科研进展--中国科学院广州分院

遗传多样性是物种应对环境变化的演化基础。濒危物种通常因种群衰退陷入遗传多样性丧失、近交加剧和遗传负荷积累的灭绝漩涡，但部分小种群植物却展现出意想不到的遗传韧性，机制尚不明确。目前超过80%的遗传保护研究集中于动物，植物尤其濒危物种严重不足，且多依赖中性分子标记，难以捕捉全谱系遗传变异。有效种群规模、交配系统与自然选择的交互作用可能是理解这一现象的关键，但在非模式植物中的综合研究仍然有限。栎属（橡树）是壳斗科的关键类群，也是北半球温带和亚热带森林生态系统的优势组分，多数物种具有广泛地理分布、频繁种间杂交和丰富遗传变异。然而，约31%的栎属物种被IUCN列为濒危或极危，且群体遗传学研究存在显著区域偏差——主要集中于北美和欧洲温带物种，而拥有最多受威胁橡树的东亚和东南亚地区研究极为有限。遗传多样性评估揭示了濒危栎属物种间的矛盾模式：部分物种因种群下降和地理隔离而多样性显著降低，另一些却在相似的种群限制下维持了较高遗传多样性。这一反差格局的内在机制至今未被阐明，制约了对受威胁栎属演化韧性来源的深入理解。近期，中国科学院华南植物园王宝生研究团队针对两种极危岛屿橡树——坝王栎（Quercus bawanglingensis）和万山栎（Quercus pseudosetulosa）开展了保护基因组学研究。该研究组装了高质量的染色体基因组，并揭示了自然选择与种群历史如何塑造它们截然不同的基因组架构。这两种橡树目前都各仅存一个孤立种群，且成年个体稀少：坝王栎仅分布于海南岛俄贤岭的喀斯特地貌中，而万山栎仅存于大万山岛的高风化红壤中。尽管现状相似，两者的基因组多样性却大相径庭：坝王栎成功维持了与非濒危物种相当的高水平遗传多样性，主要得益于海南岛提供了更广阔的历史生存空间，且其经历严重种群瓶颈的时间较晚，长寿和异交特性也有效缓冲了近期多样性的流失；万山栎自中新世中期以来经历了漫长的种群衰退，加之岛屿面积极小带来的长期隔离，导致其遗传多样性显著降低，且近期发生了强烈的近交事件。研究发现了一个反直觉的现象：万山栎的遗传负荷并没有显著增加，在加性模型下甚至比坝王栎还要低。其背后的演化机制在于高效的“近交-纯合-清除”过程，高近交率使得隐性有害突变迅速暴露为纯合子状态，随后在强烈的纯化选择作用下被高效清除。面对岛屿独特的微生境，两者还演化出了截然不同的生存适应策略。该研究为理解小种群的演化动态和制定更有效的保护策略提供了重要科学依据。研究成果以“Demographic history and natural selection regimes shape divergent genomic architectures in two endangered island oaks”为题近期发表于国际植物学权威期刊The Plant Journal（《植物杂志》‌）（IF5年 = 7）。中国科学院华南植物园王宝生研究员为通讯作者，罗文姬博士为第一作者。华南植物园涂铁要研究员和马来西亚诺丁汉大学的Alison Kim Shan Wee教授参与了该项工作。该研究获广东省重点领域研发计划、国家自然科学基金和广东省自然资源事务（生态林业建设）专项资金资助。论文链接：https://doi.org/10.1111/tpj.70953 图1. 坝王栎与万山栎的地理分布、基因组特征及基因组共线性图2. 坝王栎和万山栎的遗传与种群参数图3. 坝王栎与万山栎的选择清除基因组信号

2026-06-23

华南植物园发现桃金娘细胞壁重塑增强铝耐受的调控新机制

酸性土壤约占全球可耕作土地的40%-50%，是制约农业生产的主要非生物胁迫因子之一。酸性土壤中Al³⁺通过抑制根系伸长、养分吸收，最终导致作物大幅减产。植物细胞壁作为铝离子进入细胞的第一道屏障，其组分修饰在铝耐受中发挥关键作用。XTH家族（木葡聚糖内糖基转移酶/水解酶）通过重塑细胞壁木葡聚糖网络参与植物逆境响应，但XTH在木本植物铝适应中的调控机制尚不清楚。桃金娘（Rhodomyrtus tomentosa）是一种广泛分布于我国南方及东南亚热带亚热带地区的多年生灌木，其对酸性土壤具有良好适应性，是研究植物“化毒为利”独特适应策略的理想材料。然而，桃金娘如何在细胞壁水平上感知和响应铝离子，其关键基因和调控网络尚不清楚。研究团队首先在桃金娘基因组中系统鉴定了29个XTH家族成员，通过转录组和转基因分析，发现RtXTH2在根中受铝显著诱导，且表达响应最显著。通过转基因拟南芥的耐铝性分析和桃金娘VIGS材料的耐铝性分析，作者进一步发现RtXTH2通过负向调控细胞壁中铝结合位点的丰度来增强铝耐受。为解析RtXTH2的上游调控网络，研究团队筛选并发现RtERF1能显著激活RtXTH2启动子活性。该研究从分子层面阐明，RtERF1通过结合RtXTH2启动子中的CRT顺式作用元件，激活RtXTH2转录，进而通过修饰细胞壁组分，降低半纤维素和果胶含量，减少铝离子在细胞壁上的结合位点。此外，研究还发现RtERF1蛋白在铝胁迫下的稳定性增强，暗示可能存在翻译后水平的精细调控。综上所述，该研究揭示了桃金娘响应铝胁迫的RtERF1-RtXTH2转录调控模块，为木本植物细胞壁重塑介导铝适应的分子理论提供了新的框架，为酸性土壤区作物的分子育种提供了重要的基因资源。图. RtERF-RtXTH2模块调控桃金娘细胞壁介导的铝胁迫响应模式图相关成果以“RtERF1-activated RtXTH2 enhances aluminum tolerance in Rhodomyrtus tomentosa via modifying cell wall components”为题近期发表在国际植物学权威期刊The Plant Journal（《植物杂志》‌）（IF5年 = 7）。中国科学院华南植物园硕士研究生刘婷婷和在站博士后杨恒为共同第一作者，邓书林研究员为通讯作者，已出站博士后杨玲，在读博士生王贵和在站博士后刘赛也参与了研究。研究工作得到国家自然科学基金、广东省林业科技创新项目及广东省科技计划项目资助。论文链接：https://doi.org/10.1111/tpj.70988

2026-06-23

东莞材料所联合研发智能衍射分析工具MatDiffract上线运行

在材料科学领域，衍射数据解析是揭示物质微观结构的核心手段。近日，中国科学院高能物理研究所、散裂中子源科学中心、中国科学院东莞材料科学与技术研究所、松山湖材料实验室联合自主研制的智能衍射分析软件MatDiffract（https://matdiffract.nhepsdc.cn）在国家高能物理科学数据中心平台正式发布。该系统聚焦衍射图谱解析核心痛点，具备多物相自动识别、全自动精修两大核心关键功能，依托东莞材料所团队自研Atomly国产无机晶体材料数据库为核心数据底座，融合高通量计算与人工智能算法，一站式实现多类型衍射数据自动化、高精度解析。该成果标志我国“材料数据库+AI算法+大科学装置”一体化数智研发体系实现落地，充分凸显Atomly数据库与“AI+材料科学”深度融合对关键材料自主创新的战略支撑作用。依托自主数据库，搭建AI材料创新底座长期以来，国内材料领域衍射图谱解析工作高度依赖JADE、TOPAS等海外商用软件，配套使用境外专业晶体数据库。从行业整体发展现状来看，我国材料类工业软件发展起步较晚，产业基础相对薄弱，自主化工具供给不足，相关核心分析软件长期缺少成熟国产替代方案。传统人工解析模式效率偏低，面对同步辐射、散裂中子源产生的海量实验图谱，依靠科研人员手动完成寻峰、物相匹配、参数精修全流程，单一样品分析耗时可达数小时，拖慢新材料研发迭代节奏。面对多相重叠衍射峰、微量杂质信号、纳米晶粒宽化等复杂谱图场景，传统人工处理方式分辨能力有限，制约大科学装置数据价值充分释放。为突破海外软硬件依赖现状，东莞材料所团队联合打造拥有完整自主知识产权的Atomly材料数据库，成为国内少有的可全面对标美国Materials Project等国际头部平台的综合性无机材料科学数据库。截至目前，Atomly已自主完成超35万套无机晶体全维度数据生产，其晶体化合物总量、电子能带、热力学相图数据规模接近国际头部数据库两倍，服务全国科研人员用户数量已超8000人，正稳步推进材料科研领域底层数据资源国产替代进程，为各类材料AI模型、智能分析工具提供标准化训练与匹配数据源。大科学装置与材料算力平台深度融合本次发布的MatDiffract智能衍射工具，是大科学装置与材料算力平台深度融合的标志性成果。依托中国科学院高能物理研究所、散裂中子源科学中心大科学装置海量实验数据资源，叠加东莞材料所、松山湖材料实验室Atomly自主数据库与AI算法研发能力，该软件打通了“装置实验—数据底座—智能解析”全链条，有效补齐国内衍射分析工业软件短板，推动该领域工具实现全面国产替代。区别于传统AI衍射算法依赖简单峰值比对、特征匹配逻辑完成物相检索的局限，MatDiffract创新引入向量数据库前沿技术，构建专属衍射图谱特征向量检索体系，显著提升复杂实测衍射谱图的识别与拟合精度。其智能检索、物相识别及全自动精修算法均拥有完整自主知识产权，并已获两项授权发明专利，筑牢核心技术壁垒。MatDiffract深度内嵌Atomly完整晶体结构资源，可覆盖实验室X射线衍射、同步辐射高能XRD、散裂中子源飞行时间中子衍射等不同场景。通过“AI多物相识别+一键式精修”实现自动化分析流程，最终一键输出物相组成、晶胞参数、晶粒尺寸等全套定量结果，实现海量实验数据高效批处理。相比依赖海外数据库的主流工具，该软件以完全自主可控的底层数据与自研AI算法，构建起“计算筛选—AI解析—实验验证—数据回流”的闭环国产材料数智研发模式。材料智能研发体系功能外溢，赋能产学研用一直以来，东莞材料所以人工智能赋能材料科学、引领发展材料研发新范式为主要目标之一，围绕材料智能研发布局全链条自主创新体系。目前团队已搭建起完备的底层创新支撑体系，拥有海量高质量自主材料数据资源、自研前沿AI算法体系以及自动化智能机器人实验室、MatChat材料垂类大模型等软硬件配套能力，完整筑牢材料智能设计与实验验证所需的基础工具平台与科研设施。MatDiffract智能衍射分析工具的成功上线，标志着团队材料智能研发体系正式从技术攻关阶段转向面向全行业的公共科研服务阶段。该工具落地应用，意味着东莞材料所自主搭建的材料科创底层基础设施能力开始向外溢出，能够切实支撑国内基础研究创新与高端工业软件自主化进程。依托全链路自主可控的数据、算法与实验平台，相关技术将持续赋能国内材料科研攻关与产业升级，稳步推进研发全链条国产化替代。下一步，双方将持续深化产学研用协同合作，持续补齐国产材料科研软硬件短板。东莞材料所将持续扩充Atomly多工况材料数据集，迭代升级MatDiffract智能分析能力；中国科学院高能物理研究所、散裂中子源科学中心将持续输出高质量衍射实验数据，健全实验数据回流迭代机制。后续双方还将联动国内各大同步辐射光源与行业龙头企业，完善全链条国产材料AI工具链。依托松山湖算力资源与大科学装置双重优势，持续筑牢我国材料领域自主创新底座，为集成电路、航空航天、储能等战略领域关键材料自主可控提供硬核支撑，助力我国把握AI驱动材料科学发展的先机。来源：新材料数智化研究部

2026-06-23

南海海洋所|研究团队阐明南海北部内潮调控叶绿素增长的作用机理

近日，中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境实验室（LTO）蔡树群研究员团队在海洋动力过程与生态响应耦合机制研究方面取得重要进展。该研究首次基于三维高分辨率物理生态耦合模型，系统阐明了南海北部寡营养海域内潮作为“营养泵”调控叶绿素增长的物理生物耦合机理，相关成果发表于国际知名期刊 Journal of Geophysical Research: Oceans，LTO副研究员许洁馨为论文第一作者，研究员蔡树群和厦门大学教授柴扉为共同通讯作者，副研究员龚延昆、研究员陈植武、副研究员何映晖、高级工程师黎大宁为合作作者。南海北部海域整体属于寡营养海域，初级生产力水平较低。内潮作为一种普遍存在的海洋动力过程，但关于它如何调控叶绿素浓度仍缺乏系统的量化研究。针对这一科学难题，研究团队构建了非静力MITgcm环流模式与生物化学模式CoSiNE相结合的三维物理—生态耦合数值模型，并利用现场实测数据对模型进行了验证。研究结果表明，内潮过境后约6小时内，真光层营养盐浓度最高可提升30%，且存在明显的延迟响应。值得注意的是，在内潮波谷过境后约4至6小时的白天时段，研究区域出现了显著的叶绿素浓度高值(图1)。图1 2014年8月25日00:00至8月29日00:00期间，内潮活跃区内(a)硝酸盐、(b)硅酸盐和(c)叶绿素浓度的剖面时间序列，及其异常(d)、(e)、(f)。图中黑色实线分别表示硝酸盐5 mmol/m³等浓度线和硅酸盐10 mmol/m³等浓度线。顶部白色与黑色条柱代表白天与夜间时段，由虚线分隔。进一步研究表明，这是由于在充足光照条件下内潮促使上升至真光层的营养盐增加，从而支撑了约20%的净浮游植物生长量；内潮导致叶绿素增长是由水体瞬时的物理输运过程与浮游植物滞后生理生长效应共同驱动的(图2)。该研究不仅量化了内潮在寡营养海域的物质能量输送效能，也深化了对海洋物理过程调控碳循环及生态系统生产力维持机制的科学认知。图2 浮游植物对内潮响应在日夜的差异示意图该研究得到国家自然科学基金、广东省自然科学基金、广州市科技计划项目、中国科学院项目等共同资助完成。相关论文信息：Xu, J., Gong, Y., Chai, F. *, Chen, Z., He, Y., Li, D., Cai, S.* (2026), Mechanisms of Chlorophyll Enhancement Driven by internal tides in the Oligotrophic Northern South China Sea, Journal of Geophysical Research: Oceans, 131, e2025JC023161.文章链接：https://doi.org/10.1029/2025JC023161

2026-06-18

华南植物园提出湿地有机碳来源全体系溯源方法

近日，中国科学院华南植物园围绕湿地有机碳来源识别提出发明专利申请“一种对湿地有机碳来源进行全体系溯源的方法”。该方法面向盐沼等湿地生态系统碳源复杂、传统示踪方法分辨率有限的问题，建立了从沉积物样品采集、生物标志物测定到多类型碳源贡献计算的系统流程，为湿地碳循环研究和蓝碳核算提供了新的技术路径。湿地尤其是滨海盐沼处于陆地、河流、潮汐和海洋共同作用的交汇带，沉积物有机碳既包括本地植物生产形成的内源性碳，也包括来自临近陆地和近海环境的外源性碳。现有研究多依赖稳定同位素和N/C比值来区分陆源、海源和植源碳，能够提供总体判断，但对于更细尺度的植物来源、微生物来源及其相对贡献，仍缺乏系统化、定量化的溯源方法。该专利方法将正构烷烃和氨基糖两类生物标志物相结合。正构烷烃可用于识别不同植物母质来源，氨基糖则可反映微生物残体碳输入。基于两类指标及沉积物有机碳含量，该方法可定量比较草本植物、木本植物、水生植物、藻类植物、真菌残体碳和细菌残体碳等6类生物来源碳输入，从而实现比传统同位素方法更细致的碳源划分。在技术应用上，该方法可通过气相色谱/质谱法测定沉积物中正构烷烃含量，并通过高效液相色谱法测定氨基糖含量，再结合相应计算流程获得不同碳源的贡献。专利文件中的实施例以黄河口盐沼湿地和盐城盐沼湿地为对象，结合稳定同位素和端元混合模型对该分类方法进行了验证，显示该方法能够为复杂多源碳输入的定量解析提供支撑。该方法的提出有助于进一步认识湿地有机碳积累和保存机制，也可为蓝碳生态系统碳循环过程研究、藻类异常活动影响监测、湿地保护修复评估和碳汇核算提供方法参考。除盐沼湿地外，该方法也具备拓展至红树林、湖泊、沼泽以及森林和草地等生态系统沉积物或土壤有机碳来源研究的潜力。该专利由中国科学院华南植物园申请，发明人包括：王法明、周金戈、甘淑钗、卢哲、覃国铭、张靖凡、李应文、李泳兴等。发明专利证书

2026-06-22

华南植物园提出盐沼有机碳来源识别方法助力蓝碳碳信用核算

盐沼是重要的滨海蓝碳生态系统，其沉积物能够长期储存大量有机碳。然而，这些有机碳并不都来自盐沼自身：一部分来自本地盐生植物生产，另一部分则可能由河流、潮汐和海洋过程输入。如何准确区分本地来源与外源输入，是提高蓝碳核算可信度、避免碳信用重复计算的重要科学问题。针对这一难题，中国科学院华南植物园相关研究团队以黄河三角洲和盐城盐沼为研究对象，选取代表性盐沼植被群落（互花米草、盐地碱蓬和芦苇），建立了结合分子生物标志物和稳定同位素的有机碳来源解析框架。研究利用正构烷烃识别植物来源有机碳，利用氨基糖追踪微生物残体碳，并结合 δ13C-N/C稳定同位素模型进行交叉验证（图1），从而同时量化了盐沼湿地沉积物中盐生植物来源碳、陆源木本植物来源碳、海洋藻类来源碳、真菌残体碳和细菌残体碳五类有机碳来源。图1. 盐沼沉积物有机碳来源解析验证流程结果表明，植物来源有机碳是盐沼沉积物有机碳的主体，贡献超过75%；其中，本地盐生植物来源有机碳占比最高，达到36.9%至58.2%。相比之下，微生物来源有机碳在盐沼沉积物中的贡献相对有限，通常不超过20%（图2），这说明盐沼有机碳积累机制与许多陆地生态系统存在明显差异。研究还发现，土壤质地和养分条件共同调控植物来源和微生物来源有机碳的积累，但二者受控路径并不相同。稳定同位素结果进一步验证了生物标志物方法的可靠性。黄河三角洲盐沼以本地植物来源有机碳占优势，而盐城盐沼则表现出更强的外源有机碳输入特征。这一差异说明，盐沼蓝碳核算不能简单采用统一参数，而需要考虑区域水动力过程、沉积物来源和植被类型等背景差异。图2. 黄河三角洲和盐城盐沼沉积物有机碳来源特征该研究为盐沼沉积物有机碳来源识别和碳信用核算提供了新的方法学参考。研究认为，在本地植物来源碳占主导的区域，可通过保护和恢复盐生植物群落提升蓝碳积累潜力；而在外源输入较强的区域，则需要统筹考虑本地生产、沉积物稳定和外源有机碳保留。该框架有助于降低蓝碳估算中的来源归属不确定性，为滨海湿地保护、恢复和气候减缓政策提供更精细的科学依据。相关研究成果以“Unravelling Saltmarsh Organic Carbon Sources: Biomarker-Isotopic Integration for Credible Blue Carbon Accounting”为题近期发表在国际学术期刊Catena上。中国科学院华南植物园博士研究生周金戈为论文第一作者，王法明研究员为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院青年科学家基础研究项目、广东省基础与应用基础研究基金、中国科学院青年创新促进会、国家林草局青年人才支持项目、ANSO项目等项目支持。

2026-06-22

物种新纪录！鼎湖山保护区首次发现全唇盂兰

近日，鼎湖山国家级自然保护区（隶属中国科学院华南植物园）科研监测团队在开展蝶类多样性调查监测时，在常绿阔叶林下偶遇了一丛形态独特的腐生兰花，经华南植物园植物分类专家鉴定，确认该物种为全唇盂兰Lecanorchis nigricans。这是鼎湖山保护区首次记录到该物种，补充了广东省野生兰科植物分布信息。全唇盂兰为典型的多年生完全真菌异养型兰科植物，隶属兰科盂兰属。株高25-40厘米，茎直立、黑褐色，常分枝，没有绿叶，鞘数枚、褐色；总状花序顶生，花数朵、淡紫色，萼片长1-1.6厘米；唇瓣形态独特，为狭倒披针形、不与蕊柱合生、顶端不分裂（不分叉），这也是它名字“全唇”的由来；蕊柱细长、白色；蒴果直立，圆筒形。花果期主要在夏秋季，多生于林下阴暗、湿润、腐殖质丰富的隐蔽处。根据文献资料，全唇盂兰的分布较广，国内见于福建、台湾、海南、江西、云南、广东、湖南等省区，国外见于东南亚至日本；被《中国生物多样性红色名录—高等植物卷（2020）》评定为近危（NT）等级，野外种群数量极为稀少。目前全球盂兰属植物有24种，我国有14种，分布于南部各省区；广东有2种，其中全唇盂兰在广东主要见于广州、河源、惠州等地。此次全唇盂兰在鼎湖山的观测记录，是继今年4月发现虎舌兰以来再次观测到腐生兰科植物，为研究物种扩散、菌根共生机制以及南亚热带植物区系等提供了珍贵实证。由于该类植物高度依赖林下腐殖质和与特定真菌共生获取养分，对生长环境要求极为苛刻，全唇盂兰与虎舌兰的出现，可以直接证明鼎湖山森林生态系统的结构完整、林下微生境稳定、土壤菌群发育良好，有助于维持森林生态系统的稳定和生物多样性，是生态环境质量好的标志性信号。经观察，鼎湖山全唇盂兰的个体花序有花10至20余朵，较资料记载的5-8朵更多，可能是与鼎湖山良好的生境有关。鼎湖山国家级自然保护区作为中国第一个自然保护区，即将迎来70岁生日。70年来，鼎湖山的新物种、新纪录种不断涌现。鼎湖山作为粤港澳大湾区重要生态屏障，在城市近郊很好地保存了能承载近危特有腐生兰等的原始森林，凸显其作为区域生态缓冲带和生物多样性庇护所的核心功能，也证明其在城市化背景下不可替代的生态保护价值。下一步，华南植物园鼎湖山保护区将深入开展包括全唇盂兰、虎舌兰在内的兰科植物长期动态监测，同时联合华南植物园相关研究团队进行有关腐生兰的生境适配、菌根共生、人工保育等研究，完善区域野生兰科植物种质资源数据库，持续强化极小种群野生植物就地保护，全力守护鼎湖山这颗“北回归沙漠带上的绿色明珠”。全唇盂兰（范宗骥摄）

2026-06-22

广州能源所高温蒸汽热泵技术研发取得新突破

近十几年来，热泵技术的应用大规模从建筑领域向工业领域拓展，高温输出的蒸汽热泵技术研发成为国际研究的热点与难点，中国科学院广州能源所地热能与节能技术研究中心地热能科研团队研发的150℃蒸汽热泵机组近期试机成功，为工业脱碳提供了高效解决方案。近十几年来，热泵技术的应用大规模从建筑领域向工业领域拓展，高温输出的蒸汽热泵技术研发成为国际研究的热点与难点，中国科学院广州能源所地热能与节能技术研究中心地热能科研团队研发的150℃蒸汽热泵机组近期试机成功，为工业脱碳提供了高效解决方案。广州能源所地热能科研团队在国内率先开展蒸汽热泵技术研究，于2014年成功研制出国内首台120℃蒸汽热泵机组。蒸汽热泵技术进步引领了热泵行业发展，120℃蒸汽热泵成为行业标杆，国内热泵企业相继推出成熟产品。为进一步拓宽工业应用场景，更高温度的蒸汽热泵机组研发成为目前热泵行业的研发方向。现有超过120℃的蒸汽热泵大多采用“蒸汽热泵+蒸汽压缩机”的技术路线，不仅需要复杂的多系统偶合，且设备价格高、能效低，工业场景中的大规模推广受到限制。针对这一行业痛点，地热能科研团队长期致力于150℃蒸汽热泵机组的研制，于近期试机成功。该机组以70℃左右的低品位工业余热为热源，通过压缩式热泵循环直接生产出150℃的高温蒸汽，无须蒸汽再压缩，在大幅简化系统结构的同时，显著提高了蒸汽热泵的能效比（COP）。在此基础上，团队还针对该样机的变工况运行控制策略开展深入研究，在原有单纯控制膨胀阀开度的基础上补充了基于卡尔曼滤波修正的模型预测控制技术，提升了对热源波动的响应速度，使蒸汽热泵在变工况下性能更加高效稳定。除此之外，鉴于氢燃料电池在发电过程中会产生大量中低温余热，该蒸汽热泵机组能够满足氢燃料电池余热的高效回收需求，打通了氢能产业链中热能梯级利用的关键一环。该研究获得国家重点研发计划项目“质子交换膜燃料电池与热泵耦合电力-蒸汽联产关键技术”资助，成果已取得自主知识产权。科研团队将在此基础上，继续深化技术攻关，致力于突破180℃蒸汽热泵机组的技术瓶颈，进一步拓宽高温热泵在化工、冶金、造纸等高耗能重工业领域的应用边界。

2026-06-22

Angew | 光能入胞：深圳先进院构建核黄素-微生物杂合体系实现细胞内NADPH定向再生

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团队与清华大学蔡中华教授团队合作，于近日在《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）发表了题为"Defining Rational Photoelectron Routing for Targeted Intracellular Energy Transfer"的论文。该研究利用核黄素良好的生物相容性、可见光响应能力和跨膜扩散能力，将光生电子更有选择地导入细胞内NADPH再生过程，从而促进NADPH依赖型产物合成。该工作从理论计算、体外光谱验证、细胞内还原力检测、转录组分析、反向工程验证以及跨物种应用等多个层面，建立了光生电子定向进入特定细胞还原力的研究框架，为半人工光合系统从经验组合走向机制指导设计提供了新思路。自然界中，植物通过光合作用将太阳能转化为化学能，支撑地球生态系统的物质循环和能量流动。受此启发，人工光合作用希望借助光敏材料和微生物，把太阳能转化为可储存、可利用的化学品，为绿色制造和碳资源利用提供新路径。然而，现有半人工光合系统仍面临关键瓶颈。光敏材料虽然能够吸收光并产生电子，但这些电子进入细胞后往往缺少明确方向，可能被还原型辅酶I（NADH）、还原型辅酶II（NADPH）或其他氧化还原过程分散消耗，导致能量利用效率和产物合成效率受限。因此，如何让光生电子精准进入目标代谢过程，成为提升半人工光合系统性能的核心问题。针对此挑战，研究团队提出了一种基于小分子光敏剂核黄素的细胞内还原力定向补给策略。基于这一思路，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团队与清华大学蔡中华教授团队合作，于近日在《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）发表了题为"Defining Rational Photoelectron Routing for Targeted Intracellular Energy Transfer"的论文。该研究利用核黄素良好的生物相容性、可见光响应能力和跨膜扩散能力，将光生电子更有选择地导入细胞内NADPH再生过程，从而促进NADPH依赖型产物合成。该工作从理论计算、体外光谱验证、细胞内还原力检测、转录组分析、反向工程验证以及跨物种应用等多个层面，建立了光生电子定向进入特定细胞还原力的研究框架，为半人工光合系统从经验组合走向机制指导设计提供了新思路。传统半人工光合体系多关注光敏材料的捕光和产电子能力，但对光生电子进入细胞后的去向缺乏精准调控。细胞内NADH和NADPH功能不同——NADPH主要支撑氨基酸、有机酸和糖醇等还原型产物合成，但其胞内含量较低，再生能力常成为高效生物制造的限制因素。因此，如何将外源光能更精准地转化为NADPH，是提升半人工光合系统效率的重要突破口。围绕这一问题，研究团队选择天然小分子核黄素作为光敏剂。核黄素具有良好的生物相容性和光响应能力，且能够在细胞内外移动，因而更容易接近胞内氧化还原环境。研究团队提出，光激发后的核黄素可能借助分子结构和能量匹配优势，更倾向于支持氧化性辅酶II（NADP⁺）向还原型辅酶II（NADPH）转化。为验证上述设想，研究团队首先通过理论计算发现，相比氧化性辅酶I（NAD⁺），NADP⁺在能级匹配、电子接受能力和结合能等方面更有利于接受光激发核黄素提供的电子。飞秒瞬态吸收光谱也显示，核黄素与NADP⁺共存时产生更强、更持久的动力学信号，说明二者更容易形成有利于电子转移的状态。随后，荧光淬灭、光电流、等温滴定量热和甲基紫精还原等实验进一步证明，核黄素可在可见光下被有效激发，并对NADP⁺表现出更强的结合和电子转移偏好。随后，研究团队以酿酒酵母为模型构建核黄素-酵母生物杂化体系。光电流、稳态荧光和时间分辨荧光结果显示，生物杂化体系中核黄素荧光强度明显降低，激发态寿命由4.89 ns缩短至3.13 ns，说明光激发核黄素产生的电子可被细胞内氧化还原体系快速利用。进一步的细胞裂解液竞争实验显示，在NAD⁺和NADP⁺同时存在时，光照下核黄素更显著促进NADPH积累，其再生速率为NADH的3.76倍。无细胞酶环境中未观察到明显NADPH再生，说明该过程依赖NADP⁺相关氧化还原酶的参与。在酵母细胞中，核黄素和光照共同作用显著提高NADPH/NADP⁺比值，而NADH/NAD⁺比值基本不变。以木糖醇为NADPH依赖型产物进行验证，光照24小时后产量达到约1.59 g/L，表明核黄素介导的光生电子可进一步转化为实际生物合成能力。为排除光胁迫和内源黄素代谢背景的影响，研究团队检测了活性氧水平、细胞活力，并比较了核黄素、黄素单核苷酸（FMN）和黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）的作用。结果显示，光照生物杂化组未出现明显氧化胁迫或细胞损伤，且外源核黄素对木糖醇合成的促进作用最强，说明NADPH升高主要来自核黄素介导的光生电子输入。转录组分析进一步显示，光照生物杂化组中与核黄素转运、电子传递和NADPH再生相关的基因明显上调，而关键戊糖磷酸途径（PPP）相关基因变化不明显。使用PPP关键途径葡萄糖-6-磷酸脱氢酶‌（G6PDH）抑制剂后，NADPH/NADP⁺比值和木糖醇产量仍保持较高水平，说明该过程不主要依赖传统氧化型PPP。进一步的反向工程验证表明，线粒体物质转运（YHM2）、氧化还原调控（MXR2）和铁硫簇（YAH1）相关过程，均能进一步影响NADPH再生和木糖醇合成，其中YHM2的影响最显著，是核黄素介导细胞内电子利用的重要参与因子。为验证该策略的适用范围，研究团队进一步将体系拓展到不同微生物底盘和产物合成过程。在NADPH依赖型体系中，核黄素光照处理明显提高了工程大肠杆菌的赖氨酸产量和产乙酸菌（Sporomusa ovata）的乙酸产量。相反，在NADH依赖型的工程酵母乙酸转葡萄糖体系和野生型大肠杆菌产氢体系中，并未观察到类似增强效果。该结果说明，核黄素介导的光生电子输入并不是普遍增强所有还原型代谢，而是更偏向支持NADPH依赖型生物合成。总体而言，本研究提出并验证了一种利用核黄素定向补给细胞NADPH的光生电子调控策略。该工作不仅证明了光生电子能够进入细胞，更进一步回答了电子进入细胞后如何被精准利用的问题，为半人工光合系统从材料驱动走向机制指导设计提供了新思路。未来，该策略有望与光敏分子设计和代谢工程进一步结合，用于更多NADPH依赖型高价值化合物的绿色制造。本研究由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、肖可蒙副研究员、曾翠平助理研究员与清华大学蔡中华教授共同通讯完成。清华大学/中国科学院深圳先进技术研究院联合培养博士生王浩为本文第一作者，深圳先进院为主要完成单位之一。研究获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、深圳市科技计划、广东省基础与应用基础研究基金以及深圳合成生物学创新研究院等项目资助。原文链接文章上线截图图2. 核黄素与NADP⁺之间的分子识别和光诱导电子转移验证图3. 核黄素光激发促进酵母细胞内NADPH再生和木糖醇合成图4. 转录组和反向工程揭示核黄素介导NADPH再生的细胞内机制图5. 跨物种验证核黄素光生电子输入更偏向NADPH依赖型合成代谢

2026-06-22

NPJ Digital Medicine | 深圳先进院实现轻量化AI赋能术中影像引导

近日，中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称“深圳先进院”）医学成像科学与技术系统全国重点实验室、生物医学与健康工程研究所梁晓坤研究员等联合复旦大学附属华山医院吴劲松主任团队、襄阳市中心医院蔡强主任团队、澳门大学黄志文副教授团队及湖北文理学院晏涛副教授团队，在实时术中影像实例分割领域取得重要进展。研究团队提出轻量化实时实例分割框架 EndoSeg-RT，可在复杂术中环境下实现关键解剖结构的精准识别与实时分割，为智能化微创手术导航与术中辅助决策提供了新方案，相关数据集与代码已公开。研究成果以"Deployable real-time spinal endoscopic instance segmentation with lightweight multi-scale attention mechanism"为题发表在数字医学领域知名期刊NPJ Digital Medicine（IF=15.1），深圳先进院赖琪博士为第一作者。脊柱内镜技术因创伤小、恢复快等优势，已广泛应用于微创脊柱外科。然而，术中内镜视野狭窄，常伴随高光反射、烟雾、出血遮挡及组织边界模糊等复杂情况，医生需快速准确识别黄韧带、神经、骨组织及脂肪组织等关键结构，以降低术中风险。现有深度学习方法虽在医学影像分析中取得进展，但在脊柱内镜场景下仍面临实时性不足、小目标识别困难及部署成本高等问题。针对上述挑战，研究团队提出了轻量化实时脊柱内镜实例分割框架 EndoSeg-RT（图2）。该框架从主干网络（Backbone）、特征融合颈部网络（Neck）以及分割头（Head）三个层面进行协同优化，通过引入重参数化卷积与高效多尺度注意力机制，在保证高精度的同时显著降低推理延迟；同时设计双分支特征融合模块，强化跨尺度信息交互与边界细节表达，提升对细小神经结构及复杂组织边界的识别能力，更适用于真实术中实时部署场景。为验证模型性能，研究团队构建了临床标注的 PELD 脊柱内镜实例分割数据集（图3）。该数据集来源于襄阳市中心医院61例经皮椎间孔镜腰椎间盘切除术患者，共包含610张1080×720分辨率的脊柱内镜图像，并对脂肪组织、骨组织、黄韧带和神经结构进行了像素级实例标注。数据标注由具有丰富经验的脊柱外科医生共同完成，并经过专家审核，保证了数据质量和临床可靠性。实验结果表明，EndoSeg-RT 在保持极低计算复杂度的同时，实现了优异的分割性能（图4）。在 PELD 数据集上，该方法仅使用 1.8M 参数量和 8.8 GFLOPs，即可达到约189 FPS 的实时推理速度，在 Dice、IoU 和精度等指标上优于或接近当前主流实例分割模型，包括 Mask R-CNN、SOLOv2、Mask2Former 和 YOLO 系列方法。相比传统两阶段模型，EndoSeg-RT 在保持高精度的同时大幅降低了模型规模与计算开销，更适合部署于术中工作站或边缘设备。本研究获得国家重点研发计划（BTIT专项）、澳门科学发展基金及深圳市面上项目等支持。EndoSeg-RT框架概览数据集标注案例与每张图像的每类像素占用率（%）。带有抖动点的方框图和须状图总结了骨骼、韧带、脂肪和神经的掩模面积占图像面积的百分比分布。EndoSeg-RT在PELD 数据集上的分割表现。原文链接

2026-06-22