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  • 科研進展
    • 深圳先進院等在超導物理領域取得重要進展
      該研究顯示,籠狀結構對提高超導轉變溫度有著重要意義。
        2015年,Nature刊文報道在硫化氫中發現了超過200K的超導轉變溫度,2018年LaH10創造了260K的超導臨界溫度記錄。隨后,理論研究預測,不同于含有S-H極性共價鍵的硫化氫,在含有氫團簇的金屬氫化物中同樣可以實現超過200K的超導轉變,甚至是室溫超導現象。盡管氫化物已經成為實現室溫超導的最有前景的材料之一,但是在真正含有4f或5f電子的稀土金屬氫化物中,還沒有觀察到近室溫的超導現象,尤其是其復雜的電子結構和強關聯效應鮮有研究。 
        聚焦上述問題,中國科學院深圳先進技術研究院光子信息與能源材料研究中心鐘國華研究員團隊與哈爾濱工業大學(深圳)、煙臺大學合作聚焦含有4f電子的稀土金屬鋱(Tb),探索不同化學比例的氫化鋱成為室溫超導體的可能性。相關研究成果以Cage Structure and Near Room-Temperature Superconductivity in TbHn (n = 1-12)為題發表在期刊Journal of Physical Chemistry C(《物理化學雜志C》))上。 
        研究團隊基于高通量計算、第一性原理材料設計,發現TbHn(n=1~12)系統能在0~350GPa的壓強范圍內實現超導轉變。結果顯示,在由Tb和H形成的二元稀土氫化物中,具有TbH4, TbH5, TbH6, TbH9, TbH10, TbH12等一系列化學配比的系統中氫原子結合成了籠型結構,并展現出了高溫超導電性,預示著籠狀結構對提高超導轉變溫度有著重要的意義。尤其是,TbH10結構相在250GPa的壓強下,實現了約280K的超導轉變,成為稀土金屬氫化物中真正含有4f電子的近室溫超導體。該研究還深入討論了4f電子在壓力下的強關聯效應,以及4f電子對電聲相互作用的貢獻,指出該高溫超導體的超導機制來源于4f電子態在高壓下的局域-巡游轉變和其在氫原子子晶格中運動導致的共振耦合。 
        深圳先進院碩士生海玉龍是論文第一作者,鐘國華研究員是共同通訊作者。該研究得到國家自然科學基金和深圳市基礎研究布局等項目的資助支持。 
        論文鏈接 
         
        圖:TbH10-Fm3m晶體結構及Tb-H化合物超導轉變溫度(左)和TbH10-Fm3m聲子譜、聲子態密度、 Eliashberg 譜函數α2F (ω)和電聲耦合強度積分(右) 
        
      2021-02-23
    • 異養硝化-好氧反硝化技術對高銨廢水的處理取得新進展
      水體氮污染是全球環境問題的一個重點研究內容。傳統的污水脫氮主要通過好氧硝化和厭氧反硝化技術,但由于傳統好氧硝化菌和厭氧反硝化菌生理生化特征和生長環境條件的巨大差異,好氧反應器和厭氧反應器需各自獨立運行,這顯著增加了工藝復雜度和運行成本。此外,傳統硝化-反硝化微生物世代繁殖時間長,硝化—反硝化速率低,不耐受高氨、高COD、極端環境(pH、溫度、重金屬)等條件,這制約了其應用范圍。最近,研究人員發現一類新型微生物——異養硝化-好氧反硝化(Heterotrophic nitrification-aerobic denitrification,HN-AD)菌,兼具硝化和反硝化微生物特性,能夠同步進行硝化反硝化,這引起了水處理行業的廣泛的關注。但以前分離的HN-AD菌株多集中于處理低氨氮廢水,且在處理氨氮廢水時存在亞硝酸鹽和硝酸鹽的積累,這極大的限制了其應用范圍。
        水體氮污染是全球環境問題的一個重點研究內容。傳統的污水脫氮主要通過好氧硝化和厭氧反硝化技術,但由于傳統好氧硝化菌和厭氧反硝化菌生理生化特征和生長環境條件的巨大差異,好氧反應器和厭氧反應器需各自獨立運行,這顯著增加了工藝復雜度和運行成本。此外,傳統硝化-反硝化微生物世代繁殖時間長,硝化—反硝化速率低,不耐受高氨、高COD、極端環境(pH、溫度、重金屬)等條件,這制約了其應用范圍。最近,研究人員發現一類新型微生物——異養硝化-好氧反硝化(Heterotrophic nitrification-aerobic denitrification,HN-AD)菌,兼具硝化和反硝化微生物特性,能夠同步進行硝化反硝化,這引起了水處理行業的廣泛的關注。但以前分離的HN-AD菌株多集中于處理低氨氮廢水,且在處理氨氮廢水時存在亞硝酸鹽和硝酸鹽的積累,這極大的限制了其應用范圍。 
        基于此,中國科學院亞熱帶農業生態研究所吳金水研究員團隊從長期處理高濃度養豬廢水的綠狐尾藻人工濕地中分離出一株新型高效異養硝化-好氧反硝化菌——Alcaligenes faecalis strain WT14。研究發現,不同于以往分離的Alcaligenes faecalis,該菌株具備多種形態氮(氨氮、硝氮和亞硝態氮)去除能力,且能夠耐受和去除高達2000 mg/L的氨氮,不存在硝態氮和亞硝態氮的積累,最大氨氮去除速率達到55.9 mg/L/h。通過響應面模型,得出菌株WT14的最佳脫氮條件為20.1 ℃,104.4 r/min,C / N 14.7和pH 7.5。 
        該研究以Nitrogen removal characteristics of a novel heterotrophic nitrification and aerobic denitrification bacteria, Alcaligenes faecalis strain WT14為題發表在Journal of Environmental Management上。本研究得到了中國科學院戰略性先導科技專項(XDA23020402和XDA23020502)的資助. 
        論文鏈接
        菌株WT14在不同環境條件下的TN去除3D和2D響應面模型
        菌株WT14對不同濃度氨氮的去除
      2021-02-23
    • 廣州健康院在寨卡病毒NS1抗體作用機制研究中取得新進展
      近期,廣州健康院馮立強課題組及陳凌課題組在寨卡病毒NS1抗體作用機制研究取得新進展,成果發表在美國微生物學會(ASM)旗下期刊mBio《微生物》上。
        近日,中國科學院廣州生物醫藥與健康研究院馮立強課題組及陳凌課題組在寨卡病毒NS1抗體作用機制研究取得新進展,部分成果以Monoclonal Antibodies against Zika Virus NS1 Protein Confer Protection via Fcγ Receptor-dependent and -independent Pathways為題發表在美國微生物學會(ASM)旗下期刊mBio《微生物》。 
        寨卡病毒屬于黃病毒科黃病毒屬,主要經蚊媒傳播。寨卡病毒感染可導致新生兒小頭畸形及成年人吉蘭-巴雷綜合征。2013年起在美洲、東南亞等80多個國家或地區流行,對全球公共衛生造成重大威脅。當前尚無疫苗或特效藥物。雖然疫情已逐漸消退,但由于寨卡病毒與登革病毒親緣關系近、蚊媒相似、流行區域重疊,兩者的交叉反應性抗體有可能經“抗體依賴的感染增強(ADE)”作用促進彼此流行;此外全球范圍內群體免疫缺乏,有可能導致疫情卷土重來。 
        廣州健康院馮立強課題組及陳凌課題組致力于寨卡病毒疫苗研究,前期發現在疫苗設計中納入非結構蛋白1(NS1)可提升免疫保護效果,并率先證實NS1抗體可發揮抗病毒作用(Liu Xinglong et al., NPJ vaccines, 2018)。 
        該團隊與廣州市第八人民醫院庾蕾研究員持續合作,利用仔鼠感染模型評估了人源NS1單抗的保護效果,發現了一類特殊的NS1單抗,不僅可通過Fc依賴的途徑(如抗體依賴的細胞介導的細胞毒性作用,ADCC)發揮保護作用,還可能經Fc受體非依賴的途徑抑制病毒復制。與包膜蛋白(E)抗體不同,NS1單抗不引起ADE風險,值得進一步開發。該成果拓展了對NS1抗體作用機理的認識,為單抗藥物及預防疫苗研究提供了新的依據。 
        廣州健康院馮立強研究員、陳凌研究員為該論文共同通訊作者,廣州市第八人民醫院庾蕾研究員及廣州健康院助理研究員劉興龍、葉賢苗為共同第一作者。該研究得到國家自然科學基金,廣東省及廣州市相關課題的資助。 
        論文鏈接
        兩類寨卡病毒NS1抗體的抗病毒作用 
      2021-02-22
    • 深圳先進院在織物基底的壓電壓力傳感器方面取得進展
      該研究成功地設計了一種基于ZnO納米棒結構的新型柔性織物基底壓電壓力傳感器。
        近期,中國科學院深圳先進技術研究院微創中心王磊團隊成功地設計了一種基于ZnO納米棒結構的新型柔性織物基底壓電壓力傳感器,相關研究成果以High-Performance Textile Piezoelectric Pressure Sensor with Novel Structural Hierarchy Based on ZnO Nanorods Array for Wearable Application為題發表在Nano Research(CAS一區,IF=8.183),該論文的第一作者為深圳先進院客座學生譚永松,王磊研究員為共同通訊作者,研究工作主體在深圳先進院完成。 
        柔性可穿戴電子器件因其優異的靈敏度、可延展性、耐久性以及與人體皮膚的相容性而受到廣泛的研究。特別是自供電智能穿戴設備,能夠有效地將各種機械運動轉化為電能,解決了穿戴式電子設備電源體積大、剛性差的缺點。課題組成員成功地設計了一種基于ZnO納米棒結構的新型柔性織物基底壓電壓力傳感器,采用纖鋅礦晶體結構的ZnO納米棒和PVDF膜來賦予壓電效應。傳感器在0-2.5kPa壓力范圍內的靈敏度為0.62V/kPa,開路電壓高達11.47V左右,具有優越的機械穩定性和低檢測限(8.71pa)。 
        應用證明,傳感器可以檢測多種人體運動,如手腕的彎曲/放松運動和每個手指的彎曲/拉伸運動。因此,所制備的織物基底壓電傳感器可用于構建自供電壓電傳感器,并可用于實時監測人體信息。 
         
        T-FPE的傳感性能。(a) 不同壓力(0.25-2.5kPa)下的壓電輸出電壓。(b) T-FPES在2.5kpa不同頻率(0.1-1hz)壓力下的輸出電壓。(c)不同壓電層的輸出電壓。(d) T-PEPS在2000個工作循環下的傳感穩定性試驗。 
         
        壓電傳感器的應用演示。(a) T-PEPS在小/大彎曲位置產生的輸出電壓。(a)的插圖分別顯示了T-PEPS在小/大彎曲位置的照片。(b) 手腕在不同彎曲度下的輸出電壓。(c) 手指彎曲和拉伸分別為5°、30°和60°時的輸出電壓。(d) 不同手指的輸出電壓。(e) 監測不同物體時傳感器的輸出電壓。 
        
      2021-02-22
    • 鈀催化2-異腈苯甲酰胺的不對稱偶聯—環化反應構建軸手性的2-芳基-和2,3-二芳基喹唑啉酮
      聯芳基旋阻異構(atropisomerism)是眾多旋阻異構現象中最普遍的一種。一般認為當旋阻能壘ΔG≥30 Kcal/mol且兩個芳基具有非對稱結構時,它就具有穩定的軸手性。ΔG越大,軸手性越穩定;而20 < ΔG < 30 Kcal/mol這類具有不穩定軸手性的分子在合成中應當避免,特別是在藥物分子的設計與合成中;ΔG < 20 Kcal/mol可以認為沒有旋阻異構。具有穩定軸手性的聯芳基結構廣泛存在于手性配體,手性催化劑,天然產物,藥物和生物活性分子中,因此,對映體選擇性合成具有穩定軸手性的聯芳基化合物是近年來不對稱合成領域的熱點,涌現出大量的優秀的合成方法。
        聯芳基旋阻異構(atropisomerism)是眾多旋阻異構現象中最普遍的一種。一般認為當旋阻能壘ΔG≥30 Kcal/mol且兩個芳基具有非對稱結構時,它就具有穩定的軸手性。ΔG越大,軸手性越穩定;而20 < ΔG < 30 Kcal/mol這類具有不穩定軸手性的分子在合成中應當避免,特別是在藥物分子的設計與合成中;ΔG < 20 Kcal/mol可以認為沒有旋阻異構。具有穩定軸手性的聯芳基結構廣泛存在于手性配體,手性催化劑,天然產物,藥物和生物活性分子中,因此,對映體選擇性合成具有穩定軸手性的聯芳基化合物是近年來不對稱合成領域的熱點,涌現出大量的優秀的合成方法。這些方法從合成策略上大致可以分為三類,分別是:1)兩個芳基物種之間的不對稱偶聯,即構建手性軸;2)通過不對稱環化或者從環狀化合物的去中心手性芳構化,構建聯芳環結構中的一個芳環;和3)對前手性的聯芳環結構的修飾,包括不對稱去對稱化,C-H鍵官能化,不對稱開環等。而第4種策略,即通過同時構建二芳基軸和芳環,在軸手性聯芳基化合物的不對稱合成中鮮有報道,目前僅有兩例,而且都是兩個五員雜環相聯的結構。
        異腈是一類特殊的具有形式上的二價碳的結構,它參與的多組分反應,如Ugi反應廣為人知。此外,異腈在對過渡金屬物種特別是鈀物種的遷移插入反應中有著廣泛的應用,表現出與CO類似的化學性質,但在產物結構上更具復雜性和多樣性。但是,異腈基團和過渡金屬之間的強配位能力嚴重影響了手性配體和鈀的配位,導致了鈀催化的異腈插入即亞胺化反應很難實現不對稱轉化。中國科學院廣州生物醫藥與健康研究院朱強研究員課題組長期以來致力于官能化異腈參與的新反應研究,他們利用官能化異腈的策略,成功地在鈀催化的不對稱的環亞胺化反應方面取得突破。他們先后實現了官能化異腈的不對稱去對稱化C-H活化的策略實現了中心手性(ACS Catal. 2017, 7, 3832.)和平面手性 (Org. Lett. 2018, 20, 1837.)的構建,首次將鈀催化的不對稱異腈插入反應的ee值提高到90%以上。近日,他們又把這一策略成功應用到軸手性化合物的合成上。
        在該反應中,N-烷基-2-異腈基苯甲酰胺和2,6-二取代的碘苯化合物在鈀催化的條件下能夠以高收率和高對映選擇性的合成軸手性2-芳基喹唑啉酮。這一反應的創新點主要體現在以下四個方面:1)拓展了合成軸手性聯芳基化合物的第4條策略,即在構建二芳基軸的同時環化芳構化,實現了兩個不同的六員環的軸手性聯芳基化合物的合成;2)首次實現了軸手性的2-芳基喹唑啉酮的合成,以往的合成都是集中在3位N-芳基手性軸的構建。DFT計算表明所合成的化合物旋阻能壘ΔG>32 Kcal/mol,熱穩定實驗表明,其中一個化合物的甲苯溶液加熱到110 oC,12個小時以后沒有觀測到消旋;3)當用N-(2,4-二甲氧基苯基)-2-異腈基苯甲酰胺作為官能化異腈底物時,能夠以中等的非對映選擇性和優秀的對映選擇性獲得同時包含兩個手性軸的2,3-二芳基喹唑啉酮化合物。為相鄰兩根手性軸的同時構建提供了新的思路;4)合成的軸手性的2-芳基喹唑啉酮可以成功轉化成結構獨特的N,P配體,在初步的鈀催化的不對稱烯丙基烷基化(AAA)中表現出良好的不對稱誘導效果。
        總之,這一研究不僅為合成軸手性聯芳基化合物以及多個手性軸的同時構建提供了新的思路,也為研究具有軸手性的2-芳基喹唑啉酮這類新化合物的生物活性以及其衍生物在有機合成中的應用奠定了基礎,同時這也是官能化異腈在鈀催化的不對稱環亞胺化中應用的成功范例。 
        相關工作于2月10日發表在J. Am. Chem. Soc. 上,論文第一作者為廣州健康院2016級博士研究生滕帆,朱強研究員、羅爽副研究員為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金、生物島實驗室前沿研究項目、廣東省自然科學基金、廣西“八桂學者”計劃項目的支持。同時,該研究也得到中科院超級計算中心廣州分中心的支持。
        論文鏈接
         
        反應簡介
        
      2021-02-14
    • 廣州健康院完成虎皮楠生物堿(-)-Daphenylline和(-)-Himalensine A的全合成
      近日,中國科學院廣州生物醫藥與健康研究院邱發洋課題組完成了(-)-Daphenylline和(-)-Himalensine A的不對稱全合成。該成果發表在Angew. Chem. Int. Ed. 上。  近日,中國科學院廣州生物醫藥與健康研究院邱發洋課題組完成了生物堿(-)-Daphenylline和(-)-Himalensine A的不對稱全合成。該成果發表在Angew. Chem. Int. Ed. 上(DOI: 10.1002/anie.202016212)。
        虎皮楠生物堿( Daphniphyllum alkaloids )是一大類從虎皮楠屬植物中分離得到的生物堿的總稱,由于復雜多變的骨架特征和良好的生物活性,其吸引了大量合成化學家的興趣。目前為止,國內外只有包括邱發洋課題組在內的少數團隊實現了虎皮楠生物堿龐大家族中零星幾個分子的全合成。目前,具有復雜骨架的虎皮楠生物堿是全合成研究的熱點。此前其他化學家的全合成策略主要適用于單個分子的全合成,而邱發洋課題組非常成功地研發了一個針對虎皮楠生物堿大家族的高效通用合成方法。這意味著,通過該合成策略可以合成各種虎皮楠生物堿。因此,該成果在虎皮楠生物堿的全合成研究領域具有重大的學術意義和實用價值,這也是邱發洋課題組取得的又一個重大成果。
        邱發洋課題組以(S)-Carvone作為手性源,以13步反應合成了一個通用手性中間體,而該中間體是虎皮楠家族中許多成員的共同結構特征。在此基礎上,可以通過組合化學模式合成多種結構特征的虎皮楠生物堿。作為示范,邱發洋課題組從該中間體出發,分別以3步和6步反應實現了(-)-Daphenylline和(-)-Himalensine A的不對稱全合成。該全合成路線是(-)-Daphenylline分子的全合成中反應步驟最少、產率最高的路線。
        該研究成果的亮點在于以高氯酸鎂催化的氨的環化、Cu(TBS)2 催化的環丙烷化串聯三叔丁基磷催化的Cope重排為關鍵反應,非常高效的構建出Himalensine A的核心骨架。從該核心骨架出發分別以Diels-Alder反應,氧化、還原等反應完成了(-)-Daphenylline和(-)-Himalensine A的全合成。其中,[4+3]環化策略構建七元環是提高Calyciphylline A型虎皮楠生物堿的合成效率的關鍵。
         
        圖說:由起始物料合成目標產物的大概流程。
        
      2021-02-21
    • 《自然·通訊》揭示海馬起源及其全球擴散的時空路徑與適應進化機制
      近日,由南海所林強研究員團隊主導、多家單位聯合開展的研究揭示了全球海馬的起源與進化機制。
        近日,由中國科學院南海海洋研究所熱帶海洋生物資源與生態重點實驗室林強研究員團隊主導,中科院昆明動物所、德國康斯坦茨大學等團隊聯合研究,首次明確了印-太交匯區的印-澳群島是全球海馬的起源中心,并原創性發現了在地質、洋流驅動下海馬全球擴散路徑的時空特征及生態適應與進化機制,提出了印-太海馬類群由古特蒂斯海和南非好望角兩條路徑先后進入大西洋的新觀點(圖1)。相關研究成果“Genome sequences reveal global dispersal routes and suggest convergent genetic adaptations in seahorse evolution”于2月17日在線發表于國際著名刊物《自然·通訊》(Nature Communications)。  
        與陸地生物不同,在全球海洋范圍內,海洋生物起源與全球擴散機制及生物多樣性形成一直是國際上飽受爭議的核心科學問題。目前,雖然美國、德國、澳大利亞等相關實驗室也一直聚焦全球大洋生物類群的局部區域擴散模式與生物地理格局形成等研究,但在海洋生物的全球多樣性形成及其驅動機制等研究方面,一直缺少全球大洋綜合尺度的研究。以單一海洋生物類群作為研究載體實施全球海洋生物的起源與擴散研究,進而探索在大洋洋流、地質結構等驅動因素下的海洋生物多樣性形成機制,這在海洋領域研究尺度和范式上尚無報道。  
        與其他海洋生物類群相比,海馬在探究全球海洋生物擴散與多樣性形成機制研究方面具有天然優勢。海馬游泳能力弱,卵胎生,屬局域性生活物種,被認為是研究地質活動和洋流對海洋生物擴散及其多樣化影響的“旗艦物種”;同時,在海馬擴散過程同步伴隨了豐富的表型分化,這可能是對新環境發生了快速適應性進化。先前的報道已明確海馬是目前整個硬骨魚中進化速率最快的物種(Nature, 2016; NSR, 2020),具有通過快速進化適應新環境的潛力。 
        研究團隊基于全球21個海馬優勢物種358個樣品的遺傳分析,率先揭示了全球海馬遺傳結構及其多樣性特征(圖2)?;谖锓N樹和分歧時間的時空擴散模型顯示,海馬在約20-25百萬年前起源于印-澳群島;本研究首次發現并提出了印-太海馬類群在不同時間、不同路徑兩次進入大西洋的新見解,同時研究發現部分海馬穿越南大西洋和中美地峽,進入東太平洋,證明當前部分東太平洋生物類群也是從印-澳群島起源,由經印度洋、大西洋而來,而非直接跨域太平洋(圖3)。  
        此外,本研究同步闡明了印-太交匯區海馬多樣性中心的形成機制。一方面,海馬在印-澳群島起源后,在印太交匯區分化產生了大量海馬新種;另一方面,在海馬全球擴散過程中,古特提斯海關閉導致大量新的海馬種迅速出現,部分海馬向印-太交匯區發生反向擴散,從而加速了印太交匯區域的多樣性形成(圖3)。 
        海馬在全球擴散過程中,部分物種出現了顯著的性狀分化。體表棘刺是海馬重要的防御性狀,研究團隊篩選到調控該表型的候選基因bmp3,發現刺狀海馬在bmp3不同堿基位點發生突變,且該基因在海馬棘刺部位顯著高表達,基于CRISPR-Cas9系統敲除該基因,導致斑馬魚鱗片異常發生和發育。據此認為,海馬bmp3基因可能調控了棘刺性狀的獨立進化(圖4)。 
        綜上所述,該項研究以全球優勢海馬類群為研究對象,首次闡明其起源中心及在全球層面的擴散模式與時空路徑特征,并揭示了海馬種化過程中的性狀演化機制。該項研究為全球海洋生物的擴散及其多樣性演化研究提供了重要的研究范式,為探索大洋生物資源從印-太海域向大西洋遷移與演化規律等研究提供了科學理論支撐。 
        南海海洋所李春燕副研究員、秦耿副研究員和北京基因組所侯婭麗副研究員等為本文共同第一作者。南海海洋所林強研究員和昆明動物所呂雪梅研究員等為本文共同通訊作者。研究工作得到了中國科學院基礎前沿計劃從0到1原始創新項目、國家自然科學基金項目(杰青項目、重大項目)和南方海洋科學與工程廣東省實驗室(廣州)重大專項團隊項目等的資助。 
        相關論文信息: https://www.nature.com/articles/s41467-021-21379-x 
        圖1. 全球海馬起源與擴散路徑示意圖
        圖2. 全球海馬生物地理格局及其遺傳多樣性特征
        圖3. 全球優勢海馬類群的群體分化及其洋流驅動下的擴散時空路徑特征 
        圖4. 海馬棘刺表型獨立進化機制及Crispr-cas9體系驗證bmp3基因功能
        
      2021-02-18
    • 南海北部深海塑料垃圾分布與搬運機制研究獲得突破
      2021年1月26日,國際著名地學雜志《Geology》在線發表同濟大學鐘廣法教授與深海所彭曉彤研究員的合作研究論文:“Transport and accumulation of plastic litter in submarine canyons—The role of gravity flows”。該文報道了過去3年通過“深海勇士”號載人深潛考察在西沙北海底峽谷所獲得的關于深海底棲大塑料垃圾(macro-plastics)分布與搬運機制方面的新發現。
        近日,國際著名地學雜志《Geology》在線發表同濟大學鐘廣法教授與深海所彭曉彤研究員的合作研究論文:“Transport and accumulation of plastic litter in submarine canyons—The role of gravity flows”。該文報道了過去3年通過“深海勇士”號載人深潛考察在西沙北海底峽谷所獲得的關于深海底棲大塑料垃圾(macro-plastics)分布與搬運機制方面的新發現。 
        此項研究具有以下三方面的意義:(1)底棲塑料垃圾占海洋塑料垃圾的70%以上,是海洋污染物的主要來源,但其在海底的搬運和擴散機制并不清楚。前人提出了內潮、濁流等多種假說,但確切的證據仍很缺乏。本文通過載人深潛考察獲得的關于底棲塑料垃圾的分布樣式及其變化,為深海塑料垃圾的重力流搬運假說提供了重要證據。(2)深海底流活動不易觀測,大塑料垃圾作為一種特殊的人造沉積物,具有天然沉積物所不具備的特點,如鮮艷的顏色、特殊的形狀、較大的粒徑(數十厘米甚至更大)和較低的密度,因此可以作為一種潛在的示蹤劑,用于重建或追溯現代深海底流活動。(3)本文所發現的可以用流體動力學加以合理解釋的深海底棲塑料垃圾的非均勻、聚集式分布特點,為未來監測乃至清理深海大塑料垃圾提供了可能。 
       ?。ˋ)南海西北部海底地形、海流分布及西沙北海底峽谷位置示意圖(底圖據廣州海洋地質調查局,2015)
       ?。˙)西沙北海底峽谷水深等值線圖,示深潛路徑分布
       ?。–)海底沉積物柱狀樣粒度分析結果
       ?。ˋ-B)多波束地形圖,示塑料垃圾堆在沖坑1(A)和沖坑2(B)中的分布。(C-M)典型塑料垃圾堆的深潛照片:(C)沖坑1垃圾堆20,bg為位于該垃圾堆下游翼的一大袋垃圾;(D)C中垃圾堆特寫,顯示大袋垃圾上游呈疊瓦狀分布的片狀塑料垃圾;(E-F)沖坑1中塑料與角礫的混合堆積,解釋為碎屑流沉積;(G-H)最大垃圾堆(沖坑2垃圾堆17)中段特寫,黃色圈出部分為高達5-6米高的樹形大垃圾集合體;(I-L)2019年和2020年潛次拍攝到的同一垃圾堆(沖坑2垃圾堆15)的形狀和垃圾組份的變化;bo為4-5米高的大漂礫,垃圾堆位于該漂礫上游側;(K)沖坑2垃圾堆37,位于地形突起(to)上游側;
       ?。↙-M)沖坑2最大垃圾堆17下游段。白色箭頭代表推測的流體流動方向。垃圾堆位置見圖2A-B。
      2021-02-08
    • 游速最快的真骨魚類基因組解析揭開魚類恒溫起源之謎
      本研究從基因層面揭示了海洋恒溫魚類的起源之謎。
        在脊椎動物的進化過程中,溫度對生命體的生理活動具有重要的調節作用。陸地上的鳥類和哺乳類之所以能夠成功的適應各種生境,其恒溫能力功不可沒。相比與陸生環境而言,水生環境的生物想要獲得恒溫能力更為艱難,它們必須面對水體高比熱,熱量易丟失的挑戰。然而根據觀測,至少有40種魚類克服了這些困難,具備類似于哺乳動物和鳥類的恒溫能力。其中劍魚、旗魚和金槍魚是恒溫真骨魚類中最具有代表性的兩支。這些魚類是如何克服重重困難,并最終進化出超凡的恒溫能力,其遺傳基礎一直是未解之謎。 
        2021年2月3日,中國科學院深??茖W與工程研究所與西北工業大學的聯合團隊在進化生物學國際著名期刊 《Molecular Biology and Evolution》上發表論文“The genomes of two billfishes provide insights into the evolution of endothermy in teleosts”公布了高質量的劍魚、旗魚基因組,解析了它們的恒溫機制。 
        劍魚和旗魚相關的恒溫通路以及表型相關的遺傳改變
        魚類恒溫是一種較為罕見的現象,在現有的大約4萬種魚類中,大約有40種魚類具有恒溫能力。他們通過不斷的游泳,產生熱量,維持恒溫,最后進化成為魚類中繁榮昌盛的類群。獨立起源的劍魚-旗魚和金槍魚是這些魚類中最具有代表性的兩支。這種表型上的趨同是否存在類似的分子的機制?研究人員發現,劍魚-旗魚和金槍魚中存在著4個具有顯著趨同信號的基因(pkmb,ryr1a,atp2a1和rh1),其中pkmb,ryr1a和atp2a1同在紅色肌肉產熱相關的無效鈣離子循環通路中,使得分解ATP釋放出的能量不用于鈣離子的跨膜循環,而用于熱量的產生。特別是pkmb編碼的丙酮酸激酶是糖酵解過程中最后一步的限速酶,在劍魚-旗魚和金槍魚中存在著兩個趨同位點,實驗證明該位點的突變確實改變了糖酵解過程中ATP的產生效率。這些趨同基因的改變可能是真骨魚類熱量產生的分子基礎。 
        為了應對水體快速散熱的特點,水生恒溫動物通常具有一個獨特的逆流交換器,用于溫度的保存和傳遞。劍魚和旗魚中存在著由動脈和靜脈血管平行排列,血流方向完全相反的血管網絡系統。在對劍魚和旗魚的同源基因分析中,發現存在著9個顯著受到了正選擇的基因,其中有三個基因 (dapk3, prkcda和rfx4) 的存在較大的氨基酸改變。其中dapk3是脊椎動物動物平滑肌收縮調控的重要因子,該基因可能參與了血管網絡的形成;prkcda是調控血管張力的重要基因,該基因可能促進了逆流交換器更好的實現熱量的保存和傳遞。而Rfx4高表達于哺乳動物視交叉上核,對晝夜變化和溫度刺激具有調控作用。劍魚和旗魚中該基因的顯著改變表明視交叉上核可能對它們也具有關鍵的調節作用。 
        此外,研究團隊也發現與視覺敏感型相關的rh1在旗魚、劍魚和金槍魚中發生趨同替換,與光感受器發育相關prdm1和rp2分別發生了基因加倍和正選擇作用;與上頜骨發育相關的chd9在上游發生了調控元件的缺失可能促進了劍魚和旗魚上頜骨的發育,ggps1蛋白結構的改變可能與其上頜骨的快速修復能力有關;hox基因家族中調控元件的丟失可能與旗魚背鰭發育和劍魚腹鰭丟失有關。 
        在本論文中,武寶生 (中科院深海所) 為第一作者,何舜平研究員 (中科院深海所) 和王堃副教授 (西北工業大學) 為通訊作者。
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      2021-02-10
    • 稻田施用秸稈生物質炭對土壤碳固持和氮肥利用率的長期影響取得進展
      本研究表明秸稈還田有利用更好的發揮碳氮協同效果,起到“以碳促氮”的效果,有利于減少化肥用量并提高氮肥利用率。
        生物質炭是有機材料在少氧或無氧條件下裂解產生的一類含碳量高、疏松多孔的物質。已有的研究表明,生物質炭在農田上的施用具有增加土壤碳固持、減少溫室氣體排放、提高土壤肥力和增加作物產量的效果。土壤碳氮循環是重要的元素循環過程,對作物養分高效利用及農業面源污染和溫室氣體排放均有重要影響。然而,以往的研究往往基于兩年內的短期試驗來驗證生物質炭農田施用后對土壤碳氮循環過程的影響,對于生物質炭農田施用后特別是一次性施用后的較長期效果還缺乏研究。
        中國科學院亞熱帶農業生態研究所土壤生態與環境課題組基于6年的稻田田間定位試驗,系統比較了秸稈還田和秸稈源生物質炭一次性施用對土壤總有機碳(TOC)累積和氮肥利用率的影響。試驗中秸稈還田量設置為每季3tha-1(半量秸稈還田)和6tha-1(全量秸稈還田),秸稈生物質炭用量設置為一次性施用24tha-1(低量生物質炭還田)和48tha-1(高量生物質炭還田),其中全量秸稈還田處理與低量生物質炭處理的秸稈投入量在6年的試驗中相當。研究結果表明秸稈和生物質炭施用都顯著增加了土壤總有機碳累積,其中在6年的周期中,當生物質炭與秸稈處理的秸稈投入量相同時,生物質炭處理的土壤碳累積量是秸稈處理的2.6倍。除了直接向農田輸入碳外,生物質炭處理也較對照處理顯著增加了土壤原有有機碳的積累,低量生物質炭施用下TOC年增加量是對照處理的2倍。
        研究發現,早稻季水稻籽粒產量在秸稈還田的前三年出現降低,而秸稈還田的后三年晚稻季水稻籽粒產量較對照顯著增加。生物質炭由于自身額外養分輸入,僅在施用當季顯著增加水稻產量,其他年份水稻產量增加不顯著。秸稈還田下,秸稈還田處理與對照處理籽粒和秸稈含氮量比值及氮肥利用率的比值均隨土壤有機碳的增加而增加,半量和全量秸稈還田在4-6年后分別提高了晚稻季氮肥利用率達22.3%和39.8%,表現出明顯的碳氮協同效果;施用生物質炭下,未表現出這種碳氮協同效果。
        本研究表明秸稈生物質炭施用較秸稈還田有著更高的固碳潛力,有利于增加稻田土壤固碳能力;而秸稈還田有利用更好的發揮碳氮協同效果,起到“以碳促氮”的效果,有利于減少化肥用量并提高氮肥利用率。
        這項研究受到國家重點研發(2018YFC0213302),國家自然科學基金(41771336, 41471267),中國科學院青年創新促進會會員項目(2017418)的資助。論文以Contrasting effects of straw and straw-derived biochar applications on soil carbon accumulation and nitrogen use efficiency in double-rice cropping systems為題發表在Agriculture, Ecosystems and Environment上。
        論文鏈接
        全量秸稈還田及低量生物質炭施用下6年中土壤碳固持、水稻產量及氮肥利用率變化
        秸稈還田及秸稈源生物質炭施用下6年中土壤總有機碳含量變化
        秸稈還田(a)及秸稈源生物質炭(b)施用下氮肥利用率比值隨土壤總有機碳含量的變化
      2021-02-08
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