科研进展--中国科学院广州分院

香蕉（Musa spp.）是全球重要的粮食和经济作物之一，为超过4亿人提供食物来源，也是热带和亚热带地区重要的经济水果。然而，现代主栽香蕉品种（如卡文迪什AAA）高度依赖营养繁殖，遗传基础狭窄、遗传多样性低，尤其面临热带4号枯萎病等毁灭性病害的严重威胁。因此，挖掘野生近缘种中丰富的遗传变异，对于拓展香蕉遗传资源和促进其可持续生产具有重要意义。芭蕉科（Musaceae）现存约80个物种，不同类群在染色体基数（如n = 11、10和9）以及花苞颜色等性状上呈现出显著多样性，是研究植物染色体结构演化和花器官性状分化的理想类群。然而，这些不同染色体基数是如何在漫长演化过程中逐步形成的，以及染色体结构变化与花苞颜色多样化之间是否存在联系，长期以来缺乏来自基因组和细胞遗传学的直接证据。近日，中国科学院华南植物园植物进化与保护研究团队联合四川大学合作团队在Current Biology发表了题为“Ancestral karyotype reconstruction provides insights into stepwise chromosome evolution and bract coloration in the banana family”的研究论文（文章的链接：https://doi.org/10.1016/j.cub.2026.07.071）。研究团队首先对芭蕉科早期分化的观赏蕉种Musa exotica（图1）开展端粒到端粒（T2T）基因组组装，获得了高质量的无缺口基因组，其contig N50达到47.41 Mb。结合已有芭蕉科物种基因组，研究团队开展了系统的比较基因组分析，重建了芭蕉科祖先核型（ancestral Musaceae karyotype, AMK），推断其祖先单倍体染色体数为n = 17。图1. 观赏蕉种Musa exotica的花苞艳丽多彩（付宁摄）祖先核型重建进一步揭示了芭蕉科染色体数目逐步减少的演化轨迹。研究发现，现存n = 11、n = 10和n = 9的染色体组并非独立形成，而是经历了端粒连接、嵌套融合和相互易位等多种染色体重排事件，由祖先的n = 17染色体组逐步演化而来。这一演化路径与基于DNA序列构建的系统发育关系高度一致，从染色体结构层面为理解芭蕉科不同类群之间的演化关系提供了新的独立证据（图2）。图2. 芭蕉科祖先核型（AMK，n = 17）的重建及其向现存n = 11、10、和9染色体组逐步演化的轨迹在揭示染色体演化轨迹的基础上，研究团队进一步探讨了染色体结构变化与花苞颜色分化之间的潜在联系。研究发现，染色体重排相关断裂区域显著富集花青素生物合成相关基因及其调控因子，包括chalcone synthase（CHS）、flavanone 3-hydroxylase（F3H）等结构基因，以及MYB、bHLH等转录因子。进一步结合不同颜色花苞的转录组分析发现，花青素合成途径中的CHS、CHI、F3′5′H和ANS等关键基因呈现协同表达，其表达差异主要与转录调控有关，而非简单的基因拷贝数变化。研究结果提示，染色体结构演化可能通过重塑基因组环境和调控网络，为花苞颜色的表型分化提供遗传基础。该研究构建了芭蕉科祖先核型，为理解芭蕉科染色体数目的逐步演化提供了新的基因组学证据，并将染色体结构演化与花苞颜色分化联系起来，为解析观赏蕉花色性状的遗传调控机制以及野生芭蕉种质资源的利用提供了新的研究思路。“高质量T2T基因组是本研究的重要基础。该基因组为芭蕉科不同物种之间开展染色体结构比较提供了可靠的参考，也支撑了后续祖先核型重建和系统比较分析。”——黄慧润，共同通讯作者，华南植物园副研究员。“本研究重建的祖先核型，为比较芭蕉科不同物种的染色体结构、推断其演化轨迹提供了客观依据，也为进一步认识野生近缘种所保留的遗传信息及其利用价值提供了参考。”——付宁，第一作者，华南植物园博士。 “本研究揭示了染色体结构变异与花苞颜色表型分化之间的联系，为理解观赏蕉花色性状的遗传基础提供了新的视角，也为利用基因组信息开展相关性状改良提供了新的线索。”——王新风，共同通讯作者，华南植物园副研究员。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cub.2026.07.071

2026-08-25

华南植物园揭示长期干旱下全球森林树木水力安全下降

气候变化加剧了干旱发生的频率和强度，树木能否通过生理调整适应水分亏缺，对于预测未来森林生态系统的变化至关重要。尽管传统研究认为树木能够通过调整水力、光合等性状应对干旱，但相关认识主要来自盆栽实验与自然降水梯度研究，其结果能否反映真实森林中树木对长期干旱的响应，仍缺乏全球尺度上的直接证据。近日，中国科学院华南植物园恢复生态学团队在美国科学院院刊（PNAS）以Direct Submission发表题为“Declining hydraulic safety in a drier world”的研究论文，基于全球40个大型森林减雨实验（图1），系统评估了野外森林树木生理对干旱的响应机制。图1. 全球40个大型森林减雨实验分布点森林减雨实验通过在林下布设遮雨棚，将部分降雨排出样地之外，从而降低土壤水分可用性（图2）。该方法使研究人员能够在真实的森林条件下探究长期干旱响应。图2. 河南宝天曼森林干旱实验样地（陈志成摄）该研究分析了24项树木水力与光合性状的响应，发现水力效率、抗栓塞能力、叶片养分和光合能力等关键性状均未发生显著变化，整体表现出较强的生理稳定性。然而，这种生理稳定性并不意味着树木在干旱下更加安全。长期减雨显著降低了树木的水势，而抗栓塞能力没有显著变化，导致水力安全边际显著收窄（图3）。同时，尽管净光合速率下降，但根、茎、叶的非结构性碳水化合物含量总体保持稳定。该结果表明，长期干旱下，树木面临着更高的水力安全下降风险，即更加接近树木水力失效的阈值，而非明显的碳储备耗竭。图3. 森林树木生理性状对干旱实验的响应该研究揭示了干旱胁迫下森林树木水力安全下降的潜在风险，深化了对森林树木干旱响应机制的认识，为预测全球变化背景下森林生态系统的变化提供了科学依据。在未来造林、森林生态恢复和管理中，应优先考虑具有较宽水力安全边际特性的树种，以提高森林抵御干旱的能力。中国科学院华南植物园梁星云副研究员为论文第一作者，该研究得到国家重点研发计划、广东省杰出青年基金、国家自然科学基金等项目的资助。论文链接：www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2622754123

2026-08-25

南海海洋所 | 研究揭示沉积物负荷对珊瑚礁藻席生物多样性的影响

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近海生态环境与生态安全研究团队珊瑚礁生态保护领域取得新进展。相关研究成果以“The Influences of Sediment Load on the Biodiversity of Algal Turfs in Coral Reef Ecosystems through Environmental DNA Analysis”为题，发表在环境科学领域期刊《Environmental Science & Technology》（1区Top）上，并选为副封面文章（图1）。研究第一作者为副研究员林先智，共同第一作者为副研究员柳阳，通讯作者为研究员张黎，合作作者有副研究员周岩岩、副研究员胡思敏、博士研究生张琛、研究员刘胜。沉积物输入是全球珊瑚礁生态系统面临的最严峻威胁之一。全球超过40%的珊瑚礁正面临沉积物输入的风险，沉积物不仅会降低水体透明度、削减光照条件，还可能直接埋覆珊瑚并抑制其生长，同时干扰鱼类的摄食行为。然而，现有研究多集中于珊瑚等少数大型生物类群，对于沉积物如何影响构成珊瑚礁食物网基础的藻席（algal turfs）及其内部复杂生物群落，认知极为有限。针对这一科学盲区，研究团队以我国南海典型珊瑚礁为研究区域，沿沉积物负荷梯度系统开展野外调查。研究创新性地采用了水下真空原位采样结合多标记环境DNA宏条形码技术，通过原核16S rRNA、真核18S rRNA和无脊椎动物COI三组引物，对藻席生物群落及其生境特征进行了全景式刻画（图2）。研究共鉴定出涵盖68个门、1,143个属的庞大生物类群。在沉积物负荷较低的短藻席中，原核与真核生物多样性较高，真核藻类（如红藻、甲藻和硅藻）是主要的初级生产者；而在沉积物负荷较高的长藻席中，蓝细菌成为绝对优势类群，在部分站位占16S序列比例高达62%。这一发现揭示了沉积物累积如何驱动藻席从“真核藻类主导”向“原核蓝细菌主导”的生态状态转变。结构方程模型分析进一步表明，在采样区域测定的25个生境相关参数中，高沉积物负荷下藻席冠层高度的增加，是导致原核生物多样性降低的重要因素。藻席冠层高度、沉积物质量与粒径等沉积物相关变量，分别解释了原核生物群落变异的25%和真核生物群落变异的28%，其影响远超水深、温度、溶解氧等其他环境因子。综上，本研究表明，沉积物负荷升高与藻席生产者多样性的降低密切相关。长藻席中蓝细菌的单一优势化及真核藻类的减少，可能削弱珊瑚礁生态系统的初级生产力基础，同时通过抑制植食性鱼类的摄食活动，进一步加剧生态退化进程。这些发现为全面评估沉积物输入对珊瑚礁生态系统的风险提供了重要科学依据。该研究获得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、海南省自然科学基金及中国科学院南海海洋研究所专项基金等联合资助。论文信息：Xianzhi Lin,# Yang Liu,# Yanyan Zhou, Simin Hu, Chen Zhang, Sheng Liu, and Li Zhang*. (2026). The Influences of Sediment Load on the Biodiversity of Algal Turfs in Coral Reef Ecosystems through Environmental DNA Analysis. Environmental Science & Technology. 60 (32): 22692–22706.原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.6c04506图1 副封面图图2 基于环境DNA宏条形码技术揭示沉积物负荷对珊瑚礁藻席生物多样性的影响

2026-08-20

深圳先进院 | 首创视触觉“同源感知”柔性传感器

视触觉融合感知能力是具身智能机器人认识世界的关键和难点。当前机器人在识别物体时，视觉和触觉通常是两套独立系统—一个负责“看”，一个负责“摸”。两种信息采集的位置不同、时间不同，需要后期算法进行融合。这种分立式的感知方案在复杂操作中容易出现信息错位和信号干扰，限制了对环境的准确感知。视触觉融合感知能力是具身智能机器人认识世界的关键和难点。当前机器人在识别物体时，视觉和触觉通常是两套独立系统—一个负责“看”，一个负责“摸”。两种信息采集的位置不同、时间不同，需要后期算法进行融合。这种分立式的感知方案在复杂操作中容易出现信息错位和信号干扰，限制了对环境的准确感知。8月20日，中国科学院深圳先进技术研究院材料人工智能研究所研究员陈明、杨春雷团队联合新加坡南洋理工大学教授魏磊团队在《自然—传感》（Nature Sensors）发表最新研究解决了这一难题。团队受海胆管足的启发，研发出了一种高灵敏度、低串扰的仿生视触觉传感器，首次在单一柔性材料单元内实现了光电信号与压力信号的同源、同步感知。物体识别的准确率从单一模式最高的80%提升至96%。该研究为柔性多模态传感提供了一种全新的材料与器件范式，有望为具身智能、人机交互和精密制造等领域带来新的“同源感知”方案。深圳先进院在读博士生赵彬喆为论文第一作者；陈明、杨春雷、魏磊为论文共同通讯作者。深圳先进院为论文第一单位。受海胆启发，打破“信息孤岛”在环境感知方式上，当前光电传感器可以实现非接触式感知（相当于“看”），压力传感器则负责接触式感知（相当于“摸”）。然而，目前大多数系统的光电单元和压力单元在空间上分离布置，两种信号采集的时间也不同步，需要后期算法进行融合。“这就形成了‘信息孤岛’，使得传感器在物体材质区分、动态环境感知、多物理场同步监测等复杂任务中容易出现信息错位和信号干扰，限制了系统对环境信息的综合理解能力。”论文共同通讯作者、深圳先进院研究员陈明解释。研究团队注意到，海胆的管足在自然界中是一种独特的感知单元——感光细胞和机械感觉细胞集成在同一个生物结构内，能够实现局部的信息整合。受此启发，团队提出了一种新的设计思路：将光电感知和压力感知集成到同一个柔性材料单元中，实现“同源、同步”的视触觉感知。同源同步感知，识别物体更精准团队设计了一种垂直集成的传感器结构。器件包含两个功能层—上层为SnSexSy/PTAA光电异质结（负责感知光），下层为PP/FCNT共价键合导电网络（负责感知压力）—通过共享电极垂直集成。两种信号通过独立的通道读出。实验数据显示，该传感器在0至40 千帕范围内的压力灵敏度为245.41 每千帕，线性度R²>0.99；在390纳米光照下光响应度为85.31安培每瓦；光电-压力通道间的串扰系数小于1%。“这表明，传感器在感知不同材质表面的细微差异时具有较高的敏感度，同时也验证了光电与压力两种信号能够各自独立工作、互不干扰。”陈明解释。研究团队进一步验证了该传感器在三种典型场景中的实用性。在物体识别中，5×5传感器阵列对铝合金、尼龙、硅橡胶等10种不同材质和结构的物体进行识别时，纯光模式准确率仅41%，纯压力模式为80%，而光电-压力同源模式的准确率提升至96%。在机器人导航中，集成了36个传感器的球形机器人，在模拟火场中的自主导航成功率达94%。在土壤监测中，该传感器同时追踪了土壤湿度和光照强度的日变化规律，在园土、细河沙、红黏土三种土壤类型中的双模态识别准确率超过99%。 “在实际场景中，单一模态的信息往往不够，需要两种感知方式协同工作。”陈明说道。该研究首次将海胆管足的仿生范式转化为人工材料体系，为柔性多模态传感提供了全新的设计思路。它证明了“同源同步感知”在原理上的可行性，实现了从传统的“先看后摸”到全新的“同源感知”的技术转变，有望为具身智能、人机交互和精密农业等领域提供新的技术选项。团队相关核心传感器专利已获得授权，并获批了深圳市光电异质集成传感器中小试基地，与多家龙头企业建立合作关系，推动柔性传感器在具身智能、智能制造、医疗健康等领域的产业化应用。未来，研究团队将进一步推进该传感器的小型化和阵列化集成，探索其在灵巧手视触觉感知等场景中的应用。该研究获得国家自然科学基金、中国科学院青促会、广东省及深圳市科技计划项目等多个项目支持。论文链接示意图：传统视触觉传感器（左）存在离散化，空间偏差，时间偏差等问题，团队研发的视触觉同源感知传感器（右），实现光电-压力信号同位置、同步感知。研究团队供图示意图：（左）现有视触觉传感路线；（右）团队提出的视触觉同源感知路线及柔性传感器阵列实物图。研究团队供图团队研发的视触觉同源感知柔性传感器用于三维曲面成像及智能导航。研究团队供图深圳市光电异质集成传感器中小试基地

2026-08-24

深圳先进院 | 无需洗涤、微量血清、20分钟：实时追踪单个纳米探针，让超灵敏心梗检测走出实验室

生命活动的本质，并非静态分子的陈列，而是由分子间持续发生识别、结合与解离所驱动的动态过程。然而，传统生物传感技术主要依赖反应达到平衡后的终点信号，难以保留分子相互作用中的时间信息。尤其是在极低丰度标志物检测中，扩散限速往往使得平衡孵育需要数小时甚至过夜，与此同时非特异性吸附也不断累积，使灵敏度、特异性和检测时间之间形成了难以调和的矛盾。相比之下，动力学分析不等待平衡，而是在分子识别、结合事件发生的当下进行实时追踪——结合事件何时出现、持续多久、以何种方式运动，这些“动态指纹”蕴含着区分特异与非特异相互作用的天然依据。基于动力学的单分子检测不仅能够在更短时间内响应低丰度事件，更在特异性识别层面提供了一种“无需洗涤即可甄别真伪”的独特能力，这在复杂生物基质检测中尤为珍贵。然而，现有单分子动力学检测通常依赖暗场、表面等离子体共振或干涉显微等复杂光学系统，存在设备昂贵、体积大、视场和通量受限等问题。这些问题长期以来制约着动力学检测从实验室走向临床。要真正释放动力学分析的潜力，需要的不是对某一特定指标的优化，而是一套能同时解决“看得见”、“辨得清”和“测得准”三大核心问题的系统性技术方案。近日，中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称医学成像科学与技术系统全国重点实验室、医工所传感中心杨慧研究员团队，以封面论文形式在Advanced Science上发表了题为“Dynamic Single-Binding Event Profiling With on-Chip Microlenses for Wash-Free Digital Biosensing”的研究成果。该工作并非单一技术的改进，而是从头构建了一套完整的免洗式数字生物传感技术体系——从芯片设计、光学成像到信号解析与数字计数，全部统一于一个可便携化的平台之上。该平台的核心设计思想，始于芯片层面的物理创新：在芯片上集成高折射率介质微球阵列，使其充当“片上放大镜”，通过近场光学聚焦与散射信号放大效应，单个80 nm金纳米颗粒（AuNP）在常规明场显微镜和低数值孔径物镜下即可产生高信噪比的清晰成像。这一步解决的是“看得见”的问题，让单个纳米颗粒探针的观测不再依赖昂贵的高倍物镜和复杂光路，为单分子检测系统的小型化扫清了物理障碍。但看得见只是起点。真正让这套体系区别于传统方案的，是它在信息层面建立的动态甄别能力。平台以500帧/秒的高速成像实时追踪每一个AuNP探针，解析其位移、速度与驻留时长等动力学信息，并据此建立了一套分类逻辑：自由扩散颗粒仅短暂出现（< 250 毫秒）；非特异性吸附颗粒通常在反应初期（< 2 秒）即固定在芯片表面；而真正由待测靶标识别产生的特异性结合颗粒则表现为持续的受限布朗运动。基于这三类截然不同的“动力学指纹”，平台能够在无需任何洗涤步骤的条件下，从复杂背景中识别并计数真实结合事件，使检测逻辑从传统的“终点信号强弱比较”跃迁为“动态结合过程真伪甄别”。这一步解决的是“辨得清”的问题——也是这套体系实现“免洗”的核心技术支点。而上述所有能力的最终落点，是单结合事件级的数字计数——以单个结合事件为计数单位，将检测灵敏度推至飞克级。三者环环相扣：微透镜让系统“看得见”，使单纳米颗粒在常规低倍显微镜下清晰成像，摆脱大型昂贵光路；动力学分析让系统“辨得清”，基于实时轨迹分类，无需洗涤即可剔除假阳性，实现免洗式检测；数字计数让系统“测得准”，以单个结合事件为计数单位，将灵敏度推至飞克级水平。这不是在既有技术范式内做渐进修补，而是从底层重新定义了一种可移植、可扩展的单分子动力学检测体系。这一技术路径的独特价值，在心肌肌钙蛋白I（cTnI）检测这一临床场景中得到了充分映射。该平台对cTnI的检测限达到0.051 pg mL⁻¹，即使在未稀释人血清中，仍保持良好的线性和特异性，并可与便携式光学设备结合，实现超灵敏、快速和免洗检测。对于急性心肌梗死（心梗）患者而言，从症状出现到球囊扩张的每一分钟都关乎心肌存活。然而，传统的超灵敏检测手段（如高敏化学发光法）虽然精准，却依赖大型实验室设备，从采血到出结果往往需要数小时；而急诊快检（POCT）虽然便捷，灵敏度却不足以捕捉超急性期仅微幅升高的心肌肌钙蛋白（cTnI）。这构成了一个典型的“灵敏度-速度-可及性”三角困境：三者缺一，即意味着早期确诊机会的丧失。本研究通过物理创新（微透镜使小型化光学成为可能）、信息策略（动力学追踪使免洗快检成为可能）与数字计数（单分子灵敏度）的三重协同，首次在同一体系中同时响应了上述三项需求。这正是本工作与现有cTnI检测技术的本质区别所在：它不是在回答“如何把cTnI测得更好”，而是在回答“如何建立一套能让动力学检测走出实验室的技术体系”。cTnI在这里扮演的角色，是验证这套技术体系临床可行性的“第一块试金石”——但体系的通用性决定了，只要更换相应的抗体对，它即可适配其他重大疾病标志物的超敏检测。更广泛地看，该研究展示了将单分子动力学分析从复杂实验室光学系统迁移至便携式平台的可行性，为未来面向急诊分诊、基层医疗、灾难救援和居家监测等场景的新一代生物传感技术提供了可复制、可扩展的基础架构。图1. 文章封面图图2. 动态单结合事件分析原理示意图图3. 基于便携式光学设备的一步式cTnI检测

2026-08-24

深圳先进院 | 定量合成生物学全国重点实验室构建人造光合水凝胶微球打通CO₂‌资源化的全链条

近日，中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室/合成生物学研究所王博研究员、于涛研究员领衔的研究团队，设计了一种空间区室化的人造光合水凝胶微球（Artificial Photosynthetic Hydrogel Microspheres, APHM），以一个模块化的非生物/生物杂化架构同时对上述三重挑战作出了系统性回应。该成果以“Artificial Photosynthetic Hydrogel Microspheres as a Versatile Platform for Programmable CO2 Valorization”为题，发表于国际顶级化学期刊Journal of the American Chemical Society（JACS）。将二氧化碳转化为葡萄糖、肌醇、蔗糖乃至淀粉——这一长期被认为仅能依赖植物光合作用实现的化学转化过程，如今可借助一颗特殊设计的人造水凝胶微球得以完成。在人工光合作用领域，实现光催化材料与固碳微生物的高效协同，始终面临三重根本性挑战。其一，环境兼容性问题。光催化产氢需要较为简单的反应介质与牺牲电子供体，而微生物培养则依赖营养丰富的培养基，两者对化学微环境的要求存在本质性差异，直接混合将导致催化剂活性受到抑制或微生物生长受限。其二，光毒性问题。光催化反应依赖强光照以维持较高的产氢速率，而多数天然固碳微生物对光辐射敏感，光照产生的活性氧自由基可造成不可逆的细胞损伤。第三，上下游衔接问题。现有方案多采用蓝藻等光合微生物与异养微生物耦合，通过分泌代谢物（通常为蔗糖）为下游微生物提供碳源。然而，该过程不仅受限于蓝藻自身的光能利用能力，还存在代谢物跨膜运输受限、分解代谢物阻遏以及碳回收率低等问题，同时复杂的代谢物背景还可能干扰下游微生物的催化过程，从而限制光合碳固定与下游多样化产品合成的高效衔接。近日，中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室/合成生物学研究所王博研究员、于涛研究员领衔的研究团队，设计了一种空间区室化的人造光合水凝胶微球（Artificial Photosynthetic Hydrogel Microspheres, APHM），以一个模块化的非生物/生物杂化架构同时对上述三重挑战作出了系统性回应。该成果以“Artificial Photosynthetic Hydrogel Microspheres as a Versatile Platform for Programmable CO2 Valorization”为题，发表于国际顶级化学期刊Journal of the American Chemical Society（JACS）。困局：光催化剂与固碳微生物的兼容性鸿沟材料-微生物杂化系统将CO2转化为高值化学品的核心逻辑在于：光催化材料吸收光能产生电子供体（如氢气），固碳微生物继而利用上述电子供体驱动CO2固定。然而，光催化反应与微生物代谢对反应条件的需求存在多方面对立。光催化产氢倾向于强光照、成分相对简单的反应介质与合适的牺牲电子供体；而微生物培养则需要营养全面的培养基、温和的pH以及严格无氧的环境。若将催化剂直接投加至菌液中，培养基中的复杂组分将对催化活性位点产生显著抑制作用；若将两者分隔于独立反应器中，则氢气从气相到液相的传质过程将构成新的速率限制步骤。光强需求上的矛盾同样突出。光催化剂在较高光子通量下才能维持可观的产氢速率，然而许多天然固碳菌对光辐射高度敏感——以伍氏醋酸杆菌（Acetobacterium woodii）为例，光照诱导产生的活性氧自由基可在数小时内致其失活。因此，在强光条件下实现持续的光驱动CO2固定，必须以有效的光屏蔽策略保护微生物。在上述两个兼容性问题之外，尚存在一个更为深层的挑战：光催化模块与生物转化模块之间的化学衔接方式。目前发展较为成熟的蓝藻路线，通过分泌蔗糖等可溶性代谢物为下游异养微生物提供碳源。然而，该模式受限于代谢物跨膜运输效率、分解代谢物阻遏及碳回收率等因素，且光合细胞释放的代谢物种类和组成受到自身代谢网络的限制，复杂的代谢物背景还可能干扰下游微生物的催化过程，因而难以灵活、高效地衔接携带不同合成途径的下游微生物底盘。因此，能否确定一种兼具高效供给性与广泛代谢兼容性的中间体分子，成为打通CO2资源化全链条的关键所在。基于以上分析，研究团队提出了一个核心假设：利用物理屏障在微观尺度上将光催化反应区与微生物生长区进行空间区室化分隔，同时以氢气作为短程电子传递媒介、以乙酸作为上下游模块之间的化学桥接分子，有望在单一反应体系内同步解决环境兼容、光保护与产物衔接这三重挑战。破局：空间区室化策略同时解决环境兼容与光保护问题研究团队首先针对环境兼容问题开展了培养基的理性重构。常规A. woodii培养基中包含酵母提取物和硫化钠，这些组分对COF基光催化剂的产氢活性存在显著的抑制作用。通过系统的替换实验，团队确定以二硫苏糖醇（DTT）作为牺牲电子供体，成功配制出兼具微生物代谢支持能力与光催化活性的双功能培养基。在该培养基中，COF/Pt/Cr2O3光催化剂的5天产氢量达到62.0 mmol g-1，较原始培养基条件提升了16倍。在微球构建层面，团队以海藻酸钠和羧甲基纤维素为基质，通过钙离子交联制备了直径约4毫米的双网络水凝胶微球。微球外壳中均匀分散着COF/Pt/Cr2O3光催化剂，内核则为经高温碳化的三聚氰胺泡沫。该碳化泡沫呈现黑色多孔结构：透射光谱测试表明，其可阻隔超过99%的紫外-可见光，同时对气体分子和营养物质保持通透性。将A. woodii接种至碳化泡沫内核后，外壳中的光催化剂在强光照射下持续产氢，而内核中的细菌则处于有效的光屏蔽环境中——光催化反应与微生物代谢在同一微球的两个空间区室中独立进行。在60 mW cm-2持续光照的10天运行实验中，活/死荧光染色和胞内活性氧检测均证实内核中的细菌在整个实验周期内维持了良好的生理活性。作为对照，未经碳化泡沫保护的裸露细菌在相同光照条件下48小时内即几乎全部失活。在性能方面，APHM系统在10天内累计产生212.4 mg L-1的乙酸，氢气到乙酸的摩尔转化效率达到88.85%，接近Wood-Ljungdahl代谢途径的理论化学计量比（4 H2 : 1 acetate）。与之形成鲜明对比的是，将光催化剂与细菌简单混合的非区室化对照组，乙酸产量仅为23.7 mg L-1，转化效率仅为7.9%——APHM的空间区室化设计将光-生物耦合效率提升了一个数量级。拓展：以乙酸为通用中间体，实现一个平台、多种产物的模块化生产选择乙酸作为光催化模块与下游生物转化模块之间的化学桥接分子，是APHM设计的另一关键考量。与蓝藻路线中种类较为有限的直接代谢产物相比，乙酸具有独特的代谢枢纽地位——它可被多种工业微生物经由乙酰辅酶A合成酶高效吸收，进入中心碳代谢后转化为乙酰辅酶A，进而根据底盘细胞所携带的不同合成途径，定向转化为葡萄糖、肌醇、蔗糖、淀粉等一系列结构各异的高值产物。这一模块化设计赋予了APHM平台显著的产品灵活性：上游的光催化产氢与微生物固碳产乙酸模块保持固定，仅需替换下游的酵母底盘细胞即可实现目标产物的切换。为验证上述策略的可行性，研究团队将APHM产生的乙酸作为唯一碳源，分别供给多种经过代谢工程改造的酿酒酵母菌株。实验结果表明，携带不同合成途径的酵母均可有效利用APHM来源的乙酸，分别转化为葡萄糖、肌醇、蔗糖和淀粉。与以纯乙酸或乙醇为碳源的对照组相比，APHM来源的乙酸在各产物转化效率上均表现相当，充分证明了该平台所产乙酸具备作为生物炼制通用原料的品质。总结与展望本研究通过精巧的空间区室化设计策略，以氢气为短程电子传递媒介、以乙酸为上下游模块间的化学桥接分子，首次在单一模块化平台中实现了从光能捕获到多种高值产物合成的全链条集成。APHM平台的核心学术贡献在于对人工光合作用领域三项长期挑战的系统性回应：以双功能培养基的理性设计与物理空间分隔解决了光催化剂与微生物的环境兼容问题，以碳化泡沫遮光内核解决了强光条件下的微生物光保护问题，以乙酸作为通用代谢中间体解决了光催化模块与下游生物转化模块之间的化学衔接问题。三个功能模块——光催化产氢、微生物CO2固定与产物转化——在一颗毫米级水凝胶微球中实现了物理上的独立运行与功能上的有序耦合。与现有基于蓝藻的光合生物制造路线相比，APHM采用的非生物/生物杂化架构有效规避了光合微生物自身光能利用效率的固有限制，同时充分发挥了乙酸作为可编程代谢中间体的独特优势，为CO2资源化利用提供了一条兼具灵活性与拓展性的技术路线。在后续研究工作中，团队将着力探索替代DTT的可持续电子供体体系，以及适用于中性pH和高离子强度环境的新型光催化剂，以期进一步提升该系统的能量转化效率与运行持续性。中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室/合成生物学研究所王博研究员、于涛研究员和曾翠平助理研究员为本文共同通讯作者，侯天凤助理研究员、唐同明科研助理、冯渝骅科研助理、央青卓玛博士后为本文共同第一作者。中国科学院深圳先进技术研究院为本文第一完成单位。研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省科技计划项目、深圳市科技计划以及深圳合成生物学创新研究院等项目资助。原文链接图1｜图文摘要图2｜文章上线截图图3｜用于可编程CO2增值的人工光合水凝胶微球(APHM)平台示意图图4｜双功能反应介质的设计与验证图5｜APHM 的结构和太阳能驱动的醋酸盐生产图6｜APHM 的性能基准测试和机制见解图7｜通过串联系统实现可编程碳链延长

2026-08-24

东莞材料所 | 基于原位磁性氧化物界面工程实现高频非晶软磁复合材料的高效制备

在电力电子、5G/6G通信、AI服务器及新能源汽车等领域迅猛发展的今天，电子元器件正朝着高频化、大功率、小型化和低能耗方向持续演进。作为这些元器件的核心功能材料之一，软磁材料承担着能量转换与信号传输的关键角色。然而，传统软磁材料各有短板：硅钢在高频下损耗急剧攀升，铁氧体虽高频损耗低，但饱和磁感应强度不足，难以支撑大功率和小型化需求。如何让一种材料同时具备高饱和磁化强度、高频稳定的磁导率和低损耗，成为该领域长期追求的目标。非晶基软磁复合材料因兼具非晶合金的高电阻率和磁性组元的优异磁响应，被视为破解这一难题的希望所在。但长期以来，其性能提升受制于三重矛盾：其一，传统雾化微米级非晶粉末受限于非晶形成能力与铁含量的相互制约，饱和磁化强度难以突破；而微米尺寸又容易引发较强涡流，增大损耗。其二，为了抑制颗粒间的涡流并稳定磁导率，通常需要包覆非磁性绝缘层，但这会稀释磁性相，导致饱和磁化强度下降。其三，传统制备流程涉及粉末制备、绝缘包覆、高压成型和高温退火等多步工序，各环节相互牵制，极易引起绝缘层破坏、内应力集中或非晶基体晶化等问题，使得性能调控如同“走钢丝”。聚焦上述挑战，中国科学院东莞材料科学与技术研究所/松山湖材料实验室柯海波研究员、汪卫华研究员团队开展了一系列创新探索，并取得阶段性突破。此前，该团队已取得两项重要进展： (1) 通过引入纳米级Fe₄N相，将饱和磁感应强度提升至约226 emu/g，突破了常规依赖α-Fe相析出提升的理论极限，显著优于主流铁基非晶/纳米晶和铁硅系粉末（图1）（JMST 2026, 248: 119-125, 10.1016/j.jmst.2025.05.045）；(2) 提出表面纳米工程的表面包覆改性思路，实现了磁导率与损耗的协同优化，为解决二者的权衡困境提供了新路径（图2）（JMST 2025, 211: 82-88, 10.1016/j.jmst.2024.04.081）。图1 引入纳米级Fe4N相实现超高饱和磁感应强度图2 表面纳米工程实现磁导率与损耗协同优化在此基础上，团队近日在《Journal of Materials Science & Technology》发表最新研究成果，提出“原位纳米磁性氧化物界面工程+超低压力成型”一体化制备策略。这一新策略巧妙地将通常被视为不利因素的粉末表面氧化“缺陷”转化为优势——通过可控原位氧化，在纳米非晶粉末表面自发形成厚度仅约2纳米的超薄磁性氧化物壳层。该壳层既能有效阻隔颗粒间的涡流通道，又因其磁性本质而不会产生显著的磁稀释效应，从而从界面层面化解了绝缘与磁性能相互制约的核心矛盾。制备工艺也大为简化。团队采用化学还原法制备出粒径细小的nano-FeB非晶粉末，由于粉末极细且界面丰富，仅需100 MPa的超低成型压力即可获得致密块体，无需传统工艺中数GPa的高压和后续高温退火去应力处理，将原本繁复的四步流程缩短为简单的两步（图3与图4），大幅降低了制备能耗和时间成本。图3 nano-FeB非晶粉末与软磁复合材料的制备流程与微观结构图4 nano-FeB非晶粉末的XPS结果性能测试结果令人振奋（图5）：nano-FeB粉末的饱和磁感应强度高达约172 emu/g，远超常规雾化铁基非晶粉末体系。其软磁复合材料在高达~85 MHz的频率范围内仍能保持磁导率稳定，品质因数（反映材料综合性能的核心指标）达到约105（对应峰值频率约80 MHz），优于绝大多数已报道的微米粉末基软磁复合材料。在100 kHz下的损耗也优于传统体系。更值得一提的是，该材料的抗压强度较传统FeSiBCCr软磁复合材料（经树脂包覆、2 GPa压制和退火）提升了约2倍，器件服役可靠性大幅增强。图5 (a-d) nano-FeB非晶粉末与软磁复合材料的性能与制备参数统计对比；(e) 力学性能对比这些优异性能的物理机制在于超细粒径与大量界面的协同效应（图6）。纳米颗粒之间密布的空隙可形成强退磁场，有效抑制高频下磁导率的快速衰减；而金属内核与表层磁性氧化物的界面处会生成定向内建电场，限制电子沿垂直界面方向传导，从而显著削弱高频涡流损耗。两者共同作用，使材料在高频下做到既稳定又低损。该研究为开发小型化、高频、低损耗的新型软磁器件提供了全新设计思路，在高速开关电源、射频电感、车载功率磁元件及AI服务器供电模块等前沿应用场景中具有广阔前景。图6 nano-FeB非晶粉末与软磁复合材料性能优化的机制起源相关成果以“Nanoscale magnetic oxide interface enables high-magnetization and high-frequency amorphous soft magnetic composites”为题发表于《Journal of Materials Science & Technology》。白荣晟、邵里良、左定荣为共同第一作者，柯海波研究员为通讯作者，汪卫华研究员对该工作给出了悉心指导。研究工作由中国科学院东莞材料科学与技术研究所、松山湖材料实验室等单位合作完成，并获得广东省重点研发计划、国家自然科学基金、广东省量子科学战略专项等多项科研项目资助。文章链接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2026.07.067来源：非晶材料研究部

2026-08-20

东莞材料所 | Janus准固态复合电解质实现正负极界面解耦，提升高电压锂金属电池稳定性

近日，中国科学院东莞材料科学与技术研究所/松山湖材料实验室刘利峰研究员团队联合华南师范大学舒东教授、东莞理工学院何运兵教授团队，在高电压准固态锂金属电池界面调控方面取得研究进展。研究团队针对高电压正极与锂金属负极界面需求难以兼顾的问题，构建Janus准固态复合电解质，通过正负极两侧差异化界面调控，实现高电压正极与锂金属负极界面需求的空间解耦，同时维持连续的Li⁺传输。相关成果以“Janus quasi-solid composite electrolytes enabling cathode/anode interfacial decoupling for high-voltage lithium metal batteries”为题发表于《Journal of Materials Chemistry A》，并获选期刊封底（back cover）作为亮点展示（图1）。图1. 论文被选为封底（back cover）作为亮点展示锂金属负极具有高理论比容量和低电化学电位，与高电压正极匹配是提升金属锂电池比能量的重要路线之一。然而，高电压正极与锂金属负极对电解质界面的要求存在明显差异：正极侧需要较高的氧化稳定性和快速的Li⁺传输，负极侧则需要能够调节Li⁺沉积行为并抑制枝晶生长的稳定界面。目前报道的多数（准）固态电解质仍采用组成和功能相对均一的结构，对两侧界面进行相同或近似的调控，因此往往难以同时兼顾高电压耐受性、锂金属界面稳定性和离子输运的要求。针对上述矛盾，研究团队提出Janus准固态复合电解质（Janus quasi-solid composite electrolyte，Janus QSCE）设计。该体系以Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3(LATP)及聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 双侧界面修饰的LATP/PE/PMMA功能隔膜替代常规聚乙烯(PE) 隔膜作为支撑骨架，利用原位聚合方法构建了LATP/PE/PMMA-QSCE Janus准固态复合电解质（图2）。与界面对称电解质不同，该设计将高电压正极侧和锂金属负极侧的界面功能在空间上进行分离：正极界面侧，NASICON型无机电解质LATP对TFSI⁻的强吸附促进了锂盐解离与锂离子迁移，提升了高电压适配性；锂金属负极界面侧，PMMA薄层通过其酯基与Li+的强配位效应调节界面处Li+配位环境，进而实现沉积剥离循环下锂金属界面的稳定。图2. Janus准固态复合电解质的设计演化示意图：从PE支撑准固态复合电解质，经正极侧LATP功能化，进一步构建LATP/PE/PMMA非对称Janus结构在原位聚合体系方面，研究团队进一步采用聚合诱导相分离策略构筑双相准固态电解质。该电解质由交联P(PEGDA-co-VEC)聚合物网络和SN-LiTFSI-LiDFOB深共晶相组成：交联聚合物网络提供三维结构支撑并限域液相组分，深共晶相在聚合过程中形成连续的虫状离子传输域，为Li⁺迁移提供低阻通道（图3）。研究表明，在聚合物与SN质量比为1:1时，体系能够兼顾结构稳定性和离子输运性能。图3. Janus隔膜及双相深共熔准固态电解质的结构与界面表征电化学测试表明，相比于常规的对称设计，LATP/PE/PMMA-QSCE表现出增强的锂离子电导率与迁移数，电化学稳定窗口高达5.68 V（vs. Li/Li⁺）（图4）。进一步采用LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2（NCM811）高镍正极组装锂金属全电池进行验证。在3.0–4.3 V电压窗口、0.3 C条件下，NCM811||LATP/PE/PMMA-QSCE||Li电池循环300次后的容量保持率为90%，500次后仍保持70%，平均库仑效率约为99.9%。当充电截止电压提高至4.6 V时，电池在0.3 C条件下循环100次后的容量保持率为84%。进一步的软包电池测试验证了Janus准固态复合电解质设计在器件层面的应用可行性：NCM811||LATP/PE/PMMA-QSCE||Li软包电池在45 ℃、0.1 C和3.0–4.3 V条件下循环250次后容量保持率为82%，稳定运行时间约为5400 h。此外，样品在弯折、折叠和切割等机械扰动测试中仍可维持稳定的电压和电流输出。图4. Janus QSCE的高电压NCM811||Li全电池性能及软包电池验证该工作从固态电解质空间结构设计出发，通过Janus准固态复合电解质将高电压正极与锂金属负极的界面调控功能进行空间分区，在维持连续Li⁺传输的同时，分别满足正极耐高电压和负极稳定锂金属界面的差异化需求，从而缓解传统均一电解质难以兼顾两侧界面稳定性的固有矛盾，为后续进一步优化高电压准固态锂金属电池的材料体系和制备工艺提供了研究经验。该研究由中国科学院东莞材料所、松山湖材料实验室、华南师范大学和东莞理工学院合作完成。卢景城、胡淑岚和单鹏悦为论文共同第一作者；东莞材料所/松山湖材料实验室张伟财助理研究员、华南师范大学舒东教授、东莞理工学院何运兵教授和东莞材料所/松山湖材料实验室刘利峰研究员为论文共同通讯作者。该工作得到科技部海外高层次人才引进计划、松山湖材料实验室启动经费、华南师范大学与天赐材料能源材料化学联合实验室开放基金、广东省高校创新团队项目、中国博士后科学基金以及广东省基础与应用基础研究基金等项目支持。文章链接：https://doi.org/10.1039/D6TA02514E来源：新能源材料研究部

2026-08-24

南海海洋所 | 研究团队揭示三大洋增暖协同驱动华南极端降水机制

近日，中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境实验室（LTO）、全球海洋和气候研究中心（GOCRC）以及中国-斯里兰卡热带海洋环境“一带一路”联合实验室（CSTO）的王春在研究员团队，在热带三大洋协同驱动华南极端降水研究方面取得新进展。相关研究成果以“Pan-tropical ocean warming drives record-breaking rainfall in South China in April 2024”为题，发表于Nature子刊Communications Earth & Environment。论文第一作者为研究员邢雯，通讯作者为研究员王春在。华南是我国暴雨和洪涝灾害高发地区，春季降水不仅关系农业生产，也会影响后续汛期的洪涝风险。2024年4月，华南遭遇历史罕见的极端降水，造成严重的社会经济损失。以往研究表明，厄尔尼诺、印度洋和北大西洋海温异常均可影响华南春季降水，但大多关注单一洋盆的作用。2024年春季，热带中东太平洋、西印度洋和北大西洋同时出现异常显著增暖，三大洋海温异常是否共同驱动了此次极端降水？不同海盆贡献有何差异？目前尚缺乏系统认识。针对这一问题，研究团队利用全球降水、海表温度和大气再分析资料，研究了2024年4月华南极端降水的环流背景，并通过大气模式试验，分别评估了三大洋海温异常的影响及相对贡献。结果表明，2024年4月华南区域平均降水达到1979年以来最高值，部分地区累计雨量超过1000毫米，约为常年同期的5倍。西北太平洋副热带高压异常北抬，其北界较常年偏北约5°，达到1979年以来最北位置，大量暖湿水汽因此持续输送至华南。同时，鄂霍次克高压增强，推动冷空气南下。暖湿气流与冷空气在华南上空交汇，使大气层结更加不稳定，为持续性强降水创造了有利条件。进一步分析发现，极端降水发生前，热带中东太平洋、西印度洋和北大西洋均出现了破纪录的海表增暖，其中印度洋和北大西洋的异常强度接近3个标准差。模式试验表明，三个海盆的增暖均可增强西北太平洋副热带高压及水汽输送，促进华南降水增加。其中，热带太平洋贡献最大，但印度洋和北大西洋的影响同样显著；此外，印度洋和北大西洋增暖还可增强鄂霍次克高压，促进冷空气南下，进一步放大华南降水。研究表明，此次华南破纪录极端降水并非由单一洋盆驱动，而是热带中东太平洋、西印度洋和北大西洋异常增暖通过不同途径协同作用的结果（图1）。该研究揭示了泛热带海洋增暖及海盆间相互作用在区域极端降水形成中的重要作用，为深入认识全球变暖背景下极端降水事件的形成机制，以及提升极端降水灾害的预测预警和风险防范能力提供了新的科学依据。本研究得到国家科技部重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金项目等的共同资助。图1 热带三大洋海温异常驱动2024年4月华南极端降水的机制示意图，填色代表2023年11月至2024年4月平均三大洋海表面温度异常。相关论文信息：Xing, W., Wang, C. & Liu, H. Pan-tropical ocean warming drives record-breaking rainfall in South China in April 2024. Commun Earth Environ (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03894-1.原文链接：https://www.nature.com/articles/s43247-026-03894-1

2026-08-17

南海海洋所 | 基因敲除策略下粉蝶霉素类海洋药源分子挖掘获新进展

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实验室、广东省海洋药物重点实验室刘永宏、周雪峰研究员团队，在海洋微生物来源粉蝶霉素类药源分子挖掘研究方面取得新进展。研究团队通过大片段基因敲除策略，显著提高了海洋微生物中粉蝶霉素类药源分子的发酵产量，拓展了其化学结构多样性，并系统评价了相关药源分子的活性、构效关系及作用机制。相关成果以“Modification Gene Knockout Diversifies Piericidins from the Marine-Derived Streptomyces psammoticus SCSIO NS126”为题，发表在美国化学会主办的国际著名学术期刊《Journal of Agricultural and Food Chemistry》（1区Top）上。海洋微生物在独特的生态环境下能产生结构新颖、活性多样的代谢产物，是创新药物与农用化学品研发的重要源泉。粉蝶霉素（Piericidins）是一类主要由链霉菌产生、具有多烯侧链和α-吡啶酮核心结构的天然产物，具有良好的药用活性。团队前期从海洋链霉菌中筛选发现了一系列具有抗菌、抗肿瘤和抗肾病的粉蝶霉素类药物先导化合物（J Med Chem 2019, 62, 7058；J Med Chem 2021, 64, 9943；Acta Pharm Sin B 2024, 14, 3232），其中多个专利获得了成果转让。为了进一步挖掘粉蝶霉素类药源分子，团队对海洋药源菌株——链霉菌Streptomyces psammoticus SCSIO NS126进行了全基因组测序，锁定了粉蝶霉素生物合成基因簇，并利用同源重组技术，对基因簇内的后修饰基因实施了分段大片段敲除，从而阻断了与主产物竞争底物的代谢支路，使代谢流更多地汇聚于粉蝶霉素的合成与积累。利用该策略，团队最终成功构建了11株突变株，粉蝶霉素总产率较野生型最高提升了7.1倍，且部分在野生型中无法检测到的微量成分也在突变株中得以大量积累。其中，通过对高产突变株（Δpie56−65）进行大规模发酵，研究人员共分离鉴定出21个粉蝶霉素类化合物，包括4个新化合物，分别为1个新苷元、2个新糖苷和1个新型类似物。活性评价与机制研究表明，所得化合物具有广谱的抗细菌和抗真菌活性（如化合物4和5分别对金黄色葡萄球菌和茄链格孢菌表现出强效抑制），其活性与选择性主要受甲基化、羟基化及糖基化等结构因素影响。该类化合物主要通过破坏病原微生物的细胞膜完整性及外部结构来抑制其生长；同时，活体实验证实化合物19在番茄感染模型中具有显著的剂量依赖性抑菌效果，充分展现了粉蝶霉素类药源分子作为新型绿色农用抗生素候选分子的巨大应用潜力。图1 基因组挖掘下的粉蝶霉素类海洋药源分子发现综上，本研究利用基因敲除策略有效丰富了海洋来源粉蝶霉素类药源分子的结构多样性并大幅提升了产量，不仅为开发新型农业抗生素提供了先导分子，也为粉蝶霉素类药源分子的工程菌株构建和规模化生产提供了重要依据。中国科学院南海海洋研究所博士研究生梁嘉琦和助理研究员蔡健为论文共同第一作者，研究员周雪峰和南方医科大学教授唐斓为共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金区域联合重点项目、国家重点研发计划、广东省基础与应用基础研究基金、中国博士后科学基金的联合资助。论文信息：Jiaqi Liang#, Jian Cai#, Mengqin Yu, Rongxiang Qiu, Yuecheng Fang, Yonghong Liu, Lan Tang*, Xuefeng Zhou*, Modification Gene Knockout Diversifies Piericidins from the Marine-Derived Streptomyces psammoticus SCSIO NS126. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2026文章链接：https://doi.org/10.1d021/acs.jafc.6c08189.

2026-08-17