Ignacio-Espinoza, J. C. & Sullivan, M. B. Phylogenomics of T4 cyanophages: Lateral gene transfer in the ‘core’ and origins of host genes. Environ Microbiol 14, (2012).
　　3. Grazziotin, A. L., Koonin, E. v. & Kristensen, D. M. Prokaryotic Virus Orthologous Groups (pVOGs): A resource for comparative genomics and protein family annotation. Nucleic Acids Res (2017) doi:10.1093/nar/gkw975.
　　4. Terzian, P. et al. PHROG: Families of prokaryotic virus proteins clustered using remote homology. NAR Genom Bioinform 3, (2021).
　　

2023-01-03