科研进展--中国科学院广州分院

《澳门植物物候》出版发行

近日，由中国科学院华南植物园、华南国家植物园与澳门特别行政区市政署、澳门地球物理暨气象局等单位合作出版的《澳门植物物候》一书，由中国林业出版社出版发行。我园与澳门特别行政区有着长期合作，本书是继《澳门植物名录》、《澳门植物志》和《澳门古树名木》与澳门开展合作的又一科研成果。该书的出版，填补了澳门地区甚至是华南地区开展人工物候监测研究的空白，同时可为邻近地区或岛屿城市植物物候研究提供参考，也为后续开展植物物候对气候变化、环境污染等因素的响应奠定基础。近日，由中国科学院华南植物园、华南国家植物园与澳门特别行政区市政署、澳门地球物理暨气象局等单位合作出版的《澳门植物物候》一书，由中国林业出版社出版发行。我园与澳门特别行政区有着长期合作，本书是继《澳门植物名录》、《澳门植物志》和《澳门古树名木》与澳门开展合作的又一科研成果。《澳门植物物候》一书是由中国科学院华南植物园物种多样性保育与利用研究团队和澳门特别行政区市政署园林绿化厅相关技术人员，自2011年至2018年期间在澳门开展长期野外物候监测的经验总结和物候数据整理分析而编写。本研究以群落的形式进行植物物种的物候监测，分别在位于澳门半岛、氹仔和路环二岛的松山、大潭山、九澳角与黑沙设置代表澳门典型植被的个4固定样地，对样地中的代表物种进行每木挂牌，并定时、定点对植物物候进行长期的人工动态监测，本研究已发表论文近10篇，其中SCI论文2篇。本书的出版得到澳门特别行政区合作项目“澳门野生植物物候监测研究”和广东省科技计划项目的资助。该书的前半部分特制定了维管束植物的物候期监测标准。以蕨类植物、乔灌木和草本为划分规范了其植物物候期特征，为了更加直观，并给各物候期附上具明显物候特征的相应物候照片，让监测人员更容易和准确地识别物候期特征，提高植物物候期监测数据的准确性。本书的后半部分选择有完整物候期的植物111种，其中蕨类植物 11 种，隶属于 6 科 7 属；被子植物 100 种，隶属于 40科 87 属，主要包括植物的名称（中文名、别名、英名、葡名、学名）、形态特征、产地、地理分布、主要物候期，每种植物附有绘制的物候图谱并配置具明显物候特征的各物候期彩色图片。《澳门植物物候》一书图文并茂，通俗易懂，希望本书的出版可为植物物候监测研究从业者、大专院校师生、中小学生及物候学爱好者提供参考，可为市民提供野外观花、观果、观赏红叶等适宜时期指引，亦可为当地荒山、园林景观美化种植时选择野生植物物种提供参考。植物物候是指示自然环境变化的重要指标，与气候变化息息相关，随着全球气候变暖以及城市热岛效应的加剧，植物物候受到更多的关注。澳门作为一个具有特殊地理位置的地域，其气候监测已有百余年历史，区域性的气候变化亦有学者研究，而植物物候研究随着本次合作开始起步。该书的出版，填补了澳门地区甚至是华南地区开展人工物候监测研究的空白，同时可为邻近地区或岛屿城市植物物候研究提供参考，也为后续开展植物物候对气候变化、环境污染等因素的响应奠定基础。

2024-01-30

华南植物园揭示豆科植物水力性状变异的多重驱动因子

植物水力性状在不同的植物生活型中差异显著，是复杂的环境适应和演化过程形成的结果。然而，研究人员对植物生活型、气候和系统发育在解释植物水力性状差异的相对重要性方面缺乏清晰的了解。豆科有约770个属和19500多个物种，是被子植物第三大科，豆科植物具有极强的适应性和极为丰富的生活型，从湿润的热带雨林到干性热带森林、温带荒漠全球广布，从草本和藤本到灌木和树木应有尽有，是研究植物水分适应性的理想材料。在未来降水格局变化的情景下，研究豆科植物水力性状差异形成的原因，对解释植物的分布格局和预测其对气候变化的响应至关重要。本研究中豆科植物的系统发育树及不同生活型的分布图。植物水力性状在不同的植物生活型中差异显著，是复杂的环境适应和演化过程形成的结果。然而，研究人员对植物生活型、气候和系统发育在解释植物水力性状差异的相对重要性方面缺乏清晰的了解。豆科有约770个属和19500多个物种，是被子植物第三大科，豆科植物具有极强的适应性和极为丰富的生活型，从湿润的热带雨林到干性热带森林、温带荒漠全球广布，从草本和藤本到灌木和树木应有尽有，是研究植物水分适应性的理想材料。在未来降水格局变化的情景下，研究豆科植物水力性状差异形成的原因，对解释植物的分布格局和预测其对气候变化的响应至关重要。中国科学院华南植物园生态与环境科学研究中心刘慧副研究员与合作者，构建了一个来自全球62个样点、乔灌藤三种生活型的150个豆科物种共7个水力性状和11个气候变量的数据库(图1)，运用系统发育比较分析和方差分解的方法探讨了豆科植物水力性状变异的驱动因子。研究发现，考虑植物生活型后，大多数豆科木本植物水力性状和气候变量中发现的系统发育信号消失了，表明相关参数的系统发育保守性源于植物生活型之间的分化。同时，豆科木本植物水力性状与气候变量的关系具有系统发育依赖性，意味着性状变异是由气候和系统发育共同驱动的。利用方差分解的方法，研究发现系统发育和气候变量比植物生活型解释了更多的水力性状变异。因此，即使考虑了系统发育的影响，气候驱动豆科木本植物水力性状的响应仍然存在，表明这个世界广布的大科可能对气候变化特别敏感。该研究揭示了豆科木本植物水力性状变异的多重驱动因子，阐明了系统发育对未来气候变化下植物水分适应机理研究的重要性。院华南植物园刘慧副研究员为论文第一作者，叶清研究员为通讯作者。该研究得到了国家基金面上项目等的资助。相关研究结果已近期在线发表在国际主流期刊Journal of Ecology（《生态学杂志》）(IF5year=6.3)上。论文链接：https://doi.org/10.1111/1365-2745.14266图1.本研究中豆科植物的系统发育树及不同生活型的分布图。

2024-01-29

广州能源所在葡萄糖转化方面取得新进展

该研究通过碱水热方法将铟（In）掺入单晶β-纯二氧化硅沸石分子筛中，形成边界骨架In和In2O3纳米颗粒，分别用作Lewis酸位点和碱位点，可有效中和分子筛中存在的Br？nsted酸，从而抑制其在果糖的积累、降解、使用过程中可能引发的副反应。该催化剂的两类活性位点在甲醇中协同作用，将葡萄糖转化为甲基果糖，进而在少量水作用下获得果糖。值得注意的是，该单晶催化剂中发生级联反应，即路易斯碱位点催化葡萄糖的异构化反应，路易斯酸位点催化果糖的糖苷化反应。该反应体系中，基于33wt%的葡萄糖工业生产浓度，果糖产率达54.9%，选择性为89.1%，糖回收率达93.3%，有助于推进化学催化葡萄糖异构化的工业实践。近日，广州能源所生物质催化转化研究室在分子筛催化葡萄糖转化方面取得新进展，发展了高浓度葡萄糖高效异构化制备果糖的新催化体系。果糖在自然界中的含量远低于葡萄糖，然而作为食品甜味剂和生物精炼的核心成分其需求远大于葡萄糖，可借助非均相催化的方式使廉价易得的葡萄糖异构化为果糖。而葡萄糖异构化是转化的速率决定步骤，依赖于Beta分子筛活性金属产生的Lewis酸，精准调控的金属位点和分子筛结构对于整个催化过程有着至关重要的影响。该研究通过碱水热方法将铟（In）掺入单晶 -纯二氧化硅沸石分子筛中，形成边界骨架In和In2O3纳米颗粒，分别用作Lewis酸位点和碱位点，可有效中和分子筛中存在的Br？nsted酸，从而抑制其在果糖的积累、降解、使用过程中可能引发的副反应。该催化剂的两类活性位点在甲醇中协同作用，将葡萄糖转化为甲基果糖，进而在少量水作用下获得果糖。值得注意的是，该单晶催化剂中发生级联反应，即路易斯碱位点催化葡萄糖的异构化反应，路易斯酸位点催化果糖的糖苷化反应。该反应体系中，基于33wt%的葡萄糖工业生产浓度，果糖产率达54.9%，选择性为89.1%，糖回收率达93.3%，有助于推进化学催化葡萄糖异构化的工业实践。相关研究成果以Acid-Base Cascades in Zeotype Single Crystal for Sugar Conversion为题发表于《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）。该论文的第一作者是生物质催化转化研究室博士研究生孙朋垚、王海永副研究员等，通讯作者为王晨光研究员。该研究获得国家自然科学基金项目、广东省重点领域研发计划以及中国科学院青年创新促进会项目资助。近年来，该研究团队在相关领域取得系列进展（Appl. Catal., A，2023；Mol. Catal.，2023；Angew. Chem., Int. Ed.，2023；Angew. Chem., Int. Ed.，2024），为生物质高值化利用开辟了新的途径。论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202318750

2024-01-26

Nature Communications揭示海洋亚中尺度过程对生物碳泵效率的影响

近日，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）海洋模拟与生态动力课题组，在海洋亚中尺度过程对生物碳泵效率的影响研究方面取得新进展，相关成果以“Efficient biological carbon export to the mesopelagic ocean induced by submesoscale fronts”为题，发表在Nature Communications。LTO副研究员郭铭先为第一作者，共同第一作者为自然资源部第二海洋研究所研究员邢小罡，通讯作者为厦门大学教授修鹏，厦门大学高级工程师陈蔚芳和教授柴扉、意大利国家海洋与应用地球物理研究所研究员Giorgio Dall’Olmo为共同作者。海洋中尺度涡旋和亚中尺度动力过程是副热带流涡区营养盐垂向供给的关键途径。以往的研究表明，中尺度涡和亚中尺度过程的加强能够带来营养盐的垂向供给，促进真光层的初级生产力。然而，由于在中小尺度上进行生物地球化学过程的连续高频观测极具挑战，目前对中尺度和亚中尺度等动力过程的碳输出效应依然缺乏明确的认识，这限制了对副热带流涡区固碳能力的准确估算。为了解决上述问题，团队利用高频BGC-Argo的自主观测能力克服常规观测的不足，解析了中尺度涡旋和亚中尺度锋面动力演化过程对POC输出通量及垂向传输效率的影响，并外推量化了亚中尺度动力过程对副热带流涡区生物碳泵效率的贡献。BGC-Argo经历了气旋涡的加强和成熟期（图1a, b），测得的弱光层POC减小速率在加强期低于成熟期，暗示涡旋加强期POC输出通量的增加。该通量在真光层底部为1.68 mmol C m-2 d-1, 且马丁曲线垂向衰减系数b值为1.14，与北太平洋多年的现场观测平均值（POC 通量=1.63 mmol C m-2 d-1, b=1.19）接近（图1c）。上述结果表明涡旋在加强期能增加POC的输出通量，但是，并没有增强POC通量在弱光层的传输效率。图1. 中尺度涡旋加强期弱光层POC通量及其传输效率。(a) 涡旋中心和BGC-Argo的连续轨迹；(b) BGC-Argo在涡内相对位置及海表高度时间序列；(c) 涡内POC通量在弱光层的分布及马丁曲线拟合结果。动力诊断揭示亚中尺度锋面存在加强和衰退期（图2a, c），通过分析这两个时期的POC减小速率，得到锋面加强期POC通量的垂向分布和拟合的马丁曲线（图2b）。在锋面加强期，相对于气旋涡，锋面显著增强了真光层底部的POC输出通量，达到了2.11 mmol C m-2 d-1。此外，马丁曲线衰减系数b值为0.56。弱光层底部和真光层底部的POC通量比值（代表输出效率）在锋面加强期、涡旋加强期分别为37%、12%，而历史观测平均值为10%。因此，在亚中尺度锋面加强期内，POC通量在弱光层的传输效率显著高于中尺度涡旋和历史观测平均值。亚中尺度过程通过增加真光层内营养盐的垂向供给，促进局地大浮游植物（如硅藻）的生长，导致较大颗粒物快速沉降（图2d），可能是其提高POC通量传输效率的潜在机制。除此之外，物理潜沉作用在弱光层的上层对POC通量传输效率的加强也有一定的贡献。图2. 亚中尺度锋面加强期弱光层POC通量及其传输效率。(a) 锋面上BGC-Argo的连续轨迹；(b) 锋面POC通量在弱光层的分布及马丁曲线拟合结果；(c) 理查森数（Ri）的时间序列; (d) 颗粒物后向散射系数（bbp）spike的时间序列。利用副热带流涡区衰减系数（b值）的历史观测数据与反映锋面强度的温度梯度进行回归分析，发现b值与温度梯度呈现明显的负相关关系，表明锋面强度增强会引起b值的降低（图3）。与以往研究经常分析的b值与温度的关系（主要解释POC的矿化过程）有所不同，b值与温度梯度的关系可以解释POC的生产过程。将此线性关系扩展至副热带流涡区，发现本研究计算得到的平均b值与观测更为接近。在海盆尺度上的计算表明，忽略亚中尺度过程可能造成对副热带流涡区深海碳通量的低估达20%~58%。图3. 副热带流涡区马丁曲线衰减系数（b值）历史观测值和海表温度梯度的线性回归关系。北太平洋副热带流涡区是全球海洋CO2的主要汇区之一。目前大部分现场观测或数值模式未考虑海洋亚中尺度过程的影响，这给副热带流涡区的生物碳泵估算带来很大的不确定性。本研究通过BGC-Argo高频观测捕捉并量化事件性的海洋中小尺度过程对局地POC输出通量和传输效率的影响，揭示了亚中尺度动力过程对副热带流涡区生物碳泵效率的加强作用。副热带流涡区是海洋中小尺度动力过程活跃的区域，因此，该研究结果强调了考虑亚中尺度过程对于准确估算副热带流涡区固碳和储碳能力的重要性。该研究获得国家自然科学基金、重点研发计划及广东省自然科学基金等项目的联合资助。相关论文信息：Mingxian Guo, Xiaogang Xing, Peng Xiu, Giorgio Dall’Olmo, Weifang Chen, & Fei Chai. Efficient biological carbon export to the mesopelagic ocean induced by submesoscale fronts. Nature communications, 15, 580 (2024).论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-44846-7

2024-01-25

广州能源所在生物相容有机溶剂分馏生物质及碱性体系木质素保护策略方向获进展

以木质纤维素类生物质为原料制备高价值能源、材料和化学品的生物炼制替代石油炼制是降低温室气体排放和解决化石能源短缺的有效途径之一。木质纤维素类生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，其结构复杂致密，预处理是决定转化水平和经济性的重要步骤。当前，通过木质素优先策略（lignin-first）稳定拆解木质素组分，在获得高活性木质素的同时有效保留原料碳水化合物组分（纤维素和半纤维素），是木质纤维素预处理研究的热点。现有木质素优先策略需要酸性环境，使得预处理过程存在温度高、半纤维素组分损失严重、洗涤用水消耗量大等问题。以木质纤维素类生物质为原料制备高价值能源、材料和化学品的生物炼制替代石油炼制是降低温室气体排放和解决化石能源短缺的有效途径之一。木质纤维素类生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，其结构复杂致密，预处理是决定转化水平和经济性的重要步骤。当前，通过木质素优先策略（lignin-first）稳定拆解木质素组分，在获得高活性木质素的同时有效保留原料碳水化合物组分（纤维素和半纤维素），是木质纤维素预处理研究的热点。现有木质素优先策略需要酸性环境，使得预处理过程存在温度高、半纤维素组分损失严重、洗涤用水消耗量大等问题。针对上述问题，中国科学院广州能源研究所生物质能生化转化研究室庄新姝研究员课题组率先提出了碱性木质素优先策略，并构建了新型的碱性三乙二醇/水（TEG/H2O）预处理体系。在温和条件（90 ）下，甘蔗渣中90%以上的碳水化合物保留在固体残渣中，且无需洗涤即可直接高效酶解；制备得到的溶剂稳定木质素具有高效的热解活性。该研究实现了对甘蔗渣组分的有效拆解和回收，为生物炼制提供了一条绿色高效的组分分离路线。相关研究成果发表于Chemical Engineering Journal，博士研究生李吾环为第一作者，庄新姝研究员和谭雪松副研究员为共同通讯作者。该研究得到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)和广东省自然科学基金(2022A1515012078)等项目的资助。原文链接： https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.148695

2024-01-23

广州健康院发现线粒体DNA突变引发小肠衰老的全新通路与逆转方案

近日，中国科学院广州生物医药与健康研究院刘兴国课题组在Nature Communications发表了文章NAD+ dependent UPRmt activation underlies intestinal aging caused by mitochondrial DNA mutations9。该研究发现，老龄动物的肠中线粒体DNA低频点突变（0.005-0.05）的特异积累。近日，中国科学院广州生物医药与健康研究院刘兴国课题组在Nature Communications发表了文章NAD+ dependent UPRmt activation underlies intestinal aging caused by mitochondrial DNA mutations9。该研究发现，老龄动物的肠中线粒体DNA低频点突变（0.005-0.05）的特异积累。利用动物模型和类器官技术论证线粒体DNA突变累积会导致肠道衰老过程中NADH/NAD+氧化还原态的消耗，并通过激活转录因子5（Activating transcription factor 5, ATF5)依赖的线粒体未折叠蛋白反应(mitochondrial unfolded protein response, UPRmt)激活，损伤Wnt/ -catenin信号和耗竭肠干细胞以引发肠衰老，并进一步开发了通过补充NAD+前体NMN（烟酰胺单核苷酸）的逆转衰老方案。“廉颇老矣，尚能饭否”和“一饭三遗矢”这两个成语都出自《史记廉颇蔺相如列传》，分别指的是衡量人的衰老看他的饭量，及短时间内跑了三趟厕所说明年老。自古以来，肠道的器官稳态失衡被认为与个体衰老密切相关。肠上皮是成年哺乳动物中自我更新速度最快的组织，约4-5天更新一次。成年人的肠上皮由形成绒毛的分化细胞和隐窝中的干细胞组成。肠干细胞可以分化为不同的上皮细胞，从而形成有序的肠道结构，以维持肠道稳态和吸收、分泌、屏障和抗微生物功能等基本功能。然而，肠衰老的标志物及应答信号通路还不清楚。目前认为，线粒体功能障碍是细胞衰老的重要原因。研究表明，老年人类临床肠道样本存在线粒体DNA突变的积累。然而，随着年龄的增长，线粒体DNA突变累积是否以及如何调控肠衰老？这依然是未知之谜。该团队揭示了自然衰老动物的肠线粒体DNA突变随年龄变化的规律，并鉴定了类型为线粒体DNA低频点突变（0.005-0.05）。为了回答线粒体DNA突变对肠衰老的因果作用，研究团队使用了线粒体DNA突变（线粒体DNA聚合酶 ——POLG突变）小鼠，这一广泛应用研究线粒体DNA突变引发衰老的实验模型。团队使用POLG突变小鼠和野生型鼠产生了四类不同线粒体DNA突变率的小鼠，其中POLG突变纯合子小鼠的线粒体DNA突变率最高，并且和自然衰老小鼠一样，主要积累低频点突变（0.005-0.05）。结合肠类器官技术和肠干细胞内源标记技术，结果发现，相同月龄下仅POLG突变纯合子小鼠更早出现了肠衰老的表型，展示出肠类器官分化程度低和肠干细胞数量锐减的现象，说明高负担的线粒体DNA突变能促进肠衰老的发生。这为肠衰老提供了线粒体DNA低频点突变（0.005-0.05）这一新的生物标记。团队通过多组学分析和实验抽丝剥茧，定位到线粒体相关的通路，及NADH/NAD+氧化还原态的消耗，从而导致肠功能中发挥重要作用的Wnt/ -catenin信号衰减。进一步，通过NAD+前体NMN回补挽救了肠衰老表型，包括肠类器官分化和肠干细胞数量在一定程度上的恢复。研究人员发现高负担的线粒体DNA突变导致NAD+缺失，激活了转录因子ATF5依赖的UPRmt这一全新通路，进而促进和加剧了肠衰老表型的发生。值得一提的是，UPRmt被各种线粒体应激激活，包括线粒体与细胞核的蛋白失衡和线粒体蛋白运输障碍等。UPRmt的标志是 LONP1、HSP60 和 ClpP 蛋白表达增加。而线粒体DNA 突变引发的衰老UPRmt 激活中，仅有 LONP1 蛋白特异上调，为肠衰老提供了候选标志物。综上，该研究成果首次回答了衰老累积的线粒体DNA突变与哺乳动物肠衰老之间因果关系的基本问题，鉴定了其中线粒体DNA低频点突变（0.005-0.05）与LONP1 蛋白特异上调两个标志物，发现了从线粒体DNA突变，到线粒体反向信号、干细胞耗竭、细胞间信号，再到器官衰老的多层次时空机制，为延缓肠衰老提供了全新的思路、靶点和策略。“红影瘦尽晚春光，华发鬓生却斜阳”，当辛弃疾感叹风流总被雨打风吹去的青春易逝时，留下了千古之问：“凭谁问，廉颇老矣，尚能饭否？”。此情垂泪，一线一粒，更那堪断人肠。这恰似本文线粒体引发肠衰老之“线粒体断肠”。本研究与广州医科大学、中国科学院香港创新研究院、香港中文大学和新西兰奥克兰大学等多个研究组合作完成。本研究获国家重点研发项目、中国科学院、国家自然科学基金、广东省和广州市的经费支持。论文链接线粒体DNA突变引发肠衰老机制与逆转方案

2024-01-23

广州地化所：多主量元素稳定同位素联合示踪循环洋壳

地球不同圈层之间的相互作用塑造了如今的宜居环境。板块构造运动是地球深部和浅部圈层之间相互作用的核心机制。新生洋壳不断地在洋中脊生成，并通过板块构造运动循环至深部地幔。循环洋壳及上覆沉积物在俯冲过程中会相变，形成高密度的榴辉岩。这些循环榴辉岩的加入是改造深部地幔（如成分和岩性不均一）的主要方式之一。鉴别并约束循环榴辉岩在深部地幔的命运对板块构造理论具有重大意义。　　相较于地幔，循环物质富集不相容元素且具有不同的放射性同位素组成。因此，长期以来幔源岩浆中的这些地球化学组分被用于研究壳幔相互作用。由于循环物质多为易融组分，虽然极小量的循环物质的加入不会改变地幔源区的岩性，但是可以造成派生熔体中具有强烈的循环物质信号。相对于微量元素，主量元素通常进入到矿物的晶格中，控制着源区的岩性，其稳定同位素组成能从岩石学角度反映地幔源区异常。例如，俯冲蚀变洋壳转变而来的榴辉岩本身具有与地幔不一样的Ca-Fe-Mg同位素组成，同时Ca-Fe同位素的分馏对榴辉岩相矿物组合敏感。特别地，由于岩石圈相对亏损Ca，深部地幔岩浆在穿越巨厚的岩石圈后，其初始Ca同位素组成理论上更易于被保存。这意味着Ca同位素与其他主量稳定同位素联用在示踪循环洋壳方面具有巨大的优势。目前，天然榴辉岩熔体的Ca同位素组成，以及榴辉岩熔体在地幔迁移反应过程中Ca同位素组成的变化仍然需要进一步进行研究。　　中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室地幔地球化学学科组邹宗琪博士、徐义刚院士联合中国地质大学（武汉）汪在聪教授、西北大学陈立辉教授和王小均副教授，通过对东北新生代钾质玄武岩进行Ca同位素分析，并结合同一套样品的Fe-Mg同位素，对以上问题进行约束。结果表明榴辉岩化的循环沉积物部分熔融产生了低MgO的初始熔体（图1）。该熔体具有轻Ca-Mg同位素和重Fe同位素的特征（图2-3）。初始熔体的Ca同位素组成显著低于MORB值，并且该特征在后续穿越岩石圈（贫CaO,富FeO和MgO）的过程中未被岩石圈改造。而初始熔体的Fe-Mg同位素组成则随着反应逐级趋向于地幔值（图3-4）。这一研究表明了Ca同位素是示踪榴辉岩的高效示踪剂。将Ca-Fe-Mg同位素结合，可以有效鉴别岩石圈对穿越其中的榴辉岩熔体的改造作用，进一步建立成分不均一和岩性不均一之间的联系（图4）。　　该研究已发表在国际地球科学领域著名期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》上，本研究受国家自然科学基金青年基金项目（42203006)、国家自然科学基金基础科学中心项目(42288201)以及南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）人才团队引进重大专项（GML2022006）等基金联合资助。　　论文信息：Zou, Zongqi (邹宗琪), Wang, Zaicong* (汪在聪), Wang, Xiao-Jun* (王小均), Xu, Yi-Gang (徐义刚), Chen, Li-Hui (陈立辉), Wang, Meiling (王美玲), Feng, Lanping (冯兰平), Li, Ming (李明), Liu, Yongsheng (刘勇胜) (2024), Calcium isotopic compositions of eclogite melts and negligible modification during reaction with lithospheric mantle. Geochim. Cosmochim. Acta 367, 58-71. https://doi.org/10.1016/j.gca.2023.12.031 论文链接图1，放射性同位素(如Sr-Nd-Pb同位素)和主量元素（如MgO）以及Mg(Fe)同位素之间的线性关系，表明该套玄武岩样品由高MgO端元和低MgO端元混合形成。低MgO端元具有低CaO/Al 2O 3，高Dy/Yb，重Fe同位素和轻Mg同位素特征。这一低MgO熔体来自循环的榴辉岩部分熔融。图2，来自榴辉岩的低MgO熔体的Ca同位素组成约为0.67-0.75‰，低于MORBs值（0.85 0.09 ‰)。虽然碳酸盐化橄榄岩部分熔融可以生成具有较轻的Ca同位素组成的熔体，但该熔体通常具有高CaO/Al 2O 3的特征，显著不同于东北钾质玄武岩样品。东北钾质玄武岩的Ca同位素组成和MgO， Nd以及Dy/Yb等指标之间无线性关系。而OIBs的Ca同位素组成展现出榴辉岩熔体和橄榄岩组分混合的趋势。图3，(a-b) 在地幔中，Ca主要赋存于单斜辉石、石榴石和碳酸盐中。地幔橄榄岩中单斜辉石是Ca的主要赋存矿物，而单斜辉石和硅酸盐熔体之间的Ca同位素分馏极小。因此，典型的地幔橄榄岩部分熔融产生的Ca分馏一般较小（<0.1‰）。而原岩为蚀变洋壳及沉积物的榴辉岩其Ca同位素比橄榄岩地幔偏轻。另一方面，在榴辉岩中Ca受控于石榴石和单斜辉石，且石榴石相对硅酸盐熔体更富集重的Ca同位素。因此，榴辉岩部分熔融可以形成具有轻Ca同位素组成的熔体。（c-d）低MgO熔体在向上迁移的过程中与亏损岩石圈反应 (SCLM+melt1=Opx+melt2)，形成高MgO玄武岩。这一过程导致初始熔体的Mg-Fe同位素显著变化（岩石圈富集FeO和MgO），而岩石圈对Ca同位素组成的改造极弱 (~0.66-0.78‰)。图4，Ca同位素是示踪榴辉岩的有力示踪剂，并且将Ca-Fe(Mg)同位素结合，可以有效鉴别岩石圈对穿越其中的榴辉岩熔体的改造作用。同时，OIBs中随着榴辉岩信号的减弱（如Dy/Yb），榴辉岩熔体特征的Ca同位素组成也逐渐被橄榄岩组分稀释（图2），显著不同于东北钾质玄武岩。由于洋壳较薄，地幔柱温度较高，在地幔柱减压过程中，其橄榄岩也发生部分熔融，形成富CaO，FeO和MgO的熔体，从而在地幔源区与榴辉岩熔体混合，并稀释了榴辉岩的Ca-Fe-Mg信号。因此，将Ca-Mg-Fe同位素结合，能够在有效鉴别榴辉岩的同时，有效地揭示地幔源区的岩浆动力学过程。

2024-01-23

广州地化所：铜同位素约束洋壳岩浆储运系统

地幔作为地球最大的地质构造单元，其物质组成记录了大量的地球演化信息，同时其动力学过程也显著影响地球浅部圈层。俗话说，上天容易，入地难。现阶段直接测量地幔的物质组成信息和动力学过程存在巨大挑战。而在洋底绵延数万公里的洋中脊玄武岩作为全球最大规模的幔源岩浆，成为了地质学家们的首选目标，为了解地球深部物质组成和深部动力学过程提供了大量的数据基础。然而喷发的岩浆作为汇聚熔体，许多继承自地幔源区和岩浆过程的地球化学信息会在洋壳汇聚过程中（岩浆储运系统，magma plumbing system）被均一化，从而导致许多深部信息被抹除。因此，了解这些壳内岩浆过程不仅仅对洋壳的形成与演化非常必要，同时也对如何使用洋中脊玄武岩来反演深部地幔的物质组成和动力学至关重要。　　相较于最终喷发的岩浆，下洋壳的堆晶岩则记录了更为丰富的洋壳演化信息。这些堆晶一旦从熔体分离并堆积在下洋壳，它们的地球化学成分便实时记录了对应熔体的信息。特别地，相比亲石元素，亲铜元素在硫化物饱和的高温岩浆过程中，其行为主要受控于硫化物。而硫化物作为副矿物，在堆晶岩石中被硅酸盐矿物所包围或者包裹，可以极大程度地与后续岩浆过程隔离。与此同时，硫化物的分离结晶可以造成硫化物Cu同位素的巨大变化。因此，下洋壳堆晶岩的Cu同位素组成可以更为简单、高效地揭示洋中脊岩浆储运系统。　　为此，中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室地幔地球化学学科组邹宗琪博士、徐义刚院士联合中国地质大学（武汉）汪在聪教授以西南印度洋的下洋壳辉长岩堆晶和来自不同扩张速率的洋中脊玄武岩为研究对象，从Cu同位素的角度探究洋壳岩浆储运系统，主要取得以下认识：　　（1）下洋壳（辉长岩）的Cu同位素组成极不均一 ( 65Cu = -1.14 ‰ to 0.87 ‰)，而来自全球不同构造背景的洋中脊玄武岩则具有非常均一的Cu同位素组成 ( 65Cu = 0.08 0.08 ‰)。上、下洋壳之间显著的Cu同位素差异，表明了岩浆储运系统具有高效的均一化作用（图1）。　　（2）虽然洋中脊玄武岩经历了不同程度的硫化物分离结晶且硫化物富集轻的Cu同位素组成，但是洋中脊玄武岩的Cu同位素组成并没有变重（图2）。我们的模拟结果表明，洋壳岩浆房作为一个开放体系，多期次的初始岩浆的填充、熔体-堆晶反应（消耗富集轻Cu同位素的硫化物）以及熔体混合等过程可以平衡硫化物分离导致的Cu同位素分馏，从而形成Cu同位素与平均地幔值一致的洋中脊玄武岩（图2-4）。　　（3）虽然部分熔融、熔体-岩石反应和分离结晶等过程会造成Cu同位素的显著变化，但是这些过程引起的Cu同位素变化可以被岩浆储运系统高效均一化（图3）。洋中脊玄武岩的Cu同位素组成可以代表地幔源区的Cu同位素平均值。结合高熔融程度成因的科马提岩，我们得出硅酸盐地球的Cu同位素组成为0.08 0.08 ‰。类似地，洋中脊玄武岩的不相容元素的同位素和不相容性相似元素的比值可以代表其地幔源区的平均值。　　该研究已发表在国际地球科学领域著名期刊《Earth and Planetary Science Letters》上，本研究受南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）人才团队引进重大专项（GML2022006）、自然科学基金基础科学中心项目(42288201)以及国家自然科学基金青年基金项目（42203006)等基金的联合资助。　　论文信息：Zou, Zongqi (邹宗琪), Wang, Zaicong* (汪在聪), Xu, Yi-Gang (徐义刚), Ciazela, Jakub, Wang, Xia (王霞), Foley, Stephen, Zhang, Wei-Qi (张维骐), Li, Wei (李伟)，Li, Ming (李明), Liu, Yongsheng (刘勇胜) (2024), Contrasting Cu isotopes in mid-ocean ridge basalts and lower oceanic crust: Insights into the oceanic crustal magma plumbing systems. Earth Planet. Sci. Lett. 627 118563. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2023.118563. 论文链接图1，（a-b）洋中脊玄武岩（MORBs）经历了不同程度的硫化物分离结晶。(c-d) 洋中脊玄武岩依然具有原始地幔特征的、均一的Cu同位素组成，显著不同于下洋壳（辉长岩）极其不均一的Cu同位素组成。图2，（a）中高程度部分熔融过程产生的Cu同位素分馏极小。（b）MORBs经历不同的硫化物分离结晶，按照理论计算，其Cu同位素组成会逐渐变重，显然与MORBs均一的Cu同位素组成不一致。（c-f）我们的模拟结果表明洋壳壳内岩浆储运系统的多期次的岩浆填充、地幔或者堆晶硫化物再溶解、岩浆喷发和分离结晶过程可以形成Cu同位素均一的MORBs。图3，地幔的Cu同位素不均一，以及岩浆迁移演化过程中产生的Cu同位素变化可以被洋壳壳内岩浆储运系统高效均一化。由于部分熔融、熔体-橄榄岩反应可以造成橄榄岩巨大的Cu同位素变化。因此，在对硅酸盐地球的Cu同位素组成进行约束时，将橄榄岩包括在内会导致估计值得范围较大。因此，本研究使用MORBs和科马提岩得Cu同位素数据对硅酸盐地球的Cu同位素组成进行估计，得出 65Cu BSE = 0.08 0.08 ‰。图4，洋壳壳内岩浆储运系统模式图。

2024-01-23

华南植物园揭示全球陆表大气实际水汽压增速减缓的现象和原因

近些年，除了传统的土壤干旱，大气干旱（即饱和水汽压差增加）受到了越来越多的关注和研究。大气饱和水汽压差（ VPD ）表征了大气饱和水汽压（ SVP ）与实际水汽压（ AVP ）的差值（即VPD = SVP-AVP ）。VPD增加意味着通过植物蒸腾和土壤蒸发作用散失到大气中的水汽含量增加，这会在很大程度上增加植被受水分胁迫的程度。但关闭气孔的同时也会限制植物对CO2的摄取，从而降低植物光合作用，进而限制植被生长。全球变暖背景下，温度上升会引起全球饱和水汽压（ SVP ）增加，进而引起全球大气干旱加剧。全球海洋大气实际水汽压1975 -2 019年的变化。近些年，除了传统的土壤干旱，大气干旱（即饱和水汽压差增加）受到了越来越多的关注和研究。大气饱和水汽压差（VPD）表征了大气饱和水汽压（SVP）与实际水汽压（AVP）的差值（即VPD=SVP-AVP）。VPD增加意味着通过植物蒸腾和土壤蒸发作用散失到大气中的水汽含量增加，这会在很大程度上增加植被受水分胁迫的程度。植物为了减少水分损失，会关闭气孔；但关闭气孔的同时也会限制植物对CO2的摄取，从而降低植物光合作用，进而限制植被生长。全球变暖背景下，温度上升会引起全球饱和水汽压（SVP）增加，进而引起全球大气干旱加剧；然而AVP能否与SVP以相同的速度增加，仍鲜有报道。中国科学院华南植物园生态中心徐文芳副研究员等科研人员，利用多源陆地和海洋的观测、再分析数据，探究了自上世纪末以来全球陆表大气实际水汽压增速减缓的现象及原因。该研究基于1975-2019年陆地和海洋大气实际水汽压的观测和再分析数据，发现了1975-1998年期间陆地和海洋的AVP显著增加，但这种增速自1998年后显著变缓。该现象在五种数据集均有体现（CRU，GSOD，HadISDH.land，HadISDH.Marine，和ICOADS数据集）。本研究进一步分析发现，自上个世纪末以来全球陆表大气水汽压增速减缓现象是由于来自海洋蒸发减少和陆地蒸散发降低所致；而海洋和陆地的蒸散发变化又受到了海表温度、近地面温度、风速等变化的影响。全球变暖背景下，SVP随温度升高而指数增加，1998年后SVP继续以相近的速度继续增加，但1998年后AVP的增速显著减缓，进一步加剧了全球大气干旱的程度。该项研究在全球尺度强调了实际水汽压变化对加剧大气干旱的重要作用，对全球变化背景下陆地生态系统碳-水循环过程的研究具有重要意义。相关研究已近期发表在学术期刊Geophysical Research Letters（《地球物理研究通讯》）（Nature Index检索杂志，中国科学院地球科学一区TOP期刊）。华南植物园徐文芳副研究员为第一作者，北京大学朴世龙教授和袁文平教授（通讯作者）、华南植物园武东海研究员、中山大学杨崧教授、黎伟标教授和夏晓圣博士为论文合作者。该研究得到了国家自然科学基金、广东省重点研发计划和中国科学院华南植物园项目的共同资助。论文链接：https://doi.org/10.1029/2023GL107909图1. 全球陆地大气实际水汽压1975-2019年的变化图2. 全球海洋大气实际水汽压1975-2019年的变化

2024-01-20

广州健康院揭示人滋养外胚层谱系调控新机制

近日，中国科学院广州生物医药与健康研究院在 Nature Communications 期刊发表了题为“VGLL1 cooperates with TEAD4 to control human trophectoderm lineage specification”的文章，成功地解析了VGLL1/TEAD4复合物调控人类na？ve多能干细胞来源的滋养外胚层谱系中细胞命运决定和自我更新的作用机制。近日，中国科学院广州生物医药与健康研究院在 Nature Communications 期刊发表了题为“VGLL1 cooperates with TEAD4 to control human trophectoderm lineage specification”的文章，成功地解析了VGLL1/TEAD4复合物调控人类na？ve多能干细胞来源的滋养外胚层谱系中细胞命运决定和自我更新的作用机制。人类胎盘主要由囊胚期的滋养外胚层发育而成。滋养外胚层的异常发育分化将导致胚胎着床失败或者胎盘功能障碍，继而引发严重的妊娠疾病，增加胎儿的流产率和死亡率。因此，探索滋养外胚层谱系调控机制对于胚胎早期发育领域至关重要。本项研究首先基于团队前期开发的4CL na？ve人多能干细胞(PSCs)培养体系成功分化得到了滋养外胚层样细胞（TELCs）和滋养外胚层干细胞（TSCs），并且发现转录辅因子VGLL1是TELCs分化和TSCs维持的关键调节因子。在TELCs和TSCs中，敲除VGLL1导致细胞周期基因和TE/TSC相关基因的表达下调，影响了细胞的增殖和分化特性。VGLL1与转录因子TEAD4相互作用，通过增加靶位点处H3K27ac水平影响细胞周期基因和TE/TSC相关基因的染色质开放性。这与之前研究中TEAD4在癌细胞中促进组蛋白乙酰化的作用是一致的。与na？ve PSCs相比，TEAD4在TELCs中的作用模式部分重塑和拓展，招募VGLL1是细胞命运决定的关键步骤。此外，研究团队通过探索不同因子与TEAD4之间的潜在功能关系发现，除YAP和WWTR1之外，VGLL1作为TEAD4的强辅因子，为保护人类TE的正常发育增加了灵活性。且VGLL1/TEAD4复合物与GATA3和TFAP2C协同作用，是滋养外胚层调控网络的重要组成部分。值得注意的是，VGLL1在灵长类滋养外胚层中高表达，但在小鼠中几乎不表达，这也表明了早期滋养外胚层谱系分化中可能存在的种间差异。综上，该研究成功地揭示了VGLL1/TEAD4复合物是人滋养外胚层谱系中细胞命运决定和自我更新的核心调节因子，为人类滋养外胚层功能与胚胎植入失败等临床问题提供了新的研究视角。吉林大学硕士生杨月丽和中国科学院广州生物医药与健康研究院博士生贾雯淇为该论文的共同第一作者。中国科学院广州生物医药与健康研究院李文娟副研究员，Md. Abdul Mazid副研究员与Miguel A. Esteban研究员为该论文的共同通讯作者。该研究成果得到了国家自然科学基金，广东省基础与应用基础研究基金，广东省科技计划项目，广州市科学技术基金，中国科学院国际人才计划（CAS-PIFI），外国青年人才计划等资助。论文链接VGLL1/TEAD4复合物调控人滋养外胚层谱系的示意图

2024-01-19