科研进展--中国科学院广州分院

广州地化所朱建喜研究员、何宏平院士团队在风化壳型稀土绿色、高效电驱开采技术研发方面取得突破

近日，我国科学家在稀土电驱开采技术方面取得新的重大进展，克服了规模化应用中的技术瓶颈，使稀土采收率大于95%，浸取剂用量减少80%，开采时间缩短70%，所需电能节约60%，向环境排放的氨氮量降低95%，表现出潜在的经济可行性。近日，我国科学家在稀土电驱开采技术方面取得新的重大进展，克服了规模化应用中的技术瓶颈，使稀土采收率大于95%，浸取剂用量减少80%，开采时间缩短70%，所需电能节约60%，向环境排放的氨氮量降低95%，表现出潜在的经济可行性。最新研究成果于北京时间1月6日在线发表在《自然-可持续》（Nature Sustainability）。稀土是世界性战略矿产资源。风化壳型稀土矿是我国优势矿种，为全世界提供了90%以上的中重稀土。然而，传统的风化壳型稀土开采工艺——铵盐原地浸取技术存在生态环境破坏严重、浸出周期长、资源利用效率低等问题，2018年以后已被我国禁用。为解决风化壳型稀土矿绿色高效开采的问题，2023年中国科学院广州地化所率先提出了一种绿色、高效、经济和快速的电驱开采技术理念，完成了原理可行性验证并取得初步的实验成果。但在实际应用过程中，该技术仍面临一系列问题和挑战，主要包括电极在潮湿和侵蚀性环境中长期运行的稳定性、大规模矿区应用时可能出现的浸出液泄漏，以及地下水文条件和矿体结构对稀土采收率的复杂影响。为此，广州地化所朱建喜研究员、何宏平院士团队通过深入凝练科学问题及核心技术攻关，进一步发展和完善了稀土电驱开采新技术。通过研发新型防腐蚀低阻耗的惰性导电材料，设计高压防渗策略，以及创新性地采用周期性交替通电方法，将该技术成功应用于5000吨土方规模的稀土矿中试开采（图1）。图1. 风化壳型稀土矿原位电驱开采示意图针对常规金属电极在土壤环境中易被腐蚀的问题，研究团队开发了一种新型塑料导电电极。该电极具有优异的导电性（200 S/m）和良好的耐电流冲击能力（70 A，两个月无损）。同时，由于塑料表面的疏水性，该电极能够防止电化学腐蚀和减少水电解，并因其柔韧性可以更紧密地贴合矿体表面，从而提高电驱开采过程的效率。实际矿山结构复杂、裂隙发育严重，浸取剂和稀土浸出液在重力作用下常沿着裂隙快速迁移、泄露、导致稀土采收率降低。为此，研究团队设计了一种高压防渗策略，通过高压电场将浸出液封闭在指定收集区，同时利用电迁移和电渗原理控制稀土浸出液向集液池定向迁移。这一创新策略有效避免了传统开采中的“跑冒滴漏”，解决了传统开采中稀土浸出液无序流动和环境污染的难题，为高效、安全的稀土开采提供了创新性解决方案。在实际开采过程中，电极数量众多并相互干扰，且长时间通电会引起电荷累积，降低通电效率并增加能耗。为此，研究团队设计了周期性交替通电方法。通过周期性切换阳极与阴极，有效减少了电极极化现象，提升了电流效率。此外，通过给局部区域轮换通电，利用停电期间的额外扩散作用促进了浸取剂和稀土离子的交换反应，提高了稀土采收率。相比给全区域同时通电，该方法可显著节约电能，降低了成本。通过60天的通电开采，工业试验的稀土采收率达到了95%以上（图2a）。环境监测结果表明，地下水和地表水中的氨氮排放量相比传统开采工艺减少了95%（图2b，2c），极大降低了稀土开采的环境影响。基于技术经济分析，电驱开采技术在不计入环境修复成本的情况下，与传统开采技术的成本相当，但传统工艺的后期环境成本和生态修复费用（主要是氨氮污染）通常较高。电驱开采技术展现出潜在的经济可行性和环境优势。图2 工业试验结果图。（a）稀土采收率；（b）地下水氨氮含量；（c）地表水氨氮含量。相关系列研究成果发表在《自然-可持续》（Nature sustainability）（2023,2025）、《创新》（The Innovation）（2024）、《化学工程杂志》（CEJ）（2024）、《稀土学报》（JRE）（2024）等，授权专利12件（包含3件国际专利）。该研究受到了中国科学院前瞻战略科技先导专项（A类先导专项）、广东省基础与应用基础研究重大项目和国家自然科学基金等项目的资助。论文信息：Gaofeng Wang,Jianxi Zhu*,Xiaoliang Liang,Bowen Ling,Jie Xu,Yongqiang Yang,Shichang Kang,Wei Tan,Yongjin Xu,Xiaoshan Zou,Lingyu Ran,Jingming Wei,Hongping He,Industrial-scale sustainable rare earth mining enabled by electrokinetics,Nature Sustainability,2025. DO1:10.1038/s41893-024-01501-9文章链接：https://www.nature.com/articles/s41893-024-01501-9

2025-01-07

广州地化所蒋彬等-JGR：有机气溶胶挥发性的内在化学驱动因素：从实验研究到模型预测

挥发性是有机气溶胶的一个关键性质，它决定了气溶胶分子在大气中的停留时间，从而可评估其对气候和空气质量的影响。因此，准确预测挥发性对于理解气溶胶的环境效应至关重要，同时也充满挑战。揭示挥发性的内在化学驱动因素有助于提高预测模型的准确性。研究气相和颗粒相中有机气溶胶分子组成的差异，可以有效识别影响挥发性的内在化学因素。近期，中国科学院广州地球化学研究所FT-ICR MS仪器工程师蒋彬与赵时真副研究员等合作，对我国6个主要城市大气的气相和颗粒相样品的分子组成差异进行深入分析。研究揭示了决定和预测有机气溶胶挥发性的内在化学参数，包括分子量，等效双键当量（DBE），碳和氧质量百分比及氧碳比，同时发现，DBE与挥发性呈显著负相关性。将DBE作为新的变量纳入已有模型可以显著改进模型的准确性，尤其对于几乎没有或没有杂原子（0-2）的化合物，如烃类（CH）。研究结果进一步阐明了DBE、碳、氮、氧和硫原子对气溶胶中有机分子挥发性的贡献，从而能更好地预测环境空气中不同挥发性有机化合物的相态分布。该研究取得的主要进展包括:（1）整合研究了6个主要城市大气的气相和颗粒相的分子（29600个分子式）组成，并将其分为三类，包括仅在气相中检测到（PUF only）、在气相和颗粒样品中都检测到（PUF&PAR），以及仅在颗粒样品中检测（PAR only）到的化合物。研究结果显示：随着挥发性的降低，木质素/富含羧基的脂环分子（CRAM）分子的比例从PUF_only组的38%下降到PAR_only组的27%（图1a）。相反，脂质和不饱和烃的比例增加，脂质的比例从PUF_only组的13%增加到PAR_only组的40%，不饱和烃的比例从PUF_only组的4%增加到PAR_only组的20%（图1a）；颗粒相的平均分子量、碳质量百分比和DBE高于气相，而平均O/C比值和氧质量百分比低于气相（图1b）。（2）发现DBE与挥发性呈显著负相关性，并将DBE作为新的变量纳入先前模型来改进有机气溶胶挥发性的预测模型（图2）。模型结果显示：新模型会显著改进有机气溶胶挥发性预测的准确性，尤其对于几乎没有或没有杂原子（0-2）的化合物（图3），如烃类（CH）。（3）利用新模型，进一步剖析了城市大气气相和颗粒相中不同挥发性化合物的分布状况（图4）。图1.仅在PUF中检测到（PUF only）、在PUF和颗粒样品中都检测到（PUF&PAR），以及仅在颗粒样品中检测（PAR only）到的化合物分子组成差异。（a）组分分布（Van Krevelen图）。（b）关键的平均分子参数。图2. 预测气溶胶挥发性的新模型。图3. 新旧模型不同杂原子数量的化合物的C0预测值对比图4. 城市大气气相和颗粒相分子不同挥发性化合物的分布本研究揭示了气溶胶挥发性的内在化学驱动因素，并建立了新模型以提高预测准确性。这些结果有助于更准确地预测气溶胶的环境行为，从而有助于我们更全面地理解气溶胶对气候系统及人类健康的影响机制。该研究成果近期发表于国际期刊《Journal of Geophysical Research: Atmosphere》上，得到了国家自然科学基金，中国科学院青年创新促进会，以及中国科学院广州地球化学研究所“涂光炽优秀青年学者”计划项目的资助。论文信息：Jiang,Bin（蒋彬）;Zhao,Shizhen（赵时真）;Chen,Wei（陈卫）;Tian,Lele （田乐乐）;Hu,Weiwei（胡伟伟）;Li,Jun（李军）;Zhang,Gan（张干）. Intrinsic Chemical Drivers of Organic Aerosol Volatility: From Experimental Insights to Model Predictions. Journal of geophysical research-atmospheres,2024,129(21):e2024JD041286. DOI: 10.1029/2024JD041286论文链接：https://doi.org/10.1029/2024JD041286

2025-01-08

广州健康院建立单因子介导体细胞重编程的新方法

2024年12月30日，中国科学院广州生物医药与健康研究院与广州医科大学附属第五医院合作在Nature Communications在线发表了题为 “Reconstitution of Pluripotency from Mouse Fibroblast through SALL4 Overexpression” 的研究论文。本研究开发了一套基于SALL4单因子的体细胞重编程方法，成功将小鼠胚胎成纤维细胞（MEFs）重编程为iPSCs。自诱导多能干细胞（iPSCs）技术诞生以来，研究者们持续探索，相继开发出了效率更高、时间更短及安全性更优的诱导方法。转录因子在细胞命运转变过程中展现出较高的诱导效率与速度，其中，OCT4被认为是实现iPSCs诱导所需的核心重编程因子。然而，除了OCT4之外，其他因子能否单独介导体细胞重编程，这一问题至今尚不明确。随着重编程方法的改进，许多新型转录因子组合相继被报道，其中SALL4被报道具有重要功能，是一个潜在的能够单独诱导体细胞向iPSCs重编程的因子。在该项研究中，研究人员通过筛选可促进SALL4介导体细胞重编程的化合物，建立了一种具备更高效率与稳定性的单因子诱导方法。此后，作者深入研究了SALL4介导体细胞重编程过程中的转录组、染色质可及性动态变化以及DNA结合位点特征，发现了多种新型重编程促进因子。此外，进一步探索了SALL4和OCT4协同提高重编程效率的机制，揭示出这两种转录因子通过对重编程促进基因和抑制基因的双重调控，有效地提高了重编程效率。本研究成功构建了一种全新的单因子介导小鼠体细胞重编程的方法，并揭示了SALL4和OCT4在重编程过程中协同作用的部分内在机制，强调了SALL4在此过程的作用及重要性，为深入理解细胞命运转变的复杂机制提供了新视角。中国科学院广州生物医药与健康研究院刘晶课题组科研助理肖立展、硕士毕业生黄子芬和武子轩为本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刘晶研究员、助理研究员王鲁勤及广州医科大学附属第五医院廖宝剑教授为通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省和广州市科技计划项目、香港@InnoHK项目及广州健康院自主部署项目等项目的支持。论文链接SALL4单因子诱导体细胞重编程及SALL4与OCT4协同促进重编程机制模式图

2025-01-06

广州健康院开发出针对前列腺癌驱动因子GSPT1强效诱导降解的分子胶化合物

近日，中国科学院广州生物医药与健康研究院许永团队在治疗去势抵抗性前列腺癌（CRPC）的研究中取得了重要进展。报道了一种在CRPC治疗中具有显著疗效的GSPT1选择性分子胶降解剂XYD049（7d），为开发新的CRPC治疗策略提供了有力支持。相关成果已在药物化学领域Top期刊Journal of Medicinal Chemistry上发表。近日，中国科学院广州生物医药与健康研究院的许永团队在治疗去势抵抗性前列腺癌（CRPC）的研究中取得了重要进展。他们报道了一种在CRPC治疗中具有显著疗效的GSPT1选择性分子胶降解剂XYD049（7d），为开发新的CRPC治疗策略提供了有力支持。相关成果已在药物化学领域Top期刊Journal of Medicinal Chemistry上发表。前列腺癌是男性中最常见的癌症之一，而CRPC则是前列腺癌治疗中的一大挑战。作为一种新兴的癌症治疗方法，分子胶降解剂通过小分子化合物诱导特定蛋白质的降解，从而抑制癌细胞的生长和扩散，展现了广阔的应用前景。在这项研究中，许永团队开发的XYD049，能够选择性地诱导前列腺癌22Rv1细胞中GSPT1的降解。GSPT1被认为是难以靶向的癌症驱动因子。研究结果表明，在前列腺癌细胞22Rv1中，该化合物诱导GSPT1降解和抑制癌细胞增殖的能力，均优于其他已报道的GSPT1降解剂。此外，XYD049在前列腺癌移植瘤小鼠模型中也表现出良好的抗肿瘤效果，肿瘤生长抑制率达到44%（10mg/kg）和55%（20mg/kg）。研究还发现，该化合物能够下调与CRPC细胞增殖和存活相关的基因，包括雄激素受体（AR）、AR-V7、前列腺特异性抗原（PSA）和c-Myc。这一研究成果为治疗去势抵抗性前列腺癌提供了新的思路和策略，也为开发其他分子胶降解剂药物提供了重要的参考。许永课题组博士后沈慧为本论文的第一作者，许永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、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。论文链接新型GSPT1分子胶降解剂的抗前列腺癌研究

2025-01-07

广州地化所白江昊等-EPSL:深海富稀土沉积物的“叁Nd”同位素组成

深海稀土因具备储量大、放射性元素（如Th、U）含量低、富集中重稀土元素等优点，正成为全球稀土资源竞争的“兵家必争之地”，备受各国关注。相较于传统的稀土指标（如元素和放射成因同位素），稀土稳定同位素在准确示踪稀土迁移路径和富集过程方面具备显著优势，特别是放射成因和稳定Nd同位素的结合被认为能够在更高维度上解析深海稀土超常富集机制的演变过程。然而，目前关于深海沉积物稳定Nd同位素的组成、分馏幅度以及控制机理等一系列问题的认知还处于空白。针对这一科学问题，中国科学院广州地球化学研究所白江昊博士后在韦刚健研究员和广州海洋地质调查局邓义楠教授的联合指导下，依托其前期研发的放射成因和稳定Nd同位素同步分析技术，对一套典型的西太平洋水深5777m的富稀土沉积柱状样品全岩及各淋滤相（磷酸盐相、铁锰氧化物相和铝硅酸盐相）开展了全面的研究工作。图 1 GC 112钻孔位置图结果表明，GC 112岩芯全岩的ɛNd值从-6.2变化至-5.1，表明该岩芯的物质来源没有发生明显的改变（图2）。相比于BSE的稳定Nd同位素组成，GC 112岩芯整体上更加富集重质量数146Nd（图2），这可能是由于沉积物中自生组分控制着稳定Nd同位素的分馏。磷酸盐相中Nd元素的含量与P2O5和CaO含量呈现明显的正相关系，但是稳定Nd同位素没有发生明显的改变（0.076 ‰ ± 0.055‰）（图3 A）。这一结果意味着磷酸盐相有望成为记录古海水稳定Nd同位素组成的潜力载体。铁锰氧化物中Mn元素与Nd元素含量和稳定Nd同位素组成均先呈现正相关关系再是负相关关系（图3 B）。这一关系说明铁锰(氢)氧化物优先从海水中吸附重质量数146Nd后再将之前吸附的重质量数146Nd释放到孔隙水中。铝硅酸盐相中Al2O3含量与沉积物岩芯全岩伊利石的丰度和铝硅酸盐相中Nd元素的含量都呈现强正相关（图3 C），而与稳定Nd同位素组成没有观察到相关性，这说明伊利石控制着铝硅酸盐相中Nd元素的分配但并不造成稳定Nd同位素的分馏。铝硅酸盐、铁锰氧化物和磷酸盐具有明显差异的稳定Nd同位素组成，突显了其示踪海洋Nd循环的潜力（图4），并将为现代海洋和古海洋研究提供重要理论基础，为稀土资源的开采和利用提供科学依据。图2 GC112岩芯全岩关键元素含量及“叁Nd”同位素组成图3 磷酸盐相中P、Fe-Mn氧化物相中Mn及铝硅酸盐相中Al元素含量分别与Nd元素和稳定Nd同位素关系图图 4 深海沉积物中稳定Nd同位素的迁移、转化模式图相关成果发表在地球科学领域顶级期刊《Earth and Planetary Science Letters》，该研究受到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、博新计划、广东省基础与应用基础研究重大项目、博士后面上项目和中国科学院广州地球化学研究所所长基金项目等联合资助。论文信息：Bai J.H.,(白江昊) Deng Y.N.,* (邓义楠) Wu H.,(吴昊) Liang X.R.,(梁细荣) Yu X.X.,(于晓晓) Zhang G.L.,(张岗岚) Wei G.J.,* (韦刚健) 2025. Stable Nd isotopic fractionation in REY-rich deep-sea sediments. [J]. Earth and Planetary Science Letters. 652,119117. . https://doi.org/10.1016/j.epsl.2024.119197

2025-01-07

国家重点研发计划课题“低丘山区面源污染梯级智慧管控与农业绿色发展技术集成示范”实施方案论证会顺利召开

1月6日，十四五国家重点研发计划项目长江中下游区域面源污染防控与农业绿色发展技术集成示范课题二低丘山区面源污染梯级智慧管控与农业绿色发展技术集成示范实施方案论证会在中国科学院亚热带农业生态研究所召开。1月6日，“十四五”国家重点研发计划项目“长江中下游区域面源污染防控与农业绿色发展技术集成示范”课题二“低丘山区面源污染梯级智慧管控与农业绿色发展技术集成示范”实施方案论证会在中国科学院亚热带农业生态研究所召开。会议邀请了项目首席、中国科学院南京土壤研究所吴永红研究员，农业农村部环境保护科研监测所张贵龙研究员、中国科学院亚热带农业生态研究所吴金水研究员、湖南省农业科学院土壤与肥料研究所聂军研究员、湖南农业大学彭建伟教授、长沙县农业局农业技术推广中心戴金鹏高级农艺师等作为咨询专家。课题主持人刘锋研究员以及课题二骨干人员参加会议。会上，中国科学院亚热带农业生态研究所科技处处长徐宪立研究员向各位与会人员表示欢迎。课题负责人刘锋从研究背景与问题分析、课题目标与内容、课题对项目的支撑作用、考核指标与任务分工等方面对课题基本情况进行了介绍。各子课题负责人分别从研究内容与实施方案、主要创新与技术增量、任务实施计划等方面进行了详细汇报。与会专家肯定了课题的研究内容，同时对优化各子课题实施方案提出了宝贵建议。会后，参会人员到长沙县春华镇实地考察了示范基地选址情况，并就后续各子课题的技术集成达成共识。本次课题论证会及实地考察为课题的顺利实施和高质量完成奠定了坚实基础。会议现场实地考察

2025-01-07

《广东高等植物名录及其地理分布》正式出版

近日，由华南植物园植物科学研究中心植物分类与多样性研究团队宋柱秋博士、陈又生研究员主编的《广东高等植物名录及其地理分布》，由河南科学技术出版社正式出版发行。广东省位于我国华南地区，全年温暖，雨量充沛，属于东亚季风气候。广东省植物多样性非常高，物种数在全国各省区中排名第六，区系以热带亚热带过渡性为整体特点。《广东植物志》第1至9卷（1987~2011年）和《广东苔藓志》（2013年）共记载广东省高等植物6864种。然而，由于分子系统学蓬勃发展，以及植物分类学修订和野外调查工作的持续开展，广东省高等植物编目信息发生了较多变化，主要包括:（1）物种不断被发现和描述。（2）一些分类群的学名发生了变动。（3）广东省分布新记录也不断被报道。针对上述问题，作者团队基于约600篇文献资料，大量的标本数据和图像库的图片以及野外调查等数据，并对学名进行统一了的校对，编撰了《广东高等植物名录及其地理分布》。《广东高等植物名录及其地理分布》共收录广东省高等植物七大类，即角苔类植物、苔类植物、藓类植物、石松类植物、蕨类植物、裸子植物和被子植物72371条分布记录，共计374科2293属8184种(含种下等级)。广东省本土野生高等植物350科1832属6921种，其中苔藓植物(包括角苔类、苔类和藓类) 96科272属865种，石松类和蕨类植物36科122属647种，裸子植物7科17属34种，被子植物211科1421属5375种；包含种数最多的科依次是禾本科、兰科、豆科、莎草科、茜草科、唇形科、菊科、蔷薇科、樟科和苦苣苔科。广东省入侵植物58科204属325种，归化植物65科214属267种，以及常见栽培植物128科444属671种。每种植物均提供了广东省县市级分布，以及相应分布的凭证依据。凭证依据包括文献、标本和图像。同时，本书也提供了广东省高等植物的分布存疑种和排除种的物种名录,共计184科553属913种，供后续进一步研究。值得注意的是，书中收录广东省新增分布的国家重点保护野生植物10余种，其中大部分为作者团队野外调查发现（参见图版）。经过统计，《广东植物志》和《广东苔藓志》收录有高等植物6864种，其中学名已经发生变动的有1597种（包括处理为异名或学名拼写有变化），比例高达23%。与《广东植物志》和《广东苔藓志》相比较，书中也新增收录了21个科，270个属，1999个种。也尝试分别从地理分布、植物类别、采集者或者采集组合等方面对广东植物标本数据进行了一次评估。这些数据将为《广东植物志》(彩图版)的编撰提供基础资料和系统框架，同时可供植物学、林学及生态学工作者和爱好者参考使用。该书的出版获得了广东省基础与应用基础研究旗舰项目、广东省重点领域研发计划、广东省林业局项目“广东省国家重点保护兰科、桫椤科野生植物收集、繁殖与迁地保育”和广州市科技局社会发展项目的资助。《广东高等植物名录及其地理分布》封面广东省新增分布的部分国家二级重点保护野生植物：A.海南重楼Paris dunniana，B.浙江金线兰Anoectochilus zhejiangensis，C.大根兰Cymbidium macrorhizum，D.串珠石斛Dendrobium falconeri，E.河南石斛D. henanense，F.道县野橘Citrus daoxianensis

2025-01-05

《南岭种子植物名录》正式出版

近日，由华南植物园植物科学研究中心李世晋、罗世孝及广东省林业局梁晓东主编的《南岭种子植物名录》，由光明日报出版社正式出版发行。南岭是我国南方最重要的生态屏障，也是中国十大生物多样性热点地区之一，更是具有重要国际地位的生物多样性热点地区。南岭是地球同纬度上唯一的“绿洲”和物种“博物馆”，是地质、生态与人文的“多重宝库”，一直是科研人员关注的热点地区。自创始人陈焕镛院士开始，中国科学院华南植物园几代分类学家都极为重视南岭植物区系的研究。在2011年出版的《南岭植物名录》收录了南岭地区维管植物6205种及种下类群，其中种子植物5687种及种下类群。基于前期工作，我们重新依据各大标本馆馆藏标本数据，经各类群专家审核，整理收录南岭地区种子植物208科1463属5566种及种下类群。鉴于南岭地区苔藓类和蕨类植物在标本采集和分类群考证等方面尚需类群专家进行专业性整理，本书暂未收录上述类群。清查南岭种子植物“家底”是一个不断完善的过程，中国科学院华南植物园（华南国家植物园）和广东省林业局多年来持续支持南岭植物多样性的调查与研究，积累了丰富的材料，培养了相关专家。得益于前期积累，分类学专家同大数据信息专家合作整理了国内外31个重要标本馆的数字化标本记录，在此基础上逐步完成了该名录的编写。该书的前期海量数据的处理由徐洲锋工程师及其指导的李红艳助理完成，后期各类群的审订则由全国近50名专家完成。该名录编制前后分别得到了中国科学院华南植物园\华南国家植物园，广东省林业局，南岭生态系统与生物多样性研究院（韶关）等单位大力支持。本书的出版可为南岭的相关规划建设提供基础数据，亦可为从事与植物相关的人士提供参考。该书的出版得到了广东省重点领域研发计划：华南植物迁地保护与资源利用关键技术和广东省基础与应用基础研究旗舰项目：广东省植物多样性全域调查与评估的支持。《南岭种子植物名录》封面

2025-01-05

华南植物园揭示报春花属植物花粉-胚珠数目的变异模式及影响因素

有花植物的花粉和胚珠数目在物种间和物种内广泛变异，在植物繁殖成功中起关键作用，能够影响异花传粉的成功率、种子产量、对后代的遗传贡献以及子代适应度。探究花粉和胚珠变异的原因能够使我们了解生态和繁殖因素如何塑造有性生殖资源的分配。然而少有研究在系统发育框架下，探讨环境因素和花性状等对近缘物种间花粉和胚珠数目的变异的影响。研究以中国西南山地广泛分布的报春花属植物为研究对象，解析了其花粉和胚珠数目的变异模式和影响因素。报春花属植物约500种，广泛分布于北半球山地，中国的西南山地是其现代的多样性分布中心，分布范围从海拔50m 到5000m。报春花是典型的虫媒花和二型花柱物种，在群体中有两种花型，在雌雄器官高度上相互异位。二型花柱特性能够促进花粉精确传递并且促进异交，是研究花多态性平衡选择和有性生殖资源分配的模式。此外，二型花柱还会演化为能够主动自花传粉的同型花柱类型。研究人员收集了报春花属73个物种（包含二型花柱和同型花柱）99个群体的花粉和胚珠数据，花性状数据和群体海拔数据，在系统发育的框架下探讨配子变异的影响因素。结果发现：（1）无论是否考虑物种间的系统发育关系，物种的长柱花和短柱花的单花花粉量都与分别与其海拔高度呈显著正相关。可能的解释是高海拔物种需要产生相对更多的花粉，以应对不确定的传粉环境。（2）在所有物种中，长柱花都产生小而多的花粉，短柱花产生大而少的花粉。物种间花粉大小与其对应的花柱长度呈显著正相关，这有助于维持两种花型间雄性适合度的平衡和花型多态性。（3）物种的胚珠数目在物种内花型间没有差异，也不受物种海拔高度影响，然后表现出很强的系统发育信号。（4）从二型花柱（异交）向同型花柱转变（自交），伴随着花粉数目显著减少。在自交条件下，选择倾向于降低花粉数目以减少资源投入，支持自交综合征的假说。该研究通过报春花属物种的比较分析强调了影响植物花粉和胚珠产生的内在和外在因素之间的复杂交互作用，并强调了分别考虑花粉和胚珠数据的重要性。以报春花属为代表的二型花柱植物在有性生殖方面存在典型的形态与功能的趋同演化，是进化生物学的经典议题之一。未来通过被子植物多谱系的比较研究，有望进一步理解功能性状多次起源机制与适应意义。中国科学院华南植物园植物分类与多样性研究团队“动植物互作与生态适应专题组”的袁帅副研究员和西华师范大学讲师曾桂为论文的共同第一作者，张奠湘研究员为通讯作者。多伦多大学Spencer C.H. Barrett 教授，华南植物园罗世孝研究员、徐源副研究员、郝凯助理研究员参与了研究。感谢中国科学院昆明植物研究所钟莉博士，大理大学蒋显锋博士，云南大学张杰博士，贵州师范大学朱兴福博士，江西省科学院刘淑娟博士在样品收集中提供的便利。该工作得到了国家自然科学基金和中国科学院华南植物园青年人才专项的支持。相关研究成果已在线发表在Journal of Systematics and Evolution（JSE）（《植物分类学报》）上。论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/js‍e.13146图1. 报春花属物种及其二型花柱特性。A 西南地区代表山地峨眉山广泛分布的12种报春花属物种；B 迎阳报春的花结构特征，分别展示长柱花，短柱花以及同型花。红色箭头分别指示柱头和花药图2. 基于三个叶绿体片段的报春花属物种系统发育树。右侧展示的条形图分别代表配子数目及花性状数据。

2025-01-05

华南植物园揭示中华刺蕨复合群的遗传结构和物种划定

石松类和蕨类植物因其形态多样性和复杂的种群结构，长期以来在物种界定上存在挑战，尤其是在物种划分和分类方面仍有许多争议。中国科学院华南植物园王发国研究员等科研人员近期开展的一项研究，利用基因组学方法对中华刺蕨 Bolbitis sinensis 物种复合群进行了系统分析，为传统的形态学物种划分方法提供了有力的补充。中华刺蕨复合群包括三个已知物种：中华刺蕨,云南刺蕨B. × multipinna,和长耳刺蕨 B. longiaurita，这些物种主要分布在我国云南省。它们具有相似的形态特征，使得传统分类学方法很难有效区分这些物种。传统上，这三个物种基于形态特征被认为是独立物种，但由于其形态相似性，这一物种界定面临较大挑战（图1）。在这项研究中，研究团队收集了来自五个种群的 65 个个体样本，采用限制性位点关联DNA测序（RAD-seq）技术获取基因组数据，并进行系统发育和遗传多样性分析。通过系统发育分析，研究发现，B. sinensis 物种复合群中的三个物种并未形成独立的单系群体，而是根据其地理分布形成了不同的遗传簇（图2）。补蚌（BB）和普藤（PT）种群表现出较强的遗传分化，而南贡山（NG）、南拼（NP）和勐仑（ML）种群则存在较强的基因流动（图3）。在遗传多样性分析中，研究表明勐仑（ML）种群的核苷酸多样性最高，而补蚌（BB）种群则遗传多样性最低。遗传分化（Fst）分析进一步显示，BB 和 PT 种群的遗传分化最为显著，而 NG、NP 和 ML 种群之间的分化较小，暗示这些种群之间的基因流动较为频繁。研究人员认为，B. sinensis 物种复合群中的三个物种并非独立物种，因为没有足够的证据支持其存在不同的进化谱系。观察到的形态差异可能是由于环境因素或种群间基因流动的结果，而这些差异并不代表物种的独立性。不同种群之间的遗传多样性和分化模式表明，地理距离和基因流动在塑造 B. sinensis 物种群体遗传结构中起着重要作用。NG、NP 和 ML 种群中的高遗传多样性和低遗传分化表明这些种群之间有持续的基因流动，而 BB 和 PT 种群之间的较高分化可能是由于其有限的扩散能力。该研究结果为实蕨属，尤其是 B. sinensis 物种复合群的进化关系和种群遗传学提供了新的视角。研究结果质疑了本属传统的基于形态特征的物种划定方法，并强调了基因组数据在解决蕨类植物分类不确定性中的作用。研究人员也指出，本研究仅限于云南省的五个种群，若能够在 B. sinensis 物种群体的整个分布范围内进行更为全面的采样，将为物种的进化历史和遗传多样性提供更完整的图景。此外，进一步研究基因流动的具体机制和模式将有助于揭示观察到的遗传模式背后的进化过程。相关研究结果已近期发表在国际学术期刊plants（《植物》）上。该项研究得到国家自然科学基金等项目的资助。文章链接：https://doi.org/10.3390/plants13141987图 1. 中华刺蕨复合群在野外的形态及其叶脉样式。(A,B) Bolbitis sinensis植株及叶脉样式；(C,D) B. × multipinna 植株及叶脉样式；(E,F) B. longiaurita 植株和叶脉样式；(a,b) 显示在 B. × multipinna 中观察到的基部延长的裂片和分离的叶脉。图2. 中华刺蕨复合群的系统发育树和网状分析。(A) 35棵最大似然一致树的密度树；(B) 代表性数据集所构建的最大似然树，分支上方的数字为 1000 次重复计算的自展支持率，不同颜色的圆圈表示支持率超过 50% 的节点；(C) 基于p1-r0.60 数据集进行的网状分析图。图3. 中华刺蕨复合群的种群结构分析。(A) 使用 35 个 SNP 数据集进行结构分析时，RF 距离和 CV 误差的分布；(B) 使用代表性数据集进行群体结构分析，展示K = 2 时的遗传组成；(C) 两个代表性数据集（p1-r0.60,p3-r0.70）的主成分分析图。

2025-01-05