科研進(jìn)展
  • 廣州地化所：深俯沖陸殼水致熔融誘發(fā)的地幔交代作用
        　　俯沖帶是殼幔物質(zhì)能量交換的重要場(chǎng)所之一。自上世紀(jì)80年代以來(lái)，大陸表殼巖石中柯石英、金剛石等高壓-超高壓礦物的發(fā)現(xiàn)，證明低密度的大陸地殼同樣可俯沖至深部地幔繼而折返至地殼深度。然而，俯沖陸殼在物質(zhì)成分及結(jié)構(gòu)上與洋殼存在著顯著不同，其與地幔相互作用的過(guò)程仍存有諸多未知。例如，在大別-蘇魯以及挪威西片麻巖省等超高壓地體中，陸殼脫水及熔融主要發(fā)生于減壓折返階段；然而這些地體產(chǎn)出的造山帶橄欖巖及輝石巖普遍記錄了高壓-超高壓（4-6 GPa）條件下陸殼熔/流體交代事件。 　　中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所同位素地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高溫高壓實(shí)驗(yàn)學(xué)科組高名迪博士、地幔地球化學(xué)學(xué)科組王煜研究員，聯(lián)合中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）續(xù)海金教授、澳大利亞麥考瑞大學(xué)Stephen Foley教授，通過(guò)在5 GPa，800-1100 oC溫壓條件下開(kāi)展的一系列長(zhǎng)英質(zhì)片麻巖-橄欖巖相互反應(yīng)高溫高壓實(shí)驗(yàn)研究，為厘清超高壓條件下俯沖陸殼與地幔的相互作用過(guò)程及機(jī)理提供了全新實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)約束。 　　 研究發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)條件下，溫度低于片麻巖固相線時(shí)交代地幔介質(zhì)為富水流體（aqueous fluid），與橄欖巖反應(yīng)產(chǎn)物主要為斜方輝石+金云母+鉀堿鎂閃石（圖1）。溫度高于固相線條件下交代介質(zhì)為含水熔體（hydrous melt）。同時(shí)隨片麻巖熔融程度增加，主要交代產(chǎn)物由斜方輝石+金云母逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾狈捷x石+石榴子石（圖1）。脫水熔融條件下，這一相轉(zhuǎn)變溫度在1000-1100 oC之間，而在水飽和熔融條件下，這一相轉(zhuǎn)變溫度降至800-900 oC之間。大別-蘇魯、挪威西片麻巖省等超高壓地體的輝石巖主要記錄了4-6 GPa，750-1000 oC條件下交代成因的輝石與石榴子石生長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在相似溫壓條件下，只有陸殼水飽和熔融才能誘發(fā)這些交代礦物的形成。進(jìn)一步證明超高壓條件陸殼的水致熔融是誘發(fā)大陸俯沖帶殼幔作用的一種重要機(jī)制。 　　 傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，俯沖古老陸殼是相對(duì)貧水的。而該研究結(jié)果證明，陸殼即使俯沖至超高壓條件下局部乃至整體仍然是較為富水的。長(zhǎng)英質(zhì)陸殼在深俯沖過(guò)程中通常會(huì)攜帶部分基性-超基性塊體。在高壓-超高壓條件下，蛇紋石、硬柱石以及綠泥石是這些基性-超基性塊體中常見(jiàn)的含水礦物，其水含量可達(dá)～10 wt%。其中，綠泥石具有最高的穩(wěn)定溫度，因此是誘發(fā)長(zhǎng)英質(zhì)陸殼水致熔融最有可能的水的來(lái)源。研究人員進(jìn)一步結(jié)合陸殼俯沖P-T軌跡，陸殼熔融及熔體-地幔相互作用過(guò)程可概括如圖2及圖3所示：陸殼俯沖至圖2中B點(diǎn)后，俯沖陸殼中含綠泥石的巖石會(huì)發(fā)生綠泥石分解進(jìn)而釋放流體。由于此時(shí)溫度高于花崗巖濕固相線，釋放的流體可誘發(fā)以長(zhǎng)英質(zhì)巖石為主體的陸殼熔融，產(chǎn)生熔體具有富鋁的特征，其與上覆地幔楔反應(yīng)形成石榴輝石巖交代體。隨著交代過(guò)程不斷進(jìn)行，熔體被不斷消耗且演化至愈發(fā)富鉀富水，演化的熔體進(jìn)一步與地幔反應(yīng)進(jìn)而生成金云母（圖3），這也進(jìn)一步解釋了超高壓地體石榴輝石巖中偶見(jiàn)金云母的現(xiàn)象。 　　 該研究成果近期發(fā)表于國(guó)際地學(xué)權(quán)威期刊《Geology》上。該項(xiàng)研究受國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFF0801001）、國(guó)家自然科學(xué)基金（42222204，42203040，42072058，41772054）和中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等項(xiàng)目的資助。 　　論文信息： Gao, M. (高名迪), Foley, S., Xu, H. (續(xù)海金), Wang, Y. (王煜), 2023, Mantle metasomatism induced by water-fluxed melting of subducted continental crust at ultrahigh pressures: Geology, https://doi.org/10.1130/G51547.1 　　 論文鏈接 圖1. 典型實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物背散射圖像。（A-F）為脫水熔融實(shí)驗(yàn)組。（G-L）為水致熔融實(shí)驗(yàn)組。 圖2. 陸殼深俯沖熔融過(guò)程示意圖。灰色粗箭頭代表陸殼俯沖-折返P-T軌跡，橢圓陰影區(qū)域?yàn)榇髣e-蘇魯及挪威西片麻巖省典型輝石巖記錄的交代作用P-T范圍。礦物縮寫(xiě)：Chl-綠泥石，Phen-多硅白云母，Ant-葉蛇紋石，Law-硬柱石。 圖3. （A-C）深俯沖陸殼-地幔相互作用過(guò)程示意圖。（D-E）實(shí)驗(yàn)交代產(chǎn)物斜方輝石與石榴子石與超高壓地體輝石巖中斜方輝石與石榴子石稀土成分對(duì)比圖，天然樣品與實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物相似的稀土配分模式證明其交代成因。
    2023-10-07
  • 游離氨基酸檢測(cè)傳感器研發(fā)取得新進(jìn)展
    游離氨基酸是動(dòng)物體內(nèi)重要的小分子代謝物，特定種類或者多種氨基酸濃度的變化可用于動(dòng)物機(jī)體營(yíng)養(yǎng)和健康狀態(tài)的評(píng)估，指導(dǎo)精準(zhǔn)營(yíng)養(yǎng)供給。賴氨酸與色氨酸為人體必需氨基酸，也是動(dòng)物限制性氨基酸，并可作為多種疾病的生物標(biāo)志物。谷氨酸為非必需氨基酸，卻是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中最豐富的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)，在廣泛的腦功能中發(fā)揮著重要作用，谷氨酸濃度的異常會(huì)引起多種神經(jīng)或精神疾病。因此，對(duì)賴氨酸、色氨酸和谷氨酸的快速檢測(cè)是急需解決的行業(yè)問(wèn)題。游離氨基酸是動(dòng)物體內(nèi)重要的小分子代謝物，特定種類或者多種氨基酸濃度的變化可用于動(dòng)物機(jī)體營(yíng)養(yǎng)和健康狀態(tài)的評(píng)估，指導(dǎo)精準(zhǔn)營(yíng)養(yǎng)供給。賴氨酸與色氨酸為人體必需氨基酸，也是動(dòng)物限制性氨基酸，并可作為多種疾病的生物標(biāo)志物。谷氨酸為非必需氨基酸，卻是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中最豐富的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)，在廣泛的腦功能中發(fā)揮著重要作用，谷氨酸濃度的異常會(huì)引起多種神經(jīng)或精神疾病。因此，對(duì)賴氨酸、色氨酸和谷氨酸的快速檢測(cè)是急需解決的行業(yè)問(wèn)題?；谙惹暗难芯抗ぷ鳎袊?guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所印遇龍?jiān)菏繄F(tuán)隊(duì)將自行篩選獲得的賴氨酸肽適體固定至聚苯胺修飾的玻碳電極上，構(gòu)建了電流型賴氨酸生物傳感器，具備抗無(wú)關(guān)蛋白干擾能力，可用于血清中賴氨酸的超靈敏檢測(cè)，檢測(cè)限為0.33 nM；將自行篩選獲得的色氨酸肽適體修飾到納米金表面，構(gòu)建了比色型色氨酸生物傳感器，可用于血清中色氨酸的直接原位快速檢測(cè)，檢測(cè)限為1.0 M，該方法無(wú)需專業(yè)的電化學(xué)設(shè)備，具有反饋快、簡(jiǎn)便易得、易讀出等明顯優(yōu)勢(shì)；將自行篩選獲得的谷氨酸肽適體固定于金電極表面，構(gòu)建了基于肽適體的谷氨酸生物傳感器，表現(xiàn)出良好的特異性和抗干擾性，特別是可區(qū)分谷氨酰胺和谷氨酸，可用于血清中谷氨酸的超靈敏檢測(cè)，檢測(cè)限為0.1 nM。上述研究為動(dòng)物體液中代謝物檢測(cè)提供了新的思路，解決了傳統(tǒng)酶基傳感器在區(qū)分谷氨酰胺和谷氨酸時(shí)的不足，并為體液氨基酸快速檢測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了實(shí)現(xiàn)途徑。目前在該領(lǐng)域，印遇龍?jiān)菏繄F(tuán)隊(duì)已獲得專利授權(quán)5項(xiàng)，其中美國(guó)發(fā)明專利1項(xiàng)（US011774455B2）、中國(guó)發(fā)明專利3項(xiàng)（ZL 201910604881.0、ZL 201910604886.3和ZL 201810004249.8）、中國(guó)實(shí)用新型1項(xiàng)（ZL 201721581311.7）；申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專利2項(xiàng)（202211168772.7和202210560611.6）。以題為A peptide aptamer based electrochemical amperometric sensor for sensitive L-glutamate detection和Peptide aptamer-based polyaniline-modified amperometric biosensor for L-lysine detection in real serum samples分別發(fā)表在國(guó)際期刊Bioelectrochemistry和Measurement上。該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目（31527803）的資助。論文鏈接：1 2基于肽適體的聚苯胺修飾的賴氨酸生物傳感器的構(gòu)建已獲得專利
    2023-10-07
  • 廣州地化所：發(fā)現(xiàn)俯沖板片內(nèi)新的流體輸運(yùn)形式
    大洋板片的俯沖是水進(jìn)入地球深部的方式。俯沖板片的含水礦物在高溫高壓條件下發(fā)生變質(zhì)脫水反應(yīng)釋放流體。那么，究竟這些流體是伴隨板片俯沖進(jìn)入地球更深處、還是上涌到地球的淺部，取決于巖石的滲透率。依據(jù)結(jié)構(gòu)平衡（textural equilibrium）理論，巖石的滲透性通過(guò)測(cè)量礦物顆粒間的二面角來(lái)衡量。一般認(rèn)為，若礦物顆粒間的二面角小于60 ，則流體可以在晶粒邊緣連通，致使巖石具有較高的滲透率，那么密度小于巖石的流體會(huì)上涌；若二面角大于60 ，則流體不連通，流體會(huì)伴隨板片俯沖進(jìn)入地球深部。然而，該理論存在缺陷為：僅以純相流體為假設(shè)，沒(méi)有在分子-原子水平上認(rèn)識(shí)到低維度空間中流體的特殊性。而利用當(dāng)今分子動(dòng)力學(xué)模擬手段對(duì)流體/礦物進(jìn)行研究，可以在分子-原子水平上認(rèn)識(shí)流體結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性和運(yùn)移方式，產(chǎn)生新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。 圖1. 低維度流體示意圖 　　陳錳特任研究員的模擬計(jì)算研究表明：當(dāng)純相流體與晶體邊界并存時(shí)，若壓力高于一定值，流體可以進(jìn)入晶體邊界，形成低維度流體（亞納米尺寸的單分子層或雙分子層水，圖1）；低維度流體以擴(kuò)散形式運(yùn)動(dòng)，這有助于流體在巖石中的連通。這說(shuō)明，礦物顆粒間的二面角大小并非衡量巖石滲透性的唯一方式，低維度的擴(kuò)散流體的存在可以提升巖石的滲透性。具有擴(kuò)散性的低維度流體是傳統(tǒng)理論所無(wú)法預(yù)知的，其發(fā)現(xiàn)有賴于分子動(dòng)力學(xué)模擬與熱力學(xué)理論計(jì)算的結(jié)合。 　　研究者對(duì)幾種晶體邊界進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)若晶體表面與水之間不形成穩(wěn)定的氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（如石墨和云母的表面），低維度流體可以形成于晶體邊界。研究者對(duì)一系列溫度-壓力條件的研究揭示了俯沖板片內(nèi)低維度流體穩(wěn)定存在的區(qū)間（圖2）。低維度流體是俯沖板片礦物脫水形成的，該流體在巖石中的連通致使巖石具有較高的表觀滲透率，促進(jìn)流體在俯沖板片內(nèi)上涌。 圖2. 低維度流體可能存在的穩(wěn)定區(qū)域 　　研究者希望，以此研究為開(kāi)端，今后在俯沖帶流體運(yùn)移的數(shù)值模擬研究上，應(yīng)當(dāng)考慮低維度流體的角色。此外，研究者在該研究過(guò)程中，使用的等溫線和等壓線熱力學(xué)積分方法、非平衡分子動(dòng)力學(xué)模擬手段等，預(yù)期可為同行研究者提供借鑒。 　　研究論文發(fā)表于JGR：Solid Earth。此研究獲國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項(xiàng)目“礦物演化”（41921003）資助。 論文信息：Meng Chen* (陳錳), Runliang Zhu (朱潤(rùn)良), Jianxi Zhu (朱建喜), and Hongping He (何宏平) (2023). Percolation of low-dimensional water at crystalline interfaces mediates fluid migration in subducting slabs. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 128, e2023JB027124 　　 論文鏈接
    2023-09-28
  • 《Nature Geoscience》揭示全球第三大洋底高原–沙茨基海隆的成因機(jī)制
    近日，中國(guó)科學(xué)院邊緣海與大洋地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室林間院士團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國(guó)際科學(xué)家，在全球第三大洋底高原——西太平洋沙茨基海隆的成因機(jī)制研究中取得重要突破，揭示地幔柱與洋中脊相互作用是其形成的主控因素。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然 地球科學(xué)》（Nature Geoscience）上。副研究員張旭博為論文第一作者，研究員張錦昌和院士林間為論文共同通訊作者。此外，《自然 地球科學(xué)》同步發(fā)表該成果的研究簡(jiǎn)報(bào)（Research Briefing）。洋底高原是海底大范圍的地形隆起區(qū)，是大規(guī)模巖漿活動(dòng)的產(chǎn)物，屬于海洋里的大火成巖省（Large Igneous Province），對(duì)地球氣候演變、生物滅絕等事件具有重要影響。長(zhǎng)期以來(lái)，有關(guān)洋底高原的成因機(jī)制一直存在爭(zhēng)議，主要有兩個(gè)觀點(diǎn)：（1）“地幔柱模型”認(rèn)為洋底高原由起源于地幔深部的高溫地幔柱引起的大規(guī)模巖漿活動(dòng)形成；（2）“板塊模型”則認(rèn)為洋底高原是由板塊擴(kuò)張誘發(fā)的非均一地幔物質(zhì)上涌減壓熔融形成，無(wú)需明顯溫度異常。西太平洋的沙茨基海隆，作為全球第三大洋底高原，形成于洋中脊三聯(lián)點(diǎn)區(qū)域，被視為研究洋底高原成因機(jī)制的最佳區(qū)域之一（圖1）。綜合分析多學(xué)科觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究人員建立了地球動(dòng)力學(xué)和地球化學(xué)耦合模型，定量地研究了形成沙茨基海隆所需的地幔條件。研究發(fā)現(xiàn)，地幔柱模型和板塊模型的結(jié)果與觀測(cè)數(shù)據(jù)不符，只有地幔柱與洋中脊相互作用模型才能很好地解釋研究區(qū)的構(gòu)造巖漿活動(dòng)特征。結(jié)合沙茨基海隆的形成過(guò)程，研究團(tuán)隊(duì)提出地幔柱與洋中脊相互作用的兩步曲模式（圖2）。第一階段，地幔柱頭與周圍地幔發(fā)生強(qiáng)烈混合，洋中脊處發(fā)生大規(guī)模巖漿活動(dòng)，巖漿成分與淺部虧損地幔的地球化學(xué)特征相似，形成如西南端的大塔穆火山（Tamu）（圖2b）。第二階段，地幔柱尾與周圍地幔的混合作用減弱，洋中脊處仍能形成較厚的洋殼，但巖漿成分與深部富集地幔的地球化學(xué)特征相似，如東北端的帕帕寧海嶺（Papanin Ridge）（圖2c），在地球上其他熱點(diǎn)如冰島、亞速爾和加拉帕戈斯也發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象。本研究對(duì)于揭示全球洋底高原的成因、了解地幔柱的時(shí)空演化過(guò)程及其與洋中脊的相互作用機(jī)理具有重要的科學(xué)意義。對(duì)這一研究成果，美國(guó)海洋地球物理學(xué)家Jennifer Georgen教授認(rèn)為“作者們解決了大火成巖省地球動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域長(zhǎng)期存在的問(wèn)題，即沙茨基海隆形成時(shí)地幔的熱化學(xué)狀態(tài)。這一重要結(jié)果將引起海洋地球科學(xué)家們的廣泛關(guān)注”?！蹲匀?地球科學(xué)》期刊主編Tamara Goldin博士總結(jié)道“本文評(píng)估了有關(guān)洋底高原成因的地幔柱模型和板塊模型，并以沙茨基海隆為例，揭示類似的洋底高原是由地幔柱與洋中脊的相互作用形成”。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院項(xiàng)目等的聯(lián)合資助。研究論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41561-023-01286-0研究簡(jiǎn)報(bào)鏈接：https://www.nature.com/articles/s41561-023-01289-x圖1 沙茨基海隆的地形、地殼厚度和地球化學(xué)同位素比值特征。沿沙茨基海隆走向，地殼厚度逐漸減薄。Nd和Hf同位素比值與地殼厚度呈正相關(guān)關(guān)系，即巖漿活動(dòng)強(qiáng)、地殼厚時(shí)，Nd和Hf同位素比值高；巖漿活動(dòng)減弱、地殼較薄時(shí)，Nd和Hf同位素比值低；表明巖漿成分隨巖漿活動(dòng)強(qiáng)度發(fā)生系統(tǒng)性變化。圖2 地幔柱與洋中脊相互作用的時(shí)空演化模型。頂部的黑色雙線代表洋中脊位置，黑色箭頭指示板塊擴(kuò)張方向。
    2023-10-03
  • 養(yǎng)分可獲得性和化學(xué)計(jì)量比調(diào)控微生物對(duì)土壤有機(jī)碳固持的介導(dǎo)效應(yīng)
            微生物的生長(zhǎng)和代謝與土壤有機(jī)碳的形成和穩(wěn)定密切相關(guān)。然而，養(yǎng)分有效性和化學(xué)計(jì)量比如何影響微生物對(duì)土壤碳固持的介導(dǎo)效應(yīng)尚不明確。中國(guó)科學(xué)院華南植物園恢復(fù)生態(tài)學(xué)任務(wù)團(tuán)隊(duì)將控制實(shí)驗(yàn)和自然環(huán)境梯度相結(jié)合，將養(yǎng)分狀況不同的培養(yǎng)基質(zhì)（甘蔗土和沙子）裝填進(jìn)孔徑為38 m的網(wǎng)袋（防止植物根系的進(jìn)入，但允許真菌菌絲體和細(xì)菌的侵入）放置在不同的海拔梯度進(jìn)行原位培養(yǎng)。通過(guò)模擬不同的養(yǎng)分供應(yīng)狀態(tài)和環(huán)境條件，研究微生物的活體生物量、微生物胞外酶、微生物胞外多聚體和殘?bào)w等微生物來(lái)源碳的合成和積累特征及其對(duì)土壤有機(jī)碳固持的影響。 經(jīng)過(guò)一年的原位培養(yǎng)，研究發(fā)現(xiàn)：（1）土壤有機(jī)碳的積累具有顯著的背景依賴性，并受到養(yǎng)分可獲得性調(diào)控的微生物群落結(jié)構(gòu)和微生物的資源分配策略影響；（2）在養(yǎng)分供應(yīng)充足條件下，以革蘭氏陰性菌為主導(dǎo)的土壤微生物群落優(yōu)先將資源分配給微生物殘?bào)w的合成，微生物生物量的快速周轉(zhuǎn)和微生物殘?bào)w的快速生成促進(jìn)了土壤有機(jī)碳的積累，該過(guò)程與土壤磷的有效性和微生物碳磷獲取酶活性呈負(fù)相關(guān)；（3）在養(yǎng)分匱乏的條件下，土壤微生物群落傾向于優(yōu)先將資源分配給抗逆性強(qiáng)的真菌和革蘭氏陽(yáng)性菌，用于微生物活體生物量的維持、胞外酶的合成以獲取養(yǎng)分，合成更多的胞外多聚體以適應(yīng)環(huán)境，減少對(duì)微生物殘?bào)w合成的資源投入，不利于土壤有機(jī)碳的積累，該過(guò)程與氮的有效性和化學(xué)計(jì)量比（碳：氮比和碳：磷比）以及土壤水分含量顯著正相關(guān)。研究結(jié)果不僅深化了微生物調(diào)控?zé)釒滞寥烙袡C(jī)碳周轉(zhuǎn)途徑的機(jī)制性理解，也可為提升養(yǎng)分輸入不平衡情景下土壤碳循環(huán)動(dòng)態(tài)的可預(yù)測(cè)性提供重要依據(jù)。 相關(guān)研究成果以“Nutrient availability and stoichiometry mediate microbial effects on soil carbon sequestration in tropical forests”為題發(fā)表在國(guó)際土壤學(xué)主流期刊Soil Biology and Biochemistry（《土壤生物學(xué)與生物化學(xué)》）。華南植物園恢復(fù)生態(tài)學(xué)任務(wù)團(tuán)隊(duì)博士研究生牟之建為論文第一作者，劉占鋒研究員為論文的通訊作者。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目共同資助。 論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2023.109186
    2023-10-04
  • 華南植物園發(fā)現(xiàn)樹(shù)木生長(zhǎng)始期提前通過(guò)調(diào)節(jié)累計(jì)生長(zhǎng)率影響徑向生長(zhǎng)
          氣候變化正在深刻地影響森林物候，尤其是在北半球。然而，樹(shù)木徑向生長(zhǎng)如何響應(yīng)物候變化仍有待探索。位于北半球的北方針葉林是地球上最大的生物群落之一，其樹(shù)木生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)對(duì)全球變化意義重大。因此，有必要分析樹(shù)木生長(zhǎng)對(duì)物候的具體響應(yīng)過(guò)程，為更大尺度上碳匯潛力的準(zhǔn)確評(píng)估和森林動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)提供理論依據(jù)。森林生長(zhǎng)與全球變化研究組博士研究生康劍在黃建國(guó)教授、丁曉綱教授、馬倩倩副研究員的指導(dǎo)下，通過(guò)構(gòu)建中亞地區(qū)樹(shù)木年輪年表網(wǎng)絡(luò)，以北緯49 為界將研究區(qū)劃分為南北兩部分。 基于VS模型的模擬結(jié)果表明，1959-2010/2016年樹(shù)木生長(zhǎng)季開(kāi)始時(shí)間（SoGS）明顯提前。其中，研究區(qū)北部SoGS與徑向增長(zhǎng)呈顯著負(fù)相關(guān)，而南部則沒(méi)有顯著相關(guān)性。通徑分析結(jié)果表明，南北之間的徑向增長(zhǎng)對(duì)更早的SoGS的響應(yīng)并不一致。在北方，徑向增長(zhǎng)主要受益于低溫限制的緩解，從而提高了累積增長(zhǎng)率。而在相對(duì)干旱的南方，生長(zhǎng)季早期的干旱脅迫通過(guò)降低累積生長(zhǎng)速率抵消了溫度對(duì)樹(shù)木徑向生長(zhǎng)的積極影響?？偟膩?lái)說(shuō)，提前的SoGS通過(guò)調(diào)節(jié)累積生長(zhǎng)速率來(lái)影響樹(shù)木的徑向生長(zhǎng)。 相關(guān)結(jié)果以“An earlier start of growing season can affect tree radial growth through regulating cumulative growth rate”為題發(fā)表在林學(xué)專業(yè)期刊Agricultural and Forest Meteorology上（IF5=6.9），森林生長(zhǎng)與全球變化研究組博士研究生康劍為論文的第一作者，我園為第一作者單位，廣東省林業(yè)科學(xué)院丁曉綱教授為論文通訊作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金的資助。論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2023.109738 北方(a)和南方(b)的路徑圖，圖中的數(shù)字表示標(biāo)準(zhǔn)化路徑系數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差
    2023-09-30
  • 華南植物園揭示養(yǎng)分平衡調(diào)控土壤激發(fā)效應(yīng)的微生物機(jī)制
           大氣氮沉降導(dǎo)致的土壤養(yǎng)分失衡，會(huì)對(duì)微生物介導(dǎo)的土壤碳循環(huán)過(guò)程產(chǎn)生重要影響。然而，養(yǎng)分平衡如何通過(guò)與微生物互作，進(jìn)而影響土壤激發(fā)效應(yīng)（即活性碳輸入對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)分解速率的改變）尚缺乏機(jī)制性理解。中國(guó)科學(xué)院華南植物園恢復(fù)生態(tài)學(xué)任務(wù)團(tuán)隊(duì)基于廣東鶴山森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站的長(zhǎng)期養(yǎng)分添加控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)長(zhǎng)期養(yǎng)分添加的豆科和非豆科植物土壤進(jìn)行了13C標(biāo)記的葡萄糖培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)研究了土壤養(yǎng)分添加和植物類型調(diào)控土壤激發(fā)效應(yīng)微生物學(xué)機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)：（1）葡萄糖的添加會(huì)加快土壤有機(jī)質(zhì)的降解速率，導(dǎo)致正激發(fā)效應(yīng)，而且不受養(yǎng)分添加和植物類型的影響；（2）養(yǎng)分添加對(duì)土壤激發(fā)效應(yīng)的影響與植物類型密切相關(guān)：在非豆科植物土壤中，只有氮磷同時(shí)添加的情況才會(huì)導(dǎo)致比對(duì)照更高的正激發(fā)效應(yīng)；而對(duì)于豆科植物土壤，磷添加和氮磷同時(shí)添加均可誘發(fā)更高的正激發(fā)效應(yīng)；（3）借助DNA穩(wěn)定同位素探針和高通量定量PCR技術(shù)，發(fā)現(xiàn)土壤激發(fā)效應(yīng)與微生物碳利用率的提高密切相關(guān)，同時(shí)伴隨著微生物群落活性、養(yǎng)分循環(huán)功能基因豐度和酶活性的提高。研究結(jié)果表明，土壤氮磷養(yǎng)分平衡對(duì)土壤激發(fā)效應(yīng)影響，依賴于根際微生物群落的組成和功能。該研究揭示了植物與根際微生物群落互作在調(diào)控土壤碳循環(huán)對(duì)養(yǎng)分平衡的響應(yīng)中的作用，從微生物的角度深化了土壤激發(fā)效應(yīng)調(diào)控機(jī)制的理解，這對(duì)于預(yù)測(cè)未來(lái)氣候變化導(dǎo)致的養(yǎng)分輸入的不平衡，對(duì)區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)的潛在影響具有重要的科學(xué)價(jià)值。 相關(guān)研究成果近期在線發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊The ISME Journal（《國(guó)際微生物生態(tài)學(xué)學(xué)會(huì)雜志》）上。華南植物園恢復(fù)生態(tài)學(xué)任務(wù)團(tuán)隊(duì)李健博士（現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所博士后）為論文的第一作者，劉占鋒研究員和朱永官院士為論文的共同通訊作者，中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所、中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所、中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心、西澳大利亞大學(xué)、田納西州立大學(xué)、巴塞羅那自治州大學(xué)和康奈爾大學(xué)等單位的研究人員參與了部分工作。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)博士后基金等項(xiàng)目的資助。 論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41396-023-01523-9養(yǎng)分平衡調(diào)控土壤激發(fā)效應(yīng)的微生物學(xué)機(jī)制
    2023-09-30
  • 華南植物園對(duì)實(shí)蕨屬植物系統(tǒng)發(fā)育和生物地理學(xué)研究取得進(jìn)展
    實(shí)蕨屬是一個(gè)泛熱帶屬，主要分布于亞洲和大洋洲島嶼，具有匍匐或短直立的根莖，其葉片頂部常具芽胞，可著地生根行無(wú)性繁殖，并具有二形葉片，喜生于山谷水溝旁、密林下陰濕處或攀附于巖石或樹(shù)干基部，是林下植被的重要組成部分。以前，基于形態(tài)學(xué)和分子生物學(xué)研究證實(shí)，當(dāng)Mickelia被排除在外時(shí)， Bolbitis是單系，并確定Bolbitis有三個(gè)主要分支。然而，早期的研究是基于相對(duì)較少的樣本，大多數(shù)亞洲物種沒(méi)有包含在內(nèi)。結(jié)果顯示，實(shí)蕨屬分為四大支：馬達(dá)加斯加分支、非洲分支、美洲分支及亞洲分支，亞洲為該屬的多樣性中心（圖。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的餅圖展示了不同祖先分布概率。實(shí)蕨屬是一個(gè)泛熱帶屬，主要分布于亞洲和大洋洲島嶼，具有匍匐或短直立的根莖，其葉片頂部常具芽胞，可著地生根行無(wú)性繁殖，并具有二形葉片，喜生于山谷水溝旁、密林下陰濕處或攀附于巖石或樹(shù)干基部，是林下植被的重要組成部分。本屬曾被歸入實(shí)蕨科Bolbitidaceae、舌蕨科Elaphoglossaceae、藤蕨科Lomariopsidaceae中，目前被廣泛接受為鱗毛蕨科Dryopteridaceae舌蕨亞科Elaphogloidae的一員。以前，基于形態(tài)學(xué)和分子生物學(xué)研究證實(shí)，當(dāng)Mickelia被排除在外時(shí)，Bolbitis是單系，并確定Bolbitis有三個(gè)主要分支。然而，早期的研究是基于相對(duì)較少的樣本，大多數(shù)亞洲物種沒(méi)有包含在內(nèi)。中國(guó)科學(xué)院華南植物園植物科學(xué)研究中心王發(fā)國(guó)研究員等科研人員，以鱗毛蕨科實(shí)蕨屬作為主要研究對(duì)象，共選取68種（代表了實(shí)蕨屬85%的物種）169個(gè)樣本的葉綠體片段（rbcL, rps4 & the rps4-trnS intergenic spacer, the trnL intron & the trnL-F intergenic spacer），采用貝葉斯法、最大似然法以及簡(jiǎn)約法構(gòu)建全球?qū)嵽傧到y(tǒng)發(fā)育框架。結(jié)果顯示，實(shí)蕨屬分為四大支：馬達(dá)加斯加分支、非洲分支、美洲分支及亞洲分支，亞洲為該屬的多樣性中心（圖1）。結(jié)合化石數(shù)據(jù)和地理分布數(shù)據(jù)，采用BEAST和RASP進(jìn)行分歧時(shí)間估計(jì)及祖先分布區(qū)重建，顯示實(shí)蕨屬最早起源于非洲，并向亞洲擴(kuò)散分布，并在近期（6.59–20.49 Ma）從亞洲經(jīng)非洲向美洲擴(kuò)散，形成了當(dāng)下的泛熱帶間斷分布的格局（圖2）。進(jìn)一步地，以亞洲實(shí)蕨屬作為主要研究對(duì)象，分析其屬內(nèi)多樣性形成的可能原因。亞洲實(shí)蕨屬可分為6個(gè)高支持率的Subclade，分別是Heteroclitae subclade，Egenolfianae subclade，Sinuatae subclade，Quoyanae subclade，Bolbitianae subclade，Hekouenses subclade。這些Subclade內(nèi)部的譜系/物種關(guān)系總體上得到了很好的解析，除了Heteroclitae subclade和Quoyanae subclade。其中，已有文獻(xiàn)記載的兩個(gè)雜交種分別來(lái)自于Heteroclitae subclade和Quoyanae subclade，結(jié)合實(shí)蕨屬內(nèi)的形態(tài)變異，我們推測(cè)自然雜交促進(jìn)了東亞實(shí)蕨屬內(nèi)的多樣化形成。相關(guān)研究結(jié)果已近期發(fā)表在Molecular Phylogenetics and Evolution（）。該研究工作由中國(guó)科學(xué)院華南植物園、中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所、深圳市蘭科植物保護(hù)研究中心、密蘇里植物園等單位科研人員協(xié)作完成，并得到國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。論文鏈接：http://dx.doi.org/10.1016/j.ympev.2022.107633圖1. 基于三個(gè)葉綠體片段(rbcL, rps4 & rps4-trnS, trnL & trnL-F)構(gòu)建的實(shí)蕨屬及其近緣類群的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)。圖1（續(xù)）. 基于三個(gè)葉綠體片段(rbcL, rps4 & rps4-trnS, trnL & trnL-F)構(gòu)建的實(shí)蕨屬及其近緣類群的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)。圖2. 實(shí)蕨屬及其近緣類群的祖先分布區(qū)重建。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的餅圖展示了不同祖先分布概率。
    2023-09-28
  • Cell & Bioscience︱伽馬交流電刺激治療阿爾茨海默癥
    為電刺激治療AD的臨床策略和轉(zhuǎn)化應(yīng)用提供了新的實(shí)驗(yàn)依據(jù)阿爾茨海默?。ˋlzheimer’s disease, AD）是一類慢性中樞神經(jīng)退行性疾病，主要表現(xiàn)為進(jìn)行性的記憶力減退以及認(rèn)知障礙，是造成癡呆的重要原因。關(guān)于AD病因的 -淀粉樣蛋白（A ）級(jí)聯(lián)假說(shuō)認(rèn)為，A 的積累在導(dǎo)致神經(jīng)元功能障礙和細(xì)胞死亡的連鎖反應(yīng)中起著重要作用，從而導(dǎo)致AD患者認(rèn)知能力下降。近年來(lái)采用包括多種生物物理刺激技術(shù)：超聲、光、電、磁刺激等在內(nèi)治療技術(shù)，改善AD腦內(nèi)A 超載的治療研究，推動(dòng)了延緩和預(yù)防AD導(dǎo)致認(rèn)知功能缺失的治療研究進(jìn)展。其中具有代表性的研究采用閃光刺激一定程度調(diào)控AD模型小鼠腦電波的伽馬振蕩異常，改善受損的學(xué)習(xí)記憶功能。然而最新的研究報(bào)道反駁了這一發(fā)現(xiàn)，認(rèn)為閃光刺激并不能調(diào)控腦電波伽馬振蕩，也無(wú)法減少AD小鼠腦內(nèi)A 過(guò)量沉積或改善AD癥狀，甚至閃光刺激會(huì)引起實(shí)驗(yàn)小鼠的情緒排斥。這一研究爭(zhēng)論，可能源于閃光刺激這種間接手段。而經(jīng)顱或顱內(nèi)交流電刺激則被認(rèn)為可以直接將刺激電流遞送入腦，通過(guò)對(duì)神經(jīng)細(xì)胞活動(dòng)的電刺激調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)清除A 和改善學(xué)習(xí)記憶功能的治療目的。近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院劉倩副研究員與美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校Min Zhao教授，加州大學(xué)舊金山分校Theodore Zanto副教授合作在Cell & Bioscience上發(fā)表題為的“Intensity-dependent gamma electrical stimulation regulates microglial activation, reduces beta-amyloid load, and facilitates memory in a mouse model of Alzheimer’s disease”的文章。研究首先采用數(shù)字建模和有限元建模（FEM）計(jì)算了顱內(nèi)伽馬交流電刺激在深腦不同功能腦區(qū)的有效刺激電場(chǎng)分布和安全性評(píng)價(jià)。繼而對(duì)5xFAD小鼠開(kāi)展為期4周的程序式顱內(nèi)伽馬交流電刺激治療，發(fā)現(xiàn)該治療技術(shù)能夠顯著減少皮層和海馬中的A 1-42沉積并激活小鼠皮層和海馬中的小膠質(zhì)細(xì)胞，促進(jìn)5xFAD小鼠的學(xué)習(xí)記憶功能呈現(xiàn)以刺激強(qiáng)度依賴式改善。結(jié)合該團(tuán)隊(duì)前期發(fā)表在Alzheimers Res Ther. 2020 12(1):89中的研究成果：顱內(nèi)伽馬交流電刺激能夠增強(qiáng)5xFAD小鼠海馬和室下區(qū)的神經(jīng)發(fā)生，他們持續(xù)研究證實(shí)了伽馬交流電刺激對(duì)中樞神經(jīng)退行性疾病的神經(jīng)新生和神經(jīng)免疫激活作用，這些細(xì)胞響應(yīng)可能推動(dòng)了AD小鼠腦內(nèi)A 的清除，從而實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)認(rèn)知和記憶功能的改善，為電刺激治療AD的臨床策略和轉(zhuǎn)化應(yīng)用提供了新的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。本研究由中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院劉倩副研究員作為第一作者，美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校的Min Zhao教授和加州大學(xué)舊金山分校的Theodore Zanto副教授為通訊作者共同完成。項(xiàng)目研究受到NIH、AFOSR MURI和DARPA研究資助。Fig. Intensity-dependent gamma electrical stimulation regulates microglial activation,reduces beta-amyloid load and facilitates memory in a mouse model of Alzheimer’s disease. 文章鏈接
    2023-09-15
  • IEEE T-MECH | 橫著走、強(qiáng)肌肉，深圳先進(jìn)院研發(fā)首款抗阻橫向行走鍛煉外骨骼
    團(tuán)隊(duì)研發(fā)了國(guó)際首款面向橫向行走步態(tài)的外骨骼，通過(guò)在橫向行走時(shí)施加主動(dòng)阻力力矩代替彈力帶被動(dòng)力矩，實(shí)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)外展肌肉的精準(zhǔn)高效鍛煉，為抗阻橫向行走鍛煉提供了智能化新方法。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中心曹武警副研究員與香港中文大學(xué)、上海交通大學(xué)、東北大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)合作，在外骨骼機(jī)器人領(lǐng)域取得新進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)研發(fā)了國(guó)際首款面向橫向行走步態(tài)的外骨骼，通過(guò)在橫向行走時(shí)施加主動(dòng)阻力力矩代替彈力帶被動(dòng)力矩，實(shí)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)外展肌肉的精準(zhǔn)高效鍛煉，為抗阻橫向行走鍛煉提供了智能化新方法。研究成果以Development and Evaluation of a Hip Exoskeleton for Lateral Resistance Walk Exercise為題，發(fā)表在機(jī)電一體化領(lǐng)域頂級(jí)期刊IEEE/ASME Transactions on Mechatronics（JCR一區(qū)，影響因子：6.4）曹武警副研究員為第一作者，吳新宇研究員為通訊作者，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院為第一單位。髖外展肌肉肌力下降會(huì)導(dǎo)致骨盆平衡失調(diào)，引起髖部疼痛，并出現(xiàn)腰痛和膝關(guān)節(jié)痛等癥狀?？棺铏M向行走是髖關(guān)節(jié)外展肌鍛煉增強(qiáng)的重要方式，彈力帶橫向行走是抗阻鍛煉增強(qiáng)髖關(guān)節(jié)外展肌最常用的康復(fù)運(yùn)動(dòng)之一。然而，彈力帶橫向行走鍛煉有以下缺陷：在橫向行走過(guò)程中，阻力不能主動(dòng)調(diào)整，即鍛煉強(qiáng)度不受控；鍛煉肌肉受姿勢(shì)、彈力帶位置影響，阻力作用的步態(tài)相位時(shí)段不可控，即鍛煉肌肉不精準(zhǔn)；且當(dāng)彈力帶穿戴時(shí)，前行會(huì)受影響，即鍛煉與自由前行不可兼得。當(dāng)前研發(fā)的外骨骼都是針對(duì)直行步態(tài)，橫向行走步態(tài)與直行步態(tài)完全不同，尚無(wú)外骨骼可以直接應(yīng)用于抗阻橫向行走鍛煉解決上述問(wèn)題。團(tuán)隊(duì)研發(fā)了國(guó)際首款抗阻橫向行走鍛煉外骨骼，提出了自動(dòng)適應(yīng)不同身高與體重的多連桿機(jī)構(gòu)構(gòu)型，建立了考慮傳遞柔性與非線性摩擦力矩的外骨骼與人體耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，提出了阻力力矩模糊整定PID控制策略，通過(guò)穿戴測(cè)試實(shí)現(xiàn)了臀中肌與闊筋膜張肌肌肉激活度的提高。為了驗(yàn)證所提控制策略的有效性，分別采用傳統(tǒng)PID和模糊整定PID控制策略對(duì)外骨骼進(jìn)行了力矩跟蹤實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明所提出的模糊整定控制策略可以實(shí)現(xiàn)對(duì)阻力力矩的穩(wěn)定跟蹤，跟蹤誤差較小且具有更短的調(diào)整時(shí)間。為了驗(yàn)證外骨骼對(duì)髖關(guān)節(jié)外展肌肉的鍛煉效果，比較了不穿外骨骼、穿外骨骼不開(kāi)電、彈力帶和外骨骼主動(dòng)抗阻(10、15、20 Nm)條件下臀中肌與闊筋膜張肌的肌肉激活度，結(jié)果表明：所提出的髖關(guān)節(jié)外骨骼在主動(dòng)抗阻（10Nm）條件下，相比無(wú)外骨骼橫向行走，臀中肌肌肉激活度增加約6倍，闊筋膜張肌激活度增加約16倍。此外，團(tuán)隊(duì)基于肌電的橫向行走步態(tài)識(shí)別研究Gait Recognition Based On sEMG And Deep Residual Shrinkage Network在國(guó)際機(jī)器人領(lǐng)域知名會(huì)議IEEE International Conference on Real-time Computing and Robotics （IEEE RCAR 2023）上獲得最佳學(xué)生論文獎(jiǎng)。團(tuán)隊(duì)碩士研究生羅明祥為第一作者，吳新宇研究員與曹武警副研究員共同指導(dǎo)學(xué)生完成。該系列研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金杰出青年基金項(xiàng)目、中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金深圳聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目、深圳市自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目等項(xiàng)目資助。外骨骼代替彈力帶實(shí)現(xiàn)智能精準(zhǔn)抗阻橫向行走鍛煉抗阻橫向行走鍛煉外骨骼系統(tǒng)及穿戴示意圖髖關(guān)節(jié)外骨骼控制框圖不同控制策略下力矩跟蹤效果不同橫向行走條件下臀中肌和闊筋膜張肌的肌肉激活度IEEE RCAR 2023最佳學(xué)生論文獎(jiǎng)證書(shū)文章鏈接
    2023-09-26