科研进展--中国科学院广州分院

广州健康院合作绘制小鼠肺发育时空分子图谱

3月10日，中国科学院广州生物医药与健康研究院彭广敦团队联合广州实验室索生宝、崔桂忠团队在Science Bulletin上在线发表了最新研究成果，成功绘制了小鼠肺发育的时空转录组图谱，为理解肺这一重要器官的发育过程提供了全新的分子和细胞生物学视角。研究团队运用高通量空间转录组技术，对小鼠从胚胎第12.5天（E12.5）到出生后（P0）的肺发育过程进行了详细描绘。通过这一技术，研究人员能够精准地分析基因在空间和时间上的表达模式，从而揭示肺发育过程中的复杂调控机制。研究揭示了肺气道沿近端-远端轴的发育过程，不同区域展现出独特的基因表达模式。近端（靠近气管）区域中，Sox2和Foxj1基因表达丰富；而在远端（靠近肺泡）区域，Sox9和Etv5基因则更为突出。这一发现有助于理解气道发育的空间特异性调控机制。研究发现了两个不同的肺泡生态位（D2和D7），它们处于不同的发育状态。其中，D2生态位以Angpt2和Epha3基因的高表达为标志，表现出更高的成熟度，并在出生时的肺泡发育成熟中发挥关键作用。这一发现揭示了肺泡发育过程中的异质性，为深入理解肺泡成熟的调控提供了线索。研究团队鉴定了驱动肺发育的关键转录因子和调控网络。例如，Foxa1在近端气道的发育中起着至关重要的作用，而Tbx2和Cux1则对于远端气道和肺泡成熟至关重要。这些转录因子通过复杂的调控网络，精确地指导肺发育过程中的细胞分化和组织形成。在更成熟的肺泡生态位中，VEGF、ANGPT和EPHA等信号通路高度活跃。这些信号通路在肺泡成熟和血管生成中发挥着重要作用。这一发现为理解肺发育过程中的细胞间通讯和微环境调控提供了重要依据。这一详细的分子图谱为理解人类肺发育提供了重要的研究基础，并可能为治疗呼吸系统疾病带来新的治疗策略。通过比较小鼠和人类肺中的空间基因表达模式，研究人员识别了物种保守和特异性的基因表达特征。这一比较分析有助于发现治疗特发性肺纤维化（IPF）和慢性阻塞性肺疾病（COPD）等疾病的新靶点，为开发针对性的治疗手段提供了科学依据。广州健康院/中国科技大学联合培养博士生孟小高、广州实验室李文佳为本文的共同第一作者。研究项目得到了国家重点研发计划、国自然以及GIBH自主部署项目等经费的支持。论文链接图1 该研究利用高通量空间转录组学绘制小鼠胚胎期主要阶段到出生后P0天的时空分子图谱，突出了肺发育的分子轨迹、近端和远端气道发育的空间模式、肺泡发育的生态位异质性和肺发育中的信号通路调控。

2025-03-21

广州地化所贺依琳等：微生物驱动氟碳铈矿溶解为风化壳型稀土矿床提供成矿物源（GCA）

风化壳型稀土矿床（又称离子吸附型稀土矿床）是全球中重稀土资源的主要来源。在该类矿床形成过程中，原生（含）稀土矿物风化释放稀土元素是稀土最终在风化壳中以离子吸附态富集成矿的关键，但各类稀土赋存矿物的溶解行为及其对成矿的贡献尚未明晰。氟碳铈矿在成矿基岩中广泛分布，同时也是三大稀土工业矿物之一。氟碳铈矿等稀土氟碳酸盐矿物通常在半风化层便完全风化，因此认为它们的抗风化能力较弱，是成矿的重要物质来源。然而，溶解反应热力学计算结果却表明氟碳铈矿在风化壳型稀土矿床的弱酸性地下水环境中（pH=5.4–6）无法溶解（Li et al., 2022）。野外观测与模拟计算结果的不一致引发了对氟碳铈矿风化溶解机制的疑问。为此，中国科学院广州地球化学研究所何宏平研究员团队基于其前期研究（He et al.,2023,2024）提出“微生物作用可能是驱动氟碳铈矿风化释放稀土元素的重要动力”这一假设并利用风化型稀土矿床风化壳中原位栖息的微生物菌株开展了矿物溶解实验。研究发现，与热力学计算结果一致，在与风化壳深部地下水环境相近的pH = 6条件下，氟碳铈矿难以通过酸解反应被溶解。然而，相似条件下，微生物显著增强了氟碳铈矿溶解，稀土元素的溶解量提升约2个数量级。微生物释放的葡萄糖酸、酒石酸等强有机配体，通过络合和酸解作用协同促进稀土元素活化。在风化壳中氟碳铈矿等稀土氟碳酸矿物通常在弱风化层已大量风化，过快的风化速率可能导致稀土元素过早流失，反而限制了其对成矿的有效贡献。经估算，在pH = 6条件下，实验测定的氟碳铈矿的溶解速率（RCe = 10−13−10−12 mol‧m−2∙s−1）接近或略低于相似条件下估算的部分长石和云母类矿物的溶解速率。由此推断，氟碳铈矿溶解释放出的稀土元素能被这些造岩矿物风化形成的黏土矿物吸附富集，从而为成矿提供物质来源。上述发现表明微生物是驱动氟碳铈矿自然风化的重要因素，为氟碳铈矿溶解的热力学计算结果与自然现象之间的矛盾提供了可能的解释，同时也为认识风化壳型稀土矿床成矿物源以及完善其生物地球化学成矿模型提供了新视角。本研究得到了以下项目的联合资助：国家自然科学基金；国家重点研发计划；广东省科技计划项目；广州市科技计划项目。相关成果已在线发表于地球化学期刊Geochimica et Cosmochimica Acta。论文信息：Yilin He (贺依琳),Lingya Ma (马灵涯),Xurui Li (李旭锐),Xun Liu (刘洵),Xiaoliang Liang (梁晓亮),Jianxi Zhu (朱建喜),Hongping He (何宏平). Microbial-mediated bastnaesite dissolution as a viable source of clay-adsorbed rare earth elements in the regolith-hosted deposits. Geochimica et Cosmochimica Acta,2025,394: 43-52.文章链接：https://doi.org/10.1016/j.gca.2025.02.027.图 1 本研究中氟碳铈矿的溶解速率（以RCe表示）与前人研究在相似条件下测定的（A）斜长石（Pl）和钾长石（Kfs）、（B）黑云母（Bt）和白云母（Ms）的溶解速率（以RSi表示）。Buffered-biow RCe是指恒定pH = 6条件下的微生物风化实验中测得的Ce释放速率。同时将本研究中未添加缓冲剂的微生物风化实验（Exp-Biow）中稳定酸性条件下（pH ~3.7）第8至30天Ce的释放速率以及无菌化学溶解实验中的Ce释放速率置于图中以作比较. 参考文献:[1] He Y,Ma L,Li X,Wang H,Liang X,Zhu J,He H. Mobilization and fractionation of rare earth elements during experimental bio-weathering of granites. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2023,343: 384-395.文章链接：https://doi.org/10.1016/j.gca.2022.12.027. [2] He Y,Ma L,Liang X,Li X,Zhu J,He H. Resistant rare earth phosphates as possible sources of environmental dissolved rare earth elements: Insights from experimental bio-weathering of xenotime and monazite. Chemical Geology,2024,661: 122186. 文章链接：https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2024.122186.[3] Li MYH.,Kwong HT,Williams-Jones AE,Zhou M-F. The thermodynamics of rare earth element liberation,mobilization and supergene enrichment during groundwater-regolith interaction. Geochimica et Cosmochimica Acta,2022,330: 258-277.文章链接：https://doi.org/10.1016/j.gca.2021.05.002.

2025-03-20

广州地化所杨奕煊、朱润良等：不同表面对MnOx纳米颗粒结晶生长的耦合诱导效应（GCA）

纳米矿物指仅以纳米尺寸存在的矿物；矿物纳米颗粒指以纳米尺寸存在，但仍可以更大尺寸存在的矿物颗粒。纳米矿物和矿物纳米颗粒（Nanominerals and mineral nanoparticles,NMMNs）在大气、海洋、地表水、土壤和沉积物环境中广泛存在，具有高迁移能力和高表面反应性，对环境物质的迁移和转化具有重要作用。NMMNs的反应性受物相、尺寸和形貌制约，其微观形成机制受到地球化学、环境科学、矿物学等领域广泛关注。地球系统中各种物理化学反应大多始于矿物表面；NMMNs的结晶生长过程同样受矿物表面制约：矿物表面可通过界面相互作用制约NMMNs的成核速率和生长途径，影响产物的物相、尺寸、形貌等。前人对NMMNs在纯相表面上的异相结晶生长开展了大量研究；然而，尚不清楚共存不同物相表面如何影响上述过程。自然环境中，各种矿物普遍共存，常以异质聚集体形式出现（例如地表环境中常见的铁氧化物-黏土矿物聚集体）。异质聚集体可以表现出各矿物组分耦合的表面反应性（例如吸附、催化），因而极有可能对NMMNs的结晶生长产生复杂的耦合效应。因此，了解异质聚集体表面对NMMNs结晶生长的微观作用机制有助于我们进一步认识自然环境中NMMNs的形成过程。针对上述问题，中国科学院广州地球化学研究所杨奕煊、朱润良、何宏平等研究人员制备了铁氧化物（水铁矿）-黏土矿物（高岭石/蒙脱石）异质聚集体，探究了其对Mn(II)异相氧化及锰（氢）氧化物（MnOx）纳米颗粒异相结晶生长的影响，主要得到以下认识：水铁矿可催化Mn(II)逐渐氧化去除，诱导MnOx纳米颗粒异相成核。高岭石、蒙脱石可快速吸附Mn(II)，但对Mn(II)氧化的催化作用较弱。水铁矿表面形成的MnOx纳米颗粒可迁移至高岭石/蒙脱石表面，与其发生相互作用，使不同体系中MnOx的生长途径、微观形貌产生显著差异：水铁矿体系中的MnOx可自由聚集并组装形成纳米线（图1）；水铁矿-高岭石体系中，高岭石表面静电吸引使MnOx难以聚集，MnOx主要通过自催化Mn(II)氧化形成纳米棒（图2）；水铁矿-蒙脱石体系中，蒙脱石表面强烈的静电吸引使大量弱结晶MnOx纳米纤维附着其在表面，后者进而组装形成块状MnOx（图3）。上述结果表明，共存铁氧化物、黏土矿物在诱导Mn(II)氧化和MnOx纳米颗粒结晶生长过程中存在“合作”关系，共同制约产物中Mn的氧化态与空间分布、MnOx的微观形貌（图4、5）。本研究率先揭示了不同表面在诱导NMMNs异相结晶生长过程中的耦合效应。上述发现还对进一步理解环境中MnOx的形成-转化、Mn的迁移-固定具有重要意义。本研究受国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金、广东省杰出青年基金等项目联合资助。相关成果近期在线发表于Geochimica et Cosmochimica Acta。论文主要实验数据在中国科学院广州地球化学研究所电镜中心完成测试。论文信息：Yang Y. (杨奕煊),Chen Q.(陈情泽), Liu J. (刘晶), Xing J. (邢介奇),Yang Y. (杨宜坪),Zhu R.*(朱润良),He H. (何宏平),Hochella M.F. (2025) Coupled effects of iron (hydr)oxides and clay minerals on the heterogeneous oxidation of aqueous Mn(II) and crystallization of manganese (hydr)oxides. Geochimica et Cosmochimica Acta. 388,167–181.论文链接：https://doi.org/10.1016/j.gca.2024.09.034图 1 水铁矿体系（Fhy）产物微观结构特征：（A）TEM图；（B）元素分布图；（C）MnOx颗粒宽度分布图（C）；（D）图A中选区的HRTEM图，显示MnOx产物具有颗粒组装结构；（E）图D中选定区域的IFFT图，显示颗粒边界处位错。图 2 水铁矿-高岭石体系（Fhy-Kln）产物微观结构特征：（A）TEM图；（B）元素分布图；（C）MnOx颗粒宽度分布图；图A中选区的HRTEM图，显示MnOx产物具有不同结构：颗粒组装（D）、核壳（E）、单晶（F）。图 3水铁矿-蒙脱石体系（Fhy-Mnt）产物微观结构特征：（A）TEM图；（B）元素分布图；图A中不同选区的HRTEM图，显示MnOx产物具有颗粒组装结构：（C）MnOx纳米纤维、（D）块状MnOx、（E）MnOx纳米纤维-块状MnOx交界处；（F、G、c1-c4）对应图D全局、图E全局、图C选区的FFT图。图 4 水铁矿、水铁矿-高岭石、水铁矿-蒙脱石体系产物的Mn-L2,3电子能量损失谱（EELS）面扫结果，显示Mn平均氧化态（AOS）的纳米尺度二维空间分布特征。图 5 水铁矿-高岭石、水铁矿-蒙脱石体系中MnOx纳米颗粒的结晶生长机制示意图。

2025-03-20

南海所 | 南海海草床碳储能力及变化机制获新认知

近日，中国科学院南海海洋研究所黄小平研究团队在南海海草床的碳储能力及变化机制的研究获得新认知。相关成果“Improving carbon budgets by accounting for inorganic carbon in seagrass ecosystems”发表在生态学领域顶级期刊Global Change Biology上（博士生任玉正为第一作者，副研究员刘松林和研究员黄小平为共同通讯作者），以及“Nutrient loading accelerates breakdown of refractory dissolved organic carbon in seagrass ecosystem waters”发表在环境科学领域顶级期刊Water Research上（副研究员张霞和副研究员刘松林为论文共同第一作者，研究员黄小平为通讯作者）。海草床是重要的蓝碳生态系统，尽管其分布面积小于海洋面积的0.2%，但其对海洋有机碳埋藏的贡献却超过10%，对调节全球气候变化具有重要作用。海草床有机碳是贡献碳储的关键，但海草床无机碳的原位生产会导致CO2的释放从而抵消其有机碳存储，但目前关于海草床无机碳的生产会抵消多少有机碳存储，在国际上仍有巨大争议。同时，海草床有机碳中的惰性组分是其有机碳存储稳定性的重要表征，但会受到营养负荷等人类活动的影响，营养负荷对海草床有机碳稳定性的影响机制，仍缺乏深入认知。因此，厘清海草床无机碳对有机碳存储的影响，并揭示有机碳存储稳定性对营养负荷的响应，可为准确评估海草床碳储能力，以及海草床有机碳的长期储存的变化机理提供科学依据。以我国南海近岸海草床为研究对象，通过大范围调查研究，南海近岸海草床沉积物无机碳储量为1.53~203.17 Mg C ha-1，其储量主要受到海草生物量和底质类型的调控。利用无机碳的碳-氧同位素技术探究其无机碳的来源，研究发现受陆地径流影响的海草床其无机碳几乎全部来自于陆源输入，而主要受海水控制的大部分海草床多来源于邻近珊瑚礁生态系统的输入。利用贝叶斯模型计算其外源输入贡献，发现约70~100%的海草床沉积物无机碳通过陆源或临近的珊瑚礁生态系统输入（图1）。这表明海草床仅有较少部分沉积物无机碳在原位生产，对有机碳存储能力的影响有限，该成果为准确评估全球海草床碳储能力提供了重要的技术方法。利用近1年的连续室内模拟实验，探究营养负荷对南海海草床溶解有机碳存储能力的影响。研究发现，营养负荷通过促进细菌中海洋球菌属（Oceanococcus）和磁螺旋菌属（Magnetospira），以及真菌的金黄担子菌属（Aureobasidium）和外瓶霉属（Exophiala）的等K-选择微生物的丰度，促进了海水中芳香类腐殖质的转化，使南海海草床水体中惰性溶解有机碳含量下降了15~27%（图2）。通过估算，营养负荷可导致南海海草床溶解有机碳的储量下降了16~51 Mg yr-1。该研究表明营养负荷会显著降低海草床溶解有机碳存储的稳定性，这对海草床溶解有机碳存储稳定性的变化机制形成了新的认知，并为海草床保护与管理提供了重要的科学依据。该研究主要得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、广东省科技计划项目、中国科学院青年创新促进会项目，以及海南省科技专项资助等的资助。图1 南海海草床无机碳的来源贡献概念图图2 营养负荷对海草床有机碳组分影响的概念图相关论文信息：Yuzheng Ren,Songlin Liu*,Jiening Liang,Anirban Akhand,Hongxue Luo,Zhijian Jiang,Yunchao Wu,Xiaoping Huang*,Peter I. Macreadie. Improving carbon budgets by accounting for inorganic carbon in seagrass ecosystems. Global Change Biology,2025,31: e70060.Xia Zhang+,Songlin Liu+,Yunchao Wu,Hongxue Luo,Yuzheng Ren,Jiening Liang,Xiaoping Huang*,Peter I. Macreadie. Nutrient loading accelerates breakdown of refractory dissolved organic carbon in seagrass ecosystem waters. Water Research,2025,273,123017.文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/gcb.70060 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135424019171

2025-03-20

南海所科研人员在南海北部发现桡足类新物种

中国科学院南海海洋研究所发现并描述了桡足类怪水蚤目新物种——拟巨大怪水蚤Monstrilla pseudograndis（图1），相关成果于3月18日在经典分类学杂志ZooKeys上正式发表，这是首个由我国科研工作者发现的怪水蚤属Monstrilla新物种。文章作者为南海海洋生物标本馆周志乾，连喜平和谭烨辉。图1 拟巨大怪水蚤新种Monstrilla pseudograndis sp. nov.，雌性正模。A. 整体背面观；B. 整体侧面观；C. 整体腹面观。A–C共用同一比例尺。怪水蚤目物种因其复杂而又有趣的生活史而备受解剖学家和动物学家的关注。其幼体寄生于多毛类、软体动物等海洋底栖无脊椎动物，成体转变为浮游生活进行繁殖，期间不再摄食。研究团队于2023年6月在广西北部湾近岸海域（21°22'53"N,108°19'38"E）15米水深处采集到拟巨大怪水蚤雌性标本。拟巨大怪水蚤雌性头胸部表面光滑；额区中部凹陷，第一触角基部两侧具短感觉毛和小刚毛；头胸部腹面具4对对称排列的乳头状疤痕。第1-4胸足外肢刺较短。第5胸足双叶型，外叶细长具3羽状刚毛，内叶较短具2羽状刚毛且内缘基部具指状突起。尾叉各具6根发达尾刚毛（图2）。通过显微解剖和形态比较与近似种区分开来（表1）。图2拟巨大怪水蚤新种Monstrilla pseudograndis sp. nov.，雌性正模。A. 头胸部腹面观（箭头示乳头状疤痕）；B. 头胸部前部腹面观（s1 = 感觉毛；s2 = 刚毛）；C. 生殖后体节及尾叉腹面观；D–G. 第1–4胸足。D–G共用同一比例尺。表1 雌性近似种与拟巨大怪水蚤新种Monstrilla pseudograndis sp. nov.的主要特征对比该研究得到中国科学院生物分类学科学家岗位、国家动物标本资源库、粤西热带海洋生态环境广东省野外科学观测研究站以及中国科学院战略生物资源能力建设项目支持。中国科学院南海海洋研究所南海海洋生物标本馆硕士研究生周志乾为第一作者，高级工程师连喜平担任通讯作者。相关论文信息：Zhou,Zhiqian,Lian Xiping*,Tan Yehui. 2025. A new species of Monstrilla(Copepoda,Monstrilloida)in coastal waters of northern South China Sea. ZooKeys 1232: 237-248.文章链接：https://doi.org/10.3897/zookeys.1232.144830

2025-03-19

南极真菌来源抗呼吸道合胞病毒笼状螺环酰胺的发现及机制研究获新进展

近日，中国科学院南海海洋研究所热带海洋生物资源与生态重点实验室（LMB）刘永宏团队在南极来源抗呼吸道合胞病毒次级代谢产物的发现领域取得新进展。相关成果“Spirochrains A−D,Four Caged [5,6,5] Spirocyclic Amides from an Antarctic Fungus Aspergillus ochraceopetaliformis SCSIO 05702 with Anti-RSV Activities”以封面文章发表于Organic Letters《有机化学通讯》。中国科学院南海海洋研究所博士生丛梦静、助理研究员李艳芹，南方医科大学博士生李银燕为共同第一作者，LMB研究员王俊锋、刘永宏，南方医科大学教授杨洁为共同通讯作者。呼吸道合胞病毒（RSV）是全球幼儿和高危人群急性下呼吸道感染最常见的诱因之一。据估计，呼吸道合胞病毒每年导致超过3300万例5岁以下儿童感染。但利巴韦林等治疗药物由于其毒性和有限疗效，临床应用受到限制。团队前期从南极真菌A. ochraceopetaliformis SCSIO 05702中发现一系列结构新颖的次级代谢产物，包括抑制H1N1,H3N2流感病毒活性混源萜Ochraceopones A−E（J. Nat. Prod.,2016,79,59）,抗炎活性蛇麻烷型倍半萜Ochracenes A−I（J. Nat. Prod.,2017,80,1725）和戊酮噻吩Ochrathinols A 和 B（Phytochemisty, 2023,208,113593）。此外联合中国科学院南海海洋研究所研究员闫岩团队阐明了混源萜Ochraceopone A生物合成机制（Angew. Chem. Int. Ed.,2024,63,e202403365）。其中直线型混源萜Ochraceopone及蛇麻烷型倍半萜Ochracene被Natural Product Reports评选为热点化合物Hot off the Press。研究团队进一步优化发酵A. ochraceopetaliformis SCSIO 05702发现了4个结构新颖的氮杂螺环酰胺Spirochrains A−D，通过波谱学分析与量子化学计算确定了Spirochrains立体结构。当3位羟基未甲基化时，分子中酮酰胺结构会导致自发互变。基因组学及生物信息学分析定位了负责螺环酰胺生物合成基因簇，并对其生物合成途径进行了推测。抗病毒研究表明，Spirochrains A−D对RSV病毒具有不同程度的抑制作用，通过检测RSV病毒入侵宿主细胞不同时期的基因转录和蛋白表达，揭示Spirochrain B靶向结合RSV-G蛋白来阻止病毒吸附宿主细胞。构效关系分析表明螺环酰胺分子中环己烷邻二醇构型以及3位羟基在抗RSV感染中发挥重要作用。图1. 南极真菌A. ochraceopetaliformis代谢产物类型多样性与合成途径解析图2. Spirochrain B抗RSV病毒感染研究该研究挖掘南极真菌次级代谢潜能，为抗RSV感染治疗提供了新的先导分子。上述研究工作得到了国家重点研发计划、广东省区域联合基金重点项目、国家自然科学基金、广东省特支计划本土创新团队项目等资助。论文信息：Mengjing Cong#,Yinyan Li#,Yanqin Li#,Xiangliu Chen,Xiaoyan Pang,Yan Yan,Xinpeng Tian,Yonghong Liu*,Jie Yang*,Junfeng Wang*.Spirochrains A–D,Four Caged [5,6,5] Spirocyclic Amides from an Antarctic Fungus Aspergillus ochraceopetaliformis SCSIO 05702 with Anti-RSV Activities,2025,27,2295-2299.文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.orglett.4c04371

2025-03-17

亚热带所 | CCKBR调控山羊小肠淀粉消化的胰腺外分泌功能机制研究取得突破进展

2024年我国牛存栏量为10204万头，全国羊存栏量为32074万只。反刍动物消化系统在结构上与单胃动物不同，对营养物质的消化存在差异。营养物质在瘤胃内被微生物降解，产生的挥发性脂肪酸被瘤胃壁吸收供能；微生物蛋白与未降解的饲料流入小肠，由肠道内消化酶消化成小分子物质被小肠上皮直接吸收利用。反刍动物小肠过瘤胃营养物质可为机体提供17%-30%能量，这一过程主要依赖于胰腺消化酶的分泌。不同于单胃动物小肠淀粉降解率高达98%以上，反刍动物小肠淀粉消化率相对较低，约有40%~60%的过瘤胃淀粉未被消化利用，造成牛羊粪便淀粉残留高。理论上反刍动物小肠内淀粉类营养物质化学性消化利用效率远高于瘤胃，但淀粉小肠内的消化受到胰腺淀粉酶分泌不足的限制。因此，解析反刍动物胰腺外分泌功能分子调控机制，挖掘小肠淀粉降解受限的调控靶点有助于反刍动物日粮精准设计，为提高饲料利用效率、减少饲料资源浪费、降低环境污染提供理论依据。2024年我国牛存栏量为10204万头，全国羊存栏量为32074万只。反刍动物消化系统在结构上与单胃动物不同，对营养物质的消化存在差异。营养物质在瘤胃内被微生物降解，产生的挥发性脂肪酸被瘤胃壁吸收供能；微生物蛋白与未降解的饲料流入小肠，由肠道内消化酶消化成小分子物质被小肠上皮直接吸收利用。反刍动物小肠过瘤胃营养物质可为机体提供17%-30%能量，这一过程主要依赖于胰腺消化酶的分泌。不同于单胃动物小肠淀粉降解率高达98%以上，反刍动物小肠淀粉消化率相对较低，约有40%~60%的过瘤胃淀粉未被消化利用，造成牛羊粪便淀粉残留高。理论上反刍动物小肠内淀粉类营养物质化学性消化利用效率远高于瘤胃，但淀粉小肠内的消化受到胰腺淀粉酶分泌不足的限制。因此，解析反刍动物胰腺外分泌功能分子调控机制，挖掘小肠淀粉降解受限的调控靶点有助于反刍动物日粮精准设计，为提高饲料利用效率、减少饲料资源浪费、降低环境污染提供理论依据。中国科学院亚热带农业生态研究所畜禽健康养殖与农牧复合生态研究中心谭支良研究员团队在反刍动物小肠淀粉消化受限的胰腺外分泌调控机制研究研究领域取得重要进展。相关成果以Low expression of CCKBR in the acinar cells is associated with insufficient starch hydrolysis in ruminants为题发表于Communications Biology（中国科学院1区top）。该研究首先明确反刍动物存在小肠淀粉降解率低的现象；之后以山羊为试验动物，成功构建首个山羊胰腺单细胞图谱；并利用细胞试验证明山羊胆囊收缩素受体（CCKBR）低表达限制胰腺消化酶胞吐过程，为深入理解反刍动物胰腺外分泌功能不足以及提高反刍动物肠道饲料利用提供了新靶点。主要研究结果包括：1）作者首先通过比较反刍动物全消化道淀粉残留情况，明确十二指肠是过瘤胃淀粉的主要消化部位（图1A-B）；通过比较生长和育肥阶段反刍动物（羊和牛）与单胃动物（猪）的粪便淀粉残留情况，明确反刍动物存在淀粉消化受限的现象（图1C-D）。2）作者以山羊为试验动物，首次绘制生成了新生山羊（非反刍模式）和断奶山羊（反刍模式）胰腺单细胞图谱，共鉴定到了包括胰腺外分泌腺泡细胞、导管细胞和内分泌胰岛细胞β，δ，ELC等在内的11种细胞类型（图2），并鉴定到了两种腺泡细胞亚型，即高胰酶分泌特征的成熟型腺泡细胞亚型AC-s和低胰酶分泌特征的未成熟腺泡细胞亚型AC-i。胰酶（胰淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶）、胞吐关键基因（IRF2，RAB27A，VAMP2，VAMP8，COPZ2，STX2，STX3）在成年山羊AC-s亚型表达增强。单细胞转录组和蛋白质组联合分析进一步表明反刍模式下的成年山羊的胰腺外分泌功能增强。值得注意的是，淀粉酶的活性在两种消化模式下并未检测到差异，说明胰腺α-淀粉酶活性较低可能是反刍动物淀粉水解的限制因素之一。3）胰腺单细胞细胞互作的结果显示，与新生山羊相比，成年山羊预测到的腺泡与内分泌细胞之间相互作用的数量减少；在成年山羊AC-ELC互作中发现了特有的配受体对JAG1-NOTCH1，此外，研究人员还发现JAG1和NOTCH1在AC-s中表达增强，与此同时胰岛激素INS、PPY、GCG和SST表达降低，与之一致的是，成年山羊血清INS的含量显著低于新生山羊。这些结果表明成年山羊AC-s中活化的NOTCH通路可能通过阻止腺泡细胞向内分泌细胞β细胞转化来维持“较强的胰腺外分泌功能”（图3）。转录噪声的结果显示成年山羊内分泌细胞转录噪声表达增加伴随着非典型激素表达增强；且成年山羊腺泡细胞转录噪声表达降低伴随着胰酶表达增强。结果暗示反刍动物消化模式转变，可能通过转录噪声调节“典型”酶和“非典型”激素的表达，产生增强外分泌功能、抑制内分泌功能的生理基础。4）单细胞转录组结果显示反刍模式下成年山羊的腺泡细胞膜上关键调控受体CCKBR表达显著降低。推测成年山羊腺泡细胞膜上CCKBR的低表达，加上十二指肠中Ⅰ型细胞的低分布，可能共同导致肠胰反射反应缓慢，并诱导食物进入小肠和消化酶释放的异步过程，最终限制淀粉消化（图4）。5）之后作者开展胰腺细胞实验，通过CCK（10 pmol/L）处理高CCKBR丰度新生山羊和低CCKBR丰度断奶山羊腺泡细胞，测定腺泡细胞转录组特征、钙离子振荡反应和胞吐反应。结果显示钙离子信号通路和胞吐信号通路在低CCKBR丰度成年山羊均要弱于高CCKBR丰度新生山羊（图5），证明了成年山羊腺泡细胞CCKBR低表达抑制淀粉酶分泌。此研究得到了中国科学院战略先导项目、湖南省自然科学基金和湖南省创新型省份项目等项目的支持，亚热带生态所博士生程艳为本论文第一作者，贺志雄研究员和谭支良研究员及耶路撒冷希伯来大学(The Hebrew University of Jerusalem) 的Oren Parnas教授为论文共同通讯作者。论文链接图 1 反刍动物淀粉消化不足图 2 新生和成年山羊胰腺单细胞图谱图 3 新生和成年山羊胰腺细胞互作网络图 4 CCKBR是成年山羊小肠淀粉消化受限的潜在靶点图 5 成年山羊腺泡细胞CCKBR低表达抑制淀粉酶分泌机制

2025-03-19

深圳先进院｜解析多巴胺微环路共调控睡眠和记忆巩固过程（eLife）

3月12日，中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所/深港脑科学创新研究院刘畅团队在eLife杂志上发表题为：Brief disruption of activity in a subset of dopaminergic neurons during consolidation impairs long-term memory by fragmenting sleep的研究论文。3月12日，中国科学院深圳先进技术研究院（简称“深圳先进院”）脑认知与脑疾病研究所/深港脑科学创新研究院刘畅团队在eLife杂志上发表题为：Brief disruption of activity in a subset of dopaminergic neurons during consolidation impairs long-term memory by fragmenting sleep的研究论文。记忆巩固与睡眠高度相关，且这种关联在无脊椎动物和脊椎动物中都存在。记忆巩固是一个依赖于时间、将新形成的不稳定的记忆向稳定记忆的过程。睡眠作为影响记忆的最重要的生理过程之一，已被证明对记忆的几个不同阶段产生影响。且有研究表明，在睡眠期间，特定的脑区和神经核团会出现对某种记忆的神经元发放特征重现的现象，被认为是主动的记忆巩固过程。然而，将这两个过程联系起来的神经机制在很大程度上仍不明确。尽管果蝇的大脑相对简单，但其行为的复杂性和基因操作的可行性使其成为剖析这类问题的理想模型。多巴胺能神经元在睡眠和记忆调控中均发挥重要作用。在果蝇中，刘畅研究员早期工作里鉴定了PAM多巴胺能神经元（DAN）投射到蘑菇体（MB）水平叶，特异性的参与奖赏性学习记忆（Liu et al., Nature,2012）。随后，多个团队的研究不仅将PAM神经元类型根据图谱特征进行了精细区分，更发现多个亚型在记忆以及它们在睡眠中的促醒功能。在果蝇脑内，一对背侧成对内侧（DPM）神经元投射到整个蘑菇体，被鉴定其在记忆巩固过程中的不可或缺性，以及其通过抑制性的作用发挥促睡的功能（Waddell，Cell，2000；Haynes et al., eLife,2015）。然而，DAN-DPM的功能连接及该微环路的活动状态在睡眠和记忆巩固中的作用尚不清楚。研究团队结合免疫组化、特异标记的顺行示踪遗传工具以及离体功能成像技术，揭示了PAM神经元与DPM神经元之间存在结构性连接，DPM神经元位于PAM神经元的下游，且二者之间的突触连接是抑制性突触连接的，进一步发现在DPM神经元中Dop1R1受体主导参与抑制功能（图1）。经过一系列的行为学检测，确定DPM神经元在LTM的记忆巩固过程中是必需的，并发现PAM神经元如在记忆巩固关键时间窗口短暂被激活，也可导致LTM受损。短暂的抑制DPM或者激活PAM均导致眠量减少且碎片化，觉醒阈值降低。这些结果表明这两类神经元都参与记忆巩固和睡眠的调控（图2）。研究团队为进一步鉴定参与睡眠和记忆巩固调控的PAM多巴胺能神经元的特异亚型，通过行为学检测，结合解剖学分析，发现PAM-α1神经元的短暂增强或减弱，睡眠时长减少且碎片化，LTM受损（图3）。接下来，结合果蝇全脑连接组学分析、离体功能钙成像、新型的捕捉定格神经元活动的工具CRTC，研究团队发现：PAM-α1神经元与DPM神经元之间形成抑制性的突触连接，且PAM-α1-DPM微环路在记忆形成时及记忆巩固关键时间窗口呈现出协同的神经活动变化（图4）。为确定这两种神经元是通过平行且独立的环路还是整合的环路实现对睡眠和长时记忆的调控，研究团队利用精致的遗传学方法，同时失活两类神经元，结果发现，在饥饿状态下，睡眠减少及碎片化的程度与单独失活其中一类神经元的程度相同，阐释了PAM-DPM微环路共调控睡眠和记忆的工作模型。最后，为了加固这一微环路通过协同作用导致睡眠干扰与记忆损伤的结论，研究团队采用了一种药理学方法，发现在喂食促眠的THIP（GABA激动剂）后，挽救了因短暂激活 PAM-α1所引起的睡眠紊乱，同时恢复了受损的长时记忆（图5）。在果蝇中，蘑菇体（MB）中高度反馈的神经环路在特异功能定位方面已经取得了显著进展。而在本研究中，研究团队揭示并鉴定了一个由两种类型的蘑菇体投射神经元所形成的抑制性微环路和一种特定的多巴胺能神经元亚型，通过影响睡眠的动态变化来介导长时记忆的稳定，为理解连接记忆巩固与睡眠的环路机制提供了新的见解。深圳先进院刘畅研究员为最后通讯作者，美国布兰迪斯大学Leslie C. Griffith教授以及汕头大学李凡教授为共同通讯作者，深圳先进院和南方医科大学深圳市妇幼保健院联培博士后颜琳为本文第一作者。该研究主要受到国家自然科学基金项目、广东省基础与应用基础研究项目等项目资助以及深港脑科学创新研究院的支持。文章上线截图图1. PAM多巴胺能神经元与DPM的结构和功能连接图2. 记忆巩固期抑制DPM神经元或者短暂激活PAM影响睡眠和记忆图3. 鉴定特异的多巴胺能神经元亚型PAM-α1图4. PAM-α1-DPM抑制性微环路及其动态协同变化图5. PAM-α1-DPM抑制性微环路桥接睡眠和记忆

2025-03-14

深圳先进院 | 生成式AI赋能脑机接口双模态信号采集新范式（IEEE TMI）

脑机接口（BCI）技术作为连接人脑与外部设备的重要桥梁，近年来在医疗、康复、智能家居等领域展现出了巨大的应用潜力。然而，传统的BCI系统多依赖单一的EEG信号，其空间分辨率低且易受干扰，限制了其性能的进一步提升。为此，研究者们开始探索将EEG与fNIRS（功能性近红外光谱）相结合的双模态BCI系统，以期通过两种信号的互补优势，实现更高效、更准确的脑机交互。然而，同时记录EEG和fNIRS信号并非易事。由于两种传感器在头皮上的布局存在冲突，同时记录高质量的混合信号面临诸多挑战。脑机接口（BCI）技术作为连接人脑与外部设备的重要桥梁，近年来在医疗、康复、智能家居等领域展现出了巨大的应用潜力。然而，传统的BCI系统多依赖单一的EEG信号，其空间分辨率低且易受干扰，限制了其性能的进一步提升。为此，研究者们开始探索将EEG与fNIRS（功能性近红外光谱）相结合的双模态BCI系统，以期通过两种信号的互补优势，实现更高效、更准确的脑机交互。然而，同时记录EEG和fNIRS信号并非易事。由于两种传感器在头皮上的布局存在冲突，同时记录高质量的混合信号面临诸多挑战。为突破这一瓶颈，中国科学院深圳先进技术研究院的王书强课题组提出了一种创新的解决方案——SCDM（Spatio-Temporal Controlled Diffusion Model），即时空控制扩散模型。该模型利用生成式AI技术，从EEG信号中生成fNIRS信号，从而实现双模态信号的采集。 2025年3月4日团队相关工作在IEEE Transactions on Medical Imaging发表了题为SCDM: Unified Representation Learning for EEG-to-fNIRS Cross-Modal Generation in MI-BCIs的研究成果，首次实现了基于生成式人工智能的EEG到fNIRS跨模态生成。SCDM模型的核心在于其两个关键模块：空间跨模态生成（SCG）模块和多尺度时序表示（MTR）模块。SCG模块通过改进的二维注意力机制，学习EEG和fNIRS信号的空间表示，并实现从EEG到fNIRS的准确映射。MTR模块则通过因果扩张卷积和深度可分离卷积，捕捉多样化的时序特征，同时减少空间特征的干扰，从而提高表示的准确性。研究团队通过对比真实fNIRS信号和合成fNIRS信号的分类性能，发现合成信号在多项指标上与真实信号相当，甚至在某些情况下表现更优。这表明，SCDM模型生成的fNIRS信号不仅在质量上接近真实信号，而且在实际应用中具有潜在的替代价值。此外，研究还发现，合成fNIRS信号在空间分布和时间特征上与真实信号高度一致。通过对比fNIRS通道与EEG通道的相关性，发现合成信号保留了与EEG信号的空间对应关系，这为双模态信号的融合提供了有力支持。 SCDM模型不仅解决了同时记录EEG和fNIRS信号的难题，还为未来BCI系统的性能提升提供了新的可能性。数字所研究生李逸升为第一作者，王怡珊研究员为共同作者，王书强研究员为论文通讯作者，该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等科技项目资助。SCDM模型图合成fNIRS信号与真实fNIRS信号的血流动力学响应曲线对比

2025-03-10

深圳先进院 | 开发碳基纳米材料增强植物光合作用，加速纳米技术在农业领域应用（Communications Materials）

近期，中国科学院深圳先进技术研究院副研究员高翔团队联合上海交通大学教授杨琛团队，在国际期刊Communications Materials上发表题为“Closed-loop enhancement of plant photosynthesis via biomass-derived carbon dots in biohybrids”的最新研究成果，团队成功研发了一种以农业废弃物生物质为原料合成的碳基纳米材料——碳量子点（CDs），并将其用于增强植物的光合作用。光合作用是植物、藻类和蓝细菌利用太阳能将二氧化碳和水转化为氧气和有机物的过程，为地球上几乎所有生命提供了食物和能量。然而，传统的植物光合作用效率较低，通常不到1%，且植物的光合系统只能利用太阳光中的40%可见光，其中对蓝光和红光的吸收效率较高，但对绿光的吸收效率较低。随着全球气候变化和粮食需求的增加，提高光合作用效率成为科学研究的重要方向。为提升光合作用的效率，研究人员长期以来都致力于探索创新解决方案。近期，中国科学院深圳先进技术研究院副研究员高翔团队联合上海交通大学教授杨琛团队，在国际期刊Communications Materials上发表题为“Closed-loop enhancement of plant photosynthesis via biomass-derived carbon dots in biohybrids”的最新研究成果，团队成功研发了一种以农业废弃物生物质为原料合成的碳基纳米材料——碳量子点（CDs），并将其用于增强植物的光合作用（图1）。研究团队开发的功能化纳米碳量子点材料（CDs），不仅具备将植物无法吸收的紫外光、吸收效率低的绿光转换为红光（光谱转换器）的能力，还能够将吸收的光子激发产生电子，为光合电子传递链提供额外的电子（光电转化剂）（图1）。团队将这种新型农业生物质碳量子点直接添加至蓝藻液体培养基中或喷施在植物上，实验结果表明，蓝藻的二氧化碳固定率提高了2.4倍（图2），甘油的产量增加了2.2倍，而拟南芥的植物生物量则提高了1.8倍（图3），这一结果充分展示了碳量子点在提高光合效率和植物生长方面的巨大潜力。进一步地，研究通过技术经济分析显示，这种基于农业废弃生物质合成的碳量子点材料不仅表现出了出色的光能吸收利用能力，还具备了低成本和高生物相容性的优势，显示在未来农业生产和光驱生物制造领域的应用前景。该研究开发的新技术不仅能够提高光合作用效率，还能在改善植物生长的同时为环境保护作出贡献，为农业领域的创新提供潜在的解决思路。基于该技术申请的发明专利已进入成果转化，并在中国科学院深圳先进技术研究院成立转化中心，共同推动该技术在农业中的应用示范。另外，高翔团队基于该研究成果，已与多个团队开展进一步研究合作，初步实验显示，该纳米材料对浮萍、花生、玉米和大豆等农作物的生长具有不同程度的促进作用，目前正在计划开展户外大田实验。中国科学院深圳先进技术研究院副研究员高翔和上海交通大学教授杨琛为本文通讯作者，上海分子植物卓越创新中心博士生程文波、深圳先进院助理研究员王雪云和研究助理胡海涛、云南大学博士生杨宇、南方科技大学硕士生余雪盟为共同第一作者。云南大学教授刘军钟、南方科技大学教授陈熹翰、哈尔滨工业大学教授（深圳）路璐和新加坡国立大学林艺良教授为本研究提供了重要帮助。该项研究得到了合成生物学重点研发计划、国家自然科学基金委员会、深圳市科技创新委员会等多家单位的资助。通讯作者简介：高翔实验室主要研究方向为材料合成生物学，聚焦生物-材料杂合体的设计与合成技术，通过将半导材料整合至生物体(微生物、植物等)，利用光电特性优异的材料捕获光能并传递至细胞内，为生物体提供额外能量来源，从而增强其光能驱动的代谢与合成能力，开发杂合体在农业、能源和环境等应用。研究成果发表在Nature Sustainability、Nature Chemistry、Chemical Reviews、Science Advances、Advanced Science等期刊上。招聘信息：课题组现招聘有合成生物学、微生物学、电化学、光电催化、半导体材料等相关背景的博士后2名，开展微生物细胞工厂的设计与优化、纳米材料与细胞杂合以及利用光电技术驱动生物反应等技术的研究，欢迎对合成生物学与材料交叉领域感兴趣的同学前来咨询并加入我们的研究团队（联系邮箱：gaoxiang@siat.ac.cn）。文章上线截图图1：碳量子点材料的闭环生产系统在增强自然光合作用及农业与生物制造中的应用示意图图2：碳量子点材料提高了蓝细菌的光合作用效率图3：碳量子点材料提高了拟南芥的光合作用效率

2025-03-10