科研进展--中国科学院广州分院

深圳先进院 | 突破多模态脑机接口数据瓶颈：生成式AI赋能功能超声图像高保真重建（IEEE JBHI）

中国科学院深圳先进技术研究院的王书强课题组提出了一种名为UltraVAR的创新解决方案。这是首个专门为功能超声成像设计的数据增强框架，其核心在于利用先进的视觉自回归生成技术来生成高质量图像。2025年，该团队的研究成果发表在国际知名期刊IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics上。这项工作旨在通过生成式人工智能技术，有效解决医学影像领域长期存在的数据稀缺与模型公平性问题，为相关研究提供了新的思路。脑机接口（BCI）作为脑科学、信息科学、材料科学等多学科交叉的核心前沿方向，致力于建立大脑与外部设备的直接通信通道。由于在时间分辨率和采集便携性上的优势，脑电是当前脑机接口的主要数据模态。然而，从神经流形的视角看，大脑语义并非盘踞在某一低维“脑电切片”上，而是镶嵌在随时间快速弯曲、维度可达数十甚至上百的联合流形之中。单模态脑电仅相当于对该高维流形做一次斜向投影，会造成脑机接口解码系统不可逆的语义信息损失。要还原神经流形的真实拓扑，需要同步引入血流动力学、代谢、连接组学等额外维度，把电生理信号与功能磁共振(fMRI)、功能超声(FUS)、fNIRS等异构数据拼成一张“多模态联合图”，才能在更高维的嵌入空间里重新展开被压缩的语义流形，显著降低解码误差并增强BCI系统对环境噪声扰动的鲁棒性。对于各模态的神经信号采集，研究人员不得不在采集成本、时空分辨率和侵入性之间做出妥协（图1）。以非侵入式技术为例，脑电（EEG）和脑磁（MEG）虽然拥有250-1000 Hz甚至更高的毫秒级时间分辨率，但其空间分辨率往往局限在厘米级别；功能核磁共振（fMRI）虽然能实现全脑覆盖且空间分辨率可达毫米级，但其低至0.5-1 Hz的分辨率和BOLD信号延迟性使其难以捕捉瞬态神经活动。而对于侵入式技术，以犹他电极（Utah Array）为代表的皮层内电极虽能实现单细胞级的极高精度，但极高的侵入性风险极大地限制了其广泛应用。相较而言，功能超声成像（fUS）凭借其兼具微创性与高时空分辨率的优势脱颖而出，能够在大脑硬膜外（微创）条件下，提供50-500微米的高空间分辨率和2-100Hz的较高时间分辨率，显著提升多模态脑机接口系统对大脑意图的解析能力。尽管潜力巨大，但fUS的应用推广面临挑战:受限于较高的采集成本和复杂的伦理安全审查和操作流程，获取多样化的人类大脑 fUS 样本极为困难。这种样本匮乏直接导致下游的解码模型缺乏足够的训练样本，难以保证解码模型的泛化能力和公平性，从而严重阻碍了多模态脑机接口的落地和推广。为了突破这一瓶颈，中国科学院深圳先进技术研究院的王书强课题组提出了一种名为UltraVAR的创新解决方案。这是首个专门为人脑功能超声成像设计的fUS数据增强框架，其核心在于利用先进的视觉自回归生成技术来实现高质量人脑fUS增强。该项研究成果发表在国际知名期刊IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics上。UltraVAR通过层级化预测机制重建人脑血管的空间拓扑特征，其核心意义在于能够精准捕捉神经活动诱发微细血管血流状态改变的动态因果关联。该框架在临床数据受限的环境下构建出高保真且符合解剖学规律的血流动力学特征空间，并确保生成的微细血管在主要运动皮层和后顶叶皮层等核心功能区保持生理上的完整性。所提出的UltraVAR为多模态脑机接口解码系统训练提供了多样化的低成本训练样本，突破了解码模型因fUS数据匮乏而面临的泛化能力弱与解码公平性差等瓶颈。UltraVAR在多个下游脑解码任务的实验验证中展现出优异性能。例如在大脑状态识别的任务场景中，将解码准确率由80.0%提升至88.9%，证明了UltraVAR在提升脑解码能力方面的应用价值。下一步研究团队将构建融合神经动力学和血流动力学约束的基础模型，以强化UltraVAR对大脑高维流形的深度表征，实现跨被试-强泛化性的多模态脑机接口解码，持续推动多模态脑机接口的落地和应用。数字所陈绪行与李卓为本文共同第一作者，王书强研究员为论文通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等科技项目资助。图1 主流神经信号采集技术在时空分辨率、侵入性及覆盖范围上的对比图2 UltraVAR视觉自回归框架示意图图3 不同生成模型的功能超声图像视觉对比

2025-12-22

深圳先进院 | 重构多细胞生命“语言”：科学家开发“超灵敏、低负担”的哺乳动物细胞通讯新系统（Cell Systems封面文章）

12月17日，中国科学院深圳先进技术研究院娄春波团队联合北京大学合作者，在国际学术期刊Cell Systems上以封面文章形式在线发表题为"Low-burden and precursor-free cell-cell communication in mammalian cells enabled by de novo design of super-sensitive intercellular signals"的研究论文，报道了首个具有超灵敏响应（super-sensitivity）、底盘友好型（low-burden）等优异特性的哺乳动物细胞间通讯的小分子信号系统，并进一步验证了该系统用于指导多细胞系统进行更复杂空间组织的底层能力。细胞通讯是多细胞生命精密协作的基石。作为生理活动的“指挥棒”，它通过信号分子传递信息，协调着生命发育、免疫与维持稳态。在胚胎构建中，形态发生素梯度更如同“GPS”，为细胞提供精确的位置信息，指导其分化与组织图案成型。若细胞通讯系统失调，则可能引发发育缺陷或癌症等严重疾病。虽然合成生物学家此前在哺乳动物细胞中已开发出一些基于小分子（如生长素Auxin）的通讯信号系统，但它们普遍存在灵敏度低（需要高浓度信号）和代谢负担重的缺陷。更麻烦的是，这些系统往往需要向培养基中额外添加特定的化学前体（Precursors），细胞无法自行合成信号，这极大地限制了其在活体内的应用。为了解决这些难题，12月17日，中国科学院深圳先进技术研究院娄春波团队联合北京大学合作者，在国际学术期刊Cell Systems上以封面文章形式在线发表题为"Low-burden and precursor-free cell-cell communication in mammalian cells enabled by de novo design of super-sensitive intercellular signals"的研究论文，报道了首个具有超灵敏响应（super-sensitivity）、底盘友好型（low-burden）等优异特性的哺乳动物细胞间通讯的小分子信号系统，并进一步验证了该系统用于指导多细胞系统进行更复杂空间组织的底层能力。本研究首先构建并优化了Cinn接收模块。实验结果显示，该模块的半最大效应浓度（EC50）低至约10-9 mol/L，其灵敏度比现有报道的最优哺乳动物细胞通讯信号系统提升了约375倍。为了进一步提升性能，研究团队界定了BraR的最小核心结合序列，将其从46 bp精简至18 bp，有效降低了潜在的非特异性结合风险。此外，针对受体本底泄漏较高的问题，团队利用AlphaFold2进行结构预测，采用嵌合工程策略将BraR的配体结合域（LBD）与同源蛋白RpaR的DNA结合域（DBD）融合，成功开发出新型受体KmaR。该受体在保持超高灵敏度的同时显著抑制了本底活性，实现了信号识别精度与动态响应范围的协同优化。在发送模块方面，本研究设计了包含三种酶的代谢通路，以细胞内广泛存在的苯丙氨酸为底物，实现了无需外源前体（Precursor-free）的Cinn自主从头合成。通过对基因表达盒排布的优化，该模块克服了转录干扰，实现了Cinn分子的稳定高效产出。共培养实验证实，得益于系统的高灵敏度，仅需极低比例的发送细胞即可有效激活接收细胞，建立了稳健的胞间通讯。为调控信号的时空动态，系统引入了高效的内酯酶降解模块，防止信号累积导致的饱和与干扰。此外，基于细胞生长动力学与转录组学的评估表明，搭载各功能模块的工程化细胞与野生型无显著差异，证实了该系统具有卓越的底盘兼容性与低负担特性。利用这套全新的工具，研究团队模拟了生物发育中的经典“源-汇（Source-Sink）”空间梯度斑图模型。他们构建了三种细胞：产生信号的“源（Sender）”细胞、降解信号的“汇（Degrader）”细胞，以及感知信号的“接收（Receiver）”细胞。实验结果令人振奋：当“源”和“汇”分别位于空间两端时，中间区域形成了一个梯度陡峭且位置稳定的信号响应梯度。更令人惊讶的是，这种机制表现出了极强的鲁棒性（Robustness）——即使改变发育场的大小、功能细胞数量（模拟个体差异）或改变信号扩散速率（模拟环境波动），形成的图案边界依然保持稳定。这不仅证实了“源-汇”机制在维持生物发育稳定性中的关键作用，也证明了该合成系统具有构建复杂、精密人造组织的潜力。该研究开发的Cinn系统具有无前体依赖、超高灵敏度、低细胞负担三大优势，完美契合了组织工程和细胞治疗的需求。未来，研究人员计划利用该系统设计更复杂的细胞行为，例如引导干细胞在体外自组装成类器官，或者设计能感知体内环境并精准释放药物的智能细胞疗法，为生物医学研究带来新的可能。北京大学定量生物学中心博士后孙智博士和中国科学院深圳先进技术研究院助理研究员项延会博士为本文共同第一作者。中国科学院深圳先进技术研究院研究员娄春波为本文通讯作者。浙江大学欧阳颀教授和北京大学副研究员钱珑为本研究做出重要贡献。中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所研究实习员盘玉逵和技术员余敏参与工作。该工作被Cell Systems以封面文章形式特别报道，使用超灵敏通讯系统建立的稳健“源-汇”空间梯度斑图被精选为当期封面图片，文章同时被该期刊Focus Issue on Mammalian Synthetic Biology（“哺乳细胞合成生物学”特刊）收录。本研究得到国家重点研发项目、中国科学院青年交叉团队项目、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、北大-清华生命科学联合中心博士后基金以及深圳合成生物学创新研究院等项目的资助。文章上线截图原文链接：https://www.cell.com/cell-systems/fulltext/S2405-4712(25)00308-4图1 新型高效哺乳细胞胞间通讯信号分子合成通路设计原则图2 超灵敏Cinn receiver的开发表征和模块优化图3 precursor-free sender与diverse degrader的开发及各模块low-chassis burden的属性表征图4 使用Cinn胞间通讯系统设计构建“Source-Sink”空间稳健梯度线路图5 Cell Systems封面文章

2025-12-22

深圳先进院 | 基于微透镜阵列的片上光散射增强实现在传统明场显微镜下的高性能单颗粒追踪（Small Methods）

近日，中国科学院深圳先进技术研究院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Small Methods上发表了题为"On-Chip Light-Scattering Enhancement Enabled by a Microlens Array for High-Performance Single-Particle Tracking under Conventional Bright-Field Microscopy"的研究成果，成功开发出一种基于“片上微透镜阵列”的新型光学传感器。单颗粒追踪（Single-Particle Tracking,SPT）技术被誉为揭示纳米尺度下分子与颗粒动态行为的“火眼金睛”，能够在生命活动的原生环境中，实时、可视地捕捉单个分子或纳米颗粒的运动轨迹，是研究分子相互作用、细胞信号传导、药物递送机制等重要生物物理过程的关键工具。尤其在异质性体系（如活细胞内复杂环境）中，SPT能分辨不同群体的运动行为，揭示被传统群体平均测量所掩盖的动力学细节，为理解生命活动的微观机制提供前所未有的时空分辨率。然而，该技术的广泛应用长期面临两大挑战：基于荧光的SPT需依赖复杂标记且易受光子饱和限制，影响成像速度与定位精度；而基于光散射的无标记SPT则因对高端光学系统（如强激光器、高数值孔径物镜）的严苛要求与高昂成本，难以广泛推广。近日，中国科学院深圳先进技术研究院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Small Methods上发表了题为"On-Chip Light-Scattering Enhancement Enabled by a Microlens Array for High-Performance Single-Particle Tracking under Conventional Bright-Field Microscopy"的研究成果，成功开发出一种基于“片上微透镜阵列”的新型光学传感器。该传感器的核心创新在于采用高折射率介质微球构建的微透镜芯片。与现有近场光学增强技术（增强范围高度局域化）不同，该传感器通过“增强型长程光场”与“纳米颗粒–微透镜复合相互作用”新机制，实现了十倍于传统近场技术的超长光散射增强范围。首次将高性能S-SPT技术的强大能力扩展至普通明场显微镜，仅需使用非相干白光光源（如LED）和低照明功率即可实现高精度探测这一技术突破，成功将高性能无标记SPT技术从依赖特种光学系统的“精密试验”，转变为在普通明场显微镜上即可实现的“常规观测”。具体而言，该技术展现出三大优势：1. 极低系统门槛：仅需配备常规明场显微镜、非相干明场光源和以及低照明功率，大幅降低了技术与成本壁垒。2. 卓越综合性能：在750 µm²的大视场下，仅用200 µs的超短曝光时间，即可对溶液中微小至60 nm的颗粒实现2.9nm的纳米级定位精度。3. 超长工作距离：其增强范围远超传统近场技术，为观测颗粒的三维运动轨迹提供了更大空间。研究团队提出的这项新型传感器，不仅攻克了长期存在的技术难题，更重要的是，它构建了一个更易获取、性能强大的开放式研究平台。这项曾经“高不可攀”的技术，如今变得直接、经济、易于实施。该平台所具有的纳米级定位精度、亚毫秒时间分辨率、大视场观测能力以及对普通光学系统的兼容性，将作为一项支撑性工具，为超灵敏生物传感器开发、疾病早期诊断、纳米药物开发、单分子动力学分析等众多前沿领域提供强大的工具支持。图1. Small Methods封面图图2. 溶液中运动纳米颗粒实时追踪，实现超高时间分辨率及纳米级定位精度测定;(a).片上光散射增强示意图;(b). 光学系统示意图;(c). 典型单颗粒的图像序列成像;(d). 单个颗粒的运动轨迹;(e). 不同尺寸颗粒的直径测量;(f). 不同尺寸颗粒均方位移曲线分析

2025-12-22

深圳先进院 | 刘陈立团队揭示细菌DNA合成与生物量增长的协同机制（eLife）

从头合成一个完整的单细胞生命，是当代生命科学面临的一项重大挑战。目前，科学家已在构建基础生命功能模块方面取得进展，例如在人工磷脂囊泡中实现DNA复制，以及利用前体分子合成磷脂以促进囊泡表面积的增长。然而，仅将这些功能模块进行简单组装，尚难以实现生命活动的有序运行。当前面临的主要瓶颈之一，在于对这些模块之间协同工作的基本原理仍缺乏系统认识，这也限制了人工合成细胞形成生长、复制与分裂这一完整生命循环的能力。针对这一关键问题，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所刘陈立研究员团队长期致力于探究天然细胞中DNA复制、生物量积累和细胞分裂等核心功能模块的协同机制。在前期研究中，团队以大肠杆菌为模型，利用定量合成生物学方法，揭示了细胞生长速率与细胞尺寸之间的数学规律，并发现了细菌通过“分裂许可物”来协同生长和分裂的新机制（Nature Microbiology 2020）。在此基础上，团队进一步发挥定量合成生物学研究范式的优势，设计合成了一套能够实时监测DNA复制关键启动蛋白DnaA活性的“分子探测器”，首次在活细胞中观测到DnaA活性振荡的峰值始终精准出现在DNA复制起始时刻，从而在实验上直接验证了经典理论中“DnaA活性决定DNA复制起始时机”的核心预测。此外，为解释“DnaA表达停止后DNA仍可进行多轮复制”这一经典理论未能充分阐释的现象，团队通过结合数学建模与实验验证，创新性地提出了DnaA活性调控的“挤出”机制。该机制表明，可能存在某种调控蛋白能够将结合在DNA上的DnaA“挤出”，使其重新获得启动DNA复制的活性。进一步研究提示，H-NS蛋白很可能在其中发挥关键调控作用。该工作不仅首次直接证实了DnaA活性的周期性振荡是触发DNA复制的核心信号，还系统揭示了细菌通过“挤出”机制实现对DNA复制过程的精确时序调控，为理解生命体中DNA合成与生物量增长之间的协同机制提供了崭新的理论视角。相关成果于11月18日以"Extrusion-modulated DnaA activity oscillations coordinate DNA replication with biomass growth"为题，正式被eLife杂志收录。DNA复制起始是细菌细胞周期调控的关键节点。学界普遍认为，大肠杆菌通过精确控制DNA复制的起始时机，实现DNA的线性合成与生物量指数增长之间的协调匹配。经典理论指出，关键启动蛋白DnaA的持续合成可以反应生物量的积累，其与DNA的相互作用则能感知DNA合成状态，进而通过活性变化决定复制起始时机。然而，长期以来，领域内并未直接观测到DnaA活性变化与DNA复制起始之间的动态关联，且在DnaA合成被阻断之后，DNA复制仍可启动，这些现象无法用现有理论完整解释，表明人们对细菌生长与DNA复制之间的协同机制认识尚不全面。合成DnaA活性“探测器”：定量其振荡与DNA复制起始的关系为直接观测DnaA蛋白活性的细胞周期性振荡，刘陈立团队构建了DnaA活性可定量调节的平台菌株，设计并合成了一系列可响应DnaA活性的合成启动子。通过系统定量这些启动子对DnaA活性变化的响应特性，团队筛选出了对DnaA活性高度敏感且响应特异的启动子Psyn66。随后，借助mRNA荧光原位杂交技术，并以不响应DnaA活性的组成型启动子Pcon作为参照，解析出Psyn66报告的DnaA活性的细胞周期变化规律。定量分析表明：无论生长速率如何改变或基因表达受到何种干扰，DnaA活性均随细胞大小呈现显著振荡，该振荡与dnaA基因的转录无关，且其峰值始终精准出现在DNA复制起始的时刻。这一结果在实验上直接验证了经典理论关于“细菌DnaA活性决定DNA复制起始时机”的核心预测。DnaA活性调控“挤出”机制的提出及例证在验证经典理论的基础上，团队进一步探究了“DnaA表达停止后DNA仍可进行多轮复制”这一经典理论未能解释的现象，并提出了一种新的DnaA活性调控机制——“挤出模型”（extrusion model）。该模型推测，除了已知的调控途径外，细胞内可能还存在一种可与DNA结合的“挤出因子”，它能够通过构象变化或竞争性结合，促使结合在DNA上的DnaA蛋白释放到细胞质中，从而使DnaA活性在其合成停止后仍可维持一段时间的上升，以启动后续几轮DNA复制。通过系统筛选细胞内可与拟核结合的蛋白质，研究团队发现高丰度DNA结合蛋白H-NS具备“挤出因子”的潜在特征，随后合成并引入相关基因线路，稳定或瞬时提升H-NS的表达水平，结果观察到DnaA活性迅速增强，且DNA复制起始时机相应提前。该实验结果为H-NS可能作为“挤出因子”参与调控DnaA活性提供了直接证据，进一步支持了“挤出模型”的合理性。该研究秉承“造物致知”的研究理念，通过对生命系统进行合成重构与定量表征，并结合理论建模与仿真分析，揭示了协调细胞生长和DNA合成的新机制：DnaA活性的“挤出式”调控。这一发现不仅深化了人们对细菌细胞周期调控的理解，也为人工合成生命功能模块的协同调控提供了新的设计思路。未来，在组装具有复杂功能的人工生命系统时，或许可以借鉴此类天然调控机制，使各个功能模块像细菌细胞内的高度协同网络一样，实现有序、高效且稳定的动态运转。相关研究得到了国家自然科学基金、中国科学院战略性先导B科技专项等多个项目的支持。中国科学院深圳先进技术研究院合成所刘陈立研究员为该文章的通讯作者，助理研究员李登进、副研究员郑海和白阳为该文章的共同第一作者。图1. eLife杂志上刊发的文章截图图2. 合成DnaA活性“探测器”，定量其周期性振荡与DNA复制起始的关系图3. DnaA活性调控“挤出”机制的提出及例证

2025-12-22

深圳先进院 | 新型微纳流控平台助力细胞外囊泡表面工程化（Journal of Extracellular Vesicles）

中国科学院深圳先进技术研究院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，突破传统技术局限，成功研发出名为ExoSE(EV Surface-Engineering device)的通用微纳流控平台，可高效、标准化地完成sEV表面工程化改造，显著提升其靶向能力。相关研究"Universal Microfluidic Platform for Multifunctional Surface Modification of Small Extracellular Vesicles"近期发表于国际细胞外囊泡研究顶级期刊Journal of Extracellular Vesicles。小细胞外囊泡(sEV)是人体内的天然“纳米邮差”，具有低免疫原性、高生物相容性等特点，是药物递送与疾病诊疗的理想载体。然而，其临床应用长期受限于两大核心难题：来源依赖导致的异质性，以及天然靶向能力的不足。如何针对sEV进行高效、可控的表面工程化改造，成为推动其走向临床的关键瓶颈。为破解这一瓶颈，中国科学院深圳先进技术研究院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，突破传统技术局限，成功研发出名为ExoSE(EV Surface-Engineering device)的通用微纳流控平台，可高效、标准化地完成sEV表面工程化改造，显著提升其靶向能力。相关研究"Universal Microfluidic Platform for Multifunctional Surface Modification of Small Extracellular Vesicles"近期发表于国际细胞外囊泡研究顶级期刊Journal of Extracellular Vesicles。ExoSE的核心创新在于将sEV表面工程化过程解耦为“加载”与“混合”两个核心独立模块：加载模块通过高通量并联纳米流控结构，实现对sEV的机械瞬时穿孔，高效嵌入功能性脂质；混合模块则通过独特设计微流控结构促进配体分子快速连接。这种“两步走”策略摆脱了对供体细胞的依赖，适用于不同细胞源及高产来源如牛奶源sEV，并能兼容多肽、适配体、蛋白质等多种配体。实验数据显示，ExoSE在脂质嵌膜效率上高达97%以上，远超传统共孵育方法；单个囊泡上的配体结合数量提升3-6倍。经工程化改造的sEV在体外和体内模型中均展现出良好的靶向性能：RGE肽修饰的sEV穿透血脑屏障的能力提升超3倍，肿瘤球渗透深度显著增加；AS1411适配体修饰的sEV对乳腺癌细胞的靶向特异性达77.8%。动物实验进一步证实，工程化sEV可在脑中高效富集，且未引起肝肾毒性。与传统的基因工程、物理或化学修饰方法相比，ExoSE具备源头通用、流程简洁、配体兼容、批间一致等突出优势，为sEV的表面工程化提供了标准化、可扩展的解决方案。该平台不仅能够推动sEV在靶向治疗、脑部药物递送等领域的应用进程，也为未来开发个性化诊疗工具、免疫调节载体等奠定了基础。ExoSE平台的成功研制，标志着sEVs表面工程进入“模块化、标准化”时代，有望加速下一代生物纳米药物的临床转化。中国科学院深圳先进技术研究院杨慧研究员为论文通讯作者，复旦大学药学院李聪教授及医工所传感中心曾霖助理研究员为联合通讯作者，医工所传感中心博士后洪彦航为第一作者。研究工作获得了国家自然科学基金、科技部重点研发计划等项目的支持。原文链接：https://doi.org/10.1002/jev2.70215图1. 通用化微流控平台ExoSE用于小细胞外囊泡表面工程化改造。(a)基于ExoSE平台对不同来源的sEVs进行功能化修饰原理示意图。(b)不同来源sEVs的脂质嵌膜比例，单个囊泡上有效结合的多肽和蛋白质数量。(c)3D肿瘤球渗透结果。(d)脑组织富集图片及血液学检测结果。

2025-12-18

亚热带生态所 | 地质约束下西南喀斯特区域森林恢复的水分限制研究取得新进展

西南地区长期受高强度、高频率人类活动扰动。近年来，通过大规模封山育林等生态修复政策，森林覆盖度显著提升。然而，该区域广泛分布的喀斯特地貌具有土层浅薄、渗透性强等脆弱地质特征，叠加季风气候周期性干旱的影响，导致大面积造林在提高植被覆盖的同时，也可能引发土壤水分显著下降。因此，在区域植被快速“变绿”的背景下，亟需辨析“变绿”后影响喀斯特区生态恢复可持续性与稳定性的潜在生态风险。西南地区长期受高强度、高频率人类活动扰动。近年来，通过大规模封山育林等生态修复政策，森林覆盖度显著提升。然而，该区域广泛分布的喀斯特地貌具有土层浅薄、渗透性强等脆弱地质特征，叠加季风气候周期性干旱的影响，导致大面积造林在提高植被覆盖的同时，也可能引发土壤水分显著下降。因此，在区域植被快速“变绿”的背景下，亟需辨析“变绿”后影响喀斯特区生态恢复可持续性与稳定性的潜在生态风险。针对上述问题，中国科学院亚热带农业生态研究所环江喀斯特生态系统观测研究站王克林研究员团队，基于表层土壤水分、蒸散发、饱和水汽压差等多源遥感水分数据，系统分析了西南季风区和东亚季风区不同森林类型的碳-水关系区域分异。研究结果证实，桉树和马尾松等人工林相比天然次生林虽具有更高的生产力，但大规模集中造林确实会导致区域表层土壤水分的下降（图1）。尤其在季节性干旱明显的西南季风区，桉树林的表层土壤水分消耗速率达到东亚季风区的2.42倍，特别当表层土壤水分低于0.18m3/m3时，植被生产力开始受到抑制，表明水分供给已成为制约该地区植被恢复可持续性的关键因素。研究还发现，饱和水汽压差在两个气候区均表现出对总初级生产力的显著抑制作用，表明大气干旱也是影响西南地区植被生产力的关键限制性气候因子。团队进一步揭示了地质约束下长期气候水分亏缺状况对植被生产力的影响机制，利用贝叶斯线性回归方法，评估了西南地区气候水分亏缺变化对植被生产力的影响。结果显示，相比石灰岩和碎屑岩地区，白云岩地区植被对气候水分亏缺(Climate Water Deficit，CWD)更为敏感，这种敏感性主要受风化层厚度与土壤厚度交互作用的调控，发现当土壤厚度超过0.57米时，植被生产力对干旱的敏感性显著降低（图2）。这一发现初步揭示了植被对水分亏缺敏感性的驱动因素，为理解植被应对气候变化的恢复力提供了依据。团队进一步发现上述水分限制矛盾在2022年西南地区破纪录的极端干旱事件中得到进一步印证。与森林和草地相较，西南地区灌丛在干旱后恢复最为缓慢，其整体恢复时间分别是森林和草地的1.39倍和1.32倍。喀斯特区，尤其是白云岩分布区，植被表现出更强的干旱脆弱性：干旱期间灌丛的总初级生产力损失为碎屑岩区的2.57倍，且恢复时间延长60%（图3）。进一步分析表明，温度是非喀斯特区植被恢复的主要驱动因子，而水分利用效率则是喀斯特区植被恢复的关键限制因素。具体而言，在经历极端干旱后的恢复阶段，表层土壤水分受限时，喀斯特地区植被具有更高的水分利用效率；水分充足时，非喀斯特地区植被的水分利用效率更高。上述研究系统揭示了西南喀斯特地区大规模造林可能面临土壤水分与大气干旱的双重限制风险，强调了需结合区域水热条件差异制定适应性植被恢复与管理策略。相关研究得到国家自然科学基金重点基金、广西重大科技专项和国家重点研发计划项目的资助，论文成果分别以Regional differences in carbon-water dynamics of various plantation forests in Southwest China、Lithology controls drought sensitivity in southwest China和Bedrock controls vegetation resilience: Dominant role of lithology in the 2022 southern China drought为题，发表在Journal of Hydrology、Progress in Physical Geography: Earth and Environment和Agricultural and Forest Meteorology等期刊。论文链接：1 2 3图1 不同季风区水文变量对生产力响应及2015-2020年SSM变化图2 土壤厚度与风化层厚度交互作用的曲率分析及阈值确定图3 2022干旱后生产力损失和恢复时间的岩性和植被类型分异

2025-12-18

深海所成功研发全海深原位生物地球化学实验系统并应用于深渊研究

中国科学院“全球深渊探索计划”（GHEP）团队自主研发了全海深生物地球化学实验系统（Biogeochemistry Experiment System，简称BES），并在雅浦海沟和马里亚纳海沟的深渊带（深度7869-10903米）成功开展了原位培养实验。近日，这一研究进展以 “Development of a full-ocean-depth biogeochemistry experiment system and its first application at hadal zone” 为题发表于国际期刊《Deep Sea Research-Part I》，标志着我国在深海原位实验研究领域迈出了重要一步，为揭示深海深渊生命活动与元素循环过程提供了关键技术支撑。自主研发仪器：全海深生物地球化学实验系统（BES）“全球深渊探索计划”团队研制的BES是一套能够在全球最深海域进行原位培养实验的自动化系统。该系统主要由泵、多通阀、油压舱、钛合金电子舱和培养袋等关键部件构成，具备以下突出特点：全海深作业能力：系统经过实验室模拟测试，可在110Mpa压力和2°C低温的极端环境下稳定运行;原位操作优势：能够直接在海底完成海水采集和培养实验，避免了传统采样方式因温度、压力等环境变化对样品活性和完整性的影响;双模式设计：支持通过着陆器布放模式与载人潜水器布放模式，适应不同科研需求。原位实验的重要性：突破传统研究局限传统深海研究通常采用CTD采水器采集样品后甲板培养的方法，样品在回收过程中经历的压力剧变和温度波动会显著改变微生物活性和地球化学过程速率，导致测量结果存在偏差，BES系统的创新之处在于实现了真正意义上的原位实验：在海底直接采集水样并立即开始培养；全程保持深渊环境的原始温度、压力和化学条件；最大程度保留了微生物群落的自然状态和活性；获得了更接近真实情况的生物地球化学过程速率数据应用地点：世界最深海域BES系统在 “探索一号”科考船TS03航次中，成功应用于两个深渊环境（图1）：马里亚纳海沟：挑战者深渊，深度达10900-10903米雅浦海沟：中部区域，深度7869-7884米图1. BES搭载“原位实验号”着陆器开展深渊海底原位培养实验这些部署验证了BES系统在极端深渊环境下的可靠性和操作可行性。通过BES系统的海底布设，研究团队首次原位测量了海斗深渊带氨氧化和亚硝酸盐氧化速率，证实了即使在万米深渊，仍然存在活跃氮转化过程。目前改进版BES系统搭载深海载人潜水器已在多个深海深渊环境得到了进一步应用（图2）。图. 2正在海底工作的BES，系统由载人深潜器完成布放未来展望BES系统的研发和应用，为我国深渊科学研究提供了强有力的技术平台。该系统未来还可拓展应用于甲烷氧化等其他生物地球化学过程的原位研究，在冷泉、热液和缺氧区等特殊深海环境中发挥重要作用。随着技术进一步优化，BES有望成为揭示深海深渊元素循环与微生物生态耦合关系的重要工具。文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0967063725001840 关于全球深渊探索计划（GHEP）：“全球深渊探索计划”（Global Hadal Exploration Programme, GHEP）是一项为期十年的由中国科学院深海科学与工程研究所发起的联合国海洋十年科学计划，致力于探索和认知全球海洋最深区域--深渊，其前身为“全球深渊深潜探索计划”（Glabal TREnD）。该计划依托尖端深潜及探测技术装备对深渊地质、生命与环境开展系统科学研究。了解更多信息，请访问：http://globaltrend.idsse.ac.cn

2025-12-16

深圳先进技术研究院 | |研究揭示模拟微重力下肝细胞抵抗“漂浮”机制—深圳先进院雷晓华团队新进展（NPJ microgravity）

近日，中国科学院深圳先进技术研究院医药所能量代谢与生殖研究中心雷晓华科研团队发表于Nature旗下期刊NPJ microgravity的一项研究，通过随机定位仪地基模拟微重力效应环境，观察肝细胞在该环境下的行为和分子变化。随着太空探索的快速发展，人类在微重力环境中的长期生存问题备受关注。细胞在太空中的行为与地球截然不同，例如增殖减缓、凋亡增加等现象已被广泛报道。然而，微重力如何影响细胞的“休眠”状态，尤其是肝细胞这类重要功能细胞，仍是未解之谜。此前研究发现，模拟微重力会抑制肝细胞增殖并诱导凋亡，但部分细胞却呈现悬浮状态，其生物学特性及调控机制尚不明确。近日，中国科学院深圳先进技术研究院医药所能量代谢与生殖研究中心雷晓华科研团队发表于Nature旗下期刊NPJ microgravity的一项研究，通过随机定位仪地基模拟微重力效应环境，观察肝细胞在该环境下的行为和分子变化。研究发现，模拟微重力条件下，部分肝细胞脱离培养表面形成悬浮球体，而贴壁细胞和悬浮细胞的命运截然不同：悬浮细胞增殖减缓、凋亡减少，呈现类似“休眠”的状态。进一步机制研究表明，贴壁细胞的PI3K/AKT/mTOR信号通路活性显著上调，并伴随下游蛋白c-Myc的表达增加。相反，悬浮细胞中这一通路活性较低。通过基因操作验证，敲低c-Myc会促进肝细胞悬浮，而过表达c-Myc则抑制悬浮。这表明，PI3K/AKT/mTOR通路和c-Myc是调控肝细胞在微重力环境下是否进入休眠状态的关键因素。该研究首次揭示了PI3K/AKT/mTOR通路和c-Myc在微重力诱导肝细胞休眠中的保护作用，为理解太空环境中细胞适应性机制提供了新视角。这一发现不仅有助于开发针对宇航员肝功能障碍的防护策略，还可能为地面医学中肝细胞休眠相关疾病（如肿瘤耐药或组织修复）的研究提供新思路。未来，通过调控这一通路，或可优化太空细胞培养技术，甚至为肝脏疾病的治疗开辟新途径。中国科学院深圳先进技术研究院助理研究员熊月博士为该论文的第一作者。中国科学院深圳先进技术研究院雷晓华研究员、深圳湾实验室张珂研究员为论文的共同通讯作者。这项工作得到了科技部国家重点研发计划变革性技术关键科学问题重点专项、国自然面上基金以及国家载人航天工程空间站第二批科学实验项目等项目经费支持。文章上线截图

2025-12-18

华南植物园揭示报春苣苔属土壤专化适应的遗传基础

土壤专化适应是指植物对特殊或极端土壤环境的进化适应，这一机制被广泛认为是驱动植物多样化与物种形成的重要力量，但其基因组基础尚未阐明。报春苣苔属（Primulina，苦苣苔科）包含200余个物种，具有独特的生态位分化与形态多样性特征。该属植物主要专性分布于中国南方喀斯特地区的钙质土壤，少数物种则适应丹霞或酸性土壤环境，为解析土壤专化适应性机制提供了理想模型。华南植物园泛基因组科研团队研究完成了7个高质量基因组组装，构建了涵盖喀斯特、丹霞及酸性土壤9个物种的报春苣苔属泛基因组，为解析土壤专化适应机制提供了关键基因组学资源。喀斯特适生物种基因组显著小于非喀斯特物种，与其LTR重复元件含量降低相关，符合基因组氮限制假说。两次谱系特异性全基因组加倍（WGD）事件显示，大基因家族呈现重复拷贝倾向于丢失，而转录因子家族成员尽管数量众多却优先保留（图1），暗示适应性与非适应性进化力量的共同作用。泛基因组分析发现，离子通道与转运蛋白基因在变异热点区域显著富集，且在喀斯特谱系中频繁受到正选择，这些候选基因与土壤贫瘠耐受性、抗旱性及肉质叶片的重复进化相关。值得注意的是，位于高影响变异热点区域的ABC转运蛋白G亚家族（ABCG）在喀斯特物种中呈现正选择信号且结构保守，而非喀斯特物种则携带特异的大型插入片段（图2，图3）。综上，基因组缩小、WGD后功能基因的偏向性滞留及离子转运通路适应性进化协同驱动了报春苣苔属植物对特殊土壤生境的适应。本研究为生态基因组学提供了土壤专化与基因组演化关联的新视角。相关研究成果以“Primulina pan-genome reveals differential gene retention following whole-genome duplications and provides insights into edaphic specialization”为题发表在国际生物学主流期刊Cell Reports（《细胞报告》）上。中国科学院华南植物园冯超副研究员为论文第一作者，康明研究员为通讯作者。该研究工作得到了广东基础与应用基础研究旗舰项目、国家自然科学基金和中国科学院青年创新促进会项目等资助。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.celrep.2025.116763图1. 报春苣苔属全基因组加倍后重二倍化进程中复制拷贝的滞留与丢失模式图2. 基于共线性的报春苣苔属泛基因组特性图3. 报春苣苔属图形泛基因组拓扑结构中的遗传变异

2025-12-17

广州能源所在电子废弃物绿色回收贵金属研究中取得进展

近日，广州能源研究所杨改秀研究员、袁浩然研究员联合华南理工大学陈燕教授在学术期刊Angewandte Chemie International Edition上发表了题为Green Recovery of Precious Metals from E-waste via Autocatalytic Leaching的研究论文。文中提出一种自催化浸出策略，使用过一硫酸氢钾（PMS）和氯化钾（KCl）混合水溶液，在无何外部催化剂的条件下实现贵金属回收。金（Au）和铂族金属（PGMs），包括铂（Pt）、钯（Pd）和铑（Rh）等贵金属作为不可再生资源，正变得越来越稀缺，且传统的采矿方式还会对环境造成严重破坏，包括生物多样性丧失、土壤退化、二氧化碳排放和重金属污染等。从电子废弃物中回收贵金属是一种可以降低对原生采矿依赖性的、可持续的替代方案，但传统的浸出方法使用王水或氰化物等试剂，会引发严重的环境和健康风险，如有毒烟雾和氰化物暴露等问题。随着“城市采矿”受到关注，高效且环境友好的回收技术的开发需求也日益迫切。目前，催化浸出已成为一种有望在更温和条件下回收贵金属的策略，如光催化方法、压电催化法、类芬顿法可实现从二次资源中有效浸出Au和Pd。但现有的催化浸出过程仍需要外部催化剂、过渡金属添加剂或额外的高能量输入，下游处理过程复杂，并导致产生污泥和能耗较高等问题。因此，迫切需要研发一种更简单、更清洁、更可持续的贵金属回收方法。近日，广州能源研究所杨改秀研究员、袁浩然研究员联合华南理工大学陈燕教授在学术期刊Angewandte Chemie International Edition上发表了题为Green Recovery of Precious Metals from E-waste via Autocatalytic Leaching的研究论文。文中提出一种自催化浸出策略，使用过一硫酸氢钾（PMS）和氯化钾（KCl）混合水溶液，在无何外部催化剂的条件下实现贵金属回收。在常温下，该体系能在20分钟内实现Au的近乎完全溶解（溶解率>98.2%）。这一过程由贵金属自身驱动，激活PMS和Cl⁻，生成单线态氧（1O2）和微量次氯酸（HOCl），二者协同作用将Au氧化为更高价态，促进Cl⁻配位萃取。经济分析证实，该体系在实际电子垃圾处理中具有显著的可行性，能耗大幅降低（约62.5%），试剂成本也显著降低（约93.2%）。该研究深入揭示了自催化生成的活性物质在金属浸出中的作用，为实现资源循环利用提供了一种更可持续的贵金属回收方法。研究得到国家自然科学基金、国家杰出青年科学基金、河南省重点研发计划、广东省基础与应用基础研究基金（粤-佛联合基金）项目、中央高校基本科研业务费专项资金、中国科学院青年基础研究项目的支持。论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202523660

2025-12-17