科研進(jìn)展
  • 華南植物園闡述C4植物的生理學(xué)和生態(tài)學(xué)重要功能
    植物光合作用主要有三種途徑：C3途徑、C4途徑和CAM途徑?。不同于C3植物，C4植物具有獨(dú)特的葉片解剖學(xué)特征和光合作用機(jī)制，能夠高效利用CO2使其具有高光合速率和高水分利用效率等顯著優(yōu)勢(shì)。因此，C4植物與C3植物在資源權(quán)衡策略（trade-off）上可能存在顯著差異。這種權(quán)衡策略可以體現(xiàn)在葉片經(jīng)濟(jì)學(xué)譜（leaf economics spectrum）上，即一端是具備“快速投資-收益”能力（fast strategy）的葉片，而另一端則是具有“緩慢投資-收益”能力（slow strategy）的葉片。在C4光合作用被發(fā)現(xiàn)的60多年時(shí)間里，大多數(shù)的研究聚焦于光合作用和抗逆性，對(duì)C4植物資源權(quán)衡策略的研究相對(duì)較少。中國(guó)科學(xué)院華南植物園聯(lián)合多位國(guó)際知名的植物生理學(xué)和生態(tài)學(xué)專家，首先系統(tǒng)綜述了C4植物的光合作用機(jī)制和高效的水分養(yǎng)分利用效率。再次，基于前期同質(zhì)園的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，詳細(xì)對(duì)比了C4和C3植物葉片功能性狀及其相關(guān)關(guān)系的差異，并利用全球植物功能性狀數(shù)據(jù)庫(kù)TRY，構(gòu)建了包含89種C4草本植物和1444種C3草本植物的葉片經(jīng)濟(jì)學(xué)譜數(shù)據(jù)集，通過(guò)數(shù)據(jù)集的深入分析，闡明了C4植物的資源權(quán)衡策略及其生態(tài)適應(yīng)性。最后，對(duì)C4植物在未來(lái)氣候變化背景下的響應(yīng)和適應(yīng)潛力以及對(duì)全球變化模型的貢獻(xiàn)進(jìn)行了展望。相關(guān)研究成果以“C4?photosynthesis,trait spectra and the fast-efficient phenotype”為題，近期以Tansley Review發(fā)表在國(guó)際知名植物學(xué)期刊New Phytologist（《新植物學(xué)家》）上。著名植物生態(tài)學(xué)家、科羅拉多大學(xué)杰出教授、Oecologia前主編Russell Monson教授和中國(guó)科學(xué)院華南植物園李帥研究員為論文的共同第一作者。論文鏈接：https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/nph.70057圖1. C3和C4植物葉片功能性狀相互關(guān)系的比較
    2025-03-28
  • 南海海洋所?|?馬里亞納海溝“挑戰(zhàn)者深淵”俯沖板塊上地幔蛇紋石化層特性獲揭示
    近日，中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所邊緣海與大洋地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（OMG）丘學(xué)林研究團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所、中國(guó)科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所和德國(guó)GEOMAR-亥姆霍茲基爾海洋研究中心，利用萬(wàn)米級(jí)人工源地震剖面，成功獲得了馬里亞納“挑戰(zhàn)者深淵”俯沖板塊上地幔頂部高度蛇紋石化層的橫波速度和縱橫波速比。該成果發(fā)表已發(fā)表在國(guó)際地學(xué)期刊《地球物理研究通訊》(Geophysical Research Letters)上，副研究員賀恩遠(yuǎn)為論文第一作者，研究員丘學(xué)林為通訊作者。馬里亞納“挑戰(zhàn)者深淵”作為全球最深的海溝，位于伊豆 - 小笠原 - 馬里亞納俯沖帶的最南段。該區(qū)域的俯沖板塊具有古老年齡、陡峭俯沖角度以及強(qiáng)烈基底變形等特點(diǎn)，被視作端元型俯沖帶。此前，研究團(tuán)隊(duì)曾搭乘“探索一號(hào)”TS03 航次，在馬里亞納俯沖帶南段橫穿“挑戰(zhàn)者深淵”布設(shè)了一條 230 km 長(zhǎng)的廣角深地震測(cè)線 TS2017 - 2，并獲得了該測(cè)線的縱波速度結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)太平洋俯沖板塊上地幔頂部存在 4.0 - 6.5 km 厚的速度異常層，但由于縱波速度存在多解性，對(duì)該異常層的巖石物質(zhì)屬性一直未能明確。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)該批次數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入分析。利用徑向分量數(shù)據(jù)開(kāi)展橫波速度結(jié)構(gòu)模擬和縱 / 橫波速比分析，發(fā)現(xiàn)該上地幔層的縱 / 橫波速比值超過(guò) 1.80，最高可達(dá) 1.95。經(jīng)過(guò)與實(shí)驗(yàn)室?guī)r石參數(shù)的對(duì)比分析，確定該速度異常層為高度蛇紋石化地幔層，其形成與蛇紋石化地幔橄欖巖的機(jī)械強(qiáng)度快速變化密切相關(guān)。此外，波速比剖面還顯示，輸入板塊地殼和上地幔的縱 / 橫波速比值向海溝方向呈增加趨勢(shì)，但速度值卻在減小，這表明了板塊撓曲斷裂和水化程度的增強(qiáng)。研究結(jié)果表明“挑戰(zhàn)者深淵”區(qū)域的輸入板塊經(jīng)歷了強(qiáng)烈的撓曲斷裂、水化和地幔蛇紋石化過(guò)程。這對(duì)于認(rèn)識(shí)典型端元“馬里亞納”型俯沖系統(tǒng)的俯沖過(guò)程和水-物質(zhì)循環(huán)機(jī)制具有重要意義。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃深海專項(xiàng)、中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所自主部署項(xiàng)目的資助。論文信息：He,E.,Qiu,X.,Li,Y.,Grevemeyer,I.,Xu,M.,Zhao,M.,et al. (2025). Strong serpentinization and hydration in the subducting plate of the southern mariana trench: Insights from Vp/Vs ratios. Geophysical Research Letters,52,e2024GL113792.相關(guān)論文鏈接：https://doi.org/10.1029/2024GL113792圖1?馬里亞納俯沖帶南段的地形特征及部分多道反射地震剖面圖2?沿TS2017-2測(cè)線輸入板塊的縱、橫波速度結(jié)構(gòu)、波速比剖面（圖a-c）以及OBS02臺(tái)站的徑向分量地震剖面（圖d）圖3?原位地震觀測(cè)與實(shí)驗(yàn)室?guī)r石測(cè)量值的對(duì)比
    2025-03-26
  • 南海海洋所?|?鹿角杯形珊瑚孵幼型繁殖模式的遺傳演化及其氣候變化響應(yīng)特征取得進(jìn)展
    中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所李潔研究員團(tuán)隊(duì)和林強(qiáng)研究員團(tuán)隊(duì)在珊瑚繁殖策略的遺傳演化規(guī)律與氣候變化影響下的分布動(dòng)態(tài)研究取得進(jìn)展。相關(guān)研究成果以“Genomic insights into the brooding reproduction and climate-driven dynamics of Pocillopora damicornis in the Anthropocene”為題，于2025年3月17日在線發(fā)表于國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊SCIENCE?CHINA Life Sciences。研究員李潔、副研究員劉雅莉和研究員張志新為共同第一作者，研究員李潔、院士張偲和研究員林強(qiáng)為共同通訊作者。全球氣候變化影響下，造礁石珊瑚種群的恢復(fù)與維持是珊瑚礁可持續(xù)發(fā)展的核心問(wèn)題，而珊瑚繁殖策略是種群恢復(fù)和長(zhǎng)期存續(xù)的關(guān)鍵。據(jù)此，本研究聚焦了典型珊瑚物種繁殖模式及其對(duì)未來(lái)氣候變化的適應(yīng)性特征。研究團(tuán)隊(duì)率先對(duì)孵幼型鹿角杯形珊瑚基因組開(kāi)展系統(tǒng)分析，并通過(guò)與其他八種石珊瑚的比較基因組解析，發(fā)現(xiàn)鹿角杯形珊瑚參與神經(jīng)遞質(zhì)調(diào)節(jié)、內(nèi)分泌和發(fā)育相關(guān)的基因存在顯著擴(kuò)張和快速進(jìn)化現(xiàn)象，并受到強(qiáng)烈正選擇信號(hào)，暗示這些基因可能在其孵幼型繁殖過(guò)程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。本研究通過(guò)開(kāi)展了珊瑚的溫度受控實(shí)驗(yàn)，基于轉(zhuǎn)錄組等分析發(fā)現(xiàn)高溫脅迫可通過(guò)調(diào)控激素分泌和免疫反應(yīng)，對(duì)鹿角杯形珊瑚的繁殖效能產(chǎn)生不利影響。此外，研究團(tuán)隊(duì)基于物種基因組PSMC分析，重構(gòu)了分布在印-太海域的四種排卵型和兩種孵幼型石珊瑚的有效種群歷史演化規(guī)律；同時(shí)，利用物種分布模型（SDMs）分析，明確了六種排卵型和六種孵幼型石珊瑚在未來(lái)氣候變化情景下的動(dòng)態(tài)分布規(guī)律，其中，結(jié)果表明鹿角杯形珊瑚的分布范圍將顯著收縮。團(tuán)隊(duì)前期通過(guò)共生細(xì)菌分離培養(yǎng)、基因組和代謝物分析，證實(shí)鹿角杯形珊瑚宿主與共生細(xì)菌之間的營(yíng)養(yǎng)互作（mSystems，2022）；并且，發(fā)現(xiàn)共生丙酸桿菌可減輕鹿角杯形珊瑚熱白化（Environmental Microbiome，2023）。本研究通過(guò)學(xué)科交叉，為深度解析珊瑚繁殖策略演化模式與環(huán)境適應(yīng)性提供了新的研究視角。該項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的資助。論文信息：Jie Li#*,Yali Liu#,Zhixin Zhang#,Yu Chen,Jian Zhang,Haiyan Yu,Yingyi Zhang,Cong Liu,Zhuang Shao,David G. Bourne,Meng Qu,Si Zhang*,Qiang Lin*. Genomic insights into the brooding reproduction and climate-driven dynamics of Pocillopora damicornis in the Anthropocene. 2025文章鏈接：http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11427-024-2821-0圖1 鹿角杯形珊瑚繁殖模式演化的遺傳調(diào)控特征及其氣候變化下種群分布規(guī)律
    2025-03-27
  • 南海海洋所?|?物種分布信息選擇對(duì)準(zhǔn)確評(píng)估海洋生物分布格局的潛在影響取得新進(jìn)展
    3月24日，中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所林強(qiáng)團(tuán)隊(duì)在海洋物種分布數(shù)據(jù)信息對(duì)其生物地理格局精確評(píng)價(jià)與應(yīng)用效果方面取得新進(jìn)展，相關(guān)成果以“Differences in predictions of marine species distribution models based on expert maps and opportunistic occurrences”為題發(fā)表于保護(hù)生物學(xué)旗艦期刊Conservation Biology。研究員張志新為本文第一作者，研究員林強(qiáng)和研究員秦耿為本文共同通訊作者。當(dāng)前，全球范圍內(nèi)正面臨嚴(yán)峻的生物多樣性喪失危機(jī)，部分區(qū)域的生物多樣性正以驚人的速度下降，因此，精確評(píng)估生物多樣性現(xiàn)狀與未來(lái)演變趨勢(shì)，制定科學(xué)的保護(hù)策略，對(duì)于遏制生物多樣性衰退現(xiàn)狀極其重要。物種分布模型（SDM）是當(dāng)前學(xué)界評(píng)估生物多樣性變化的重要工具，其預(yù)測(cè)能力高度依賴于物種分布數(shù)據(jù)的質(zhì)量，高質(zhì)量的物種分布數(shù)據(jù)源信息是限制物種分布模型應(yīng)用的關(guān)鍵。因此，探究不同來(lái)源的高質(zhì)量物種分布數(shù)據(jù)對(duì)生物地理分布格局的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)是當(dāng)前本領(lǐng)域?qū)W者最為關(guān)注的科學(xué)問(wèn)題。在實(shí)際的物種分布模型構(gòu)建過(guò)程中，物種分布點(diǎn)和分布范圍是兩類常用的數(shù)據(jù)源，兩者的獲取來(lái)源不同，數(shù)據(jù)特征各具優(yōu)勢(shì)，但兩者在模型性能方面的差異，尤其是在海洋場(chǎng)景下生物地理格局研究領(lǐng)域，尚未充分研究和報(bào)道。據(jù)此，本研究以珍稀海洋魚(yú)類海龍科和石斑魚(yú)科233個(gè)物種為研究對(duì)象，基于其分布點(diǎn)和分布范圍數(shù)據(jù)分別構(gòu)建物種分布模型，系統(tǒng)評(píng)估了兩種模型在預(yù)測(cè)能力方面的差異（圖1），發(fā)現(xiàn)兩種模型均表明水深和溫度是制約海龍科和石斑魚(yú)科魚(yú)類地理分布的關(guān)鍵因素，但基于物種分布點(diǎn)而構(gòu)建的模型具有更好的預(yù)測(cè)能力和可轉(zhuǎn)移性。同時(shí)，基于物種分布點(diǎn)和分布范圍的模型在緯度多樣性梯度格局預(yù)測(cè)方面差異顯著（圖2），分布點(diǎn)模型呈現(xiàn)雙峰緯度梯度（即物種多樣性在赤道附近較低，在中緯度地區(qū)呈現(xiàn)峰值），而分布范圍模型則呈現(xiàn)了單峰模式（即物種多樣性在赤道附近最高）。由此，本研究提出在研究海洋生物多樣性的緯度梯度格局中，應(yīng)特別關(guān)注數(shù)據(jù)源對(duì)結(jié)果產(chǎn)出的潛在影響。進(jìn)一步，本研究利用廣義線性模型探討了兩種模型預(yù)測(cè)差異背后的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。研究結(jié)果表明，兩種分布數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的環(huán)境信息差異是導(dǎo)致模型預(yù)測(cè)差異的主要因素；基于兩種分布數(shù)據(jù)的模型預(yù)測(cè)結(jié)果在海龍科物種中差異更大，推測(cè)這可能與海龍科物種具有更強(qiáng)的棲息生境偏好性有關(guān)（圖3）。本研究率先在海洋領(lǐng)域系統(tǒng)評(píng)估了物種分布數(shù)據(jù)類型選擇在海洋物種分布模型研究中的重要性，指出未來(lái)相關(guān)研究應(yīng)更加關(guān)注數(shù)據(jù)源的獲取和選擇；同時(shí)，建議開(kāi)發(fā)新的數(shù)據(jù)整合方法，充分考慮不同類型數(shù)據(jù)及其應(yīng)用場(chǎng)景的優(yōu)勢(shì)，提升物種分布模型的準(zhǔn)確性。此外，本研究呼吁相關(guān)機(jī)構(gòu)應(yīng)進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的開(kāi)放度和透明度，以便更好地支撐和踐行全球生物多樣性保護(hù)戰(zhàn)略。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)等的聯(lián)合資助。文章信息：Zhang,Z.,Kass,J. M.,Bede-Fazekas,á.,Mammola,S.,Qu,J.,Molinos,J. G.,...& Lin,Q (2025). Differences in predictions of marine species distribution models based on expert maps and opportunistic occurrences.?Conservation biology: the journal of the Society for Conservation Biology,e70015.文章鏈接：https://doi.org/10.1111/cobi.70015圖1?研究流程圖?圖2?基于分布點(diǎn)（a和b）和分布范圍（c和d）構(gòu)建的物種分布模型預(yù)測(cè)結(jié)果圖3?兩種物種分布模型預(yù)測(cè)差異驅(qū)動(dòng)機(jī)制分析
    2025-03-27
  • 區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金項(xiàng)目“自航單浮體氣動(dòng)式波浪能高效轉(zhuǎn)換機(jī)理研究及驗(yàn)證試驗(yàn)”結(jié)題驗(yàn)收
    3月20日，由中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所海洋能研究團(tuán)隊(duì)承擔(dān)的2020年度國(guó)家自然科學(xué)基金區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金項(xiàng)目-廣東-“自航單浮體氣動(dòng)式波浪能高效轉(zhuǎn)換機(jī)理研究及驗(yàn)證試驗(yàn)”在北京通過(guò)結(jié)題驗(yàn)收。3月20日，由中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所海洋能研究團(tuán)隊(duì)承擔(dān)的2020年度國(guó)家自然科學(xué)基金區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金項(xiàng)目-廣東-“自航單浮體氣動(dòng)式波浪能高效轉(zhuǎn)換機(jī)理研究及驗(yàn)證試驗(yàn)”在北京通過(guò)結(jié)題驗(yàn)收。該項(xiàng)目由廣州能源所海洋能科研團(tuán)隊(duì)吳必軍研究員主持，聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院電工研究所和南京工程學(xué)院，對(duì)自航行的單浮體氣動(dòng)式技術(shù)的轉(zhuǎn)換機(jī)制開(kāi)展了理論、實(shí)驗(yàn)和海試研究。國(guó)家海洋技術(shù)中心造波水池試驗(yàn)結(jié)果表明：?jiǎn)胃◇w后彎管發(fā)電模型波電轉(zhuǎn)換效率最高達(dá)到63.4%、獨(dú)創(chuàng)發(fā)展的單浮體U型管發(fā)電模型波電轉(zhuǎn)換效率最高達(dá)到80.6%?；趩胃◇w后彎管技術(shù)研建了20kW自航行發(fā)電樣機(jī)“梵靜山”號(hào)，寬3.8m，長(zhǎng)9m，進(jìn)行了河面航行測(cè)試。2025年1月17日投放于廣東省珠海大萬(wàn)山海域（北緯21°55′1″，東經(jīng)113°42′5″）開(kāi)展實(shí)海況發(fā)電試驗(yàn)，試驗(yàn)表明0.2m波浪下起動(dòng)發(fā)電，目前測(cè)得最大發(fā)電功率為6.079kW。近年來(lái)廣州能源所研制的單浮體氣動(dòng)式技術(shù)模型造波水池測(cè)試結(jié)果20kW發(fā)電樣機(jī)河面航行測(cè)試20kW發(fā)電樣機(jī)實(shí)海況試驗(yàn)
    2025-03-28
  • 深圳先進(jìn)院?| 科研團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)PET/MR雙模態(tài)全腦區(qū)自動(dòng)分割技術(shù)（IEEE JBHI 封面文章）
    腦區(qū)分割是醫(yī)學(xué)圖像處理的主要任務(wù)，對(duì)神經(jīng)科學(xué)研究和臨床診斷都有著深遠(yuǎn)的影響。精確的腦區(qū)分割對(duì)于分析不同的腦區(qū)至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈兊捏w積、表面積和形態(tài)與各種神經(jīng)系統(tǒng)疾病有關(guān)，比如帕金森病和阿爾茨海默病等。PET/MR成像系統(tǒng)則是一種有效的腦部疾病診斷工具，它結(jié)合了PET代謝成像和MR結(jié)構(gòu)成像的優(yōu)點(diǎn)，可以在疾病早期觀察到特定大腦區(qū)域的代謝異常和結(jié)構(gòu)變化，從而將功能和代謝雙模態(tài)信息相結(jié)合用于腦疾病診斷。腦區(qū)分割是醫(yī)學(xué)圖像處理的主要任務(wù)，對(duì)神經(jīng)科學(xué)研究和臨床診斷都有著深遠(yuǎn)的影響。精確的腦區(qū)分割對(duì)于分析不同的腦區(qū)至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈兊捏w積、表面積和形態(tài)與各種神經(jīng)系統(tǒng)疾病有關(guān)，比如帕金森病和阿爾茨海默病等。PET/MR成像系統(tǒng)則是一種有效的腦部疾病診斷工具，它結(jié)合了PET代謝成像和MR結(jié)構(gòu)成像的優(yōu)點(diǎn)，可以在疾病早期觀察到特定大腦區(qū)域的代謝異常和結(jié)構(gòu)變化，從而將功能和代謝雙模態(tài)信息相結(jié)合用于腦疾病診斷。然而，人工分割腦區(qū)圖像費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且分割結(jié)果容易受到個(gè)體差異和操作人員主觀因素的影響。因此，急需引入自動(dòng)分割技術(shù)來(lái)解決分割中高成本和長(zhǎng)耗時(shí)的問(wèn)題，促進(jìn)基于醫(yī)學(xué)影像的腦科學(xué)研究。2025年3月，醫(yī)學(xué)成像科學(xué)與技術(shù)系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)學(xué)人工智能研究中心胡戰(zhàn)利研究員團(tuán)隊(duì)，開(kāi)發(fā)了一種基于交叉融合機(jī)制的PET/MR雙模態(tài)全腦區(qū)自動(dòng)分割技術(shù)，該方法在分割過(guò)程中高效整合PET與MR的功能和結(jié)構(gòu)信息，實(shí)現(xiàn)了更精確、更全面的腦區(qū)分割。研究成果以“Automatic Brain Segmentation for PET/MR Dual-modal Images through a Cross-Fusion Mechanism”為題，發(fā)表在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域TOP期刊IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics上，論文同時(shí)被選為期刊2025年3月的“封面文章”。提出方法創(chuàng)新性地引入交叉融合機(jī)制，充分利用PET和MR的互補(bǔ)特性來(lái)實(shí)現(xiàn)腦區(qū)自動(dòng)分割，為醫(yī)學(xué)影像分析和神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷提供了全新思路。隨著人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展，深度學(xué)習(xí)以其強(qiáng)大的特征表達(dá)能力活躍在計(jì)算機(jī)視覺(jué)的各個(gè)領(lǐng)域，也大量地被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)圖像領(lǐng)域。深度學(xué)習(xí)方法通過(guò)對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，訓(xùn)練深層學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)端到端的輸出，具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，現(xiàn)有基于深度學(xué)習(xí)的方法在PET/MR腦區(qū)分割任務(wù)中仍存在一定局限性。單模態(tài)方法僅依賴單一信息源，難以提供完整的腦部結(jié)構(gòu)信息，而現(xiàn)有的雙模態(tài)方法大多只是將PET與MR數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單拼接，缺乏深度融合，未能充分利用兩種模態(tài)的優(yōu)勢(shì)。因此，如何有效結(jié)合PET和MR信息，提高腦區(qū)自動(dòng)分割的精度和魯棒性成為了研究人員關(guān)注的重點(diǎn)。研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于交叉融合機(jī)制的全腦區(qū)自動(dòng)分割方法，通過(guò)融合功能和結(jié)構(gòu)信息以提高腦區(qū)分割的準(zhǔn)確性。該網(wǎng)絡(luò)同時(shí)處理PET和MR圖像，在編碼部分，首先采用UX-Net進(jìn)行特征提取，然后利用基于交叉注意力機(jī)制的融合模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)和功能特征融合，以增強(qiáng)分割網(wǎng)絡(luò)對(duì)多模態(tài)信息的適應(yīng)性，提高分割效果。實(shí)驗(yàn)從視覺(jué)、定量、臨床、額外數(shù)據(jù)驗(yàn)證以及消融實(shí)驗(yàn)五個(gè)方面展示分割結(jié)果，以驗(yàn)證模型的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出方法實(shí)現(xiàn)了精確的全腦區(qū)分割，有利于腦部疾病的臨床診斷和分析。該方法對(duì)其它多模態(tài)融合分割任務(wù)表現(xiàn)出良好的通用性和適用性，未來(lái)也可將該方法應(yīng)用于分割其它多模態(tài)或組織和器官的任務(wù)中。中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院胡戰(zhàn)利研究員、河南省人民醫(yī)院王梅云副院長(zhǎng)為論文共同通訊作者，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院碩士生唐紅艷、副研究員黃振興和博士生李文博為論文共同第一作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（數(shù)學(xué)天元重點(diǎn)專項(xiàng)）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（重大科學(xué)儀器設(shè)備研發(fā)重點(diǎn)專項(xiàng)）、廣東省自然科學(xué)基金（卓越青年團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目）和深圳醫(yī)學(xué)科學(xué)院（原創(chuàng)探索項(xiàng)目）等項(xiàng)目的資助。圖1：論文被選為IEEE JBHI期刊2025年3月封面文章圖2：提出方法的總體技術(shù)路線圖圖3：提出方法與現(xiàn)有分割方法效果對(duì)比圖4：不同方法分割結(jié)果的SUV相關(guān)性評(píng)估
    2025-03-25
  • ?深圳先進(jìn)院?|?三維感知-復(fù)雜操作端到端機(jī)器人學(xué)習(xí)新方法（IEEE Transactions on Robotics）
    近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院集成所智能仿生研究中心徐升團(tuán)隊(duì)與澳門(mén)大學(xué)楊志新團(tuán)隊(duì)合作，在機(jī)器人學(xué)習(xí)領(lǐng)域取得突破，提出了一種基于三維視覺(jué)融合注意力機(jī)制的端到端多模態(tài)模型——Fusion-Perception-to-Action Transformer（FP2AT）。該算法通過(guò)融合全局與局部體素網(wǎng)格特征，結(jié)合本體感知信息，顯著提升了機(jī)器人在復(fù)雜三維場(chǎng)景中的精細(xì)操作能力。研究成果以“Fusion-Perception-to-Action Transformer: Enhancing Robotic Manipulation With 3-D Visual Fusion Attention and Proprioception”為題，發(fā)表于機(jī)器人領(lǐng)域頂級(jí)期刊《IEEE Transactions on Robotics》，論文第一作者為澳門(mén)大學(xué)-中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院聯(lián)合培養(yǎng)博士生劉楊駿，徐升副研究員和楊志新副教授為共同通訊作者，先進(jìn)院和澳門(mén)大學(xué)為共同第一單位。近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院集成所智能仿生研究中心徐升團(tuán)隊(duì)與澳門(mén)大學(xué)楊志新團(tuán)隊(duì)合作，在機(jī)器人學(xué)習(xí)領(lǐng)域取得突破，提出了一種基于三維視覺(jué)融合注意力機(jī)制的端到端多模態(tài)模型——Fusion-Perception-to-Action Transformer（FP2AT）。該算法通過(guò)融合全局與局部體素網(wǎng)格特征，結(jié)合本體感知信息，顯著提升了機(jī)器人在復(fù)雜三維場(chǎng)景中的精細(xì)操作能力。研究成果以“Fusion-Perception-to-Action Transformer: Enhancing Robotic Manipulation With 3-D Visual Fusion Attention and Proprioception”為題，發(fā)表于機(jī)器人領(lǐng)域頂級(jí)期刊IEEE Transactions on Robotics，論文第一作者為澳門(mén)大學(xué)-中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院聯(lián)合培養(yǎng)博士生劉楊駿，徐升副研究員和楊志新副教授為共同通訊作者，先進(jìn)院和澳門(mén)大學(xué)為共同第一單位。研究背景：三維操作亟需“類人”感知與規(guī)劃能力傳統(tǒng)機(jī)器人操作多依賴二維圖像觀測(cè)，難以捕捉三維空間中的物體結(jié)構(gòu)、位置及姿態(tài)關(guān)系，導(dǎo)致精細(xì)化操作任務(wù)（如拔插、旋擰、堆疊）成功率低。雖然體素表示（Voxel Grid）能保留豐富的三維空間信息，但現(xiàn)有方法存在特征利用率低、動(dòng)作預(yù)測(cè)分辨率不足等問(wèn)題。人類在完成精細(xì)操作時(shí)，可通過(guò)靈活切換全局視野與局部聚焦，結(jié)合手部本體感知?jiǎng)討B(tài)調(diào)整動(dòng)作。受此啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種“類人”的多模態(tài)感知到動(dòng)作操作框架。核心創(chuàng)新：基于三維視覺(jué)融合注意力機(jī)制的端到端多模態(tài)模型——Fusion-Perception-to-Action Transformer（FP2AT）（圖2），其中具體包括：1、設(shè)計(jì)全局-局部視覺(jué)融合注意力（HVFA-3D），模擬人類“先全局觀察、再局部聚焦”的視覺(jué)感知模式，增強(qiáng)對(duì)關(guān)鍵操作區(qū)域的關(guān)注（圖1）。提出三維視覺(jué)互注意力機(jī)制（VMA-3D），實(shí)現(xiàn)跨尺度空間信息雙向交互，提升場(chǎng)景理解能力。2、集成關(guān)節(jié)力位、末端力/力矩、夾爪狀態(tài)數(shù)據(jù)，感知接觸力與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，提升機(jī)器人對(duì)周圍環(huán)境接觸、本體運(yùn)動(dòng)和協(xié)調(diào)的感知能力。漸進(jìn)式動(dòng)作預(yù)測(cè)框架，先通過(guò)低分辨率體素全局規(guī)劃，再基于高分辨率局部體素微調(diào)動(dòng)作，保持網(wǎng)絡(luò)端到端特性的同時(shí)提升預(yù)測(cè)精度。3、提出關(guān)鍵規(guī)劃步數(shù)指標(biāo)（ANKA），用于評(píng)估同類算法執(zhí)行效率和規(guī)劃能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：成功率提升，效率顯著優(yōu)化研究團(tuán)隊(duì)在多個(gè)仿真（RLBench）和真實(shí)機(jī)械臂（UR5）任務(wù)上驗(yàn)證了FP2ATs的性能（視頻），平均成功率較體素SOTA方法提升34.4%，較點(diǎn)云SOTA方法提升14.6%。展現(xiàn)出有更好的規(guī)劃能力（如避障等），減少的關(guān)鍵規(guī)劃步數(shù)。應(yīng)用前景：面向通用任務(wù)的智能機(jī)器人該工作所提出的FP2AT理論具有強(qiáng)泛化性能，能夠適配不同機(jī)器人操作平臺(tái)，通過(guò)多模態(tài)感知與智能操作規(guī)劃，引導(dǎo)機(jī)器人完成多樣化復(fù)雜操作任務(wù)。該工作是團(tuán)隊(duì)在學(xué)習(xí)控制領(lǐng)域的進(jìn)一步拓展，將來(lái)可與具身智能、人形機(jī)器人相結(jié)合，應(yīng)用于家庭服務(wù)、醫(yī)療護(hù)理、工業(yè)生產(chǎn)、化學(xué)試驗(yàn)等各類場(chǎng)景。研究資助本研究在國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、澳門(mén)科技發(fā)展基金、廣東省、深圳市、澳門(mén)大學(xué)等科技項(xiàng)目資助下完成。<!--!doctype-->圖1 |?體素重建與“類人”視覺(jué)感知圖2 | Fusion-Perception-to-Action Transformer網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖3?|?面向家庭及醫(yī)療服務(wù)的仿真及實(shí)際實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
    2025-03-26
  • 深圳先進(jìn)院丨科研團(tuán)隊(duì)提出單細(xì)胞譜系追蹤的量化評(píng)分體系，為基于臨床樣品的細(xì)胞譜系研究提供理論指導(dǎo)（Genome Biology）
    單細(xì)胞譜系追蹤可記錄細(xì)胞分裂歷史，為解析發(fā)育生物學(xué)規(guī)律和疾病發(fā)生機(jī)制提供了關(guān)鍵性研究工具。當(dāng)前主流方法依賴基因編輯，通過(guò)對(duì)外源人工條形碼的定向編輯來(lái)標(biāo)記細(xì)胞譜系，但該方法不適用于臨床樣品。線粒體DNA因其高突變率和易檢測(cè)性，在人體譜系追蹤中展現(xiàn)出巨大潛力。然而，受其多拷貝性和高度動(dòng)態(tài)性影響，線粒體譜系追蹤的準(zhǔn)確性和適用性尚存不確定性，需系統(tǒng)評(píng)估與方法優(yōu)化以提升其實(shí)用性。單細(xì)胞譜系追蹤可記錄細(xì)胞分裂歷史，為解析發(fā)育生物學(xué)規(guī)律和疾病發(fā)生機(jī)制提供了關(guān)鍵性研究工具。當(dāng)前主流方法依賴基因編輯，通過(guò)對(duì)外源人工條形碼的定向編輯來(lái)標(biāo)記細(xì)胞譜系，但該方法不適用于臨床樣品。線粒體DNA因其高突變率和易檢測(cè)性，在人體譜系追蹤中展現(xiàn)出巨大潛力。然而，受其多拷貝性和高度動(dòng)態(tài)性影響，線粒體譜系追蹤的準(zhǔn)確性和適用性尚存不確定性，需系統(tǒng)評(píng)估與方法優(yōu)化以提升其實(shí)用性。北京時(shí)間3月26日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所胡政研究員團(tuán)隊(duì)、馬晴研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中山大學(xué)徐錦教授團(tuán)隊(duì)在Genome Biology雜志在線發(fā)表了題為Clonal expansion dictates the efficacy of mitochondrial lineage tracing in single cells的研究論文。本研究結(jié)合計(jì)算仿真模型與單細(xì)胞多組學(xué)數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)評(píng)估線粒體譜系追蹤技術(shù)在不同生物學(xué)情景下的適用性。結(jié)果表明，克隆擴(kuò)張強(qiáng)度顯著影響線粒體譜系追蹤效果，首次提出“譜系信息評(píng)分”（LIS），可量化線粒體DNA突變的譜系標(biāo)記準(zhǔn)確性，為線粒體譜系追蹤的實(shí)際應(yīng)用提供關(guān)鍵理論指導(dǎo)。團(tuán)隊(duì)首先利用計(jì)算仿真框架模擬了不同克隆擴(kuò)張強(qiáng)度下線粒體DNA突變的動(dòng)態(tài)演化，發(fā)現(xiàn)胚系線粒體異質(zhì)性突變（germline mtDNA heteroplasmy）仍具克隆譜系標(biāo)記能力，尤其在強(qiáng)克隆擴(kuò)張環(huán)境（如腫瘤）中追蹤準(zhǔn)確性更高。同時(shí)，細(xì)胞內(nèi)低頻線粒體突變可實(shí)現(xiàn)深度譜系樹(shù)的重構(gòu)，但受限于當(dāng)前單細(xì)胞測(cè)序的低覆蓋度，亟需開(kāi)發(fā)高深度單細(xì)胞線粒體測(cè)序技術(shù)。為量化線粒體DNA突變的克隆標(biāo)記能力，團(tuán)隊(duì)首次提出“譜系信息評(píng)分”（LIS）指標(biāo)，顯著提升對(duì)有效譜系標(biāo)記的鑒定及對(duì)組織克隆結(jié)構(gòu)的解析能力。基于多模態(tài)單細(xì)胞數(shù)據(jù)分析，研究進(jìn)一步驗(yàn)證了線粒體譜系追蹤在強(qiáng)克隆擴(kuò)增環(huán)境（如克隆性造血、免疫反應(yīng)等）中的優(yōu)越性，且高LIS值的突變表現(xiàn)出更高的譜系追蹤準(zhǔn)確性?？傊?，本研究系統(tǒng)解析了線粒體DNA突變?cè)诩?xì)胞分裂過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特征，量化其在不同生物學(xué)場(chǎng)景下的譜系追蹤能力，為線粒體譜系追蹤技術(shù)的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)，并有望推進(jìn)基于臨床樣品的細(xì)胞命運(yùn)和克隆演化研究。中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所助理研究員王鑫、廈門(mén)大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院博士研究生王琨、中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后張衛(wèi)星為該論文的共同第一作者。中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院胡政研究員、馬晴研究員和中山大學(xué)徐錦教授為該論文的共同通訊作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金、深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院等項(xiàng)目的支持。文章上線截圖系統(tǒng)評(píng)估線粒體譜系追蹤方法的準(zhǔn)確性和適用性，提出單細(xì)胞譜系追蹤的量化評(píng)分體系，為基于臨床樣品的細(xì)胞譜系研究提供理論指導(dǎo)
    2025-03-26
  • 深圳先進(jìn)院｜科研團(tuán)隊(duì)提出新型高精度動(dòng)物行為學(xué)姿態(tài)估計(jì)工具（eLife）
    研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于Transformer架構(gòu)的抗漂移姿態(tài)追蹤技術(shù)（ADPT），成功實(shí)現(xiàn)跨物種動(dòng)物姿態(tài)追蹤的高精度、高魯棒性檢測(cè)。動(dòng)物行為的精細(xì)化追蹤與分析對(duì)于神經(jīng)科學(xué)、行為學(xué)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域至關(guān)重要。然而，當(dāng)前主流的深度學(xué)習(xí)姿態(tài)估計(jì)方法在面對(duì)多動(dòng)物交互和長(zhǎng)時(shí)程追蹤場(chǎng)景時(shí)，往往受到關(guān)鍵點(diǎn)漂移問(wèn)題的困擾，影響行為量化的準(zhǔn)確性與數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院（簡(jiǎn)稱“深圳先進(jìn)院”）腦認(rèn)知與腦疾病研究所/深港腦科學(xué)創(chuàng)新研究院蔚鵬飛研究員團(tuán)隊(duì)在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊eLife發(fā)表了題為“Anti-drift pose tracker (ADPT):A transformer-based network for robust animal pose estimation across species”的研究論文。研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于Transformer架構(gòu)的抗漂移姿態(tài)追蹤技術(shù)（ADPT），成功實(shí)現(xiàn)跨物種動(dòng)物姿態(tài)追蹤的高精度、高魯棒性檢測(cè)。ADPT融合了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）與Transformer結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，一方面利用CNN提取圖像的局部精細(xì)特征，另一方面通過(guò)Transformer有效捕捉身體各部位之間的全局依賴關(guān)系，顯著降低了關(guān)鍵點(diǎn)的漂移現(xiàn)象（圖1）。與DeepLabCut、SLEAP等現(xiàn)有方法的對(duì)比測(cè)試顯示，ADPT在復(fù)雜的多動(dòng)物交互和長(zhǎng)時(shí)程行為追蹤任務(wù)中具有明顯的精度與穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)多物種（包括小鼠、食蟹猴等）的行為視頻數(shù)據(jù)集進(jìn)行了深入評(píng)估。在小鼠數(shù)據(jù)集中，ADPT有效解決了傳統(tǒng)方法難以準(zhǔn)確檢測(cè)的尾尖等細(xì)微部位追蹤問(wèn)題，總體檢測(cè)精度較DeepLabCut與SLEAP方法提高超過(guò)8.6%，平均均方根誤差（RMSE）降至7.19 ± 0.58像素，表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)(圖2左)。在食蟹猴行為數(shù)據(jù)集中，ADPT在復(fù)雜環(huán)境干擾下依舊成功實(shí)現(xiàn)靈長(zhǎng)類動(dòng)物的姿態(tài)穩(wěn)定追蹤。特別是在存在人類干擾的場(chǎng)景中，其他方法容易誤將人類識(shí)別為目標(biāo)動(dòng)物，而ADPT表現(xiàn)出對(duì)跨物種干擾的優(yōu)秀抵抗能力，確保了追蹤精度與可靠性(圖2右)。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)還利用公開(kāi)的果蠅（Single fly）、獼猴（OMS_dataset）和狨猴（Marmoset）數(shù)據(jù)集進(jìn)一步驗(yàn)證了ADPT的泛化性能，結(jié)果再次證實(shí)了ADPT跨物種姿態(tài)估計(jì)的適應(yīng)能力。在多動(dòng)物自由社交行為的場(chǎng)景中，ADPT更展現(xiàn)了其“身份-姿態(tài)”同步精準(zhǔn)追蹤的突出優(yōu)勢(shì)。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，ADPT在不進(jìn)行任何時(shí)序后處理的情況下，即可達(dá)到90.36%的身份追蹤準(zhǔn)確率；若結(jié)合簡(jiǎn)單時(shí)序校正，這一準(zhǔn)確率進(jìn)一步提高至99.72%，明顯優(yōu)于現(xiàn)有的多動(dòng)物姿態(tài)追蹤工具。此外，在團(tuán)隊(duì)自建的Homecage小鼠社交數(shù)據(jù)集中，ADPT不僅身份追蹤效果顯著優(yōu)于DeepLabCut和SLEAP（準(zhǔn)確率提高約5-10倍，身份互換現(xiàn)象顯著減少），姿態(tài)估計(jì)精度也提高了約15%（圖3）。為進(jìn)一步推動(dòng)ADPT技術(shù)的應(yīng)用落地，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了簡(jiǎn)單易用的ADPT工具箱，能夠讓缺乏深度學(xué)習(xí)背景的生物學(xué)研究人員輕松使用，極大地降低了姿態(tài)追蹤技術(shù)的應(yīng)用門(mén)檻。本研究為動(dòng)物行為學(xué)、神經(jīng)疾病與社會(huì)互動(dòng)機(jī)制研究提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持，有望推動(dòng)神經(jīng)科學(xué)與行為學(xué)的交叉研究進(jìn)入新的階段。深圳先進(jìn)院蔚鵬飛研究員為本文最后通訊作者，南方科技大學(xué)劉泉影助理教授為共同通訊作者，深圳先進(jìn)院腦所研究助理唐國(guó)令、博士生韓亞寧為本文共同第一作者。該研究還得到了暨南大學(xué)李曉江教授、閆森教授團(tuán)隊(duì)的大力支持。該項(xiàng)目主要受到國(guó)家自然科學(xué)基金-青年科學(xué)基金項(xiàng)目（B類）、國(guó)家自然科學(xué)基金外國(guó)學(xué)者研究基金項(xiàng)目、科技部“腦科學(xué)與類腦研究”國(guó)家科技重大專項(xiàng)以及深圳市科技創(chuàng)新計(jì)劃等項(xiàng)目資助。<!--!doctype-->圖1 ADPT工作流程和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖圖2 ADPT實(shí)現(xiàn)高精度、高魯棒性單動(dòng)物姿態(tài)估計(jì)圖3 ADPT實(shí)現(xiàn)多動(dòng)物社交場(chǎng)景下精確身份-姿態(tài)同步追蹤
    2025-03-26
  • 深圳先進(jìn)院?| 定量合成生物學(xué)揭秘自我犧牲行為的演化機(jī)制(ISME Journal)
    在自然界中，有些生物的行為讓人既震撼又困惑：它們會(huì)主動(dòng)選擇“自我犧牲”以換取整個(gè)群體的生存機(jī)會(huì)。比如，某些細(xì)菌會(huì)分泌大腸桿菌素殺死競(jìng)爭(zhēng)者，卻也因此難逃一死；蜜蜂在蜇刺敵人后會(huì)犧牲自身，以保護(hù)蜂群安全；甚至在人類疾病中，敗血性休克可能通過(guò)個(gè)體的死亡來(lái)限制病原體在群體中的傳播。這種無(wú)私奉獻(xiàn)的行為在生物界廣泛存在。然而，從演化角度來(lái)看，這種“自我犧牲”行為卻是一個(gè)巨大的謎題：既然這些個(gè)體無(wú)法存活下來(lái)繁殖后代，相關(guān)的基因似乎應(yīng)該逐漸消失。那么，這種行為是如何在自然選擇過(guò)程中得以延續(xù)的呢？在自然界中，有些生物的行為讓人既震撼又困惑：它們會(huì)主動(dòng)選擇“自我犧牲”以換取整個(gè)群體的生存機(jī)會(huì)。比如，某些細(xì)菌會(huì)分泌大腸桿菌素殺死競(jìng)爭(zhēng)者，卻也因此難逃一死；蜜蜂在蜇刺敵人后會(huì)犧牲自身，以保護(hù)蜂群安全；甚至在人類疾病中，敗血性休克可能通過(guò)個(gè)體的死亡來(lái)限制病原體在群體中的傳播。這種無(wú)私奉獻(xiàn)的行為在生物界廣泛存在。然而，從演化角度來(lái)看，這種“自我犧牲”行為卻是一個(gè)巨大的謎題：既然這些個(gè)體無(wú)法存活下來(lái)繁殖后代，相關(guān)的基因似乎應(yīng)該逐漸消失。那么，這種行為是如何在自然選擇過(guò)程中得以延續(xù)的呢？近日，由中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所定量合成生物學(xué)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/合成生物進(jìn)化研究中心的黃術(shù)強(qiáng)和傅雄飛課題組在國(guó)際微生物生態(tài)學(xué)會(huì)期刊The ISME Journal發(fā)表了題為"Strong segregation promotes self-destructive cooperation"的研究，通過(guò)定量合成生物學(xué)方法揭示了微生物如何在壓力環(huán)境中通過(guò)“自我犧牲”行為實(shí)現(xiàn)群體生存的新機(jī)制。該研究發(fā)現(xiàn)，在極端分散（Strong segregation）的條件下，比如群體被分散成極小的單元（甚至初始群體只有1-2個(gè)個(gè)體）時(shí)，具有自我犧牲行為的群體（Self destructive cooperation,SDC）反而能夠在壓力環(huán)境中穩(wěn)定存在，在高強(qiáng)度的環(huán)境壓力下變得更加顯著。這一發(fā)現(xiàn)不僅解釋了微生物自我犧牲行為的演化邏輯，還為理解壓力環(huán)境如何塑造自我犧牲行為提供了新的理論。01?理論預(yù)測(cè)強(qiáng)分散環(huán)境有利于自我犧牲行為的演化另一方面，驗(yàn)證演化理論一直是該領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@需要考慮復(fù)雜的環(huán)境因素、漫長(zhǎng)的演化時(shí)間以及眾多亞群體。為了應(yīng)對(duì)這一技術(shù)挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)依托深圳合成生物研究重大科技基礎(chǔ)設(shè)施（Shenzhen Synthetic Biology Infrastructure）開(kāi)發(fā)了一套自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)流程，對(duì)含有“犧牲者-作弊者（SDC-cheater）”的合成生物系統(tǒng)進(jìn)行了高通量實(shí)驗(yàn)操作，成功驗(yàn)證了壓力環(huán)境塑造犧牲行為的新理論。一般來(lái)講，個(gè)體的行為特征應(yīng)當(dāng)具備某種有助于生存和繁衍的優(yōu)勢(shì)，從而能夠代代相傳。群體選擇理論能夠解釋弱利他行為的演化，即：雖然群體中的合作者個(gè)體相對(duì)于非合作者個(gè)體處于競(jìng)爭(zhēng)劣勢(shì)，但合作者依然能夠通過(guò)其他方式提升自身亞群（Subgroup）的適應(yīng)度，從而在群體層面上產(chǎn)生優(yōu)勢(shì)。然而，該理論難以解釋極端利他行為的演化，比如自我犧牲行為。這種行為看似完全犧牲了自身利益，不會(huì)在亞群內(nèi)留下后代，在群體內(nèi)部形成極端劣勢(shì)，而且這種劣勢(shì)往往難以通過(guò)群體層面的潛在收益來(lái)彌補(bǔ)。這與傳統(tǒng)理論理解存在一定的矛盾。針對(duì)微生物自我犧牲行為的演化，本研究提出了一種新的解釋：在極端分散的環(huán)境中，會(huì)形成大量的同類種群（都具備自我犧牲行為，或都具備作弊行為）和少量的異類種群（自我犧牲行為和作弊行為同時(shí)存在）。當(dāng)施加環(huán)境壓力或遇到外敵入侵時(shí)，具備自我犧牲行為的同類種群會(huì)通過(guò)部分個(gè)體的自我犧牲保護(hù)同伴，從而讓整個(gè)種群存活下來(lái);相反，具備作弊行為的種群則會(huì)逐漸消失。最終，大量具備自我犧牲行為的個(gè)體得以保留，從而使得“犧牲基因”能夠穩(wěn)定流傳。研究還發(fā)現(xiàn)，環(huán)境壓力越強(qiáng)，這種自我犧牲行為的保留效果越顯著。這一理論不僅解釋了自我犧牲行為的演化邏輯，還為理解壓力環(huán)境如何塑造自我犧牲行為提供了新的視角。02?開(kāi)發(fā)自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)流程驗(yàn)證自我犧牲行為的演化盡管理論分析表明，在強(qiáng)分散的環(huán)境中，自我犧牲行為可以維持并演化，但實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證依然面臨許多挑戰(zhàn)。主要難點(diǎn)在于：如何構(gòu)建一個(gè)可重復(fù)的實(shí)驗(yàn)方案來(lái)準(zhǔn)確模擬這種行為及其與“作弊者”之間的關(guān)系，以及整個(gè)演化過(guò)程。為應(yīng)對(duì)該技術(shù)挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)首先利用構(gòu)建的合成生物學(xué)系統(tǒng)來(lái)分別模擬“犧牲者-作弊者”，其中，“犧牲者”通過(guò)程序性死亡（Programmed cell death）釋放公共產(chǎn)物（Public goods），公共產(chǎn)物能夠有效降低環(huán)境壓力使幸存者存活；而“作弊者”既不產(chǎn)生公共產(chǎn)物也不進(jìn)行程序性死亡。然后，依托合成生物研究重大科技基礎(chǔ)設(shè)施和自主開(kāi)發(fā)的自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)流程（自動(dòng)化生物鑄造廠）精確控制兩者的初始比例、分散強(qiáng)度和環(huán)境壓力（Stress）等關(guān)鍵變量，系統(tǒng)性地評(píng)估了這些因素對(duì)自我犧牲行為的影響。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在一定環(huán)境壓力下，弱分散操作有利于“作弊者”的演化，而強(qiáng)分散操作更有利于“犧牲者”的演化，當(dāng)增加環(huán)境壓力（提高抗生素濃度）時(shí)，該演化結(jié)果更加明顯。這一結(jié)果與理論預(yù)測(cè)高度一致，表明定量合成生物學(xué)技術(shù)和高通量自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)流程的結(jié)合，可以有效驗(yàn)證復(fù)雜的演化生物學(xué)問(wèn)題。該研究拓展了演化生物學(xué)研究中經(jīng)典的群體選擇理論，揭示了強(qiáng)分散如何促進(jìn)自我犧牲行為的演化，為理解利他行為的演化機(jī)制提供了新的視角。同時(shí)，本研究展示了定量合成生物學(xué)與重大科技基礎(chǔ)設(shè)施在探索復(fù)雜演化現(xiàn)象中的巨大潛力。該發(fā)現(xiàn)不僅有助于解析自然界中極端利他行為的演化邏輯，還可能為生物膜控制、抗生素耐藥性治理等實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域提供新的理論指導(dǎo)。中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員黃術(shù)強(qiáng)和傅雄飛為本文共同通訊作者。中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院博士生溫羚玲；中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院副研究員白陽(yáng)為論文的共同第一作者。該研究得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“合成生物學(xué)”專項(xiàng)和中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)項(xiàng)目等支持。文章上線截圖圖1. 強(qiáng)分散促進(jìn)自我犧牲行為的演化。圖中展示了在強(qiáng)分散（Strong segregation）條件下，自我犧牲行為如何通過(guò)分散、增殖、加壓和合并四個(gè)步驟演化的過(guò)程。左側(cè)顯示，在強(qiáng)分散條件下，自我犧牲者的比例增加，表明自我犧牲行為更易被選擇；右側(cè)則顯示，在弱分散條件下，自我犧牲者的比例減小，表明自我犧牲行為逐漸消亡。圖2 自動(dòng)化生物鑄造廠驗(yàn)證強(qiáng)分散下的自我犧牲行為演化。展示了使用生物工廠技術(shù)的自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)流程，包括細(xì)胞密度測(cè)量、強(qiáng)稀釋、分離、培養(yǎng)和監(jiān)測(cè)等步驟。
    2025-03-20