科研进展--中国科学院广州分院

广州地化所曾建强、张艳利、王新明等-JGR-A：光依赖和非光依赖BVOCs排放季节变化截然不同

植物生理有显著季节变化，其释放的高活性挥发性有机物（BVOCs）也因此不同，但关于BVOCs排放季节性变化规律存在严重分歧，其驱动机制也不十分清楚。热带/亚热带地区是全球BVOCs排放热点地区，当前BVOCs排放模型主要基于温带植物而开发，其在热带/亚热带生态系统的适用性还未得到较好验证。针对这些问题，中国科学院广州地球化学研究所王新明研究员和张艳利研究员研究组曾建强博士后等，通过对亚热带典型优势树种尾叶桉（Eucalyptus urophylla）季节性BVOCs排放观测，发现BVOCs根据光依赖因子（LDF）可分为三种类型（图1）：完全依赖光（LDF=1）、部分依赖光（LDF=0-1）、完全不依赖光（LDF=0）。进一步表明，BVOCs排放存在明显的季节性，但光依赖（包括LDF=1 & 0-1）和非光依赖BVOCs表现截然不同：从干季到湿季光依赖BVOCs排放增加，非光依赖BVOCs排放降低（图2）；温度是驱动BVOCs排放季节性的关键因素，且光依赖BVOCs排放与生长温度正相关而非光依赖BVOCs与生长温度负相关。当前模型能够较好模拟异戊二烯的季节性（图3），但对单萜烯模拟明显不足：非光依赖单萜烯（如α-蒎烯）的季节性模拟与实测相反，光依赖单萜烯（如β-罗勒烯）的季节性被模型低估近30倍（图4）。尤其值得关注的是，炎热湿季植物排放更多的高活性BVOCs（如异戊二烯、β-罗勒烯）以抵抗热胁迫，从而导致其排放BVOCs的总OH和O3反应性相较于温暖干季分别增加276%和452%。以上结果表明，植物可策略性改变其BVOCs排放以应对环境胁迫，进而对大气反应性和生物圈-大气圈相互作用过程产生影响与反馈作用。因此，当前模型需要针对不同BVOCs类型（特别是单萜烯）改进其机制以更好地解释热带和亚热带生态系统中BVOCs排放的复杂性。本研究受到国家自然科学基金委创新研究群体项目、国家重点研发计划项目、广东省科技厅、广州市科技局等项目的联合资助。相关研究成果近期发表在Journal of Geophysical Research: Atmospheres期刊。论文信息： Zeng,J. (曾建强),Zhang,Y.* (张艳利),Pang,W. (庞伟华),Ran,H. (冉浩汎), Mu,Z. (牟兆斌),Guo,H. (郭昊),Lu,Y. (鲁钰婷),Song,W. (宋伟),and Wang,X.* (王新明), 2025. Contrasting Emission Seasonality Between Light-Dependent and Light-Independent Biogenic VOCs From Subtropical Eucalyptus Trees. Journal of Geophysical Research: Atmospheres,130,e2025JD043387. https://doi.org/10.1029/2025JD043387 Zeng,J. (曾建强),Zhang,Y.* (张艳利),Pang,W. (庞伟华),Ran,H. (冉浩汎), Mu,Z. (牟兆斌),Guo,H. (郭昊),Lu,Y. (鲁钰婷),Song,W. (宋伟),and Wang,X.* (王新明), 2025. Decoupling Temperature and Light Effects on Terpene Emissions From Subtropical Eucalyptus: Insights From Controlled Field Experiments. Journal of Geophysical Research: Atmospheres,130,e2024JD042616. https://doi.org/10.1029/2024JD042616图1. 聚类分析确定不同BVOCs的排放机制；de novo为全依赖光（LDF=1），pool为不依赖光（LDF=1），de novo + pool为部分依赖光（LDF=0-1）图2. 不同单萜烯（a,c）和倍半萜烯（b,d）排放因子及其组成的季节对比图3. 模拟的标准化异戊二烯排放因子与实测结果强线性相关（a）；模拟-实测的标准化异戊二烯排放因子趋势对比（b）图4. 模拟的标准化β-罗勒烯排放因子与实测结果对数相关（a）；将模型季节温度驱动机制系数提升7倍后，模拟结果与实测值线性相关（b）

2025-09-03

华南植物园揭示光敏色素phyB稳定转录因子BP/KNAT1促进光诱导种子萌发的分子机制

近日，中国科学院华南植物园刘勋成团队在植物科学领域著名期刊《Plant Communications》上发表了题为“Phytochrome B stabilizes the KNOX transcription factor BP/KNAT1 to promote light-initiated seed germination in Arabidopsis thaliana”的研究论文。该研究阐明，拟南芥KNOX家族转录因子BP/KNAT1在光诱导种子萌发过程中起正调控作用。红光/远红光受体——光敏色素phyB能够直接与BP蛋白互作，通过降低其泛素化修饰水平，促进其在吸胀种子中的蛋白积累。进一步研究发现，BP直接抑制ABA生物合成关键基因NCED6与NCED9的表达，从而降低内源ABA含量，促进种子萌发。该研究不仅揭示了光诱导种子萌发通路中的一个关键正调控因子，也深化了对phyB介导的光促萌发机制的理解，为未来培育具有理想萌发特性的作物品种提供了重要的理论依据。1、研究背景萌发是种子植物生命周期的起点，其精准调控对选择适宜的萌发条件至关重要。在多种环境因子中，光作为关键调控因素之一，被一系列光受体感知，包括光敏色素（phytochromes）、隐花色素（cryptochromes）、向光素（phototropins）和UVR8。其中，光敏色素作为红光/远红光受体，在光诱导的种子萌发中起核心作用，尤以phyB最为重要。红光激活phyB以启动萌发，而远红光则通过使其失活从而抑制萌发。在植物激素方面，脱落酸（ABA）和赤霉素（GA）分别作为负向和正向调节因子参与萌发调控。phyB介导的光信号通路依赖于与ABA和GA信号的协同互作。然而，长期以来，“光–phyB–ABA”途径中的核心调控因子及其分子机制仍不明确。2、主要研究内容（1）BP是phyB介导的光促进种子萌发途径中的正调控因子研究团队鉴定出拟南芥KNOX家族转录因子BP/KNAT1是光诱导种子萌发通路中的一个新组分。在phyB激活条件下，BP突变体的种子萌发率显著低于野生型，而BP过表达株系则表现出显著提高的萌发率。遗传分析表明，在phyB突变体中过表达BP可部分回复其萌发缺陷表型。这些结果证实BP在遗传上作用于phyB的下游，正向调控光依赖的种子萌发过程（图1）。图1. BP是phyB介导的促进种子萌发过程中的正调控因子（2）phyB与BP直接互作并通过降低BP的泛素化水平促进其蛋白积累基于phyB与BP之间的遗传互作关系，研究团队进一步探究了二者在蛋白水平上的相互作用。酵母双杂交、荧光素酶互补及免疫共沉淀等实验结果表明，BP在体内和体外均能与phyB发生直接互作。为研究phyB对吸胀种子中BP蛋白稳定性的影响，研究人员分别构建了在phyB突变体和过表达株系背景下的BP转基因材料。免疫印迹分析显示，phyB过表达可促进BP蛋白的积累，而phyB缺失则导致BP蛋白水平降低。进一步的体外降解实验及MG132处理实验证明，phyB通过减少BP的泛素化修饰，从而抑制26S蛋白酶体介导的降解途径，增强BP蛋白的稳定性（图2）。图2. PhyB与BP互作降低其泛素化水平从而促进其在吸胀种子中的积累（3）BP直接结合NCED6/9并通过提高H3K27me3修饰水平抑制其表达转录组分析显示，在phyB激活条件下，BP与phyB共同抑制萌动种子中ABA的生物合成及其信号转导途径。进一步的转录调控分析表明，BP能够在体内和体外直接结合NCED6/9基因，并通过提高其组蛋白H3K27me3修饰水平以抑制表达；而在phyB缺失背景下，BP对NCED6/9的结合能力及转录抑制效应均显著减弱。ABA含量测定结果发现，在phyB激活时，BP突变体中的ABA含量明显高于野生型，而在phyB失活条件下则无显著差异。遗传分析表明，NCED6/9在遗传上位于BP的下游，参与光调控的种子萌发过程。以上结果说明，在phyB激活的萌发途径中，BP通过增强NCED6/9基因位点的H3K27me3修饰水平抑制其转录，从而减少ABA的生物合成（图3）。图3. BP通过抑制NCED6和NCED9表达降低ABA生物合成综上，研究团队揭示了光诱导种子萌发过程中“phyB–BP–NCED6/9”级联模块的核心分子调控机制：在黑暗或远红光（phyB 失活）条件下，吸胀种子中的BP蛋白高度泛素化并被26S蛋白酶体降解，同时NCED6/9大量表达，导致ABA水平升高，从而抑制种子萌发；而在强光或红光（phyB 激活）条件下，phyB 与 BP 结合并通过去除其泛素化修饰以稳定该蛋白；积累的BP蛋白进而抑制NCED6/9的表达，降低ABA含量，最终促进种子萌发（图4）。图4. 光诱导种子萌发中phyB-BP-NCED6/9级联调控作用模式3、研究团队中国科学院华南植物园辜大川副研究员、博士研究生王雅寒与华南农业大学赵明磊副教授为本论文的共同第一作者，中国科学院华南植物园刘勋成研究员为通讯作者。广东省农业科学院吴淑华助理研究员、华南植物园郑枫助理研究员、博士研究生陈航聪和纪茹君，硕士研究生金霞、邓玲与许婧妍也参与了本项研究工作。本研究得到国家自然科学基金、“天山英才”科技创新团队项目与中国科学院青年创新促进会优秀会员项目资助。论文链接：https://www.cell.com/plant-communications/fulltext/S2590-3462(25)00279-2

2025-09-05

广州能源所在面向零碳园区的冷热汽耦合供能系统研究中取得进展

中国科学院广州能源研究所地热能与节能技术研究中心基于自研的大温差冷热双供热泵、超高温直接蒸发式蒸汽热泵、高效蓄冷蓄热等核心技术及装备，构建了一种以绿色电力作为驱动能源的冷热汽耦合供能系统，可以同时供应 4-20℃冷水、50-95℃热水和 100-170℃饱和蒸汽，满足零碳工业园区的生产制造能源需求。建设零碳园区是我国锚定碳中和目标的重大战略举措。《关于开展零碳园区建设的通知》中强调，“积极稳妥推进碳达峰碳中和，加快经济社会发展全面绿色转型，支持有条件的地区率先建成一批零碳园区。”传统工业供能系统的冷能和热能相互独立。其中工业供蒸汽和供热主要依靠蒸汽管网加热，其热量来自于天然气、煤炭等化石能源，碳排放系数大，蒸汽管网自身的散热损失大，直接用于加热热水时的㶲损大；工业供冷主要依靠蒸汽压缩循环的电制冷，需要消耗电力获取工艺所需的冷量，过程中必须通过冷却塔向环境排放低品位废热。针对以上问题，中国科学院广州能源研究所地热能与节能技术研究中心基于自研的大温差冷热双供热泵、超高温直接蒸发式蒸汽热泵、高效蓄冷蓄热等核心技术及装备，构建了一种以绿色电力作为驱动能源的冷热汽耦合供能系统（如下图1所示），可以同时供应4℃~20℃冷水、50℃~95℃热水和100℃~170℃饱和蒸汽，满足零碳工业园区的生产制造能源需求。该系统实施路径分3个阶段。第一阶段，回收工业高温余热，例如二次乏蒸汽、冷凝水、空压机余热等，采用直接换热的方式，提高能源的利用效率；第二阶段，采用高温工业热泵将低品位的余热提升至高温热水，或采用大温差冷热双供热泵同时供应工艺冷水和高温热水；第三阶段，采用超高温蒸汽热泵，利用制备的高温热泵，供应100℃~170℃蒸汽，最终形成电力驱动的冷能、热能、蒸汽的耦合供能系统。科研团队针对啤酒加工、工业饮料等行业逐步构建冷热汽耦合供能系统的典型案例，相关项目成果和示范应用已在部分企业落地。图1 基于热泵+的冷热汽电耦合供能系统“三步走”路线图研究中心具有一系列高效节能技术及装备产出，先后研制出动态冰浆制备机组（2006年），建成了潜热输送示范工程（2008年）、国产化燃气热泵机组（2020年），研制了国内170℃蒸汽热泵机组（2023年），搭建了覆盖0℃~20℃供冷、50℃~95℃供热、100℃~170℃供蒸汽的工业热泵系列装备，为构建吨级绿色电能驱动的冷热汽电耦合供能系统提供了热泵核心装备及系统解决方案，致力于支撑国家零碳园区战略的实施。图2 中国科学院广州能源研究所先进热泵产品图谱

2025-09-05

南海海洋所 | 研究团队大幅度优化南海北部内孤立波三维数值模型及其预报精度

近日，中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境与岛礁生态全国重点实验室海洋环境模拟与应用技术研究团队在南海北部内孤立波三维数值模拟研究方面取得新进展。团队推出了南海北部内孤立波数值模型的新版本（ISWNM-NSCS v2.0，图1），显著提升了内孤立波特征预报的精度与稳定性。相关成果以“ISWNM-NSCS v2.0: advancing the internal solitary wave numerical model with background currents and horizontally inhomogeneous stratifications”为题，发表在《Geoscientific Model Development》期刊上。图1 南海北部内孤立波三维数值模型v2.0模拟结果南海北部内孤立波主要是由来自太平洋的潮流通过吕宋海峡水下陡峭的海脊所激发产生的一种大振幅强非线性内波，对海洋混合、生态环境、海洋工程及水下航行安全等具有重要影响。受南海北部复杂地形和背景环流影响，如何精确预报内孤立波的生成传播演变规律具有很大的挑战性。本研究在原有模型ISWFM-NSCS v1.0的基础上（Gong et al.,2023,GMD），进一步引入了背景流场和水平非均匀层化结构（图2），以更真实地刻画内孤立波的传播时间、垂向振幅、波致流速、半波宽度和传播方向等关键特征。同时，通过优化水平与垂直方向的黏性和扩散系数，在保证模型数值稳定性的前提下，有效延长了模型的预报时效；基于东沙岛附近现场观测数据对模型性能进行了系统评估，并开展了一系列敏感性试验，以分析各项更新的独立贡献。与上一代模型相比（图3），ISWNM-NSCS v2.0 在内波到达时间预报方面精度提升37%，垂向振幅精度提升34%，波致流速精度提升25%，半波宽度预报能力显著提高85%。该模型的成功研发将为海洋环境安全保障、海洋资源开发和可持续发展等提供更为可靠的预报工具。图2 ISWFM-NSCS v1.0（a）与ISWNM-NSCS v2.0（b）的模式配置差异图3 ISWFM-NSCS v1.0（红色）与ISWNM-NSCS v2.0（黑色）对内孤立波波动特征预报精度的对比该成果第一作者为南海海洋所副研究员龚延昆，通讯作者为南海海洋所研究员蔡树群，合作者包括中国海洋大学教授陈学恩，自然资源部第二海洋研究所研究员朱小华、副研究员赵瑞祥等人。该研究获得国家自然科学基金、广东省自然科学基金、中国科学院项目等的联合资助。相关论文信息：Gong,Y.,Chen,X.,Xu,J.,Chen,Z.,He,Q.,Zhao,R.,Zhu,X.-H.,and Cai,S.:ISWNM-NSCS v2.0: advancing the internal solitary wave numerical model with background currents and horizontally inhomogeneous stratifications,Geosci. Model Dev.,18,5413–5433,2025.Gong,Y.,Chen,X.,Xu,J.,Xie,J.,Chen,Z.,He,Y.,and Cai,S.:An internal solitary wave forecasting model in the northern South China Sea (ISWFM-NSCS),Geosci. Model Dev.,16,2851–2871,2023.原文链接：https://doi.org/10.5194/gmd-18-5413-2025 https://doi.org/10.5194/gmd-16-2851-2023

2025-09-04

中国工程院院地合作重点项目“新时代广东省能源高质量发展战略研究”项目验收会在广州召开

8月31日，中国工程院院地合作重点项目“新时代广东省能源高质量发展战略研究——加快构建安全、柔性、智能的新型电力系统”项目验收会在广州召开。项目由中国科学院广州能源研究所牵头，南方电网科学研究院有限责任公司、中国科学院深圳先进技术研究院三家单位合作实施。8月31日，中国工程院院地合作重点项目“新时代广东省能源高质量发展战略研究——加快构建安全、柔性、智能的新型电力系统”项目验收会在广州召开。项目由中国科学院广州能源研究所牵头，南方电网科学研究院有限责任公司、中国科学院深圳先进技术研究院三家单位合作实施。项目组长中国工程院院士陈勇，副组长中国工程院院士饶宏，主要成员中国工程院院士李立浧、中国工程院院士罗安以及广东省科协事业发展中心科技咨询合作部林湖彬部长、中国科学院广州能源研究所副所长黄宏宇、项目骨干等40余人参加会议。验收组由中国科学院院士彭平安、中国工程院院士张偲、常州大学城乡矿山研究院院长呼和涛力、华南农业大学生物质工程研究院院长谢君、广东省技术经济研究中心能源所所长于文益、广东省电力设计研究院有限公司副总工程师余欣梅、广东电网广州供电局市场部部长赵颖、广东中职信会计师事务所副主任会计师骆涛组成。议采用线上线下结合的形式举行，广州能源所能源战略与碳资产研究中心主任蔡国田主持会议。林湖彬在致辞中表示，项目研究恰逢其时，意义重大，既是回应广东省新时代能源高质量发展要求的主要作为，也是为全国新型电力建设提供广东经验的积极探索。黄宏宇代表广州能源所致辞。他表示，研究所高度重视中国工程院院地合作咨询项目，感谢项目参与方共同的合作和努力，感谢各位院士、领导、专家为项目提供宝贵的指导。广州能源所赵黛青研究员代表项目组围绕研究思路、项目完成情况、研究成果、政策建议和经费使用情况等等多方面进行了详细的成果汇报。项目从“源-网-荷-储”协同优化问题入手，研究如何构建安全、柔性、智能的新型电力系统。项目构建了新型电力系统电力电量平衡全景模拟模型，评估保供安全风险、负荷调度需求、新能源消纳和需求侧响应能力，研究了新型电力系统多元化电源发展路径；评估了广东省农村光伏、风电和生物质开发的潜力、应用场景、技术路径和商业模式，提出了乡村振兴融合的新能源发展优选路径；构建了广东省车-桩基础设施需求与发展情景综合模型，评估了纯电动车的电力辅助服务能力，研究了车网互动技术架构体系、商业模式和市场机制，提出了V2G推进策略。项目针对广东省加快建设新型电力系统形成了研究报告和咨询建议。专家组一致认为，项目研究成果汇集实地调研、关键问题聚焦、建模量化分析、发展路径优选，具有前瞻性、针对性、创新性和可操作性，研究成果对广东省促进加快构建安全、柔性、智能的新型电力系统，构建清洁低碳、安全高效的能源体系实施具有重要指导意义，可为新时代广东省能源高质量发展提供重要决策支撑。会议现场

2025-09-02

华南植物园揭示夜间增温可阻碍飞机草在热带珊瑚岛礁生境的入侵

由不对称全球变暖引起的夜间增温主要表现为昼夜温差缩小。已有的研究认为夜间增温会刺激植物呼吸，导致碳净损失，对植物生长不利；然而，夜间增温对入侵植物的生理生态影响尚未明确。与大陆生境相比，热带珊瑚岛礁生境具有昼夜温差小的气候特征。近年来，入侵植物在热带珊瑚岛礁的扩张已引发诸多生态后果,探究入侵植物对热带珊瑚岛礁生境生理生态响应及其对乡土植物的影响，对热带珊瑚岛礁入侵植物防控具有重要的科学意义。中国科学院华南植物园恢复生态学团队科研人员通过夜间增温实验（3℃）+ 海沙模拟热带珊瑚岛礁生境，比较了入侵物种飞机草（Chromolaena odorata）与热带珊瑚岛乡土植物草海桐（Scaevola sericea）相关植物功能性状响应的差异。研究发现，夜间增温可显著降低飞机草的资源利用效率，但草海桐却可通过改变叶片结构性状提高资源利用效率，维持相对稳定的生长速率。该结果揭示，在热带珊瑚岛礁上构建草海桐群落有助于阻止飞机草的入侵。相关研究成果以“Nighttime warming impedes invasion of Chromolaena odorata into tropical coral islands” 为题近期发表在国际学术期刊Journal of Environmental Management（《环境管理杂志》）上。中国科学院华南植物园博士研究生孙彰镁和副研究员张玲玲为论文共同第一作者，王俊和旷远文研究员为共同通讯作者。该研究得到国家重点研发和国家自然科学基金等项目资助。论文链接：https://authors.elsevier.com/a/1ld9P14Z6twjai图1. 夜间增温对单一种植和混合种植下飞机草和草海桐19个功能性状影响的网络图图2. 夜间增温下飞机草和草海桐竞争模型

2025-09-02

国家重点保护植物博罗红豆（Ormosia boluoensis）枝条高压繁殖成功

红豆属（Ormosia）隶属于豆科（Fabaceae），全属约130 种，我国有37 种。2021年我国将红豆属所有物种列为国家重点保护野生植物。红豆属在广东省分布有16种，是该属种类分布最多的省份之一，这其中相当一部分红豆属植物为广东省特有，博罗红豆（O.boluoensis ）就是其中之一，被列为国家二级重点保护植物。博罗红豆是1995年发表的新物种，为常绿灌木至小乔木。野外调查表明，博罗红豆仅在广东象头山国家级自然保护区和广东龙门南昆山省级自然保护区有分布，但在广东龙门南昆山省级自然保护区的博罗红豆种群个体数量非常少，广东象头山国家级自然保护区是其主要分布区。野外调查表明，博罗红豆两地种群数量不足1000株。通过对博罗红豆长期监测发现，博罗红豆种群开花个体少，同时其花果期病虫害严重（图1），导致其近年来一直没有结实，仅在2018年和2019年两年采集到不足100粒种子，且这些种子萌发率低。这使得博罗红豆自然更新不良，也是博罗红豆濒危的主要原因。针对其繁育困难，广东象头山国家级自然保护区管理局联合中国科学院华南植物园和广东省农业科学院环境园艺研究所对其开展了多种繁殖方式探索。通过精心培育，目前三方人员在枝条高压繁殖方式上取得成功，为促进博罗红豆人工繁育、实现其种群复壮提供了强有力的支撑，也为其它红豆属植物的繁殖、解濒提供了重要参考，具有重要的理论和实践价值和意义。2024年，在广东象头山国家级自然保护区管理局朱晋圮副局长主持下，组成了管理局程方高级工程师、华南植物园王峥峰研究员和省农业科学院刘海林副研究员等为主的科研团队对保护区博罗红豆开展了繁育研究。在开展研究过程中，团队研究人员了解到红豆属植物以往开展过嫁接、扦插和组培繁育方法，但这些方法存在实验难度大、周期长或存活率低等问题，而枝条高压繁殖做一种高效植物繁育手段虽在很多植物中采用过，却在红豆属植物中缺乏尝试。通过讨论，团队人员决定在博罗红豆繁育中进行实验。于是在当年10月，团队成员们精心准备了各种材料（包括高压盒、营养土、土壤杀菌剂、生根粉等），冒着炎热天气开展了博罗红豆枝条高压繁殖工作。繁育期间，正值广东省气候出现异常干旱，为保证高压繁殖的枝条有充足的水分生根，团队成员每周一次赴野外进行一次浇水，并定期施肥，直至2025年3月底，雨季逐渐来临，才减少人工浇水频次。在繁育期间，也考虑人工浇水增加了人力物力成本，团队成员尝试安装了自动浇水系统，但受限装置缺陷、野外复杂的环境及其供水条件限制，还没有很好解决，拟在今后的工作中研发新的全自动化系统，助力濒危物种的野外繁育高效自动化。由于博罗红豆本身生长缓慢，在2025年7月份，团队才观察到高压繁殖的枝条根系生长逐渐完善，前后历时9个月。把成活枝条剪下后，实验共获得18株成功繁殖个体。同时博罗红豆生长对生境的要求条件非常高，把高压繁殖的枝条栽种到花盆中后，团队研究人员继续在博罗红豆原生境开展了培育工作，经过近两个月的管理，所有高压繁殖的枝条均已成活，部分个体萌发了新芽，表明博罗红豆枝条高压繁殖成功。博罗红豆枝条高压繁殖是在红豆属植物开展的多种繁育方式的新尝试，拓展了繁育方法，积累了管护经验，为更好开展博罗红豆及其它红豆属植物繁育打下坚实基础，也为更高质量濒危物种保护提出了新的挑战。相关研究工作实施过程中得到了象头山管理局“广东象头山国家级自然保护区中华穿山甲等珍稀濒危动植物调查研究项目——博罗红豆遗传多样性及种苗培育研究”项目和广东省科技计划项目的资助。博罗红豆及其生境。（A. 叶片；B. 花；C和D. 果实受虫害状况；E和F. 茎干（呈现萌生）及其生境）上图（从左到右）：团队部分成员合影，进行高压实验和浇水；中图：高压繁殖枝条生根状况。下图：高压繁殖个体移植、管理及其萌芽状况。

2025-09-02

深圳先进院｜解析阿卡波糖水解酶Apg的催化机制，抗降解药物设计迎来新突破（Nat Commun）

阿卡波糖是治疗2型糖尿病的一线药物，但其疗效常被肠道细菌中的“阿卡波糖杀手”——阿卡波糖糖苷水解酶（Apg）破坏。近日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所客座研究员/南京师范大学教授周佳海团队及其团队副研究员古阳，联合西北农林科技大学教授张继文团队等，在Nature Communications发表题为“Molecular insights of acarbose metabolization catalyzed by acarbose-preferred glucosidase”的最新研究成果，利用X射线晶体学、计算模拟和生化实验结合，深入解析了Apg水解阿卡波糖的精细分子机制，为设计新一代抗降解、更高效的降糖药物提供了关键的结构蓝图。阿卡波糖是治疗2型糖尿病的一线药物，但其疗效常被肠道细菌中的“阿卡波糖杀手”——阿卡波糖糖苷水解酶（Apg）破坏。近日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所客座研究员/南京师范大学教授周佳海团队及其团队副研究员古阳，联合西北农林科技大学教授张继文团队等，在Nature Communications发表题为“Molecular insights of acarbose metabolization catalyzed by acarbose-preferred glucosidase”的最新研究成果，利用X射线晶体学、计算模拟和生化实验结合，深入解析了Apg水解阿卡波糖的精细分子机制（图1），为设计新一代抗降解、更高效的降糖药物提供了关键的结构蓝图。一、阿卡波糖的困境：个体差异与耐药性阿卡波糖作为一种“伪四糖”，主要通过抑制肠道α-葡萄糖苷酶延缓碳水化合物吸收来降糖。它具有全身副作用少的优点，但临床应用中存在显著的个体疗效差异和长期用药后的耐药性问题。近年中国科学院分子植物科学卓越创新中心姜卫红团队与合作者研究发现（Nat. Metab.,2023,s42255-023-00796-w），克雷伯氏菌属(K. grimontii TD1)中的Apg酶是导致阿卡波糖失效的关键“元凶”。它能高效降解阿卡波糖为acarviosine-glucose（M1）和acarviosine（M2），从而破坏其药效（图2）。然而，由于缺乏酶-底物/产物复合物的精确结构信息，导致该酶动态催化过程的分子机制仍不明晰，限制了糖尿病治疗的优化及抗糖尿病药开发。解析Apg独特的催化机制将有助于抗糖尿病药物的设计。二、锁定“杀手”：Apg的结构与特性Apg属于糖苷水解酶家族13_21 (GH13_21)，通常负责水解α-1,4-O-糖苷键。但其独特之处在于能有效水解结构复杂的阿卡波糖。研究解析了Apg的高分辨率晶体结构（图3）：（1）Apg在溶液中以同源二聚体形式存在，单体间通过N端结构域和催化结构域呈头尾排列。（2）催化结构域采用经典的TIM桶折叠，活性位点是位于TIM桶顶部的一个突出表面凹槽，凹槽底部有一个绝对保守的催化三联体（Asp-Glu-Asp）。（3）与其他淀粉酶（如MaIZ,MaIS）相比，Apg的活性口袋裂隙更窄（7.9 Å），能紧密结合阿卡波糖，计算也显示其对阿卡波糖的结合亲和力更高。（4）结合生化实验、晶体结构和计算分析，发现两个关键的柔性环（loop A和loop B）不仅影响底物结合还决定其催化能力。三、重要发现：Apg催化机制的关键角色通过分析Apg与阿卡波糖及其水解产物（M1,M2）的复合物晶体结构，结合定点突变和计算模拟（QM/MM,MD）（图4），研究揭示了催化机制的核心要素，并推翻了之前的假设：真正的“攻击手”——亲核试剂：以往认为D336是亲核试剂，但本研究确凿证明D448才是关键的亲核试剂。首先，定点突变显示D448N变体完全丧失催化活性。其次，D448N突变体能紧密结合阿卡波糖，其复合物结构显示D448N的羧基氧（OD2）距离阿卡波糖被攻击的C1原子（4.2 Å）比D336的羧基氧（5.0 Å）更近。同时，密度泛函理论（DFT）计算显示D448 OD2携带更强的负电荷（-0.49 vs D336的-0.12），亲核性更强。进一步的 QM/MM计算证明D448作为亲核试剂的能垒（17.1 kcal/mol）远低于D336（26.7 kcal/mol）。最后，D448E突变能部分恢复活性（15%），支持其羧酸侧链直接参与催化。双“供水者”——质子供体：除了之前已知的E373作为质子供体外，还揭示R334也是重要的质子供体。定点突变显示，E373A和E373Q突变保留部分活性，暗示存在其他质子供体。双重突变E373A/R334A导致活性完全丧失，证明R334是关键的替代质子供体。进一步的QM/MM结果支持R334作为质子供体，其反应能垒略高于E373。 “稳定器”——D336：D336A突变保留了约48%的活性，其复合物结构显示它主要通过与底物形成氢键来稳定过渡态或底物构象，而非直接作为亲核试剂。四、水解路径揭秘：两步反应，一步限速阿卡波糖被Apg水解的最终产物是二环的M2。关于M2是如何产生的，存在疑问：（1）是阿卡波糖直接一步水解成M2和麦芽糖？计算模拟（QM/MM）显示此路径能垒极高（36.9 kcal/mol），且实验中未检测到麦芽糖副产物，排除了此可能性。（2）还是分步水解？晶体实验观察到将Apg与中间产物M1孵育可生成M2。结合动力学和热力学分析发现，Apg对阿卡波糖的亲和力远高于对M1。进一步的自由能计算发现，Apg-阿卡波糖复合物的结合自由能（-20.5 kcal/mol）显著低于Apg-M1（-13.8 kcal/mol）。QM/MM计算显示，从M1水解到M2的能垒（19.7 kcal/mol）高于从阿卡波糖水解到M1的能垒（17.1 kcal/mol）。因此，阿卡波糖被Apg水解是一个明确的两步过程：第一步为阿卡波糖→M1+葡萄糖（相对较快），第二步为M1→M2+葡萄糖（此步是限速步骤，较慢）。五、耐药类似物的启示：结构差异决定命运研究还利用解析的Apg结构，对已知对Apg具有抗性的阿卡波糖类似物——acarstatins A和acarstatins B进行了计算分析。分子动力学模拟显示，它们也能结合在Apg活性腔内。但关键差异在于，它们分子中水解位点C1原子与亲核试剂D448 OD2的距离比阿卡波糖中的距离更远，使得D448难以有效攻击其糖苷键。进一步的QM/MM计算证实，水解acarstatinsA/B的活化能垒高于阿卡波糖。这为设计抗Apg降解的新药提供了直接线索：通过修饰改变底物关键原子与催化残基（特别是D448）的空间距离或相互作用。综上，本文通过晶体结构解析、生化实验以及理论计算对Apg催化阿卡波糖水解反应机理进行了深入研究。揭示了Apg水解阿卡波糖的真实分子机制（D448为亲核试剂，E373/R334为质子供体，D336为稳定剂，两步水解且第二步限速），为糖尿病药物的设计与开发提供结构方面的见解，包括延长糖链的长度以增强其对抗Apg水解的能力，或者对阿卡波糖的结构部分进行选择性修饰以降低其结合亲和力。基于以上结构见解，对下一代阿卡波糖类似物的研究正在进行中。本文的通讯作者为中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所客座研究员/南京师范大学教授周佳海、团队副研究员古阳，以及西北农林科技大学教授张继文。第一作者为中国科学院深圳先进技术研究院与西北农林科技大学联合培养已毕业博士研究生黄嘉咏。中国科学院深圳先进技术研究院助理研究员谌庄琳博士对于理论计算部分做出了重要贡献。感谢中国科学院深圳先进技术研究院助理研究员王兰腾博士在晶体解析方面的付出。感谢中国科学院深圳先进技术研究院与中国农业大学联合培养已毕业硕士研究生肖小云的付出。该工作受到广东省科技计划项目、国家自然科学基金项目、深圳市科技计划项目以及深圳合成生物学创新研究院等项目的资助。衷心感谢上海光源和国家蛋白质科学研究（上海）设施生物大分子晶体学线站BL18U1、BL19U1工作人员在数据收集方面的大力协助！文章上线截图原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-62855-y图1. Apg催化水解阿卡波糖的机制图2. 由Apg介导的阿卡波糖降解途径图3. Apg的总体结构示意图图4 Apg 的复合物结构及突变酶活分析。（A）Apg 活性位点腔内底物阿卡波糖的示意图。（B）Apg(D448A)-阿卡波糖的复合物结构（PDB ID：9IVZ）。（C）Apg(D336A)-M1的复合物结构（PDB ID：9IZE）。（D）Apg(D336A)-M2的复合物结构（PDB ID：9IZO）。（E）Apg(D448A)-阿卡波糖复合物（PDB ID：9IVZ）（残基为粉色）与突变体 Apg(D448A)（PDB 编号：9IXH）的结构叠加（残基为白色）。（F）Apg 活性位点上残基的诱变实验。图5. Apg催化阿卡波糖水解反应的两步过程图6. Apg-acarstatins A/B复合物的距离特征分析

2025-09-01

广州健康院在BRD9选择性抑制剂研究中获得突破性进展

近日，中国科学院广州生物医药与健康研究院许永团队针对溴结构域家族蛋白抑制剂选择性难题，报道了一种在急性髓系白血病（AML）治疗中具有显著疗效的BRD9选择性抑制剂Y22073（专利申请号：2025100176011.1），为AML 精准治疗提供了全新解决方案。近日，中国科学院广州生物医药与健康研究院许永团队针对溴结构域家族蛋白抑制剂选择性难题，报道了一种在急性髓系白血病（AML）治疗中具有显著疗效的BRD9选择性抑制剂Y22073（专利申请号：2025100176011.1），为AML 精准治疗提供了全新解决方案。相关成果以“Key imidazolyl groups that induce phenylalanine flipping enhance the efficacy of oral BRD9 inhibitors for AML treatment”为题发表于药物化学领域Top期刊Acta Pharmaceutica Sinica B上。许永团队长期致力于创新药物靶点发现、作用机制解析及创新药物研究，特别是在肿瘤表观遗传治疗领域获得了系统性的研究成果（J Med Chem, 2022,65,5760;Bioorg Chem, 2024,142,106950;J Med Chem, 2024,67,6952;J Med Chem,2024,67,21577）。溴结构域蛋白9（BRD9）是哺乳动物SWI/SNF染色质重塑复合物家族中ncBAF的核心组分，该组分是目前癌症中频发突变的表观遗传调控复合物。BRD9通过特异性识别组蛋白上的乙酰化赖氨酸，招募转录复合物并介导下游转录调控与靶基因的表达。BRD9在AML等多种癌症中发挥关键表观遗传调控功能，已成为抗肿瘤药物研发的新兴靶点。然而现有BRD9抑制剂在AML治疗中始终未展现显著的体内外疗效，这严重制约其临床转化潜力。针对溴结构域家族蛋白结构高度相似导致的抑制剂选择性难题，团队通过优势骨架化合物库筛选、晶体结构解析以及基于结构的药物设计，成功开发出可用于AML治疗的新型BRD9选择性溴结构域抑制剂Y22073。研究人员从基于结构活性关系（SAR）的优化策略中发现了咪唑类化合物具有卓越的体外抗增殖活性。合作团队通过X射线晶体结构解析（分辨率最高达1.78 Å）精准捕捉到BRD9的ZA通道存在一个独特的“可调控开关”——Phe163翻转开关。抑制剂中关键的咪唑药效基团能够诱导BRD9蛋白的Phe163残基翻转并与其形成稳定的π-π相互作用。然而，其他溴结构域（如BRD7、BRD4、CECR2）中对应位置的残基无法与咪唑基形成有效相互作用，直接证明了该机制的特异性。这一分子层面的突破性发现不仅显著提升了化合物的体外活性，也使得Y22073成为首个在AML模型中展现明确疾病表型干预能力的BRD9抑制剂。研究团队还创新性地采用该修饰策略对现有BRD9抑制剂进行结构改造，结果表明，经此策略修饰后的化合物在体外的活性显著提升，进一步证实咪唑基团可通过调控独特的Phe163开关，在提高活性方面发挥关键作用。Y22073表现出良好的溴结构域选择性、代谢稳定性、溶解性并兼具理想的药代动力学特性，在MV4-11异种移植小鼠模型中表现出显著的口服抗肿瘤效果，且无明显毒性。综合其优异的体外活性、体内疗效及成药性特征，Y22073作为具有First-in-Class潜力的BRD9溴结构域选择性抑制剂，为急性髓系白血病的靶向治疗提供了极具临床转化价值的新型候选药物。许永课题组博士生陈智铭、助理研究员张成和沈慧为本论文的共同第一作者，许永研究员、吴锡山副研究员和张岩副研究员为通讯作者。该项目得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目、广东省“一带一路”联合实验室基金、中国科学院自主部署项目、中国科学院青促会项目和广东省科技厅项目的支持。论文链接 BRD9抑制剂Y22073可作为候选化合物用于AML治疗

2025-09-02

华南植物园揭示传粉昆虫驱动植物交配系统演化机制

植物交配系统的演化是进化生物学的核心议题之一。在开花植物中，从异交（outcrossing）向自交（selfing）的转变代表了一个主要演化趋势。该这一过程通常被认为由生态因素（如传粉者缺乏）和繁殖保障机制共同驱动。然而，现有的研究鲜少通过移栽实验来检验生态因子与繁殖保障在交配系统演化中的作用。此外，少有研究从父本视角评估交配过程中个体对后代的遗传贡献。近日，华南植物园利用迎阳报春（Primula oreodoxa）这一理想研究系统，通过精巧的移栽实验揭示了这一过程的生态与遗传机制。研究团队在四川峨眉山海拔梯度上建立了6个移栽实验点（图1），将二型花柱（异交为主）和同型花柱（自交为主）植株在同一环境中栽培。通过野外观察与SSR分子标记相结合，系统分析了不同花型个体的繁殖适合度（结实率、种子数量）和交配模式（自交率、配偶多样性、花型间交配比例及子代遗传多样性）。主要发现包括：（1）在传粉资源受限的高海拔生境中，同型花柱表现出显著的繁殖优势，支持"繁殖保障"假说；（2）父母本自交率随海拔升高而增加，表明环境因素对交配系统具有调控作用（图2）；（3）长喙传粉者访花频率与二型花柱的父母本自交率呈负相关，与父母本配偶多样性呈正相关（图3）；（4）高海拔种群中交配模式趋于随机，反映了二型花柱多态性的瓦解（图4）。该研究创新性地从父本视角分析交配模式，并且首次证实长喙传粉昆虫的访花频率与植物父母本自交率呈负相关，而与父母本的交配多样性呈正相关，为“传粉驱动交配系统演化”提供了关键实证。该发现对理解全球变化下植物-传粉者互作的演变以及生物多样性的维持具有重要意义。相关研究成果以“Divergence of mating systems in Primula oreodoxa: Insights from transplant experiments and mating portfolios”为题，近期发表在植物学期刊Plant Diversity上。中国科学院华南植物园已毕业博士曾桂（现为西华师范大学讲师）为第一作者，中国科学院华南植物园袁帅副研究员和张奠湘研究员为共同通讯作者，海南师范大学张凯副教授参与了研究工作。该研究得到国家自然科学基金、中国科学院华南植物园青年人才项目及西华师范大学博士科研启动基金资助。文章链接：https://doi.org/10.1016/j.pld.2025.08.005图1. 移栽实验设计示意图图2. 低海拔与高海拔生境中不同种群和花型的母本自交率 (A,B) 与父本 (C,D) 自交率（± 标准误）。不同小写字母和大写字母分别表示低海拔与高海拔生境内的显著差异，希腊字母表示生境间差异。图3. 交配系统参数与长喙传粉者访花频率在不同花型间的关系。母本自交率 (A–C)、父本自交率 (D–F)、母本配偶数 (G–I) 和父本配偶数 (J–L)。左、中、右三列分别对应 L、S 和 H 三种花型。图4. 不同种群和花型间雌性非选型交配（平均值 ± 95% 置信区间）的变异。虚线表示随机交配。

2025-09-02