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深圳先进院这项科学实验“飞”上天了……
中国科学院深圳先进技术研究院副研究员雷晓华团队顺利开展了人多能干细胞在轨的3D生长及发育潜能研究，利用空间站生物技术试验柜进行了为期12天的在轨细胞培养。北京时间11月15日23时13分，搭载天舟八号货运飞船的长征七号遥九运载火箭，在我国文昌航天发射场点火发射。随着长征七号运载火箭在文昌航天发射场的轰鸣声中腾空而起，天舟八号货运飞船成功发射并顺利进入预定轨道，之后飞船太阳能帆板顺利展开，发射取得圆满成功。此次天舟八号货运飞船除了携带补给物资外，天舟八号还搭载了各种用于开展空间科学实验和试验所需要的设备和材料。在此次任务中，中国科学院深圳先进技术研究院副研究员雷晓华团队顺利开展了人多能干细胞在轨的3D生长及发育潜能研究，利用空间站生物技术试验柜进行了为期12天的在轨细胞培养。深圳先进院干细胞项目组成员在文昌发射场合影?雷晓华介绍“我们本次的主要目标是探索空间微重力对人多能干细胞3D生长规律、作用机制及发育潜能。在空间微重力环境中，干细胞的生长和分化模式可能会与地面环境具有差别，微重力下培养的干细胞可能带来一些益处。我们希望通过这项研究，揭示人多能干细胞在3D生长过程中的新特性和规律，为未来的空间生命科学和再生医学领域提供重要的理论基础。”据了解，科研人员可以通过在轨自动显微成像技术，获取干细胞的3D生长图片，并对采样返回地面后的干细胞基因表达和分化功能进行检测分析，同时对在轨冻存的3D生长的干细胞进行研究，以及对在太空生长后的活细胞，在带回地面复苏后进行生长和分化研究。雷晓华（左二）带领学生开展试验准备为了此次发射任务，雷晓华带领团队成员进行了长期的地面准备工作，包括各层级的地基匹配实验。在发射场，团队成员历经多轮演练和发射准备的工作。全流程过程演练要求包括样品的现场制备、培养盒加载、管路连接、样品单元集成及实验模块的安装等。深圳先进院博士研究生马驰原和硕士研究生解婧彤分别作为操作成员，承担了发射前各项实验操作工作。博士研究生马驰原表示“这是我第二次参与重大国家科研项目任务，我感到非常光荣和自豪。准备过程中我们团队遇到了很多挑战，但通过努力和协作，我们最终克服了这些困难，为实验的成功打下了坚实的基础”。硕士研究生解婧彤表示“这次任务不仅让我深刻体会到了科研的艰辛和不易，更让我感受到了作为科研工作者的责任和使命。我希望参与的研究能够为未来的空间生命科学和再生医学领域做出一些贡献。”据了解，此次空间干细胞实验项目将为研究空间微重力环境对干细胞生长和分化的规律提供宝贵的实验数据，同时也为地面上的干细胞研究和再生医学领域提供新的思路和启示。深圳先进院医药所对此次任务给予了很大的支持。目前，天舟八号货运飞船已成功完成对接，实验样品也成功由航天员转运至空间站内。雷晓华团队承担的干细胞3D生长实验项目已正式在中国空间站试验柜中展开。雷晓华表示，期待着在接下来的实验中，发现更多有趣的科学现象，能够揭示更多关于空间微重力环境下干细胞生长、发育的奥秘。该实验将进一步激发太空3D生长和类器官研究的兴趣，预计可为再生医学和转化干细胞技术带来新的突破。<!--!doctype-->
2024-11-21
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深圳先进院科研团队发现新型超灵敏宽带透明超声换能器助力高质量光声及声光多模态成像
近日，中国科学院深圳先进技术研究院郑海荣院士、邱维宝研究员、刘成波研究员团队，与西安交通大学李飞教授团队合作，开发了一款新型超灵敏、宽带透明超声换能器，突破了透明超声换能器性能瓶颈，实现了高分辨、大视场、快速光声显微成像，为基于透明换能器的光声成像、声光多模态成像的生物医学应用铺平了道路。近日，中国科学院深圳先进技术研究院郑海荣院士、邱维宝研究员、刘成波研究员团队，与西安交通大学李飞教授团队合作，开发了一款新型超灵敏、宽带透明超声换能器，突破了透明超声换能器性能瓶颈，实现了高分辨、大视场、快速光声显微成像，为基于透明换能器的光声成像、声光多模态成像的生物医学应用铺平了道路。研究成果以“Transparent ultrasonic transducers based on relaxor ferroelectric crystals for advanced photoacoustic imaging”为题发表在Nature Communications期刊上。论文第一作者分别是西安交通大学和深圳先进院联培博士生邱超锐、深圳先进院张志强副研究员和徐智强副研究员。文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-55032-0?utm_source=rct_congratemailt&utm_medium=email&utm_campaign=oa_20241204&utm_content=10.1038/s41467-024-55032-0透明超声换能器可以高密度集成声学模块和光学模块，是光声成像以及声光多模态成像走向应用的关键。传统超声换能器是非透明的，存在光路和声路的空间耦合难题，导致成像系统复杂以及近场盲区等问题。已报道的透明超声换能器性能难以跟传统超声换能器相媲美，严重影响成像质量，限制了透明超声换能器的实际应用。本工作基于新型透明压电单晶，设计优化了透明换能器新型结构和制备工艺，突破了透明换能器性能瓶颈，性能可以与传统非透明换能器相媲美，甚至超过了一般传统非透明换能器性能；基于研制的高灵敏度宽带透明换能器，实现了微米级高分辨率的活体小鼠耳朵微血管光声显微成像和脑血流动态成像。（a）PIN-PMN-PT透明压电单晶实物照片及性能对比，（b）新型透明超声换能器结构示意图、实物照片、及性能对比，（c）活体小鼠耳朵毛细血管高分辨率光声成像，（d）癫痫模型小鼠脑血流动态光声成像。透明压电超声换能器简介压电超声换能器以其灵敏度高、结构简单，设计灵活等优势，在生物医学超声技术中应用广泛。透明压电超声换能器是一种基于透明压电材料研制的新型换能器，通过压电层、匹配层、背衬层和电极的透明化设计，可以使换能器在满足超声波的接收和发射等基本功能的同时，还能够允许光路的径直通过，从而有利于各种光学系统的介入和光学操作的实施，是光声成像、声光多模态成像技术的理想选择。新型透明压电单晶传统超声换能器大都基于锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷和铌镁酸铅-钛酸铅（PMN-PT）压电单晶材料制备，是不透明的。当前制备透明超声换能器的常用透明压电材料是铌酸锂（LiNbO3）单晶。但是铌酸锂单晶压电性能不高，制备的透明换能器灵敏度和带宽都不佳，限制了铌酸锂透明换能器的实际应用。西交李飞教授团队通过新型的交流极化工艺开发了高透光率（~70%）的PIN-PMN-PT透明压电单晶，且具有优异的压电性能和温度稳定性（相变温度~120℃）。高性能透明超声换能器基于开发的高性能PIN-PMN-PT透明压电单晶，设计了石英玻璃和环氧树脂双层声匹配层方案，通过优化双层声匹配层制备工艺，大幅度提高了透明换能器声波传输效率，同时设计优化了新型电极引线结构和ITO透明电极的性能，从而实现了透明超声换能器超高灵敏度（双路插入损坏-17.6dB）和带宽（~80%），实现了透明换能器性能突破。研制的透明换能器灵敏度和带宽分别是目前已报道的性能最佳透明换能器的3.5倍和1.3倍，可以与传统非透明换能器性能相媲美，甚至超过了一般的传统非透明换能器性能。活体小鼠高分辨率、大视场、快速光声显微成像基于研制的透明超声换能器开发了光学分辨率光声显微成像系统（OR-PAM），首次实现了基于透明换能器的脑疾病模型连续动态成像应用。传统的非透明换能器和已报到的部分透明换能器因为灵敏度低，需要对成像结果进行多次平均，严重影响成像速度（单次成像时间几分钟或以上）；或者需要采用声透镜等声场聚焦器件来提高探测灵敏度，导致成像系统的探测视场非常小（几十微米）。本工作研制的高性能透明换能器突破了上述限制，使得成像系统可以通过二维振镜光学扫描实现对活体组织大视场（毫米级别）、快速（帧率0.8Hz）高分辨（微米级别，可分辨单根毛细血管）成像。未来方向未来研究可以在透明换能器、成像技术和成像应用三个层面继续推进。首先，在透明换能器方面，由于高的介电常数，PIN-PMN-PT透明压电单晶在制备阵列超声换能器上更有优势，研制透明阵列换能器一方面可以将成像视场扩展到厘米级别，另一方面有利于实现超声、光声、光学等多模态融合成像。其次，在成像技术方面，可以采用高重频激光器并结合高速扫描方案继续提升基于透明换能器的OR-PAM的成像速度，实现视频帧率成像。第三，在成像应用方面，可以将透明换能器本身作为颅窗材料，从而消除常用的光声脑成像颅窗材料（如PDMS或PVC薄膜）对信号的衰减，并且方便脑成像操作以及实现荧光等多模态脑成像；另外，可以充分利用透明换能器体积小、重量轻的优势，实现头戴、贴片等可穿戴成像应用。<!--!doctype-->
2024-12-06
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喀斯特山区道路边坡表层岩溶带水资源高效利用研究取得进展
喀斯特地貌区土壤浅薄、岩石渗漏性强，地表水体（如溪流水和塘库）少。在表层岩溶泉水分布密度低、流量小的偏远村落，集蓄硬质路面雨水成为居民解决生产生活用水的普遍做法。然而，由于对喀斯特山区道路及其路堑边坡系统径流路径及产流机制认识不清，该区针对道路的雨水集蓄工程的选址及设计缺乏理论依据，导致收水效率普遍偏低。为此，研究团队基于长时序山坡浅表层多界面水文水化学监测及同位素技术（2019年5月至2022年5月共计156次降雨事件），深入揭示了喀斯特山区道路边坡系统的主要产流路径和多界面径流触发机制，系统评估了利用喀斯特山区道路系统集蓄雨洪径流的潜力，明确了影响道路边坡系统地上-地下径流分配比例的主控因素。喀斯特地貌区土壤浅薄、岩石渗漏性强，地表水体（如溪流水和塘库）少。在表层岩溶泉水分布密度低、流量小的偏远村落，集蓄硬质路面雨水成为居民解决生产生活用水的普遍做法。然而，由于对喀斯特山区道路及其路堑边坡系统径流路径及产流机制认识不清，该区针对道路的雨水集蓄工程的选址及设计缺乏理论依据，导致收水效率普遍偏低。为此，研究团队基于长时序山坡浅表层多界面水文水化学监测及同位素技术（2019年5月至2022年5月共计156次降雨事件），深入揭示了喀斯特山区道路边坡系统的主要产流路径和多界面径流触发机制，系统评估了利用喀斯特山区道路系统集蓄雨洪径流的潜力，明确了影响道路边坡系统地上-地下径流分配比例的主控因素。研究发现：（1）喀斯特区土壤-表层岩溶带剖面岩溶风化程度随深度增加逐渐降低，水分垂向入渗性能由表层岩溶带顶部的40 mm/h逐渐降低到表层岩溶带底部的8 mm/h，这为喀斯特山坡浅表层横向径流的发生提供了重要的物理结构基础。喀斯特自然山坡地表径流系数为2.2%，修建道路过程中形成的路堑边坡，促使原本在浅表层运移的表层岩溶带横向伏流从工程创面出露（占降雨量的16.0%），使得山坡整体雨水资源利用率提高至18.2%。（2）监测期间年均降雨量为1468 mm，整个道路边坡径流集蓄系统可实现年雨洪径流收集量达到34,287 L m–1 a–1，表现出可观的雨洪径流集蓄效率。其中，土壤-表层岩溶带侧向流为263 L m–2 a–1（按单位集水区投影面积计算）或25,808 L m–1 a–1（按单位道路长度计算，即一米的道路边坡系统可以收集的水量），该径流量是道路上方截获地表径流及道路本身地表径流两者之和的3倍，使其成为喀斯特山区道路边坡系统的主要径流组分（占总径流量的76%）。（3）道路边坡系统98%的径流量发生在雨季，土壤-表层岩溶带侧向流表现为蓄满产流机制，降雨量和前期土壤含水量是影响道路边坡系统产流过程的主要气象因子。本研究结果基于多界面水文长期原位监测，明确了喀斯特山区修建道路所揭露的土壤-表层岩溶带系统是整个道路系统中的重要产流路径，为研发山区道路系统地表径流-表层岩溶带侧向流联合集蓄技术提供了重要理论支撑。目前，西南喀斯特区95%的居民点实现了道路村村通，累计建成公路网总里程达43万公里。因此，有必要将道路系统中土壤-表层岩溶带横向径流的发生潜力，作为喀斯特山区雨水集蓄系统设计和优化布局的重要依据。相关研究成果以Enhancing rainwater harvesting efficiency in karst terrains: The role of road intercepted soil-epikarst lateral flow为题发表在环境类Top期刊Journal of Environmental Management，陈洪松研究员为论文通讯作者，付智勇副研究员为第一作者。图 1 地表径流(SR)和土壤-表层岩溶带侧向流(SEF)对道路边坡系统径流(RCF)的贡献图2 喀斯特山区道路系统主要产流路径及其降雨水量分配特征论文链接
2024-12-17
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华南植物园发现草海桐主要害虫的2种高效天敌寄生蜂
草海桐（Scaevola?taccada）是一种多年生常绿灌木或小乔木，广泛分布于太平洋和印度洋的热带和亚热带海岸线。草海桐因其对干旱、盐碱、贫瘠等热带珊瑚岛环境的适应性强，在岛屿和海岸带的防风、固沙、植被恢复等方面发挥着重要作用，被广泛用于防治海岸侵蚀、用于土壤改良和沿海景观美化，是热带海岛植物的优势树种之一。近年来，我国南海热带珊瑚岛上的草海桐遭受多种害虫的侵扰，一些害虫发生量大，对草海桐自然群落造成了非常严重的损害，如不严格监控，极易对热带珊瑚岛的植被与环境造成威胁。鉴于草海桐在岛屿植被生态恢复中的重要性以及这些岛屿脆弱的环境，采用可持续的害虫管理策略，例如利用天敌对害虫进行生物防治将是一个有利且具有成本效益的选择。为了摸清我国南海热带珊瑚岛草海桐的主要害虫的天敌资源及其在害虫的生物防治上的应用潜力，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关系与生态适应研究方向对我国西沙群岛上的草海桐害虫及天敌进行了全面调查和评估。研究结果表明：（1）草海桐的主要害虫有缘黑黄野螟（Herpetogramma submarginale）和草海桐蛇潜蝇（Ophiomyia scaevolana），大量发生时严重阻碍草海桐的生长。（2）绢野螟长颊茧蜂（Dolichogenidea stantoni）是缘黑黄野螟幼虫的重要天敌，自然寄生率可达48.9%。（3）黄赤蝇茧蜂(Opius biroi)和白跗艾姬小蜂(Euderus albitarsis)草海桐蛇潜蝇幼虫的重要天敌，自然寄生率分别为5.8% 和 64.4%。研究发现，绢野螟长颊茧蜂和白跗艾姬小蜂在草海桐两种害虫的生物防治上有较高的运用潜力。相关研究成果已近期发表在国际学术期刊Insects（《昆虫》）上。中国科学院华南植物园副研究员陈华燕为论文的第一作者，罗世孝研究员为论文的通讯作者。浙江大学的 van Achterberg 教授、成都师范学院李杨博士、湖南文理学院刘珍副教授和华南植物园王俊研究员等共同参与研究工作。该研究工作得到国家重点研发计划项目和中国科学院华南植物园“十四五”项目等资助与支持。论文地址：http://doi.org/10.3390/insects15120926图1. 草海桐两种主要害虫注：(A) 缘黑黄野螟幼虫为害状 （B）缘黑黄野螟成虫 （C）草海桐蛇潜蝇幼虫为害状（D）草海桐蛇潜蝇成虫图2. 绢野螟长颊茧蜂注：（A）绢野螟长颊茧蜂在缘黑黄野螟幼虫体外结茧（B）绢野螟长颊茧蜂成虫图3. 白跗艾姬小蜂注：（A）白跗艾姬小蜂幼虫（红箭头）在草海桐蛇潜蝇幼虫（白箭头）体外取食（B） 白跗艾姬小蜂取食完草海桐蛇潜蝇幼虫后化蛹 （C）白跗艾姬小蜂在草海桐叶主脉上的羽化孔（D） 白跗艾姬小蜂雌成虫
2024-12-16
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华南植物园发现系统发育基因组学和形态学证据支持亚洲产崖豆藤属划分为3个属
崖豆藤属Millettia隶属于豆科蝶形花亚科核心崖豆藤族（core Millettieae）。该属是一个分类复杂的大属，全世界约有150种，分布于亚洲和非洲。以往的研究已经表明崖豆藤属在形态上高度多样，分子证据也证明该属是高度多系。2005年，英国邱园出版的《世界豆类》被誉为豆科植物的百科全书，该专著明确指出崖豆藤属的分类迫切需要大修（major revision）。中国科学院华南植物园助理研究员宋柱秋与合作者，从2013年开始着手研究，基于大量的馆藏标本、野外调查和分子系统学研究，陆续获得该属在分类上的一些进展，主要包括：（1）建立一个新属——启明豆属Huchimingia（Song et al. 2022a. Phytotaxa 532: 37-56)，仅5种，包括此前描述的1个乔木新种韦直启明豆（Song et al. 2019. Nordic Journal of Botany 35: 404-410），以及1个中国新记录种柄果启明豆；（2）将部分种转移或归并至至鱼藤属Derris，如厚果崖豆藤、榼藤子崖豆藤、Millettia boniana等?(Song & Pan 2022. Phytotaxa 531: 230-248)；（3）恢复白崖豆属Imbraylx的属级地位（Song 2021. Phytotaxa 525: 223-231），该属隶属于核心崖豆藤族的刀豆氨酸群(Canavanine group)，区别于崖豆藤属所在的非刀豆氨酸群(Non-canavanine group)；（4）将无患子崖豆藤归并至云南鱼藤，并首次对此种的系统位置提出质疑（Song et al. 2017a. Nordic Journal of Botany 35: 404-410），后来该种被其他研究者抢先发表为新属——异齿豆属Ohashia；（5）证明澜沧崖豆藤是一个混杂的种，花标本属于草崖豆藤Cruddasia insignis，果标本属于球子鸡血藤Callerya sphaerosperma，由于花标本被指定为模式标本，因此将该种归并到草崖豆藤，由此报道草崖豆藤属为中国新记录属(Song et al. 2021a. Phytotaxa 497: 29-38)；（6）综述了越南和印度产崖豆藤属的现状（Song et al. 2022b. Phytotaxa,571,169-185;Song 2023a. Phytotaxa 591: 55-63），澄清了该属其他一些种级水平的分类问题（Song et al. 2017b. Phytotaxa 32: 51-58;Song et al. 2021b. Phytotaxa 507: 183-190）；（7）也对崖豆藤属的近缘属——短翅鱼藤属进行了分类学研究（Song 2023b. Phytotaxa 484: 251-263）。但是已有的这些研究依然未能解决亚洲产崖豆藤属多数种的归属问题，该属剩余的亚洲三个组也均不是单系类群，需要进一步研究。近期，基于第二代测序数据提取了完整的叶绿体基因组和2000余个单拷贝核基因，在核心崖豆藤族完整属级取样的情况下，解决了亚洲产崖豆藤属的分类。该研究主要结果包括：（1）重新界定了核心崖豆藤族的范围，正式将菜豆族拟大豆亚族的3个属（Cruddasia,?Ophrestia和Pseudoeriosema）纳入核心崖豆藤族的范围，将核心崖豆藤族分为2群（刀豆氨酸群和非刀豆氨酸群）5个分支及14个亚支，总共包含29个属约1000种；（2）亚洲产崖豆藤属种类聚成3个高支持率的亚支，并得到形态证据的支持，因此这三个亚支被处理为三个属，即水黄皮属Pongamia（56种）、耳旗豆属Otosema（3种）和狭义崖豆藤属Millettia?s.str.（7种），并将干花豆属Fordia和糠皮豆属Ibatiria归并到水黄皮属，共建立了56个新组合和2个新名称。（3）基于分化时间估计，推测核心崖豆藤族的一个主要分支（clade VII）经历了早期的快速分化，该分支涉及崖豆藤族的三个长期有分类争议的中心属，即广义崖豆藤属、广义鱼藤属Derris?s.lato和广义醉鱼豆属Lonchocarpus?s.lato。因此推测这种基于形态上的有争议的分类处理，可能与快速分化导致的复杂的形态性状演化有关。相关研究成果已近期发表在国际知名期刊Molecular Phylogenies and Evolution（《分子系统发育与进化》）上。华南植物园宋柱秋为第一作者，合作者包括华南植物园李世晋研究员，徐连升助理研究员，科研助理蒋凯文，复旦大学赵义勇博士，武汉植物园李湉博士，印度马拉巴尔植物园和植物科学研究所A.P. Balan博士，以及法国国家自然历史博物馆M. Gaudeul博士。该研究得到了广东省基础与应用基础研究旗舰项目的支持。论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S105579032400246X图1. 基于完整叶绿体基因组的核心崖豆藤族的系统发育关系图2. 基于2106个单拷贝核基因的核心崖豆藤族的系统发育关系图3. 核心崖豆藤族的分化时间估计
2024-12-16
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南海海洋所科研人员研究揭示孟加拉扇区沉积物运输与气候变化的复杂关系
中国科学院南海海洋研究所研究员刘建国研究团队在孟加拉扇区沉积物运输研究领域取得重要进展。该团队利用在孟加拉扇区获取的沉积岩芯，通过沉积物年代测试、粒度测试、粘土矿物组合测试、锶钕同位素测试等多代理方法，重建了过去16000年以来的沉积物运输过程，并揭示了活跃通道在喜马拉雅河流向深海沉积过程中的关键作用。该研究成果已发表在Quaternary Science Reviews期刊上，论文作者包括中国科学院南海海洋研究所博士生Md Hafijur Rahaman Khan（中文名苏曼）、研究员刘建国、助理研究员黄云、研究员陈忠、博士生Ananna Rahman。孟加拉扇区作为全球最大的海底扇区之一，其沉积物运输过程对于理解区域气候和构造历史具有重要意义。研究团队通过分析沉积岩芯，使用端元分析（EMA）方法估计不同粒度端元的变化，结合粘土矿物分析及Sr-Nd同位素分析，确认了沉积物主要来源于恒河-布拉马普特拉（G-B）系统。研究发现，在距今约9100年前，活跃的河道系统在将沉积物从河流输送到深海方面发挥了关键作用，显著地塑造了孟加拉扇的结构。然而，自9100年以来，活动峡谷的影响开始减弱，海平面的迅速上升降低了其向深海输送沉积物的能力。到距今7000年时，它们的作用完全消失，泥沙分散主要受季风水流控制，季风洋流成为孟加拉扇系统内泥沙输运的主导力量。该研究还揭示了沉积物沉积模式如何随着季风变化和构造活动的变化而变化，展现了孟加拉地区气候变化、沉积动力学和地质演化相互关联的过程。了解恒河-雅鲁藏布江水系的历史演变，可以为未来气候场景及其对沿海和海洋系统的潜在影响提供重要参考。随着海平面继续上升和季风模式的转变，孟加拉扇可能会经历重大变化，进而影响该地区的生态系统、渔业和人口。研究为我们提供了一个关于孟加拉扇区沉积物运输和沉积模式的全新视角。研究工作得到国家自然科学基金、中国科学院南海海洋研究所专项基金、以及国家自然科学基金委共享航次的支持。图1孟加拉湾的地理环境和水文图2 沉积物随时间的扩散模式相关论文信息：Khan,M.H.R.,Liu,J.*,Huang,Y.*,Chen,Z.,Rahman,A.,2024. The role of active channels in sediment transport to the Bengal Fan and their implications for climate and sediment source changes since 16 ka. Quaternary Science Reviews 345,109024.文章链接：https://doi.org/10.1016/j.quascirev.2024.109024
2024-12-16
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?深圳先进院?| 宿主跑得够快就能“淘汰”病毒？定量合成生物学研究揭示生物“迁徙淘汰”病毒新机制（PNAS）
自然界中迁徙行为到底是增强还是抑制病毒传播，其背后的机制尚不清晰。在哪些条件下，宿主运动能够抑制病毒的传播？如果运动真能有效抑制病毒的传播，是否宿主跑得够快，就能淘汰、清除病毒呢？普遍观点认为，宿主的运动会加速病毒的传播。但也有生态学研究表明，宿主的运动对病毒传播起到抑制作用，北美帝王蝶就是一个典型例证。观察显示，那些进行长距离迁徙的帝王蝶相较于不迁徙的同类，感染寄生虫病的风险显著降低。基于这一现象，生态学家提出了“迁徙淘汰”假说，认为迁徙行为有助于淘汰掉病毒感染者从而维持群体健康。自然界中迁徙行为到底是增强还是抑制病毒传播，其背后的机制尚不清晰。在哪些条件下，宿主运动能够抑制病毒的传播？如果运动真能有效抑制病毒的传播，是否宿主跑得够快，就能淘汰、清除病毒呢？12月3日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所傅雄飞团队在PNAS上发表最新研究成果，通过定量合成生物学手段构建了一个宿主-病毒共迁徙实验系统，发现了宿主在无方向型空间扩张迁徙（unguided range expansion)条件下，宿主运动将促进病毒传播；然而，在有方向型空间扩张迁徙运动中(navigated range expansion)，宿主运动可以抑制病毒传播，从而解释了以往人们对宿主运动对病毒传播存在两种截然相反观点的原因，并且揭示了“迁徙淘汰”的机制：在有方向型的空间扩张迁徙中，未被感染的宿主处于迁徙扩张前沿（front）的前端，而病毒感染者处于后方位置，这种空间位置的有序分布（spatial sorting)导致了病毒感染者更容易被淘汰出去。文章上线截图巧妙构建可定量、调控的细菌-噬菌体共迁徙实验系统研究人员巧妙利用实验室中常见的细菌——大肠杆菌，及其病毒——M13噬菌体，利用合成生物学手段构建了细菌-噬菌体共迁徙的实验室系统，实现了宿主运动性和病毒侵染能力等系统关键参数的定量调控，突破了传统生态研究手段的局限。研究发现，当细菌被敲除了趋化基因后，只能依靠自身生长和无序随机运动进行“无方向型空间扩张”，其迁移速度越快，噬菌体传播越广；相反，野生型的细菌拥有趋化基因，能通过化学引导进行“定向型空间扩张”，随着迁移速度的提高，噬菌体的传播范围反而越小（图1）。图 1 （A）细菌-噬菌体空间上的共传播形成一个扇形感染区。（B）无方向型空间扩张和（C）定向型空间扩张下细菌的运动性和病毒传播的关系结论显示，细菌的趋化运动是抑制病毒传播的关键。细菌的趋化运动速度越快，病毒传播范围越小，甚至感染病毒的个体能从整个迁徙群体中清除出去，即出现了生物迁徙与病毒传播之间的“迁徙淘汰”现象。论文第一作者、深圳先进院合成所助理研究员张易博士指出：过去针对病毒传播时空动力学的研究主要依赖流行病学调研等，大多数基于经验性理论，缺乏实验体系的验证。该研究借助合成生物学手段构建了宿主-病毒互相作用的微生态系统，利用数学模型预测及指导实验，深入理解了病毒随宿主空间传播的特征，为其他病毒传播问题提供了新思路和新实验手段。借助定量合成生物学手段验证：基于构建的细菌-噬菌体空间互相作用的数学模型预测结果，作者借助合成生物学手段，对宿主细菌的运动行为以及噬菌体的侵染繁殖行为进行调控（图2A），从而证实了细菌的趋化运动速度抑制病毒传播，并在运动速度比较高的情况下发生病毒从共传播状态到“迁徙淘汰”状态的相变现象（图2B）。图2 （A）细菌运动行为和噬菌体繁殖能力可定量调控的菌株设计原理图。（B）不同迁移速度和噬菌体繁殖能力下的菌株“迁徙淘汰”相变图。（C）“迁徙淘汰”的空间分选机制及（D）实验验证。研究进一步发现，当细菌群体在趋化作用下向外扩张时，会形成一个细菌数量恒定的前锋营，其通过细菌自我繁殖时同步淘汰掉位于后方的个体来实现。模型预测显示，由于病毒无法自主移动，不可运动的噬菌体总是落后于可运动的细菌，因此，前锋营中健康细菌位于前端，而感染者则位于后端并被淘汰。随着前锋营运动速度的加快，淘汰速度也相应加快，导致感染者从群体中被清除（图2C），并通过实验验证了该机制假说（图2D）。这也意味着，细菌毫无方向地“乱跑”对淘汰病毒是没有意义的，只有在有方向性的空间扩张下、宿主跑得够快才能实现“淘汰病毒”。该研究通过阐明宿主运动与病毒传播之间的复杂联系，为探讨自然界更广泛的病毒传播问题提供了新的实验模型和理论基础，将有助于在流行病学背景下更好地理解传染病的防控。通讯作者傅雄飞研究员指出：研究通过在分子层面定量调控了细菌迁移速度和噬菌体侵染能力，结合数理模型，揭示了在定向空间扩张宿主与病毒共迁移系统的时空有序结构，从而解释了群体层面生物的“迁徙淘汰”机制，实践了定量合成生物学“造物致知”的理念。同时，研究也为物理学、定量生物学、计算生物学、生态学和传染病学等多学科的交叉融合提供了示范。<!--!doctype-->
2024-12-06
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?深圳先进院?|?准平坦带隙窄禁带CIGS底电池在钙钛矿/CIGS叠层电池中的应用（Energy Material Advances）
近期，中国科学院深圳先进技术研究院李伟民副研究员、杨春雷研究员与北京理工大学姜岩教授团队，通过调整Ga梯度，使CIGS形成准平坦带隙。这种带隙有利于更长的波长吸收，使其更适合用作串联太阳能电池的底部电池。Cu(In1-xGax)Se2?(CIGS)是一种有前途且理想的叠层太阳能电池底部电池材料，可以将双结太阳能电池的Shockley-Queisser理论效率突破到40%以上。然而，通过三步法工艺沉积的高效CIGS太阳能电池通常是双分级的，导致底部电池的吸收不完全。为此，我们提出并制备了单带隙分级和准平带隙CIGS太阳能电池用于钙钛矿/CIGS四端子串联太阳能电池，这更有利于长波长吸收和更高的短路电流密度；并且应用在18.9%半透明无机钙钛矿太阳能电池上，制备了4-T的25.6% 钙钛矿/CIGS 串联器件。图 1：（a）GGI=0.40的三步共蒸发工艺图；（b）GGI=0.27 的三步共蒸发工艺图，（c）CIGS双分级设计，（d）CIGS平带设计。近期，中国科学院深圳先进技术研究院李伟民副研究员、杨春雷研究员与北京理工大学姜岩教授团队，通过调整Ga梯度，使CIGS形成准平坦带隙。这种带隙有利于更长的波长吸收，使其更适合用作串联太阳能电池的底部电池。GGI达到最佳值0.27时，CIGS太阳能电池表现出高达17.3%的高效率。其与18.9%近红外透明钙钛矿太阳能电池相结合，展示了4-T结构的25.6%钙钛矿/CIGS叠层电池。该论文以“Quasi-flat narrow bandgap CIGS bottom cell application in perovskite/CIGS tandem solar cells”为题发表在Science合作期刊Energy Material Advances上。论文第一作者为硕士生梁博文、史胜、绍兴超和陈璐璐，通讯作者为北京理工大学姜岩教授，中国科学院深圳先进技术研究院杨春雷研究员和李伟民副研究员。该系列研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、深圳市等科技项目资助。图 2：CIGS横截面 SEM-EBIC图像(a)Ga/（In+Ga）=0.40，(b)Ga/（In+Ga）=0.36，(c)Ga/（In+Ga）=0.34，(d)Ga/（In+Ga）=0.32和 (e)Ga/（In+Ga）=0.27。图3：(a)不同GGI含量的XRD，(b)GGI=0.27时CIGS吸收层的XRD，(c)不同GGI含量CIGS的拉曼图。图4：不同镓含量的CIGS太阳能电池的SIMS图(a)GGI =0.40，(b) GGI =0.34，(c)GGI= 0.27，(d)SIMS计算出的GGI随深度的变化。图5：4-T串联太阳能电池的性能。(a)J-V曲线和(b)EQE曲线的J-V曲线和EQE曲线。<!--!doctype-->
2024-11-19
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《粤港澳大湾区海洋环境科学观测与应用》专著正式发布
粤港澳大湾区（大湾区）位于珠江三角洲地区，包括香港特别行政区、澳门特别行政区和广东省珠江三角洲九市，陆地总面积约 5.6 万平方公里，2021 年常住人口达 8617.19 万（第 七次人口普查），2020 年地区生产总值高达 11.5 万亿元，是中国开放程度最高、经济活力最强的区域之一。粤港澳大湾区内拥珠江流系，面向中国南海，海岸线超过 1600 km，水域面积超 2 万平方公里。区内径流-浪-潮-海流综合交织、互相作用，构成一个复杂动力系统。随着湾区经济的飞速发展，人口快速聚集，该海域海洋环境受到来自陆地和海岸带社会经济活动巨大而快速变化的胁迫。该胁迫又与全球气候变化相互叠加，产生复合累积效应。海洋环境急剧恶化与海洋灾害频发已经成为实现粤港澳大湾区国家重大战略的阻碍。海洋环境科学观测是认识大湾区海洋环境的变化，提升大湾区海洋灾害的预防预测水平最基本也是最重要的途径之一。在此背景下，中国科学院南海海洋研究所研究团队致力于粤港澳大湾区海洋环境的科学观测与应用，协同香港大学与澳门大学合作研究团队，汇集粤港澳大湾区海洋环境概况，实时现场监测系统，科学考察航次观测，卫星遥感观测，海洋数值模拟与预报，海洋信息平台等内容，编制出版了《粤港澳大湾区海洋环境科学观测与应用》，力图为大湾区可持续发展战略提供科学参考。该专著的资料收集、编撰和出版得到了南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）人才团队引进重大专项、广东省科学技术厅“广东特支计划”本土创新创业团队专项、国家自然科学基金共享航次计划等项目的资助。南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)主任张偲院士(中国科学院南海海洋研究所)、人才团队引进重大专项首席科学家周成虎院士(中国科学院地理科学与资源研究所)与蒋兴伟院士（国家卫星海洋应用中心）为该书提供了指导意见并作序。图 1 《粤港澳大湾区海洋环境科学观测与应用》，科学出版社，2024年出版图 2 粤港澳大湾区海洋环境实时现场监测系统站位分布图图 3 “南海北部重大科学问题考察航次”合影图 4 大湾区资源环境数据库首页面截图图 5 遥感一张图模块截图图 6 大湾区表层叶绿素浓度模拟可视化
2024-12-13
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杨传茂等-EPSL：地幔诱发华北克拉通陆内花岗岩源区的水化和氧化
世界上大多数富水、氧化的花岗岩沿俯冲带分布（图1），这是因为俯冲板块释放的流体携带高氧逸度物质进入上覆地幔楔和地壳，导致地壳部分熔融形成的。通常认为氧化性的俯冲物质难以直接到达距离海沟很远的陆内环境，因而陆内花岗岩应当较为贫水、还原。然而，在距离海沟超过1000 km的陆内也分布着大面积的氧化性花岗岩（图1），比如华北克拉通和怀俄明克拉通等，这些氧化性花岗岩的成因尚不清楚。图1 环太平洋高氧逸度花岗岩的分布近日，中国科学院广州地化所徐义刚研究员团队的博士后杨传茂等，联合长江大学夏小平教授和地质地球所杨进辉研究员等，对华北克拉通燕山造山带和辽东半岛的花岗岩进行了锆石水含量、氧逸度和Hf-O同位素以及微量元素研究。根据岩性和形成时代，这些花岗岩可分为早白垩世A型、早白垩世I型和侏罗纪I型花岗岩。结果显示，早白垩世花岗岩锆石水含量高于侏罗纪的，并且A型花岗岩水含量高于I型，侏罗纪I型花岗岩的水含量与大陆弧花岗岩水含量类似（图2）。更为重要的是，锆石水含量与氧逸度之间存在明显的正相关关系（图3A），全岩和锆石主微量元素等指标显示在同等演化程度下，早白垩世花岗岩锆石水含量也高于侏罗纪花岗岩的，这表明初始岩浆成分而非岩浆分异控制了锆石水含量，早白垩世花岗岩应当更为富水，A型花岗岩可能形成于富水条件下。另外，模拟计算显示岩浆源区需要高氧逸度物质的加入。幔源含水氧化熔/流体对华北克拉通内部花岗岩源区的水化和氧化起到了关键作用。这也得到了锆石Hf-O同位素的支持；锆石的水含量和氧逸度与εHf(t)呈正相关，而与δ1?O呈负相关关系，表明花岗岩中幔源物质越多，则越富水和氧化。相比于侏罗纪，早白垩世华北陆下岩石圈地幔确实更为富水和氧化，能够为同时期花岗岩提供水和氧化性物质。古太平洋板块在侏罗纪沿岩石圈底部向西前进俯冲，温度相对较低，板片不能有效脱水。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，板片释放大量的水和碳酸盐等，导致上部岩石圈地幔的水化和氧化，这些富水的高氧逸度熔/流体最终流入地壳导致早白垩世花岗岩的形成。这种机制不仅解释了为何华北克拉通内部的花岗岩具有较高的水含量和氧逸度，也揭示了地幔物质对大陆岩石圈演化的重要影响。图2 不同地区和不同类型花岗岩锆石水含量对比图3 锆石水含量和氧逸度相关图和熔体水含量对氧逸度的影响相关成果近期发表于《Earth and Planetary Science Letters》。杨传茂为文章第一作者，徐义刚研究员和夏小平教授为通讯作者。该项研究成果获得了国家自然科学基金和博士后科学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），Ze-Xian Cui（崔泽贤），Meng-Jing Li（李梦静），Wan-Feng Zhang（张万峰），Qing Yang（杨晴），2025.?Mantle induced hydration and oxidation of intracontinental granite sources in the North China Craton. Earth and Planetary Science Letters 651,119177.论文链接：http://dx.doi.org/10.1016/j.epsl.2024.119177
2024-12-13
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