科研进展--中国科学院广州分院

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王晓雪研究员团队发现逆转录酶通过“重编辑”温和噬菌体的基因组赋予其超感染能力，具有超感染能力的噬菌体在生物膜中实现快速增殖。相关研究成果以“A reverse transcriptase controls prophage genome reduction to promote phage dissemination in Pseudomonas aeruginosa biofilms”为题，10月20日在线发表于Cell子刊Cell Reports。南海海洋所研究员郭云学，2022级博士研究生林世团为该论文共同第一作者，研究员王晓雪为通讯作者。在生物界的漫长进化历程中，逆转录酶的发现改变了对遗传信息传递方式的认识。在许多真核生物中，端粒酶逆转录酶通过逆转录将端粒DNA加至真核细胞染色体末端，填补DNA复制损失的端粒，以保护基因组的完整性。在逆转录病毒（RNA病毒）中，逆转录酶将病毒RNA逆转录合成双链DNA，双链DNA被整合酶整合至宿主细胞染色体DNA上形成前病毒，并可随宿主细胞分裂传递给子代细胞。研究团队发现单链DNA病毒-丝状噬菌体的基因组携带了逆转录酶，通过对生物膜形成中的丝状噬菌体“释放-再次侵染”过程的详细解析，意外的发现该逆转录酶负责合成了一个精简的丝状噬菌体基因组，舍弃了约1/3的基因组。这个重编辑的噬菌体基因组保留了噬菌体组装的必需基因，并截获激活因子上游ncRNA的强启动子确保噬菌体激活因子及其下游基因的高表达，重编辑的噬菌体基因组还丢掉了免疫调控区，具有了“超感染”能力。在生物膜形成过程中，重编辑的噬菌体能够取代一部分宿主菌中的温和噬菌体，成为不断产生超感染噬菌体的“超级宿主菌”。“超级宿主菌”不仅能大量产生超感染性噬菌体，还表现出对超感染性噬菌体的抵抗能力，进而维持生物膜的结构稳定性，以及生物膜中噬菌体与宿主菌比例的平衡（图1）。研究结果证实，添加逆转录酶抑制剂能够有效地抑制生物膜中超感染噬菌体的产生。研究的不足之处在于本项研究中还未能直接构建“重编辑噬菌体基因组” 体外反应体系，研究团队还在继续相关的尝试。逆转录酶对DNA病毒基因组编辑功能的这一发现，拓展了人们对噬菌体生物学特征及生物膜中噬菌体与宿主菌复杂互作的微观认识。近年来，融合CRISPR/Cas9 切口酶的工程化逆转录酶以及反转录子中的逆转录酶展现出作为真核生物基因组编辑工具的巨大潜力，为治疗遗传性疾病和开发定制化治疗方案提供了新的可能性。丝状噬菌体的逆转录酶的应用前景也值得探究。本研究工作得到国家自然科学基金、国家科技部资源调查专项、广东省本土创新团队等项目和南海海洋所基础前沿与创新发展 “一体化”项目的资助。图1. 逆转录酶控制超感染噬菌体Pf4的产生及其在生物膜中扩散模式图。RF Pf4：复制型Pf4； SI Pf4：超感染Pf4。相关论文信息：Guo Yunxue #,Lin Shituan#,Chen Ran,Gu Jiayu,Tang Kaihao,Nie Zhaolong,Huang Zixian,Weng Juehua,Lin Jianzhong,Liu Tianlang,Matthew K. Waldor,Wang Xiaoxue*. A reverse transcriptase controls prophage genome reduction to promote phage dissemination in Pseudomonas aeruginosa biofilms. 2024,Cell Reports,43(11):114883.论文链接：doi.org/10.1016/j.celrep.2024.114883

2024-10-21

广州能源所在过冷水冰浆流动成核动力学以及粒径演变研究方面取得系列进展

近期，中国科学院广州能源研究所储能技术科研团队在过冷水冰浆流动成核动力学以及粒径演变规律研究方面取得系列进展，研究揭示了过冷水成核，以及成核后冰晶生长过程中的动力学变化规律。近期，中国科学院广州能源研究所储能技术科研团队在过冷水冰浆流动成核动力学以及粒径演变规律研究方面取得系列进展，研究揭示了过冷水成核，以及成核后冰晶生长过程中的动力学变化规律。科研团队在经典成核理论的框架上，针对过冷水的流动成核现象，将流动剪切因素纳入考量，提出了流动成核动力学理论模型，充分讨论了过冷水在流动剪切作用下成核能垒、最小成核半径等关键成核参数的变化情况。研究发现，剪切成核过程中，加速过冷液体成核的关键因素并非剪切导致的形变，而是所导致的形变在遭遇阻碍后而释放变形能量的本身。该研究可为过冷水冰浆制备的“防冰堵”、飞机机翼防冰和电线防冰等问题的研究提供理论指导。流动剪切成核过程示意图除此之外，科研团队还针对成核后过冷态下的晶核粒径演变规律展开研究。研究团队利用Euler-Euler固液两相流模型与群体平衡模型进行耦合，研究了在不同流速、过冷度、初始含冰率的情况下，水平直管内过冷水冰浆流动过程中过冷解除、粒径生长、粒径分布、压降的变化规律。研究结果表明，在较低的流速和较高的初始含冰率下，过冷解除的更快；在较高的过冷度和较低的流速下，冰晶粒径增长的更快。该研究成果可为过冷水冰浆的“防冰堵”设计、冰浆流动优化等提供理论指导。促晶器内冰晶成核和生长过程温度变化沿流动方向不同位置的含冰率变化研究获得重点研发计划、欧盟地平线项目等的资助。相关成果相继发表于Chemical Engineering Science（Ice nucleation in supercooled water under shear，https://doi.org/10.1016/j.ces.2024.120674，第一作者为陈明彪博士，通讯作者为宋文吉研究员），International Journal of Heat and Mass Transfer（Investigation on the evolution of ice particles and ice slurry flowcharacteristics during subcooling release，https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.124008，第一作者为杜群博士生，通讯作者为宋文吉研究员）等期刊。

2024-10-21

广州地化所科研人员发现轮胎磨损颗粒物对城市PM2.5的贡献不容忽视

轮胎磨损颗粒（TWPs）是由于轮胎胎面在道路表面的滚动摩擦而产生，因其大量排放和潜在毒性受到广泛关注。轮胎磨损相关化学品（TWCs）主要指通过轮胎磨损释放的轮胎橡胶添加剂等化合物，已在各环境介质中广泛检出并被证实具有一定毒性。气-粒分配在污染物的环境行为中起关键作用，可影响污染物的干湿沉降、远距离传输和进入人体的途径。然而，TWCs在城市大气气相中的赋存及其气-粒分配机制仍不清楚。此外，大气细颗粒污染（PM2.5）是位列全球疾病负担第4位的危险因素，与肺癌、心血管和神经系统等多种健康疾病相关。TWPs作为机动车非尾气排放的重要组成，对城市PM2.5的贡献尚不明晰。针对上述问题，有机地球化学国家重点实验室博士研究生田乐乐在导师张干研究员和赵时真副研究员的指导下，与广东省生态环境监测中心陈多宏教授级高工、以及英国兰卡斯特大学Kevin Jones教授和Andy Sweetman副教授合作，在珠江三角洲9个城市采集了72套气相和PM2.5颗粒相样品，对54种TWCs进行定量分析，旨在阐明TWCs在城市大气中的浓度组成、时空分布和气-粒分配行为，并结合特征有机分子标志物进行来源解析，从而量化TWPs对城市大气PM2.5的贡献。图1. 珠江三角洲九个城市大气中轮胎磨损相关化合物（TWCs）的浓度水平。其中，绿色方框表示气相浓度，橙色方框表示颗粒相浓度。研究共检测了54种TWCs目标化合物，有28种检出（∑28TWC）。如图1所示，∑28TWC在气相和颗粒相中的总浓度为3130−317,000 pg/m³，气相浓度占总浓度的73 ± 26%。不同TWCs化合物的气-粒分配行为差异较大。研究选择了两种广泛使用的气-粒分配模型（Harner−Bidleman模型和稳态Li−Ma−Yang模型）对TWCs的气-粒分配行为进行评估和预测。如图2所示，大多数TWCs（除HMMM、BTSA、IPPD-Q和2-OH-BTH）的实测气-粒分配系数（log KP）均高于模型预测值。这意味着传统气粒分-配模型低估了TWCs在颗粒相的富集，可能由于部分被包裹的TWCs无法进行气-粒分配和采样误差造成。图2. 轮胎磨损相关化合物的气-粒分配系数（log KP）和辛醇-空气分配系数（log KOA）图。图中，红色实线是实测log KP的拟合线。Log KPE（蓝色实线）和log KPS（绿色实线）是分别使用Harner-Bidleman和Li-Ma-Yang模型计算的log KP。Log KPSM= - 1.53（水平粉色虚线）是使用稳态Li-Ma-Yang模型计算的log KP最大值。根据珠江三角洲城市大气PM2.5中TWCs的检出率、气-粒分配、对TWPs来源指示的特异性和正定矩阵因子分解模型（PMF）的拟合度四个标准，筛选出三种TWCs（BTSA、DPG和6PPD-Q）作为示踪TWPs来源的标志物。源解析采用PMF模型结合特征分子标志物，定量得到TWPs对城市大气PM2.5的贡献为13%±7%（图3）。此外，TWPs对PM2.5的贡献与采样点5公里半径内的道路长度呈显著正相关（r² = 0.67，p<0.01），亦证实我们筛选的BTSA、DPG和6PPD-Q可有效示踪TWPs来源。图3. 正定矩阵因子分解模型（PMF）解得的5个PM2.5源谱，柱状图表示化合物占该因子物种总量的百分比，其中红柱表示该因子的高贡献物种，蓝柱表示该因子的低贡献物种。本研究实了轮胎磨损颗粒物对珠江三角洲主要城市PM2.5的贡献不容忽视，提示机动车非尾气排放对于重点城市大气PM2.5防治的重要性。研究成果近期发表于污染领域TOP期刊《Environmental Science & Technology》，得到了广东省基础与应用基础研究重大项目、国家自然科学基金面上项目、“一带一路”国际科学组织联盟联合研究合作专项项目、广东省自然科学基金-杰出青年项目和中国科学院青年创新促进会员项目等资助。论文信息：Tian,L.（田乐乐）;Zhao,S.（赵时真）;Zhang,R.（张瑞玲）;Lv,S.（吕少君）;Chen,D.（陈多宏）;Li,J.（李军）;Jones,K. C.;Sweetman,A. J.;Peng,P. a.（彭平安）;Zhang,G.（张干）,Tire Wear Chemicals in the Urban Atmosphere: Significant Contributions of Tire Wear Particles to PM2.5. Environmental Science & Technology. 2024,58 (38):16952-16961.论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.4c04378

2024-10-18

南海海洋所 | Nature揭示海洋次表层热浪/冷浪的关键机制

2024年10月16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）詹海刚团队在Nature在线发表了题为“Common occurrences of subsurface heatwaves and cold spells in ocean eddies”的研究论文。该研究突破了次表层连续观测数据严重匮乏的限制，首次从全球尺度上揭示了涡旋在驱动海洋次表层热浪/冷浪事件中的关键作用，并指出涡旋会放大全球变暖对次表层极端温度的影响，加剧强热浪/冷浪的发生。LTO副研究员何庆友为论文第一作者，研究员詹海刚为论文通讯作者，助理研究员詹伟康、副研究员龚延昆、研究员蔡树群以及澳大利亚CSIRO研究员Ming Feng为论文共同作者。海洋热浪（heatwaves）和冷浪（cold spells）分别指温度超过一定阈值的持续性高温和低温事件。这些极端温度事件会严重破坏海洋生物栖息环境，造成生态系统和社会经济的灾难性后果。现有绝大多数相关研究集中于卫星可以直接观测的海洋表层，并基于热收支等方法将表层热浪/冷浪归因于海气热交换、海水平流以及混合等驱动机制。然而，目前卫星难以直接观测的次表层更受科学家和社会各界的普遍关注，因为该水层栖息着多种重要鱼类和珊瑚，拥有全球海洋中规模最大、开发最少的鱼类种群，在全球碳循环中也发挥着至关重要的作用。但由于长期连续的观测数据非常匮乏，常用的参数提取与机制分析方法难以全面应用，目前对次表层热浪/冷浪的发生特征与驱动机制知之甚少。研究团队首先分析了位于全球不同海盆、最长观测时间超过15年的8套长期潜标资料，发现超过80%的次表层（100-1000米）热浪/冷浪事件与表层热浪/冷浪没有直接关联。它们之中约有一半发生于反气旋涡/气旋涡经过期间，其比例远高于对应涡旋的发生频率（约为10%），且强度越大的事件，发生于涡内的比例越高（图1）。这表明与海气热交换等表层极端事件的主导机制不同，涡旋在驱动次表层热浪/冷浪中起着至关重要的作用。尽管长期连续的潜标观测可以有效捕捉次表层极端温度事件，但因其建设和维护成本高昂，目前在海洋中分布稀少，难以实现全球尺度上的评估。通过对比分析，研究团队发现空间离散的历史温度剖面观测数据可以较好地刻画次表层热浪/冷浪事件强度和涡旋贡献。基于此，研究团队分析了各种观测平台积累的全球海洋200多万条温度剖面数据，结合高度计卫星遥感的中尺度涡资料，发现反气旋涡/气旋涡对次表层热浪/冷浪的平均贡献约为30%，而在副热带流涡区和中纬度强流区其贡献可高达60%以上（图2）。且随着涡旋强度的增加，涡内极端温度出现概率和强度均显著上升。在振幅大于40厘米的强反气旋涡/气旋涡内，发生次表层热浪/冷浪的概率是涡外的6倍多，进一步证实了海洋涡旋是驱动次表层热浪/冷浪的关键机制。近几十年来，由于温室气体的持续排放，全球海洋经历了明显的变暖。为了研究次表层热浪/冷浪的响应，研究团队估算了1993至2019年间10个不同动力海区的涡内与背景极端温度异常的线性趋势，发现涡旋有助于放大全球海洋中热浪的升温速率和冷浪的降温速率（图3）。初步分析显示，海洋变暖引发的涡旋增强的作用远高于垂向层化增强，是涡旋放大效应的主导机制。该研究揭示了海洋次表层热浪/冷浪与表层极端温度事件在时空分布与物理机制上的巨大差异，指出仅从海表温度信息无法准确探测次表层热浪/冷浪事件。相比之下，卫星遥感的海面高度异常能较好地捕获海洋涡旋活动的信息，因此可以成为探测次表层热浪/冷浪，尤其是强热浪/冷浪事件的一个关键指标。另一方面，由于涡旋对次表层温度、溶解氧和浮游植物的影响机制相似，因此该研究对理解和预测全球变暖影响下次表层海洋贫氧、浮游植物藻华等极端事件具有重要的参考意义。该研究由国家自然科学基金、中国科学院先导计划、国家重点研发计划、广东省自然科学基金和中国科学院青年创新促进会项目等共同资助完成。相关论文信息：Qingyou He,Weikang Zhan,Ming Feng,Yankun Gong,Shuqun Cai,and Haigang Zhan*,Common occurrences of subsurface heatwaves and cold spells in ocean eddies,Nature,2024.文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08051-2图1. 全球不同海盆潜标观测的次表层热浪和冷浪发生在中尺度涡内情况。(a-h) 不同潜标站点观测的温度时间序列，图中红色（蓝色）为识别的热浪（冷浪）事件，粉色（青色）为反气旋涡（气旋涡）经过站点时间段；(j) 热浪（冷浪）事件期间有反气旋涡（气旋涡）经过的比例，图中叠加的粉色（青色）柱状图为对应涡旋的发生频率。图 2. 200米深度涡内极端温度强度与涡旋贡献率的全球分布情况。a-b. 全球海洋5°×5°网格内估算的极高温异常（EHTA）和极低温异常（ELTA）阈值。c-d. EHTA发生在反气旋涡（AE）内和ELTA发生在气旋涡（CE）内的百分比。e. EHTAs（ELTAs）发生频率随涡中心归一化距离的直方图。f. 极端温度异常发生概率随涡旋振幅的变化。g. 极端温度异常强度随涡振幅的变化。垂直条为相应的标准误差。图3. 全球不同海区涡致极端温度扰动变化趋势。(a-j) 1993-2019年各区域反气旋涡内极端高温扰动（橙色实线）和气旋涡内极端低温扰动（蓝色实线）强度变化趋势随深度变化，图中对应虚线为整个区域所有剖面数据观测的极端温度扰动强度变化趋势；(k) 各统计区域范围，图中填色为基于历史温度剖面数据统计的200米深度处极端低温扰动发生在气旋涡内比例的空间分布。

2024-10-17

南海海洋所 | Nature Communications揭示海参从海底沉积物获取营养机制

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）海参研究团队在海参的沉积物摄食与营养获取机制方面取得突破性进展。该研究揭示了海参通过基因组、基因表达和共生微生物群的进化适应，使其可以大量摄食海底沉积物并从中获取营养，相关研究成果以“Sea cucumbers and their symbiotic microbiome have evolved to feed on seabed sediments”为题发表于《自然-通讯》（Nature Communications）。南海海洋所副研究员陈廷为该论文的通讯作者，博士研究生潘文杰、硕士研究生王轩和研究员任春华为该论文的共同第一作者，研究员胡超群主导项目开展并提供指导意见。海参是海洋底栖生态系统中最主要的沉积物摄食动物，通过大量摄入和排泄海底沉积物，吸收其中的有机物并净化海底基质，维持海底生态系统平衡并减少珊瑚病害的发生，是海底的“清道夫”。但是，海参如何从营养匮乏的海底沉积中获得足够营养的机制，目前仍不清楚。以南海广泛分布的玉足海参（Holothuria leucospilota）为研究对象，胡超群研究团队发现海参从海底沉积物中获得的主要食物是微藻和细菌。通过比较基因组学分析，发现海参基因组中碳水酶扩张、蛋白酶消化收缩，适应于对微藻的消化（图1）。海参在胚胎和幼体发育过程先后经历了内源性营养、浮游摄食和沉积物摄食三种食性转化，与之对应消化酶也呈现出三组不同的表达模式。前肠是海参消化道主要的消化区域，该区域内糖类碳水酶、蛋白酶、脂肪酶和纤维素酶的活性均最高，但仅有糖类碳水酶和脂肪酶是内源性表达。图1 海参的摄食特点和基因组消化酶扩张/收缩概况在海参从海底沉积物摄食的细菌中，一部分作为食物被海参消化掉，而另一部分则作为共生细菌在海参肠道内定植，提供蛋白酶、脂肪酶等活性协助海参消化食物。与其他棘皮动物相比，海参基因组中出现了一类特有的i型溶菌酶，特异表达于肠道中，对所摄食沉积物中的细菌起到控制和消化作用（图2）。图2 海参特有肠道型溶菌酶在细菌消化中的作用该科学发现阐释了海参的沉积物摄食与营养获取机制，在研发海参养殖不同阶段人工饲料方面具有重大潜在应用价值，也为通过增殖放流海参净化海底环境、防止细菌性珊瑚病害暴发和珊瑚岛礁生态修复提供理论依据。该研究得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。相关论文信息：Pan WJ#,Wang X#,Ren CH#,Jiang X,Gong SQ,Xie ZY,Wong NK,Li XM,Huang JS,Fan DD,Luo P,Yang Y,Ren XY,Yu SZ,Qin Z,Wu XF,Huo D,Ma B,Liu Y,Zhang X,E ZX,Liang JX,Sun HY,Yuan LH,Liu XJ,Cheng CH,Long H,Li JL,Wang YH,Hu CQ,Chen T*. Sea Cucumbers and Their Symbiotic Microbiome Have Evolved to Feed on Seabed Sediments. Nature Communications. Nat Commun. 2024 15: 8825. doi: 10.1038/s41467-024-53205-5

2024-10-16

《中国木兰科及其珍稀濒危植物彩色图谱》出版

中国植物学木兰科领域学术新著《中国木兰科及其珍稀濒危植物彩色图谱》，在2024年10月正式出版。该书是由中国科学院华南国家植物园享受国务院政府特殊津贴的专家——87岁高龄的退休高级工程师周仁章先生，集毕生学术科研成果，耗时数年编著而成。全书系统、专业地介绍了中国木兰科及其珍稀濒危植物的现状和在全国分布情况。周仁章先生从1977年７月至1998年一直都在华南植物园引种室工作，负责中国科学院、国家环保局、自然科学基金委下达和资助的重点课题“中国木兰科植物种质保存和开发利用研究课题”及国家重点保护的植物“红皮书”木兰科种类的调查、引种、繁殖、种质保存及编写工作。其中，“中国木兰科植物种质保存和开发利用研究课题”成果获得中国科学院自然科学奖二等奖。《中国木兰科及其珍稀濒危植物彩色图谱》汇集了周仁章先生收集的木兰科及其珍稀濒危植物第一手资料和图片，该书内容丰富，全书51万多字，配图961幅，印制精良。为广大植物工作者进行木兰科的研究提供了参考资料，同时也为园林、园艺工作者及在校师生对木兰科植物、花卉爱好者识别种类提供参考。该书分为两部分，第一部分简要地介绍了木兰科植物特征、开发利用价值、形态特征与分类分布、生态学和生物学特征、引种繁殖技术等；第二部分是该书的主要内容，为植物各论，介绍国家重点保护的珍稀濒危植物种类32种，介绍木兰科观赏及园林绿化种类125种。周仁章先生主持创建了华南国家植物园面积达0.12平方公里、全世界保存木兰科植物种类最多的木兰科植物专类园——木兰园，并同时建立华南珍稀濒危植物繁殖中心。周仁章先生历经 20多年的野外调查采集，木兰园内现共收集引种迁地保存11属160多种，华南珍稀濒危植物繁殖中心收集引种国家重点保护的珍稀濒危植物230种，为国家研究保存濒危植物作出了较大贡献。书籍封面

2024-10-14

华南植物园再次发现和拯救保护“消失”近百年的极危植物——毛柄木樨

桂花是我国传统十大名花之一，被称为花中月老，它是木樨科木樨属植物的统称。木樨属约30种，分布于亚洲东南部和美洲，我国分布有25种3变种，代表物种木樨（Osmanthus fragrans (Thunb.) Lour.），即桂花，是我国著名的香料植物。其花清雅高洁，香飘四溢，享有“香飘十里”的美誉，是集绿化、美化、香化于一体的优良园林观赏树种。由于其观赏价值高，经过长久的人工栽培选择和天然杂交，已形成了四个品种群百余个品种。尽管桂花的栽培品种数量庞大，但木樨属植物的引种保育现状并不理想。目前，仅有10余种木樨属植物被引种栽培，大量的种类尚存在保育空缺，甚至有的物种长期在野外没有被监测到，其中毛柄木樨就已经“消失”了长达九十一年之久（图1）。图1：毛柄木樨图版毛柄木樨的发现之史实据标本和文献资料记载，岭南大学曾怀德（W. T. Tsang）先生于1932年在广东省（Kwangtung）大埔县（Tapu district）铜鼓山（Tung Koo Shan）首次采集到一种木樨属植物标本，采集编号：W. T. Tsang 21629，存放在岭南大学标本馆。此后，同号标本先后辗转至中山大学植物标本馆（SYS）、华南植物园标本馆（IBSC）、中国科学院植物研究所植物标本馆（PE）、英国皇家植物园—邱园标本馆（K）和纽约植物园标本馆（NY）等国内外标本馆（图2）。1932年，哈佛大学植物学家E. D. Merrill初步将其鉴定为木樨（Osmanthus fragrans Lour.）。1956年，贾良智教授认为该种可能是新种，拟定名为毛柄木樨（Osmanthus pubipedicellatus Chia）（裸名，未正式发表）。1958年，P. S. Green在对NY的木樨属标本进行鉴定时发现该号标本花部特征和叶柄毛被情况与木樨属其他物种表现出差异，将其暂定为疑似新种（Osmanthus species ‘C’）并进行了描述。1977年，张宏达教授将馆藏在PE的两份标本定名为秀丽桂花（Osmanthus elegans Chang），但也没有正式发表。此后，张宏达教授通过多方查阅文献和标本将其确定为新种，并于1982年，正式以毛柄木樨（Osmanthus pubipedicellatus Chia ex H.T. Chang）的名称发表在中山大学学报自然科学版。至此，时隔50年，毛柄木樨终于有了自己的“户口”。图2：毛柄木樨模式标本（W. T. Tsang 21629）毛柄木樨的“消失” 然而，自1932年毛柄木樨首次被曾怀德采集，近百年来，再无其踪迹报道。我们在中国植物图像库（PPBC,https://ppbc.iplant.cn/sp/26412）上查阅到有关毛柄木樨的图片记录均来自武汉植物园，其叶缘具明显锯齿（图3），与毛柄木樨特征并不相符。图3：中国植物图像库（PPBC）有关毛柄木樨的记录（乔娣摄）从中国数字植物标本馆（CVH,https://www.cvh.ac.cn/）、中国国家标本资源平台（NSII,http://www.nsii.org.cn/2017/home.php）以及全球生物多样性信息机构（GBIF,https://www.gbif.org/）等标本网络共享平台仅查阅到一条除模式标本以外的毛柄木樨标本记录，该标本由李丙贵和万绍宾于1975采自湖南江华。该标本叶先端渐尖，而非长渐尖，叶基阔楔形而非狭楔形（图4），两者相去甚远，也应为毛柄木樨的错误鉴定。因此，历经九十余年，真正的毛柄木樨一直没有被监测到。图4：模式标本以外的毛柄木樨标本记录毛柄木樨的再次发现 2022年，华南植物园高级工程师宁祖林在对广东省珍稀濒危植物迁地保育现状评估时发现广东省特有的国家重点保护极危植物毛柄木樨未被广东省植物园等相关迁地保护机构收集保存，进而对其进行文献资料检索、标本查阅、在线数据库检索和相关专家咨询，进一步确认尚无相关采集监测记录。为了寻找这一珍稀濒危植物。2023年2月，宁祖林带领华南植物园引种保育团队前往毛柄木樨模式产地进行考察，同时携带模式标本彩色打印照片对周边村民进行走访调查以寻找毛柄木樨踪迹（图5）。经过团队系统调查和细致辨识，最终寻找到了与模式标本叶形极为相似的植株，并相继在9月份和10月份采集到具花和果实的标本（图6）。图5：野外考察寻找毛柄木樨图6：毛柄木樨花和果毛柄木樨“真身”验证为了确认我们调查发现的木樨属物种就是1932年曾怀德所采集的毛柄木樨，一方面对照模式标本进行形态特征鉴定，同时对模式标本采集DNA样品进行分子鉴定。形态特征鉴定：我们对毛柄木樨野外种群进行了持续监测，并观察到叶柄和花梗被毛特征并不稳定，存在无毛个体。通过叶、花、果形态特征观测，发现有毛个体和无毛个体的特征与模式标本极为相似，将其鉴定为毛柄木樨（图7），并补充了毛被、果实和种子形态特征描述。毛柄木樨与狭叶木樨形态特征更为接近，但狭叶木樨花梗无毛，叶片狭椭圆形至披针形，先端长渐尖，呈长尾状，可较好的区分（图8）。图7：新采集毛柄木樨标本与主模式标本形态比较图8. 狭叶木樨 Osmanthus attenuates系统发育分析：为了进一步确认我们所采集的个体即为毛柄木樨，分别从中山大学标本馆（SYS）馆藏的主模式标本、华南植物园标本馆（SCBG）和邱园标本馆（K）馆藏的等模式标本上取了少量叶片进行DNA提取。最终，在邱园Molecular Biology and DNA Bank工作人员Imalka Kahandawala和Angela Biro的帮助下，从保存在邱园标本馆近百年的等模式标本（Tsang W.T. 21629,Sept. 8-29,1932）叶片材料提取到DNA样品（图9），成功“复活”了珍稀植物毛柄木樨。结合我们采集的毛柄木樨疑似个体DNA样品，经过一系列处理，基于核ITS和叶绿体matK,trnL-trnF,trnS-trnG和trnT-trnL五个片段构建了毛柄木樨及其近缘物种的系统发育树，从分子证据证明了我们所采集的木樨属植物个体即为毛柄木樨。有毛个体和无毛个体也聚集在一枝，支持形态特征鉴定结果（图10）。至此，“消失”近百年的国家重点保护野生植物毛柄木樨真身得到确认。图9：从保存在邱园标本馆（K）的毛柄木樨等模式标本上提取的DNA样品图10：木樨属及其近缘类群系统发育树拯救保护行动种群及其生境调查：为摸清毛柄木樨种群数量，探究其濒危原因，我们对毛柄木樨种群进行持续监测和群落样方调查（图11），对其群落特征和种群动态进行了分析。调查发现毛柄木樨野外种群个体数仅11株，初步分析其濒危原因主要存在以下几个方面：（1）毛柄木樨伴生物种丰富，涉及42科67属103种，群落上层分布较多壳斗科和樟科高大乔木树种，林下郁闭度高，光照不足；（2）缺乏幼苗和小树，种群龄级结构呈单峰型，未来有衰退趋势；（3）种群龄级结构动态指数显示种群不稳定且易受外界环境干扰；（4）存在生殖问题，花量大但结实率低、果实早落、成熟果实脱落后被动物啃食、种子易于腐烂、林下凋落物过厚且郁闭度高影响种子自然萌发更新。有关毛柄木樨的遗传多样性及部分濒危原因有待于进一步实验研究证实。图11：毛柄木樨样方调查团队种苗繁育工作：我们在野外监测过程中发现毛柄木樨开花量大，但结实率低，枝条上仅见到零星果实，也没有在林下找到幼苗。因此，对其开展抢救保护工作势在必行，当务之急是解决其繁殖技术，培育种苗复壮种群。幸运的是，在2023年9月监测到毛柄木樨开花，结合花和叶片形态特征初步将其鉴定为毛柄木樨之后，我们便采集了部分枝条带回植物园进行扦插繁殖实验。在种苗繁育组人员的努力下成功突破其扦插繁殖关键技术，并对种群全部个体进行扦插繁殖获得种苗（图12），成功将毛柄木樨野外种群基因克隆复制保存在华南植物园。同时，我们也在持续监测毛柄木樨野外种群开花结实、果实发育及种子萌发等情况。2024年2月下旬，果实成熟脱落，掉落在林下地上的果实有的完全腐烂，有的被动物啃食后仅留下了残壳（图13）。我们仅收集到4粒完整的种子（图14），这些种子在播种十多天后均在基质中腐烂，未能萌发出种苗。图12：扦插繁殖的小苗图13：动物啃食后残留的躯壳图14：仅剩的4颗完整的种子该研究工作基于1932年采集的毛柄木樨模式标本形态特征和DNA分子证据证实了广东特有国家重点保护极危植物毛柄木樨的再次发现，并补充了该物种的物候和形态特征描述，同时对其种群和群落特征进行了调查分析，初步揭示了毛柄木樨种群动态和濒危原因，研究结果对珍稀植物毛柄木樨的保护和资源利用具有重要科学意义。相关研究结果已近日在线发表于生物多样性领域专业期刊Biological Diversity上。华南植物园谢丹工程师为论文第一作者，宁祖林高级工程师为论文通讯作者，徐一大、刘蓉、董书鹏和邱园Imalka Kahandawala和Angela Biro参与了相关工作。同时，该工作得到中国科学院昆明植物所张志荣，中山大学廖文波、罗丽娟和王亚荣，仲恺农业工程学院胡秀，华南植物园廖景平、颜海飞、涂铁要、曾佑派、汤银珠、许炳强、陈玲、倪静波、李冬梅、李梦灵、李守洁、刘华、邹璞、张炜、古诗然等老师的帮助，在此一并致谢。该研究得到广东省重点领域研究计划项目和2023年中央林业草原生态保护恢复资金国家重点野生动植物保护补助项目的支持。论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/bod2.12018.

2024-10-14

华南植物园在树蕨保护基因组学研究取得进展

树蕨是一类形态独特的同型孢子植物，具有高大的树状主干和大型羽状复叶。大部分树蕨种类属于桫椤科（Cyatheaceae），广泛分布于全球的热带、亚热带和南温带地区。在全球范围内，桫椤科物种正由于自然和人为原因迅速减少。目前，它们已被列入《濒危野生动植物种国际贸易公约》（CITES）附录II。同时，许多桫椤科物种也被列入国际自然保护联盟（IUCN）红色名录。在我国，除小黑桫椤和粗齿桫椤外，桫椤科植物均被列为国家二级重点保护野生植物。同型孢子蕨类植物具有独特的交配系统，既可以像被子植物一样进行配子体间异交或自交，还能通过单个配子体产生的卵子和精子结合，完成配子体内自交。这种繁殖方式能在一代之内形成完全纯和的子代，是自交的一种极端形式。当同型孢子蕨类发生配子体内自交时，其面临的遗传学后果可能比被子植物自交更加严重。蕨类植物独特的繁殖方式可能对其进化产生重要影响，但目前我们对其认识仍十分有限。中国科学院华南植物园康明研究团队基于三种桫椤属(Alsophila)植物的全基因组重测序数据，系统比较了同型孢子蕨类植物基因组水平的近交和遗传负荷。结果显示，桫椤（Alsophila spinulosa）表现出极高的近交（FROH=0.83），而中华桫椤（A. costularis,FROH=0.07）和阴生桫椤（A. latebrosa,FROH=0.04）则主要为异交。尽管桫椤具有更广泛的地理分布，但其表现出极低的遗传多样性。种群历史分析揭示，桫椤的种群规模长期处于持续下降状态，提示其近交可能源自较远的历史时期。遗传负荷的比较显示，桫椤中有害突变整体减少，说明长期的近交与极小的有效种群大小可能加强了种群的净化作用效率，有效清除了群体内强有害突变，维持了桫椤的长期生存。然而，隐藏负荷向现实负荷的转化仍会对其未来生存构成潜在威胁。该研究揭示了同型孢子蕨类植物中近交与突变负荷之间复杂的进化关系，不仅有助于我们理解蕨类植物的进化历史与生存策略，也为其保护和管理提供科学依据。相关的研究成果于近期发表在植物学重要期刊The Plant Journal上。华南植物园康明研究员为论文通讯作者，博士后易慧琴为第一作者，王静研究员和董仕勇研究员为论文共同作者。本研究工作得到广东省重点领域研发计划、广东基础与应用基础研究旗舰项目和国家自然科学基金的资助。图1. 三种桫椤属植物的野生群落（从左到右：桫椤，中华桫椤，阴生桫椤）图2. 三种桫椤属植物采样分布及群体遗传结构图3. 三种桫椤属植物基因组遗传多样性及近交程度图4. 三种桫椤属植物基因组遗传负荷

2024-10-14

青藏高原深部动力学过程与地表响应机制研究取得重要进展

近日，中国科学院边缘海与大洋地质重点实验室研究员王志及其合作者，在青藏高原深部动力学过程与高原隆升和岩浆活动的响应机制研究中取得了重要突破，相关研究成果发表在《Earth and Planetary Science Letters》（EPSL）/《地球与行星科学通讯》上。实验室研究员王志为论文并列第一作者和共同通讯作者，博士伏毅和院士林间为共同作者。青藏高原是亚洲乃至全球地貌和气候动力学的关键区域。印度大陆与亚洲大陆的碰撞是新生代最重大的全球地质事件之一，这一事件深刻地塑造了青藏高原和喜马拉雅山脉等显著地貌特征。理解这一碰撞的动力学对于理解区域和全球气候变化至关重要。尽管已有研究表明全球古气候变化与青藏高原火山活动之间可能存在联系，但深部地质过程及其对地表环境演变（如地貌变化和气候波动）的影响仍存在不确定性。王志团队利用地震数据和全球体波成像新技术，获得了印度-青藏高原构造域的地幔速度结构，并结合青藏高原各地火山年龄、化学组成和古海拔记录的数据集，识别出了高原演化过程中的空间-时间分布模式和深部地质过程。研究揭示了多阶段板块俯冲过程与火山活动（56-44、44-28、28-18、18-0百万年）和板块抬升的离散、间歇性事件之间的相关性，并提出了一种多阶段板块俯冲和双侧断裂的深部动力学模型。该模型认为，双向俯冲和岩石圈的重力沉降导致了青藏高原内广泛的火山活动和间歇性隆升，同时对青藏高原的气候模式产生了重大影响。该项研究为将岩石圈和地幔过程与青藏高原表面现象联系起来建立了一个系统的框架，有助于解释岩石圈俯冲、断裂和拆沉等俯冲过程对地表火山活动、高原抬升和全球气候变化之间的相互作用关系。研究团队还包括西南石油大学教授王剑、付修根和沈利军等，澳大利亚昆士兰大学博士王选策，澳大利亚科廷大学教授S.A. Wilde。该研究得到国家自然科学基金项目和第二次青藏科学考察基金项目等联合资助。论文信息：Jian Wang†,Zhi Wang#†,Xiugen Fu#,Xuan-Ce Wang#,Simon A. Wilde,Yi Fu,Jian Lin,Hengye Wei,Lijun Shen,Gang Rao,Ahmed Mansour. Control of subduction and slab break-off on volcanism and uplift of the Tibetan Plateau. Earth and Planetary Science Letters 647,119057,2024.论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X24004898图1 印度-青藏地幔速度结构（a-f）和青藏高原多阶段板块俯冲和双侧断裂深部动力学模型(g)图2 周期性岩浆活动和古气候变化的岩石地球化学证据. (a)地表岩浆活动周期;（b）青藏高原和全球气候变化;（c）地球化学同位素特征随年龄变化；(d)高原古高度随年龄变化

2024-10-12

杨传茂等-NC：华北克拉通板内花岗岩和玄武岩中磷灰石低δD值揭示水的深部起源

水对大陆地壳部分熔融形成花岗岩至关重要，但其具体来源尚不清楚。靠近海沟的弧花岗岩中的水主要来自于俯冲板块的脱水作用。然而，这一机制在解释陆内花岗岩的形成时遇到了挑战，因为远离俯冲带的陆内区域难以直接获得来自俯冲板块的水。华北克拉通作为一个典型案例，其内部在晚中生代时形成了大量的花岗岩，是研究陆内花岗岩中水来源的理想地区（图1）。图1 中国东部和辽东半岛区域地质构造和花岗岩分布近日，中国科学院广州地化所徐义刚院士团队的杨传茂博士后等，联合长江大学夏小平教授和中国科学院地质地球所杨进辉研究员等，对华北克拉通东北部辽东半岛侏罗纪-早白垩世的多个花岗岩体的磷灰石、黑云母和角闪石以及早白垩世义县组玄武岩的磷灰石行了H同位素测定。结果表明早白垩世的花岗岩（δD为-203‰至-127‰）和玄武岩（δD为-197‰至-107‰）中的磷灰石显示出极低的δD值，这与侏罗纪花岗岩中相对较高的δD值（-137‰至-47‰）形成鲜明对比。这些磷灰石在结构和化学成分上均未显示出蚀变的特征，另外结合磷灰石单矿物与锆石中磷灰石包裹体中几乎相同的挥发份含量以及含水矿物的H同位素组成排除了磷灰石结晶后脱气和蚀变对H同位素组成的显著影响（图2），因而磷灰石H同位素代表了初始熔体的H同位素组成。图2 花岗岩磷灰石单矿物和锆石中磷灰石包裹体挥发份含量以及磷灰石和含水矿物的H同位素组成侏罗纪和早白垩世花岗岩为壳幔岩浆混合成因，其H同位素也继承了地壳和地幔的H同位素组成。两个时期的花岗岩具有共同的大陆地壳端元，而截然不同的地幔端元（图3）。相比于侏罗纪，早白垩世花岗岩中包含了极低δD值的交代地幔组分。因板片俯冲脱水过程中，D倾向于进入板片脱出的流体中，使得随着俯冲深度增加，板片的δD值不断降低，在地幔过渡带可能出现极低的δD值。相比于侏罗纪花岗岩，早白垩世花岗岩和玄武岩磷灰石的偏低的H同位素组成指示早白垩世岩浆中的水来源于更深的俯冲板片，可能有地幔过渡带的贡献。从侏罗纪到早白垩世H同位素组成的变化与古太平洋板块俯冲作用密切相关。古太平洋板块在侏罗纪沿岩石圈底部前进俯冲，温度相对较低，板片在浅部脱水量较少，相对较高δD的水被带入深部，释放之后交代上覆地幔并进入地壳，形成相对富集D的花岗岩（图4）。到早白垩世，板块转变为后退俯冲，俯冲角度增大，俯冲板片进入地幔过渡带，在其上方形成了大地幔楔，导致地幔过渡带中水上升到浅部交代岩石圈地幔，并最终流入地壳形成晚中生代花岗岩（图4）。图3 花岗岩磷灰石H同位素和氧同位素相关图解图4 侏罗纪和早白垩世花岗岩成因模式图这项研究不仅为华北克拉通内部花岗岩中水的深部起源提供了证据，丰富了对花岗岩形成机制的认识，而且展示了磷灰石H同位素在示踪地球内部水循环方面的巨大潜力。此外，这项工作还提供了一个可验证模型，更大时空范围的花岗岩和玄武岩H同位素的研究可对该模型做进一步约束。相关成果近期发表于《Nature Communications》。杨传茂为文章第一作者，徐义刚和夏小平为通讯作者。该项研究成果获得了国家自然科学基金和中国科学院广州地球化学研究所所长基金等项目的联合资助。论文信息：Chuan-Mao Yang（杨传茂），Yi-Gang Xu*（徐义刚），Xiao-Ping Xia*（夏小平），Jin-Hui Yang（杨进辉），Xiao-Long Huang（黄小龙），Christopher J. Spencer，Jin-Feng Sun（孙金凤），Qing Yang（杨晴），2024. Light δD apatites reveal deep origin water in North China Craton intracontinental granites and basalts. Nature Communications 15,8727.论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-53133-4

2024-10-11