科研进展--中国科学院广州分院

植树造林是恢复退化生态系统、提升陆地生态系统碳汇的重要途径。然而，在温带地区，造林早期土壤碳氮库如何变化，以及树种多样性和菌根类型何时开始影响地下碳过程，仍缺乏长期、全土层的观测证据。微生物残体是土壤有机质的重要来源，其变化可能比土壤总碳、总氮更早反映植被恢复的地下生态效应。中国科学院华南植物园恢复生态学研究团队联合德国综合生物多样性研究中心（iDiv）和莱比锡大学，依托德国MyDiv树种多样性长期野外试验，对不同树种丰富度和菌根类型配置群落开展近10年的0—100 cm土壤剖面研究，系统分析温带造林过程中土壤碳、氮及微生物残体的时空变化。科研团队研究发现，温带造林早期土壤碳、氮和微生物残体呈现明显的非同步变化和垂直分异。前10年，1 m土壤剖面总碳、总氮和微生物残体浓度总体分别下降约3%、17%和14%。前5年，总氮率先在0—40 cm土层下降，而总碳和微生物残体总体相对稳定；随后，总碳主要在5—40 cm土层下降，微生物残体则沿整个土壤剖面下降。结果表明，在该温带造林试验中，地下碳、氮及微生物来源碳并非同步变化，而是经历了明显的阶段性和垂直重组。更值得关注的是，在温带造林早期，树种多样性的地下效应早于土壤总碳、总氮库的显著响应，并首先通过真菌残体表现出来。前10年，树种丰富度和菌根类型尚未显著改变土壤总碳和总氮浓度，却已显著影响微生物残体，且主要由真菌残体驱动。造林初期，在丛枝菌根（AM）与外生菌根（ECM）树种组成的混合群落中，4树种处理表层微生物和真菌残体较2树种处理提高21%—27%；约10年后，在ECM群落中，4树种处理较单一树种处理提高约24%。这些结果提示，在温带造林背景下，树种多样性对土壤有机质形成的影响可能存在“微生物过程先响应、土壤碳库后显现”的时间滞后，真菌残体可能成为识别树种多样性地下效应的敏感指标。该研究深化了对温带造林早期地下碳过程及其生物多样性效应的认识，并为人工林恢复和土壤碳汇监测提供了新的科学依据。研究提示，仅依据短期观测、表层土壤或总碳变化，可能难以及时识别树种多样性的地下生态效应；将深层土壤、菌根功能类型和微生物残体纳入长期监测，有助于更加全面地评估温带人工林恢复过程中的地下碳变化。同时，合理配置树种多样性及不同菌根类型树种，可能通过影响微生物来源碳形成，为提升温带人工林长期土壤碳汇潜力提供新的生态学思路。由于本研究基于单点温带造林长期试验，相关规律能否推广至其他温带森林，以及热带、亚热带等不同气候、土壤和植被背景，仍需更多跨区域、长期定位试验进一步验证。相关研究成果已近期发表在国际学术期刊 Plant and Soil上。中国科学院华南植物园博士后李腾腾为论文第一作者，刘占锋研究员与Nico Eisenhauer教授为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究旗舰项目等资助。论文链接：https://doi.org/10.1007/s11104-026-09082-6图1. 试验设计与研究假设。（a）试验设计。MyDiv树种多样性试验于2015年在德国巴特劳赫施泰特（Bad Lauchstädt）建立，设置1、2和4个树种丰富度水平，以及丛枝菌根（AM）、外生菌根（ECM）和AM+ECM混合菌根（Both）3种菌根组成。试验采用随机区组设计，共2个区组、80个样地。分别于2015、2020和2024年采集0—100 cm土壤样品，并划分为8个土层（0—5、5—10、10—20、20—30、30—40、40—50、50—60和60—100 cm）。（b）研究假设。H1：土壤总碳（TC）、总氮（TN）和微生物残体随时间呈现不同的垂直变化特征，其中TN下降早于TC且影响土层更深；H2：树种丰富度增加促进微生物残体积累，其效应受菌根组成调节，预计在AM+ECM混合群落中最强，其次为AM和ECM群落；H3：树种多样性与混合菌根组成共同影响真菌残体积累及其早期变化，并导致真菌/细菌（F/B）残体比呈现土层依赖性变化。图2. 2015、2020和2024年0—100 cm土壤剖面总碳（TC）、总氮（TN）、微生物残体及真菌/细菌（F/B）残体比的垂直分布。曲线表示平均值±标准误（SE）。采用线性混合效应模型检验树种丰富度、菌根类型、土层深度和年份的影响，基于F检验标示显著效应（D：土层深度；Y：年份；M：菌根类型；R：树种丰富度；*P < 0.05，**P < 0.01，***P < 0.001）。涉及树种丰富度或菌根类型的显著交互作用以括号标示，以区分处理效应引起的交互作用与主要的时间和空间效应。

2026-09-16

鼎湖山刷新兰科植物纪录——宽叶线柱兰

9月12日凌晨，鼎湖山国家级自然保护区科研监测团队在开展红外相机监测与蝶类调查时，在鸡笼山一带发现一丛特别的地生兰花，经华南植物园植物分类专家鉴定，确认该物种为宽叶线柱兰Zeuxine affinis。这是鼎湖山保护区首次记录该物种，也是2026年继虎舌兰Epipogium roseum、全唇盂兰Lecanorchis nigricans之后发现的第3种兰科植物新纪录。宽叶线柱兰隶属于兰科线柱兰属植物。株高13-30厘米，茎直立、圆柱形、暗红褐色。叶片卵形、卵状披针形或椭圆形，长2.5-4厘米、宽1.2-2.5厘米，叶柄长1厘米，基部扩大成鞘。花茎直立、淡褐色，长5-20厘米，被毛；总状花序顶生，具数朵至10余朵花；苞片卵状披针形，背面及边缘被柔毛；花较小，黄白色；萼片离生，背面被毛；唇瓣白色，长6-7毫米，呈“Y”字形，二裂，前部边全缘或具波状齿；花期2-4月。宽叶线柱兰为典型的地生兰花，主要生于中低海拔的山坡或沟谷林下阴湿处。据文献资料，宽叶线柱兰分布较广，国内见于云南、海南、广东、广西和台湾等省区，国外见于印度至马来西亚；被列入《濒危野生动植物种国际贸易公约》（CITES）附录II。目前全球记录有线柱兰属植物约90种，我国有16种，广东有5种，其中宽叶线柱兰在广东主要见于广州、惠州、韶关、肇庆、江门、佛山及珠海等地。鼎湖山此次发现的宽叶线柱兰位于海拔较高的鸡笼山一带，生于山脊垭口的林下岩石上，一丛约8株，株高10-23厘米；该生境与文献记载的略有差异，这也丰富了我们对宽叶线柱兰生境适应性的认知。经查阅中国科学院华南植物园标本馆公开馆藏资料可知，石国良曾于1984年4月30日在鼎湖山保护区西南约7公里的小布村珠坑采集到两株处于花期的宽叶线柱兰标本，后经田怀珍鉴定确认。据《中国植物志》《广东植物志》记载，该物种花期通常在2-4月，而此次在鼎湖山发现的植株却在9月开花，推测这一反常现象可能与鼎湖山局部微环境对植株萌芽开花的“误导”有关。此次发现为探讨全球气候变化背景下南亚热带地生兰物候响应机制提供了重要线索。接下来，鼎湖山保护区将深入开展兰科植物长期动态监测，摸清区域内兰科植物本底，掌握其种群动态及其分布特征，逐步完善区域野生兰科植物种质资源数据库，加强兰科植物野生种群就地保护，切实守护好鼎湖山的绿水青山。宽叶线柱兰（范宗骥摄）

2026-09-16

南海海洋所 | Cytosporin生物合成中环氧介导的二氧化碳偶联生成五元环碳酸酯

9月1日，中国科学院南海海洋研究所闫岩/海南师范大学黎婉珊在《Journal of the American Chemical Society》上在线发表了题为“Cytosporin生物合成中环氧介导的二氧化碳偶联生成五元环碳酸酯”的研究论文。该研究阐明了真菌来源cytosporin的生物合成途径及其中五元环碳酸酯的生物合成机制。中国科学院南海海洋研究所助理研究员肖华为本文第一作者；本文通讯作者为中国科学院南海海洋研究所研究员闫岩和海南师范大学副教授黎婉珊。有机碳酸酯（OCs）是碳酸与醇形成的酯类化合物, 在材料科学、合成化学和医药等领域具有广泛应用，将二氧化碳（CO₂）高效转化为有机碳酸酯的催化过程是可持续化学和能源研究中的关键目标。在现有策略中，将CO₂与环氧化物偶联生成环碳酸酯是实现CO₂利用最具技术可行性和应用前景的途径之一，尽管用于该转化的高性能催化剂的开发已取得显著进展，但仍存在一定局限性，包括对有机溶剂的依赖、使用过渡金属的催化体系，以及高能耗的反应条件（通常涉及高温和高压过程）。近年来，越来越多结构新颖的有机碳酸酯类天然产物被成功分离鉴定，其结构形式多样，主要可以包括线性链型、小环（5–7元环）、中环（8元环）以及大环体系，其中五元环碳酸酯在天然产物中最为常见（如图1）。例如，源自链霉菌的大环aldgamycin E 和双环[7.3.0]十二碳二炔 NCS Chrom A，植物来源的愈创木烷型倍半萜 hololeucin 和木脂素衍生物 cycloolivil carbonate，以及由真菌产生的四氢蒽醌ocauxarthrol A 和 cytosporin E。同位素标记实验揭示细菌来源化合物aldgamycin E和NCS Chrom A中的五元环碳酸酯是通过无机碳酸氢盐的掺入形成。最近鉴定的四蛋白复合物通过氨甲酰基化、N-羟基化和非酶促酯化最终形成五元环碳酸酯。Cytosporins是一类真菌来源的meroterpenoids，以六氢苯并吡喃骨架为特征，具有血管紧张素II结合抑制和免疫抑制活性。其中cytosporin E是首个被发现含有五元环碳酸酯的成员。虽然多功能Baeyer-Villiger单加氧酶已被证明能催化真菌代谢物cytochalasin Z16中大环碳酸酯的形成，但在真菌天然产物中，五元环碳酸酯形成的机理和驱动力仍未得到阐明。图1 代表性的五元环状碳酸酯结构及其生物合成机制通过对产生菌Eutypella sp. F0219进行了基因组测序和分析。发现化合物1来源于高度还原型聚酮合酶产生的水杨醛前体，与trichoxide和flavoglaucin具有相似的生物合成逻辑。以HRPKS VirA为探针，鉴定了一个约46.8 kb的候选基因簇cyt，与vir和fog簇中编码的大多数蛋白具有较高的同源性。其中cyt簇包含15个基因：一个高度还原型聚酮合酶HRPKS（cytA）、四个短链脱氢酶SDR（cytB、cytD、cytK、cytL）、三个cupin结构域蛋白（cytC、cytG、cytH）、一个细胞色素P450氧化酶（cytE）、三个FAD依赖的单加氧酶（cytF、cytI、cytO）、两个转录因子（cytJ、cytM）和一个异戊烯基转移酶DMAT（cytN）。前期对于trichoxide的生物合成机制研究表明，水杨醛前体由HRPKS（VirA）和两个SDR（VirB和VirD）合成，对应cyt簇中编码的CytA、CytB和CytD。通过额外表达一个SDR VirL（对应vir簇中的CytL），可以大幅度提升水杨醛前体的产量。然而，cytABDL的共表达未能产生cytosporin的生物合成前体3。鉴于StrC（cupin结构域酶）在已知真菌烷基水杨醛BGCs中催化非经典芳香化反应、显著提高水杨醛产量。进一步将cytC或cytG（两个StrC同源蛋白，分别具有50.0%和43.0%序列相似性）与cytABDL共表达仍无产物。当cytC和cytG与cytABDL同时共表达时，可以产生推测的cytosporin生物合成水杨醛前体3。这表明CytC和CytG均为cytosporin生物合成中水杨醛前体生成所必需（如图2）。图2 cyt基因簇同源基因序列比对及其异源表达饲喂实验显示，仅表达cytE的A. nidulans能够将3转化为C6羟基化衍生物4。表达cytN使4在C4位异戊烯基化生成5。5饲喂表达cytF的菌株产生单一产物6，表明CytF催化5中C1-羟甲基的脱氢反应。然而，以6作为前体时，剩余cyt基因均不能将其转化为新代谢物，鉴于终产物1中C1以醇（而非醛）形式存在，推测6可能是生物途径中的旁支产物（如图2）。化合物5饲喂表达cytH的菌株产生单一产物9。CytH属于cupin超家族，与催化环氧醌生物合成中连续反应的AtyE具有57.8%序列相似性：先氧化对苯二酚为醌，再不对称环氧化生成环氧醌。据此推测，CytH可以先将5氧化为醌中间体7，再催化C4–C5双键的环氧化生成环氧醌8，9则由8通过A. nidulans内源还原酶形成。为避免A. nidulans内源背景修饰，后续实验改用Saccharomyces cerevisiae RC01。5饲喂表达cytH的酵母产生单一产物8，8饲喂表达cytI的酵母产生9，证明CytI催化8中C6羰基的不对称氢化。表达cytO的酵母菌株可以将化合物9转化为10和11（相同分子量）。10在水溶液中室温下自发转化为11，且11在纯化过程中易水解为12。推测不稳定的化合物11可由10经过分子内重排形成，以缓解两个环氧基团所产生的环张力，随后水解生成较为稳定的产物12。化合物10饲喂表达cytK的酵母菌株产生单一产物2，因而推测CytK可以先催化10中C3羰基的不对称氢化生成13，随后由新生成的C3羟基对C17进行亲核进攻，引发环氧开环生成2（如图3）。图3 饲喂实验鉴定后修饰基因功能在cyt簇所有后修饰酶功能表征完成后，化合物1中五元环碳酸酯形成的酶学机制仍然未知。由于cyt簇中无酶可负责碳酸酯环形成，从而考虑了自发非酶促反应的可能性。比较cyt簇生物合成酶学途径的终产物2与化合物1的结构，推测碳酸酯环可能源于无机碳酸氢盐。为了验证这个猜测，将2在pH 6.0–8.0的水溶液中与碳酸氢钠孵育6小时，结果呈pH依赖性：当pH ≥ 7.0时，可以观察到化合物2向五元环碳酸酯1的显著转化；当pH > 7.5时，化合物2的水解反应占主导，产物14为主要产物。这表明五元环碳酸酯可在中性水溶液条件下自发形成。为阐明碳酸酯环形成机理，使用18O标记的碳酸氢盐探究1中氧原子的来源。当反应以18O标记碳酸氢盐进行时，产物1显示4 Da的分子量增加，从而提示化合物1中有两个18O原子被标记。13C NMR中18O诱导的同位素位移显示C5和C20均出现轻微高场位移，确认1中的O21和O22均来源于碳酸氢盐。相比之下，水解产物14的13C NMR仅显示C5的同位素位移，表明碱性条件下O21来源于溶剂水（如图4）。基于此，提出以下反应机理：在pH 7.0（碳酸氢根占主导）时，化合物2的C5环氧化物被碳酸氢根进攻，导致环氧开环生成碳酸酯中间体15，C6羟基对15中C20羰基的分子内进攻生成中间体16，脱水后生成五元环碳酸酯1。碱性条件下（氢氧根占主导），氢氧根对2中C5环氧化物的亲核进攻导致水解生成水解产物14。稳态假设下的动力学研究表明反应速率对底物2和碳酸氢根浓度呈一级依赖，室温下测得速率常数k ≈ 0.15 M-¹·h-¹。为了评估该自发CO₂偶联反应的普适性，测试了cytosporin类似物9、17–20的反应活性。单环衍生物9在pH 7.0无反应（碱性条件下发生环氧水解而非碳酸酯形成），而双环底物17–19和三环衍生物20均成功反应生成相应五元环碳酸酯。这表明除了环己烯环上的C4–C5环氧和C6-羟基外，稠合的四氢吡喃环对偶联反应也至关重要，其存在可能通过向环氧引入额外张力从而增加底物反应性。为探究C7脂肪族侧链的贡献，研究者将2臭氧化后用硼氢化钠或二甲硫醚还原分别得到31和32，两者在pH 7.0水溶液中均能形成相应碳酸酯产物，表明C7脂肪族侧链不影响CO₂偶联反应性（如图4）。图4 ¹⁸O标记实验及底物选择性考察本研究鉴定并功能表征了cytosporin 组装的所有生物合成酶，通过异源表达和饲喂实验建立了完整生物合成途径。首次揭示了cytosporin 中五元环碳酸酯通过非酶促、环氧介导的CO₂偶联反应在中性水溶液条件下形成，并通过同位素标记和反应动力学实验予以证实。总之，这一非酶促五元环碳酸酯形成机制代表了天然产物生物合成中前所未有的策略。从更广泛的视角看，CO₂与环氧化物偶联生成五元环碳酸酯是CO₂价值化利用中最具技术可行性和经济前景的路线之一。而本研究中2与CO₂（以碳酸氢根形式）在pH 7.0水溶液中偶联生成1，无需催化剂或外部能量输入，这与现有催化过程（依赖有机溶剂、过渡金属催化体系及高温高压条件）形成鲜明对比。该发现不仅拓展了天然产物生物合成中CO₂固定化学的认知，也为开发环境友好的有机碳酸酯绿色合成路线提供了有价值的启示。研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的资助。文章信息：Hua Xiao, Yong He, Xiufeng Zhang, Chenran Xu, Yongxiang Song, Menglan Luo, Yanqin Li, Huijuan Li, Xianglong Zhu, Jian Cai, Wan-Shan Li, Yan Yan; Epoxide-Mediated Carbon Dioxide Coupling Yields the Five-Membered Cyclic Carbonate in Cytosporin Biosynthesis. Journal American Chemical Society 2026; https://doi.org/10.1021/jacs.6c12612文章链接：https://doi.org/10.1021/jacs.6c12612

2026-09-04

南海海洋所 | 海底大地电磁揭示南海残留洋脊岩石圈-软流圈边界熔体长期保存机制

近日，中国科学院南海海洋研究所研究员张帆/林间团队，联合国内外多家单位，利用海底大地电磁技术，揭示了南海残留洋脊下方岩石圈-软流圈尺度的电性结构。相关成果发表于以“Magnetotelluric evidence for long-lived melt layer beneath oceanic lithosphere”为题发表于《Communications Earth & Environment》。论文第一作者为研究员张帆，通讯作者为助理研究员杨博、院士林间、研究员张涛。岩石圈-软流圈边界（lithosphere-asthenosphere boundary; LAB）是刚性岩石圈板块与下伏塑性软流圈之间的关键界面，对板块运动具有重要影响。该界面普遍表现出地震波低速和电阻率低阻的特征，通常被认为与地幔部分熔融有关。然而，部分熔融在LAB处的普遍性、熔体含量及其长期稳定性，尤其是在非活跃板块边界和远离地幔柱影响的地区，目前仍缺乏充分认识。残留洋脊是洋中脊扩张停止后形成的特殊地质单元，其热结构相对简单，不受复杂热异常影响，是研究LAB的理想天然实验室。为此，研究团队于2022年9月在南海西南次海盆布设了一条长约125公里、垂直穿过残留洋脊的海底大地电磁剖面。成像结果及综合分析表明（图1），在洋脊两侧50-80公里深处存在低阻层，指示0.1%-1.3%的部分熔融，而洋脊轴部正下方约60公里宽的区域则表现为熔体缺失的相对高阻特征，形成独特的“低-高-低”电阻率结构。这一特征与活动洋脊下方广泛发育的高导熔融区明显不同。结合本次观测结果及活动洋脊研究成果，研究团队提出了洋脊下方地幔熔体演化模型（图2）。在洋脊扩张阶段，扩张中心下方发育两个熔体区域：较浅的熔融汇聚三角区，以及其下更深、更广的低程度熔体层。随着扩张停止，1300 °C等温线逐渐下移，浅部熔体逐渐结晶固化；同时，扩张停止后洋脊附近的火山活动表明，部分浅部岩浆仍可向上运移并喷出，从而在洋脊轴部下方留下熔体亏损的地幔。相比之下，洋脊两翼的熔体能够长期保存，且至少已持续存在19百万年（19 Ma）。研究结果表明，洋脊扩张过程中产生的熔体可能是一种广泛分布且长期稳定存在的地质特征，并为解释全球海洋LAB处普遍观测到的部分熔融现象提供了新的机制。本研究得到广东省自然科学基金、国家重点研发计划等项目资助。论文信息： Fan Zhang, Bo Yang*, Jian Lin*, Tao Zhang*, Samer Naif, Jiabiao Li, Makoto Uyeshima, Chuanzhou Liu, Weiwei Ding, Xubo Zhang, Jiangyang Zhang, Caicai Zha, Alexandra Yang Yang, Zihua Cheng, Pengcheng Zhou, Jinyu Tian & Wule Lin. Magnetotelluric evidence for long-lived melt layer beneath oceanic lithosphere. Communications Earth & Environment, 7, 713 (2026).原文链接：https://www.nature.com/articles/s43247-026-03703-9图1 南海残留洋脊岩石圈-软流圈电性结构与熔体分布及含量图2 南海残留洋脊地幔演化过程示意图

2026-09-02

南海海洋所 | 研究揭示南海不同因素驱动海洋热浪的时空分布特征

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动力热力过程及其环境效应研究团队在海洋热浪研究方面取得新进展。相关研究成果以“Spatiotemporal characteristics of marine heatwaves driven by different factors in the South China Sea”发表于《中国科学：地球科学》（Science China Earth Science）。论文第一作者为博士研究生陈铭洋，通讯作者为研究员陈更新和研究员储小青。海洋热浪是指持续多天的异常海水变暖事件，对海洋生态系统及社会经济产生深远影响。南海作为全球最重要的边缘海之一，近年来海洋热浪事件的发生频率和强度显著增加。持续发生的海洋热浪事件可引发珊瑚礁白化、有害藻华暴发和渔业资源波动等一系列生态灾害，进而对沿海区域经济的可持续发展构成潜在威胁。尽管已有研究对其时空分布特征及部分驱动机制进行了探讨，但关于大气过程与海洋过程在海洋热浪形成与演变中的相对贡献仍缺乏定量评估。这不仅限制了对南海海洋热浪驱动机制的深入理解，也在一定程度上使得其预测和预报面临较大挑战。研究团队基于OISST观测数据以及GLORYS和ECCO2两套再分析产品，根据海洋热浪发展阶段中主要热收支项的相对贡献对1993–2022年南海海洋热浪进行了分类研究，并系统探究了不同类型海洋热浪的时空变化特征。结果表明：南海不同区域海洋热浪的主导驱动因素存在显著差异，南海北部、中部及南部大部分区域的海洋热浪主要由热力过程驱动，而越南以东海域及吕宋海峡附近则以海洋动力过程为主导（图1）。进一步分析发现，不同驱动机制不仅决定了海洋热浪的形成过程，也显著影响其特征。热力驱动型海洋热浪通常具有更长的持续时间，但强度相对较弱；动力驱动型海洋热浪则表现出更高的强度和更深的垂向影响范围（图2），这种差异与南海不同区域的海洋动力结构和大气强迫背景密切相关。此外，研究还对不同再分析数据集带来的不确定性进行了讨论，指出空间分辨率、数据同化以及模型偏差等因素均可能影响海洋热浪的分类及特征刻画。进一步强调，结合卫星观测、多套再分析资料及高分辨率区域模式开展交叉验证，是提高海洋热浪驱动机制识别可靠性的重要途径。本研究从驱动机制视角深化了对南海海洋热浪形成与演变过程的认识，揭示了海洋动力过程与大气热力强迫在塑造海洋热浪特征中的区域差异及其作用机制，为南海海洋热浪的分类监测、风险评估和精准预警提供了新的科学依据，也为气候变化背景下海洋生态系统极端事件的风险应对与保护提供了重要支撑。该研究获得广东省基础与应用基础研究基金项目、国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目、广州科技菁英“领航”项目和国家自然科学基金委员会共享航次计划项目的联合资助。论文信息：Chen, M., Chu, X. & Chen, G. Spatiotemporal characteristics of marine heatwaves driven by different factors in the South China Sea. Sci. China Earth Sci. (2026).原文链接：https://doi.org/10.1007/s11430-025-1917-6图1 不同类型南海海洋热浪的占比及各项热收支贡献。（A、B）为不同类型海洋热浪事件的占比；（C、D）为各网格海洋热浪的主导驱动类型；（E、F）为不同类型海洋热浪发展阶段的热收支贡献，包括混合层温度趋势（Tend）、净海表热通量项（Hflux）、水平平流项（Adv）、夹卷项（Entri）和余项（Res）。其中，蓝色为动力驱动型，粉色为热力驱动型，紫色为联合驱动型，绿色为余项驱动型。左列结果基于ECCO2，右列结果基于GLORYS数据。图2 不同类型海洋热浪海表温度及位温的时间-深度演变特征。（A、C、E）为不同类型海洋热浪在海洋热浪发生日期前后30天的复合海表温度异常，阴影部分为温度异常的标准差，其中红线为基于ECCO2的结果，蓝线为基于GLORYS的结果；（B、D、F）为对应时间段内的0–200m深的位温异常，其中阴影为基于ECCO2的结果，等值线为基于GLORYS的结果

2026-09-02

CEE | 俯冲板片-地幔楔最大解耦深度的流体控制机制

板块俯冲是深渊海沟形成和分布的根本原因。俯冲带动力学中的一个重要科学问题是：什么控制着俯冲板片与地幔楔之间的最大解耦深度（maximum depth of decoupling，MDD）——这一全球观测到的、将冷的刚性弧前地幔与热的对流弧下地幔分隔开的边界？围绕该问题，中国科学院深海科学与工程研究所（以下简称“深海所”）科研人员开展高温高压实验模拟研究，揭示滑石的交代脱水反应可能是控制MDD的关键机制，相关成果于近日发表于国际地球科学权威杂志Communications Earth & Environment。板块俯冲是深渊海沟形成和分布的根本原因。俯冲带动力学中的一个重要科学问题是：什么控制着俯冲板片与地幔楔之间的最大解耦深度（maximum depth of decoupling，MDD）——这一全球观测到的、将冷的刚性弧前地幔与热的对流弧下地幔分隔开的边界？围绕该问题，中国科学院深海科学与工程研究所（以下简称“深海所”）科研人员开展高温高压实验模拟研究，揭示滑石的交代脱水反应可能是控制MDD的关键机制，相关成果于近日发表于国际地球科学权威杂志Communications Earth & Environment。滑石广泛分布于俯冲板片与上覆地幔楔之间的界面处（图1）。作为含水矿物，滑石也是已知最软的矿物，不仅在俯冲带深部水循环中扮演重要角色，还对俯冲板片与地幔楔之间的界面起到润滑作用。因此，滑石在俯冲带中的稳定范围和脱水深度至关重要。以往对滑石最大稳定极限的评估，大多基于富硅的理想化条件，所得脱水温度约为800 ℃，对应俯冲深度最深可达160 km。然而，在真实的自然俯冲带界面中，滑石常与蛇纹石和橄榄石共生，处于一种富水、低硅的复杂流体环境中。这种环境下的滑石脱水行为及其地球动力学效应，长期以来缺乏直接的实验约束。因此，研究人员开展了高达33.8 kbar和875 ℃的原位高温高压实验，并与热力学计算的结果进行了对比。结果表明，在富水、低硅环境中，滑石会发生一种特殊的交代脱水反应（metasomatic dehydration），生成镁橄榄石和含硅的水溶液流体，而非传统上认为的顽火辉石、石英/柯石英和水。该反应比传统石英饱和模型预测的温度低90–170 ℃，将滑石脱水深度推至约80 km（图2），与观测到的MDD深度一致，适用于从马里亚纳到卡斯卡迪亚等全球冷、热俯冲带。该成果为理解俯冲带动力学机制提供了全新的实验约束。本研究第一作者和通讯作者为深海所程南飞副研究员，合作单位为中国科学院海洋研究所。研究获深地国家科技重大专项、国家自然科学基金项目和海南省“南海新星”科技创新人才平台项目资助。文章信息：Nanfei Cheng*, I-Ming Chou, Zhenhao Duan, Zhou Gui, Haiyan Zhang, Hao Yan, Jianhui Sun. Metasomatic dehydration of talc constrains the maximum depth of slab–mantle decoupling in subduction zones. Commun Earth Environ. 2026; in press. Available from: https://doi.org/10.1038/s43247-026-03979-x.冷俯冲带剖面示意图。图中展示了来自脱水板片的两种潜在流体运移路径：沿封闭界面下方上倾方向运移，或直接进入地幔楔熔融区（俯冲带基础模型修改自Wada & Wang (2009)；流体路径概念据Halpaap et al. (2019)）。最大解耦深度（MDD，紫色星标）在此由滑石的分解所界定。压力（深度）-温度图解，展示了在低 m(SiO2) 条件下滑石脱水反应相对于硅饱和（高 m(SiO2)）条件的偏移，并同时给出了两条滑石+镁橄榄石反应曲线以及三种典型俯冲带的热梯度。

2026-09-15

华南植物园揭示光环境调控大豆种子异黄酮的生物合成机制

异黄酮是大豆种子中一类重要的次生代谢产物，它不仅参与植物抗病、微生物互作、非生物胁迫响应和根瘤形成等生理过程，还对人体具有重要的营养与健康价值。尽管大豆种子异黄酮合成的分子机制已有一定研究，但在自然环境中，季节变化引起的光环境改变如何调控种子异黄酮含量仍不清楚。华南植物园科研团队通过全基因组关联分析（GWAS），定位到了一个调控大豆种子异黄酮含量的关键基因ICR1。进一步研究发现，光周期信号通过GmCOL2b-ICR1分子模块调控异黄酮积累，而紫外光UV-B则通过增强ICR1蛋白稳定性促进其积累。因此，该研究揭示了在夏、秋季节转换过程中，光周期缩短与紫外辐射变化协同促进大豆种子异黄酮积累的分子机制。图. 光环境调控大豆种子异黄酮积累的分子模式图侯兴亮研究团队致力于大豆种子发育、品质及环境适应性研究，并取得了一些重要进展（Liu et al., PNAS, 2025; Zhang et al., Nature Communications, 2025; Li et al., Molecular Plant, 2024; Yu et al., Nature Plants, 2023）。此项研究进一步揭示了光环境促进大豆种子次生代谢产物积累的分子机制。相关研究成果以“Photoperiod and UV-B orchestrate ICR1 to control seed isoflavonoid accumulation in soybean”为题目发表在国际学术期刊The Plant Cell上。中国科学院华南植物园博士后菅明阳和博士生武欢为共同第一作者，侯兴亮研究员与张春雨副研究员为共同通讯作者。该研究得到了广东省自然科学基金、国家自然科学基金和国家重点研发计划等项目的资助。论文链接：https://doi.org/10.1093/plcell/koag268

2026-09-11

深圳先进院｜打造首个“双模型协同”材料创制智能体MatBrain

材料创制是一项涉及多学科知识交叉的复杂系统工程，长期面临研发周期长、试错成本高等挑战。近年来，大语言模型（LLM）在辅助材料设计与预测方面展现出巨大潜力。然而，当前通用大模型参数巨大，部署成本高，并且在严谨的材料推理和复杂的多步工具调用之间难以兼顾，成为AI for Materials领域面临的关键难题。材料创制是一项涉及多学科知识交叉的复杂系统工程，长期面临研发周期长、试错成本高等挑战。近年来，大语言模型（LLM）在辅助材料设计与预测方面展现出巨大潜力。然而，当前通用大模型参数巨大，部署成本高，并且在严谨的材料推理和复杂的多步工具调用之间难以兼顾，成为AI for Materials领域面临的关键难题。日前，中国科学院深圳先进技术研究院（简称“深圳先进院”）材料人工智能研究所喻学锋团队成功打造了面向材料创制的轻量化双模型协同智能体MatBrain。相关工作以“A collaborative agent with two lightweight synergistic models for autonomous crystal materials research”为题，于2026年9月10日在《Nature Machine Intellegence》（《自然-机器智能》）在线发表。深圳先进院喻学锋研究员、王佳宏研究员为论文通讯作者；深圳先进院博士后史桐雨、博士生李玉堂、研究助理李湛渊和博士后（已出站）刘倩为论文共同第一作者。深圳先进院为论文第一单位。在该研究中，喻学锋团队首次提出了知识+工具双模型融合的材料创制智能体技术理念，通过自主开发轻量化科学推理模型Mat-R1和工具执行模型Mat-T1，构建了“科学推理-工具执行”双模协同智能体MatBrain。具体而言，针对通用大模型在材料科学任务中存在专业知识碎片化、物理化学约束理解不足、复杂科学推理稳定性不高等问题，提出“多源知识关联—推理数据蒸馏—领域能力内化”的材料科学推理模型构建方法，研制轻量化科学推理模型 Mat-R1。针对现有大模型智能体主要依赖提示词或预设流程调用科研工具，存在工具选择不稳定、复杂参数易出错、多步骤任务易中断、长程执行能力不足等问题，提出“工具即环境、执行即反馈”的科学工具过程强化学习方法，研制轻量化工具执行模型Mat-T1。借鉴认知分析与行动执行分工协同的类脑机制，将低熵科学推理模型Mat-R1作为“认知中枢”，将高熵工具执行模型Mat-T1作为“行动中枢”，建立共享状态驱动的“生成—验证—反馈—再执行”动态闭环，实现复杂科研任务的自主纠错、迭代探索和长程闭环。MatBrain通过有效降低因“低熵知识推理”与“高熵工具执行”冲突引发的“信息熵坍缩”概率，实现了科学知识可靠性与工具探索灵活性的协同统一，在多项材料预测和结构设计任务中预测准确率相较于GPT-5等主流模型提升66%，并将先进材料智能体的硬件部署成本降低95%以上；在实际案例中，MatBrain自主完成3万个候选晶体结构生成、七级筛选及候选优选，在48小时内获得38个新候选材料并指导实验开展，验证了双模智能体开展复杂材料创制任务的自主科研能力。团队相关核心专利“一种双模型协同的轻量化材料科学智能研究方法与系统”已获得授权，同时登记了“材料科学模型协同生态平台软件V1.0”软件著作权，相关成果入选2025年度中国科学院网信工作十大进展。团队已经将MatBrain开发成可应用的AI智能体软件，现正式发布MatBrain体验版软件供公众下载（下载地址见文后链接）。团队还一直致力于推动MatBrain的成果应用和转化。一方面，团队将MatBrain大模型与材料中试生产数据相结合，构建智能化材料中试解决方案。相关技术应用于团队孵化的控股企业中科先材，构建了AI驱动的先进功能材料中试平台，于2025年成功获批首批国家级制造业中试平台（全国仅21家，材料领域仅两家）。另一方面，团队还与多家企业共建创新联合体，助力企业研发提速增效。代表性地，团队与磷化工龙头企业兴发集团开展长期合作，将材智云脑MatBrain融合企业数据、构建面向磷化工及新材料领域的智能研发平台：兴发云脑；实现了从文献检索、知识分析、实验方案设计到工艺优化的全流程智能辅助，帮助兴发集团成为新能源领域增速最快企业之一。此外，研究团队正致力于将MatBrain作为机器人“决策大脑”，与具身智能技术相结合，构建具身智能机器人科学家（Dr. Mind）。其在灵巧手控制、离心机操作、精准“反馈”移液、精准“微量”加粉、样品表征分析等方面实现了精准、智能的自主实验，帮助科研人员高效完成生化合成、材料创制、细胞培养、样品检测等科研任务，从而推动构建具身智能自主实验室新范式。论文链接材智云脑MatBrain体验版下载地址：https://matbrain.siat.ac.cn/trial.html图1 | MatBrain双模型协同框架图2 | MatBrain性能展示及实际案例研发过程图3. 材智云脑MatBrain软件核心架构

2026-09-10

深圳先进院｜定量合成生物学全国重点实验室构建新型菌藻共生体系，实现工业废水中难降解含氮污染物与PET微塑料同步去除

近年来，工业废水，特别是印染行业废水，其核心治理难点在于溶解态顽固有机氮化合物（如N-杂环、芳香胺类）与颗粒态PET微塑料的复合污染。这两类污染物化学性质迥异、结构稳定，传统工艺各自为政——生物硝化针对无机氮、高级氧化针对溶解物、膜过滤针对颗粒物，难以同步应对；而天然藻菌共生体虽被视为可持续平台，却受限于微藻对高浓度染料的敏感性和现有工程细菌对PET降解效率的低下，始终停留于概念验证阶段。近日，由中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称“深圳先进院”）定量合成生物学全国重点实验室/合成生物学研究所Howard H. Chou正高级工程师领衔的研究团队在环境工程领域国际权威期刊Bioresource Technology发表重要研究成果"Synthetic microalgal–bacterial symbiotic system integrating oxidase-protease fusion enzyme for simultaneous removal of recalcitrant nitrogen-containing organic compounds and PET microplastics"。本研究打破“单一物种”思维定式，通过合成生物学手段构建人工菌藻分工协作体系：将顽固有机氮降解功能赋予工程化小球藻，将PET微塑料降解功能交由改造的恶臭假单胞菌执行，并利用碳-信号交换回路（胞外多糖与吲哚-3-乙酸互惠）将两者紧密耦合，旨在为复合污染物的协同治理提供全新设计路径。研究团队在分子层面取得关键突破，在微藻中发现了一种此前未知的氧化酶-蛋白酶融合酶（A20674）——其氧化酶结构域广谱去除N-杂环与芳香族化合物，蛋白酶结构域负责有机氮矿化，为微藻去除顽固含氮污染物奠定了首个酶学基础。基于此，团队理性组合工程化小球藻与恶臭假单胞菌，形成互惠增强的正反馈循环：小球藻分泌胞外多糖为细菌供碳，细菌回馈IAA促藻生长并同步降解含有有机污染物和PET微塑料。该优化菌群将有机氮浓度降低16倍（达≤5 mg/L的国家排放标准），顽固有机氮去除提升5倍，PET微塑料去除提升9倍——实现了溶解态含氮物与颗粒态塑料的集成去除，这是单一生物或传统工艺无法达成的组合。该成果不仅揭示了一种双功能酶架构用于降解结构多样的工业污染物，也为后续藻类污水处理技术的智能化、模块化设计提供了可拓展的合成生态学框架。1 废水驯化揭示关键氧化酶研究团队首先将小球藻在印染废水中驯化三个月。结果显示，延长光照时间可大幅提升生物量积累和营养物去除，但有机氮去除呈现独特的阈值响应——光照超过18小时后去除率方才显著提升，连续光照下达最大水平。即便如此，残余有机氮浓度仍高于中国印染废水排放标准（GB 4287-2012）及欧盟相关指令要求。转录组分析发现多种种氧化酶相关基因在废水条件下被强烈诱导。其中仅A23292与A20674两个异类污染物降解相关基因能使未驯化细胞直接在印染废水中生长。在不同类型废水（市政、酿造、畜牧、印染废水）中的评估显示，质粒过表达这两个酶可使COD去除提升4-6倍，氨氮去除提升3-7倍，有机氮去除提升2-55倍。在底物特异性层面，研究团队针对六大类代表性含氮污染物进行了系统测试：芳香族染料（吲哚、四氢喹啉、偶氮苯）、除草剂（敌草快）及兽用抗生素（林可霉素、恩诺沙星）。结果显示，氧化酶过表达使吲哚、四氢喹啉和偶氮苯的去除率提升4-6倍，并首次实现了对敌草快、林可霉素和恩诺沙星的降解（图1）。2 双功能融合酶的结构解析与功能分区A20674表现尤为突出——它在市政、酿造和畜牧废水中的有机氮去除效果甚至超越了经典P450酶A23292。AlphaFold建模揭示其独特结构：N端为氧化酶样区域，C端为蛋白酶样结构域。数据库检索发现单个结构域在微藻中存在同源物，但此前从未报道过同时包含这两种结构域的单条多肽蛋白。更有趣的是，将此蛋白的两个结构域分别独立表达后，测试结果呈现出明确的功能分工：蛋白酶样结构域单独即可再现全酶绝大部分的有机氮去除能力，在三种废水中稳定超越氧化酶结构域3-4倍；而氧化酶结构域则主要负责六种顽固含氮化合物的去除。这意味着A20674在单条蛋白中整合了两种功能。3 藻菌互惠机制的揭示与工程放大尽管工程化小球藻能有效去除溶解态污染物，微塑料去除仍因蛋白表达量低而受限。研究团队转而构建人工微藻-细菌共生体系：将恶臭假单胞菌（P. putida PP1a）引入体系，发现该菌株单独无法在印染废水中增殖，但与小球藻共培养后生长恢复—关键证据在于微藻分泌的胞外多糖（EPS）在共培养中被消耗高达41%，证实细菌以微藻释放的碳源为生。更重要的是，这种关系是双向互惠的：共培养同时提升了微藻的生长和营养物去除效率。机理上，恶臭假单胞菌分泌的IAA促进了微藻生物量及EPS产量提升，而EPS反过来又保护微藻细胞免受废水中有毒化合物的侵害，为氧化酶解毒争取了关键时间窗口。为了进一步增强互惠循环，团队进行了双向工程改造：在小球藻中过表达EPS合成相关基因（A16215或A19684），在恶臭假单胞菌中增强EPS分解代谢能力。同时，经过定向进化和分子改造相结合，获得了一株PET降解菌株B84，其不仅PET去除能力提升4倍，IAA产量也意外提高了3倍，完美契合了共生体系的需求（图3）。4 工程化菌藻共生系统实现顽固有机氮与PET微塑料同步去除集成所有工程化模块后，最优体系（含PET酶/EPS降解增强型恶臭假单胞菌，以及过表达A23292/A20674和EPS增产基因的小球藻）展现出惊人性能：PET微塑料去除提升9倍，塑料碎片去除提升5倍，相较于仅过表达PETase/MHETase的小球藻对照组；有机氮浓度降至5 mg/L以下，满足中国及欧盟排放标准；在含偶氮苯或活性黑5的限定成分印染废水中，染料去除提升5倍，PET微塑料去除提升4倍。除此之外该共生体系在厨余废水和含恩诺沙星、敌草快、偶氮苯的培养基中也得到了验证，结果与印染工业废水一致：B84与氧化酶过表达小球藻联用使有机氮去除提升6倍，EPS增产再额外提升3倍；对三种顽固化合物的去除提升21–45%。本研究提供了三项核心贡献：第一，首次鉴定并功能表征了微藻中的氧化酶-蛋白酶融合酶A20674——其氧化酶结构域负责广谱去除N-杂环与芳香族化合物，蛋白酶样结构域负责有机氮去除，为微藻去除顽固有机污染物建立了首个分子机制基础；第二，解析了小球藻与恶臭假单胞菌的互惠关系——EPS供碳与IAA促生构成的代谢交换回路，并通过工程手段放大该互惠效应；第三，将氧化酶、EPS过表达微藻与PET酶工程菌整合于单一人工合成菌藻共生体系中，首次实现了溶解态顽固含氮有机物与颗粒态微塑料的同步去除，有机氮达标排放的同时PET微塑料去除较纯培养提升9倍。该研究不仅揭示了一种双功能酶架构用于降解结构多样的工业污染物，更建立了一个合成生态学框架——将代谢功能分配于经理性设计的微生物伙伴之间，通过分子交换互联——为应对工业废水中多污染物共存的现实挑战提供了机理与工程基础，这是任何单一生物或传统处理工艺都无法企及的。深圳先进院定量合成生物学全国重点实验室/合成生物学研究所Howard H. Chou正高级工程师为本文的通讯作者，课题组助理研究员肖睿为本文的第一作者，中国科学院深圳先进技术研究院为本文第一完成单位。本研究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的资助以及深圳合成生物学创新研究院等项目的支持。图1.过表达氧化酶的小球藻对工业废水的处理效果。比较质粒过表达与染色体整合过表达两种方式下，(a)化学需氧量（COD）的去除率；(b)氨氮的去除率；(c)有机氮的去除率；(d)总磷的去除率；(e)含氮有机化合物的去除率；(f)在含氮有机化合物存在条件下，过表达氧化酶后微藻生长量的变化。EV：空载体对照；P&D：印染废水，Muni.：市政废水；Brew.：酿造废水；PD：养猪场废水；DFD：养鸭场废水。图2. 氧化酶-蛋白酶融合蛋白A20674的结构分析。(a)A20674的BLASTP比对分析结果。(b)AlphaFold3预测的A20674（左）与P450-细胞色素P450还原酶（CPR）融合蛋白CYP102A1（右）的三维结构。(c)A20674（左）与CYP102A1（PDB编号：1JPZ，右）活性位点比较。图3. 人工合成微藻-细菌共生体系的工程化构建。(a)刚果红染色显示胞外聚合物（EPS）的分布情况；(b)在印染废水中，小球藻单独培养（Cv）或与恶臭假单胞菌PP1a共培养（Cv + PP1a）72小时后，EPS中单糖组成及含量分析。(c)比较小球藻与PP1a共培养体系中，过表达IAA合成通路（+IAA）与未过表达（−IAA）条件下，相对于小球藻单独培养对照组的营养物去除效率变化。(d)过表达EPS生物合成相关基因后，EPS总含量及藻细胞密度的变化。图4. 微藻-细菌共生系统对PET塑料及有机氮的去除效果。(a)印染废水中PET微塑料粉末经5天处理后的去除情况。(b)在基础培养基中，一次性塑料餐盘经60天处理后的降解去除情况。(c)由工程化PP1a（过表达PETase/MHETase及PP1228）与过表达氧化酶及EPS合成基因（A16215或A19684）的小球藻所组成的共生体系，在印染废水中对PET微塑料粉末的去除效果。(d)在上述过表达PETase/MHETase及PP1228的共生体系条件下，有机氮（Org.N）的去除效果。

2026-09-10

深圳先进院 | 研发新型活性物质系统，让水凝胶像生物一样随时间变形

生物的形态变化无处不在，从向日葵的向光弯曲到组织器官的生长塑形，其背后是活性物质的持续生成与有序分布。这些活性物质通过扩散、反应及反馈，在数秒至数周的时间里完成形态转变。然而，传统刺激响应高分子材料主要依赖分子化学键改变形态，难以复现生物活性物质的跨时间尺度形态变化，严重制约了其在医学场景中的应用。9月4日，中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称“深圳先进院”）生物医学与健康工程研究所、医学成像科学与技术系统全国重点实验室杜学敏研究员等，在形态演化水凝胶方向取得了重要研究进展，相关成果以"Self-sustaining reactive species program morphological evolution across timescales in hydrogels"为题，发表在国际权威材料期刊Matter上。研究团队研发了一类具有时空演化特征的活性物质系统——STERS（Spatiotemporally evolving reactive species），可让水凝胶按照设定，在微观至宏观层面、数分钟至数周时间里，实现单次至多次循环的形态变化。STERS系统（图2）由三个核心要素构成：（1）液态金属颗粒（LMPs），用于持续产生活性物质——自由基与镓离子；（2）经典乙烯基单体（丙烯酰胺与丙烯酸），可与LMPs氧化层反应并参与聚合；（3）近红外光（NIR），用于构建活性物质的时空梯度。研究团队发现，光照前，液态金属颗粒就会和单体溶液发生反应，产出自由基、镓离子，引发化学反应，慢慢形成水凝胶。当使用近红外光照射后，液态金属颗粒会产生光热效果，进一步加速活性物质生成。在凝胶被照射和没被照射的区域、凝胶上下表面之间，形成活性物质浓度梯度。通过调节液态金属颗粒浓度、单体比例或光照时间，可精确调控水凝胶薄膜的形态演化时间及演化次数。研究团队进一步将该形态变化水凝胶体系拓展至生物医学领域应用（图3）。微观层面，利用水凝胶集成的微结构动态演化平台，在数天内诱导间充质干细胞向成骨或神经样定向分化；在宏观层面，构建水凝胶集成的形态演化电极，使其能够在数周内动态适配大鼠生长过程中脑表面的形态变化，并实现脑电图信号的连续监测，从而解决了传统固定形态电极难以匹配动态生长组织表面的核心技术难题。该研究为解决传统材料与器件难以匹配特定生物学时间尺度的问题提供了新策略。深圳先进院杜学敏研究员为该论文的通讯作者，聂明哲博士为第一作者。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院青年创新促进会、深圳市医学研究专项、深圳市基础研究计划等科技项目支持。原文链接STERS设计与程控凝胶化原理及NIR光调控活性物质的时空动力学形态演化水凝胶在数天内诱导干细胞分化及数周内动态适配脑机接口应用

2026-09-09