神經(jīng)行為學(xué)（Neuroethology）是一個結(jié)合了神經(jīng)科學(xué)與動物行為學(xué)的交叉學(xué)科，主要研究神經(jīng)系統(tǒng)如何控制行為，以及行為如何反過來影響神經(jīng)系統(tǒng)的功能。其核心目標(biāo)在于理解神經(jīng)系統(tǒng)如何將生物刺激轉(zhuǎn)化為自然行為，自然行為由一系列動作構(gòu)成，這些動作根據(jù)特定規(guī)則以概率方式組合，使得兩性個體能夠在不同條件下輸出恰當(dāng)?shù)男袨?，從而維持個體生存、促進物種繁衍。有效分析和量化具有多尺度和復(fù)雜動態(tài)特征的自然行為，對于理解兩性行為差異背后的生物學(xué)意義、解析驅(qū)動這些行為產(chǎn)生的性別差異性神經(jīng)機制，進而理解理解不同物種在進化過程中行為的演變規(guī)律，具有重要的科學(xué)意義和潛在的應(yīng)用價值。近年來，行為組學(xué)理論的形成和發(fā)展旨在以層級化的思路解析行為的內(nèi)在結(jié)構(gòu)。同時，機器學(xué)習(xí)算法在定量姿勢估計和行為分割方面的進展，也推動了將連續(xù)行為分解為可量化的動作模塊的進程。然而，缺乏通用的行為學(xué)分析框架，仍是將行為組學(xué)理論應(yīng)用于神經(jīng)行為學(xué)、應(yīng)激神經(jīng)生物學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)、藥效學(xué)評價等領(lǐng)域進行具體行為分析的重要障礙。神經(jīng)行為學(xué)（Neuroethology）是一個結(jié)合了神經(jīng)科學(xué)與動物行為學(xué)的交叉學(xué)科，主要研究神經(jīng)系統(tǒng)如何控制行為，以及行為如何反過來影響神經(jīng)系統(tǒng)的功能。其核心目標(biāo)在于理解神經(jīng)系統(tǒng)如何將生物刺激轉(zhuǎn)化為自然行為，自然行為由一系列動作構(gòu)成，這些動作根據(jù)特定規(guī)則以概率方式組合，使得兩性個體能夠在不同條件下輸出恰當(dāng)?shù)男袨椋瑥亩S持個體生存、促進物種繁衍。有效分析和量化具有多尺度和復(fù)雜動態(tài)特征的自然行為，對于理解兩性行為差異背后的生物學(xué)意義、解析驅(qū)動這些行為產(chǎn)生的性別差異性神經(jīng)機制，進而理解不同物種在進化過程中行為的演變規(guī)律，具有重要的科學(xué)意義和潛在的應(yīng)用價值。近年來，行為組學(xué)理論的形成和發(fā)展旨在以層級化的思路解析行為的內(nèi)在結(jié)構(gòu)。同時，機器學(xué)習(xí)算法在定量姿勢估計和行為分割方面的進展，也推動了將連續(xù)行為分解為可量化的動作模塊的進程。然而，缺乏通用的行為學(xué)分析框架，仍是將行為組學(xué)理論應(yīng)用于神經(jīng)行為學(xué)、應(yīng)激神經(jīng)生物學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)、藥效學(xué)評價等領(lǐng)域進行具體行為分析的重要障礙。文章上線截圖2月1日，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院（簡稱“深圳先進院”）腦認知與腦疾病研究所（簡稱“腦所”）、深港腦科學(xué)創(chuàng)新研究院王楓研究員團隊與王立平研究員團隊合作在Cell Reports在線發(fā)表題為“Hierarchical behavioral analysis framework as a platform for standardized quantitative identification of behaviors”的研究論文，利用應(yīng)激神經(jīng)生物學(xué)研究中廣泛使用的簡單易行的自發(fā)行為范式，開發(fā)了層級化行為分析框架（Hierarchical Behavioral Analysis Framework,HBAF），提供了一個通用、標(biāo)準(zhǔn)、快速，以及分層定量的方式開展兩性神經(jīng)行為學(xué)研究的方法。圖1. HBAF工作流程圖自發(fā)行為是在無主觀意圖或外部刺激的情況下發(fā)生的行為，對維持健康和調(diào)節(jié)軀體至關(guān)重要。自發(fā)行為學(xué)實驗由動物本身而非實驗者來主導(dǎo)，易操作的同時還能更準(zhǔn)確地反映動物的內(nèi)部狀態(tài)。自發(fā)行為的變化可以反應(yīng)個體內(nèi)部狀態(tài)的偏差，這些偏差可能與潛在健康問題有關(guān)，如疼痛和毒素暴露、癲癇發(fā)作間期、中風(fēng)恢復(fù)和自閉癥以及急性應(yīng)激等。為了建立一個易于理解和解釋的行為分析框架，我們從自發(fā)行為的姿勢動力學(xué)、動作與動作集的時空特征及其內(nèi)在組織邏輯層面系統(tǒng)刻畫了兩性小鼠自發(fā)行為的特征。研究結(jié)果表明，在不同情緒狀態(tài)、晝夜節(jié)律和光照條件下，兩性小鼠的自發(fā)行為表現(xiàn)出不同的特征。這些特征由不同內(nèi)外因素驅(qū)動，最終形成了差異性的行為模式。其中，嗅探是不同條件下自發(fā)行為動作轉(zhuǎn)換的樞紐節(jié)點，計算嗅探與梳理的比例能高通量的準(zhǔn)確區(qū)分自發(fā)行為狀態(tài)。HBAF為深入開展行為學(xué)研究提供了一個高效的平臺，通過提供全面的分層行為數(shù)據(jù)，在行為結(jié)構(gòu)理論知識與實際分析之間架起了一座橋梁，還將為生物學(xué)、藥理學(xué)、醫(yī)學(xué)以及相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域研究中的動物行為實驗分析和結(jié)果解讀提供全新的技術(shù)手段。圖2. 研究發(fā)現(xiàn)示意圖深圳先進院腦所研究助理葉家霖（王楓團隊）為該論文第一作者（目前已赴比利時魯汶大學(xué)攻讀神經(jīng)生物學(xué)博士學(xué)位），深圳先進院腦所王楓研究員、王立平研究員為該論文的共同通訊作者，深圳先進院為論文的第一單位。該研究得到了Helmut Kettenmann教授、趙偉教授、韓明虎教授、魯白教授、胡霽教授、任超然教授的寶貴建議，并得到了科技創(chuàng)新2030-“腦科學(xué)與類腦研究”青年科學(xué)家項目、國家自然科學(xué)基金面上項目及深圳市基礎(chǔ)研究重點項目的資助。
近日，由中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所副研究員趙維和香港浸會大學(xué)曾祥澤教授領(lǐng)銜的研究團隊，在Journal of Biological Chemistry發(fā)表綜述文章，題為《Recent Advances in the Synthesis and Application of Biomolecular Condensates》。該研究揭示了BMCs構(gòu)造的基本原則、調(diào)控方法（包括光控制、化學(xué)和酶控制、溫度控制及pH控制），以及BMCs在染色體結(jié)構(gòu)、神經(jīng)退行性疾病和生物制造等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用潛力。通過對BMCs構(gòu)造機制的深入分析，該研究為合成生物學(xué)的發(fā)展提供了新的視角，推動了相關(guān)領(lǐng)域的進一步探索。生物大分子凝聚物（BMCs）在基因轉(zhuǎn)錄、細胞分裂等重要生物過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而，其異常形成與多種疾病的發(fā)生密切相關(guān)，臨床上迫切需要有效的診斷和治療手段。此外，目前對BMCs的構(gòu)造和調(diào)控機制的理解仍顯不足，亟待深入研究和探索。近日，由中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所副研究員趙維和香港浸會大學(xué)曾祥澤教授領(lǐng)銜的研究團隊，在Journal of Biological Chemistry發(fā)表綜述文章，題為《Recent Advances in the Synthesis and Application of Biomolecular Condensates》。該研究揭示了BMCs構(gòu)造的基本原則、調(diào)控方法（包括光控制、化學(xué)和酶控制、溫度控制及pH控制），以及BMCs在染色體結(jié)構(gòu)、神經(jīng)退行性疾病和生物制造等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用潛力。通過對BMCs構(gòu)造機制的深入分析，該研究為合成生物學(xué)的發(fā)展提供了新的視角，推動了相關(guān)領(lǐng)域的進一步探索。文章上線截圖生物大分子凝聚物（BMCs）是一類動態(tài)有序的生物物理學(xué)系統(tǒng)，參與基因轉(zhuǎn)錄、染色體組織、細胞分裂、腫瘤發(fā)生和衰老等生物過程，受到多種內(nèi)外因素的精密調(diào)控。最近，利用合成生物學(xué)方法對BMCs進行從頭合成，不僅為解析天然BMCs的構(gòu)造規(guī)律提供了機會，而且，這些合成的BMCs（SBMCs）通過相分離調(diào)控，巧妙地模擬了天然BMCs的自組裝和動態(tài)過程，在染色體結(jié)構(gòu)、神經(jīng)退行性疾病、生物制造等研究領(lǐng)域中展現(xiàn)了巨大的潛力。文章從以下幾方面綜述了國內(nèi)外的最新研究進展。一、BMCs構(gòu)造的基本原則：探討了相分離中的多價相互作用在驅(qū)動蛋白相分離中的關(guān)鍵作用，如多價基序、多價交互作用以及序列特征等。這些特征使蛋白能夠形成動態(tài)、可逆轉(zhuǎn)的BMCs，發(fā)揮細胞中重要的生理功能。圖1. 多價相互作用驅(qū)動的相分離示意圖二、調(diào)控方法：介紹了光控制、化學(xué)和酶控制、溫度控制以及pH控制等多種方法用于實現(xiàn)SBMCs的精確調(diào)控。這些方法使研究人員能夠精準(zhǔn)地操作和調(diào)節(jié)BMCs的組裝和解聚過程。圖2. 光控相分離示意圖三、應(yīng)用領(lǐng)域：展示了SBMCs在染色體結(jié)構(gòu)研究、神經(jīng)退行性疾病分析、生物制造研究、人工細胞設(shè)計和藥物傳遞等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。這些應(yīng)用為深入了解生物學(xué)過程、疾病發(fā)生機制以及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新提供了重要平臺。SBMCs在染色體結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用：染色體的組織對基因表達和穩(wěn)定性至關(guān)重要。Polycomb suppressicomplex 1（PRC1）是一種染色質(zhì)修飾復(fù)合物，參與維持染色質(zhì)的抑制狀態(tài)。Clifford Brangwynne團隊通過Corelets系統(tǒng)設(shè)計了一種光激活的多組分PRC1凝聚物，闡明了PRC1在染色質(zhì)致密化中的機制。這項研究為染色體結(jié)構(gòu)研究提供了理想的實驗平臺。SBMCs在神經(jīng)退行性疾病分析中的應(yīng)用：研究顯示，神經(jīng)退行性疾病（如肌萎縮側(cè)索硬化癥）的病理表現(xiàn)多以TDP-43蛋白病變積累為特征，為了了解TDP-43積聚的機制，Christopher Donnelly使用optoDroplets系統(tǒng)精確控制TDP-43凝聚體的形成，揭示了其在病理特征中的重要機制。SBMCs在生物制造中的應(yīng)用：在生物催化系統(tǒng)中，BMCs可以精確控制反應(yīng)環(huán)境。Jiang Xia團隊開發(fā)的多酶SBMC促進了天然化合物α-法尼烯的合成，提升了反應(yīng)效率和產(chǎn)物純度。此外，Xiaoxia Xia團隊利用蜘蛛絲蛋白合成了1,3-二氨基丙烷，展示了SBMC在生物制造中的潛力。這些研究表明SBMCs在生物科學(xué)和工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景。圖3. SBMCs在生物技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)和生物制造中的應(yīng)用這些最新研究成果為我們揭示了生物大分子凝聚體的奧秘，為合成生物學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的視角和方法。這些創(chuàng)新將進一步推動生命科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，為未來的科學(xué)研究和醫(yī)學(xué)應(yīng)用帶來更多可能性。中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所副研究員趙維為本文的通訊作者，香港浸會大學(xué)曾祥澤教授為本文的共同通訊作者，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院團隊學(xué)生李忠悅為文章的第一作者。本工作獲得了國家科技部重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院戰(zhàn)略重點研究項目、國家自然科學(xué)基金等多個項目以及深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院的支持。
近日，中國科學(xué)院南海海洋研究所夏少紅研究員團隊在南海南部陸緣地殼研究中取得重要進展，提出了“布丁狀地殼伸展”控制島礁形成演化的新模式。這一成果發(fā)表于《地球物理研究雜志：固體地球》（Journal of Geophysical Research: Solid Earth），為南海島礁的形成演化提供了全新的科學(xué)依據(jù)。南海海洋所博士張成龍為論文第一作者，研究員夏少紅為通訊作者，曹敬賀、范朝焰、萬奎元和茍濤四位副研究員為論文共同作者。南海，作為西太平洋最大的邊緣海，其形成和演化一直是地質(zhì)學(xué)界的研究熱點。南海經(jīng)歷了近乎完整的威爾遜旋回，大陸張裂作用形成了南沙、中沙、西沙等多個微地塊。這些微地塊為珊瑚礁和碳酸鹽臺地的發(fā)育提供了穩(wěn)定基底，造就了南海如今星羅棋布的島礁地貌。南海南部的珊瑚島礁群多呈現(xiàn)北東-南西走向的長條狀展布格局，并平行于鄰近的深海磁異常條帶，暗示了這些島礁群的形成與大陸張裂密切相關(guān)。然而，由于缺乏典型島礁區(qū)高分辨率地殼結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，目前對陸緣張裂作用與島礁形成演化的關(guān)系仍然缺乏深入認識。夏少紅研究員團隊聚焦南海南部陸緣島礁區(qū)，開展了大規(guī)模的海底地震儀（OBS）廣角地震探測實驗。研究團隊從西南次海盆出發(fā)，經(jīng)過永暑礁，直至畢生礁附近，通過正演模擬與走時層析成像技術(shù)，成功構(gòu)建了橫跨南部陸緣島礁區(qū)的高精度縱波速度結(jié)構(gòu)剖面。研究發(fā)現(xiàn)，兩個島礁區(qū)的較厚地殼段之間存在一個寬約數(shù)十公里的伸展盆地，地殼最薄處僅約13公里。這一結(jié)果表明，南海南部陸緣地殼發(fā)生了強烈的非均勻伸展，北東-南西走向的伸展盆地將較厚的地殼塊體分隔，形成了地殼尺度的布丁狀構(gòu)造。研究團隊進一步指出，南海的布丁狀地殼伸展過程不僅塑造了西南次海盆兩側(cè)寬廣的裂谷陸緣和分散的地殼塊體，還為島礁的形成提供了關(guān)鍵條件。在熱帶暖水環(huán)境中，這些地殼塊體的線狀地形高點具有較高的碳酸鹽生產(chǎn)力。隨著時間推移，碳酸鹽不斷加積，最終形成了如今我們看到的珊瑚島礁群。這一發(fā)現(xiàn)不僅為南海島礁的形成演化提供了新的科學(xué)解釋，還揭示了大陸張裂與地表形貌演化之間的深刻聯(lián)系，為全球大陸張裂作用的研究提供了重要啟示。研究得到國家重點研發(fā)計劃項目、中國科學(xué)院南海海洋研究所自主部署項目和國家自然科學(xué)基金等項目的聯(lián)合資助。圖1 南海南部深地震測線分布及OBS2019ZX1深地震探測實驗。圖2 測線縱波速度結(jié)構(gòu)模型及地質(zhì)構(gòu)造解釋。剖面從左至右依次為洋殼區(qū)、洋陸殼過渡帶、頸縮區(qū)、永暑礁較厚陸殼區(qū)、伸展盆地區(qū)及畢生礁附近較厚陸殼區(qū)。圖3 南海布丁狀地殼伸展過程控制島礁形成演化的模式示意圖。晚漸新世中沙地塊與禮樂灘地塊分離之前，南海西部的伸展主要集中在平行于擴張中心的一系列伸展盆地（圖a）。隨后沿著其中一處伸展盆地發(fā)生漸進式海底擴張，并在中中新世擴張停止時形成V形的西南次海盆（圖b）。該過程導(dǎo)致海盆兩側(cè)寬闊的裂谷陸緣和北東-南西走向伸展盆地分隔的布丁狀地殼結(jié)構(gòu)，地殼具有強烈非均勻伸展特征。布丁地殼塊體的斷塊線狀地形高點上更利于碳酸鹽加積，從而形成北東-南西走向長條狀島礁群（圖c）。相關(guān)論文信息：Zhang,C.,Xia,S.*,Cao,J.,Fan,C.,Wan,K.,& Gou,T. (2025). Control of coral reefs formation by boudin‐like crustal extension processes in the South China Sea: New insights from wide‐angle seismic imaging. Journal of Geophysical Research: Solid Earth,130,e2024JB030150.原文鏈接：https://doi.org/10.1029/2024JB030150
干旱脅迫嚴(yán)重制約著植物的生長發(fā)育，并導(dǎo)致世界范圍內(nèi)作物減產(chǎn)。為應(yīng)對日益嚴(yán)重的干旱脅迫，解析植物抗旱機理選育耐旱作物迫在眉睫。干旱脅迫導(dǎo)致包括過氧化氫(H2O2)?在內(nèi)的活性氧?(ROS)?失衡，影響植物的生長發(fā)育。過氧化氫酶?(CAT)?可以靶向H2O2分解從而維持體內(nèi)活性氧穩(wěn)態(tài)。解析過氧化氫酶的調(diào)控機制，有利于深入明晰活性氧平衡植物生長發(fā)育和環(huán)境耐受性的分子機理，對提高農(nóng)作物耐旱性和保障世界糧食安全具有重要意義。為探索過氧化氫酶的調(diào)控機制，中國科學(xué)院華南植物園鄧書林研究員團隊以過氧化氫酶2(Catalase 2，CAT2)為誘餌，通過酵母文庫篩選的方法發(fā)現(xiàn)一個RING型E3泛素連接酶，命名為CIRP1(Catalase Interacting RING Protein 1)。CIRP1與CAT2和CAT3存在相互作用，也可以泛素化修飾并促進CAT2和CAT3通過26S蛋白酶體途徑降解。植物表型實驗證明，在干旱和氧化脅迫條件下，CIRP1在CAT2和CAT3的上游發(fā)揮功能。相關(guān)研究成果已近期發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊Journal of Integrative Plant Biology（《植物學(xué)報》）（IF5年=9.3）上。中國科學(xué)院華南植物園博士后楊恒和副研究員張藝為論文共同第一作者，鄧書林研究員為論文通訊作者。研究得到國家自然科學(xué)基金和廣東省自然科學(xué)基金的資助。論文鏈接：https://doi.org/10.1111/jipb.13845.圖1. CIRP1泛素化降解CAT2/CAT3負調(diào)控植物對干旱和氧化脅迫耐受性圖2. CIRP1靶向CAT2/CAT3降解負調(diào)控植物對干旱和氧化脅迫耐受性模式圖<!--!doctype-->
近日，南海海洋所儀器中心聯(lián)合山東科技大學(xué)，成功研發(fā)出基于OpenACC的GPU加速并行POM（Princeton Ocean Model）模式，相關(guān)研究成果以“Parallel Princeton Ocean Model based on OpenACC”為題，發(fā)表在國際知名期刊Environmental Modelling & Software上，該項技術(shù)為高精度海洋數(shù)值模擬與實時預(yù)報提供了新一代高效能計算解決方案，南海海洋所高級工程師周巍為論文通訊作者，山東科技大學(xué)碩士研究所生王意寧為論文第一作者，研究團隊還包括山東科技大學(xué)副教授李秉天等科研骨干。隨著海洋建模對空間分辨率與物理過程復(fù)雜度的雙重需求不斷提升，傳統(tǒng)串行POM的計算效率已難以滿足實際應(yīng)用需求。研究團隊通過并行計算區(qū)域選擇、數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化和計算模式調(diào)整等多維度優(yōu)化策略，對經(jīng)典POM代碼實施系統(tǒng)性重構(gòu)。實測數(shù)據(jù)顯示，該并行版本在不同時空尺度的模擬實驗中均實現(xiàn)45倍加速比，較傳統(tǒng)并行方法展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。值得關(guān)注的是，研究進一步揭示了GPU加速性能的關(guān)鍵制約因素——通過引入Nsight Systems性能分析工具，團隊發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)存在顯著瓶頸，進而針對性優(yōu)化了CPU-GPU間的數(shù)據(jù)傳輸策略，成功將冗余數(shù)據(jù)拷貝降低37.2%。此外，研究對比論證了OpenACC相較于其他并行方案的技術(shù)特性，其獨特的指令制導(dǎo)并行模式在保證代碼可維護性與跨平臺移植性的同時，大幅降低了并行化改造成本，使得非專業(yè)開發(fā)人員也能快速構(gòu)建高效并行計算環(huán)境。圖1 本研究相較于原始POM代碼的優(yōu)勢圖2 不同分辨率下串行和并行實現(xiàn)的運行時間研究團隊下一階段將重點推進三方面工作：深化POM代碼架構(gòu)優(yōu)化，構(gòu)建多GPU協(xié)同計算架構(gòu)；拓展該并行系統(tǒng)在強非線性海洋過程的模擬應(yīng)用；開展跨平臺硬件適配測試，全面評估OpenACC方案的擴展性與普適性。該研究獲得中國科學(xué)院儀器設(shè)備功能開發(fā)技術(shù)創(chuàng)新項目、熱帶海洋環(huán)境國家重點實驗室自主研究項目以及國家自然科學(xué)基金的聯(lián)合資助，關(guān)鍵技術(shù)驗證依托南海海洋研究所超算平臺完成。論文信息:Wang,Y.,Li,B.,Zhou,W.,Ge,Y.,2025. Parallel Princeton Ocean Model based on OpenACC. Environ. Model. Softw. 106370.論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2025.106370
稻田生態(tài)系統(tǒng)作為重要的陸地碳匯系統(tǒng)，其碳固定效能的提升對應(yīng)對全球氣候變化具有重要科學(xué)價值和應(yīng)用前景。鐵礦物作為土壤有機碳（SOC）的關(guān)鍵賦存介質(zhì)，通過表面絡(luò)合與化學(xué)共沉淀作用固定了全球約33.5%的SOC。稻田淹水條件下，微生物異化鐵還原過程會導(dǎo)致鐵結(jié)合態(tài)碳的釋放與再礦化，這一生物地球化學(xué)過程構(gòu)成了稻田系統(tǒng)碳-鐵耦合循環(huán)的關(guān)鍵限速步驟。因此，系統(tǒng)闡明稻田土壤中碳鐵耦合驅(qū)動的有機碳轉(zhuǎn)化與穩(wěn)定機制，不僅可為構(gòu)建稻田土壤有機碳增匯技術(shù)提供理論依據(jù)，更能為全球碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)提供重要理論支撐。稻田生態(tài)系統(tǒng)作為重要的陸地碳匯系統(tǒng)，其碳固定效能的提升對應(yīng)對全球氣候變化具有重要科學(xué)價值和應(yīng)用前景。鐵礦物作為土壤有機碳（SOC）的關(guān)鍵賦存介質(zhì)，通過表面絡(luò)合與化學(xué)共沉淀作用固定了全球約33.5%的SOC。稻田淹水條件下，微生物異化鐵還原過程會導(dǎo)致鐵結(jié)合態(tài)碳的釋放與再礦化，這一生物地球化學(xué)過程構(gòu)成了稻田系統(tǒng)碳-鐵耦合循環(huán)的關(guān)鍵限速步驟。因此，系統(tǒng)闡明稻田土壤中碳鐵耦合驅(qū)動的有機碳轉(zhuǎn)化與穩(wěn)定機制，不僅可為構(gòu)建稻田土壤有機碳增匯技術(shù)提供理論依據(jù)，更能為全球碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)提供重要理論支撐。基于上述目標(biāo)，中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所吳金水團隊，構(gòu)建并完善了適合水稻土的碳同位素示蹤技術(shù)、界面可視化技術(shù)、有機碳分解源解析和碳匯功能模型計算等系列方法體系，系統(tǒng)解析了稻田土壤碳鐵耦合驅(qū)動的有機碳轉(zhuǎn)化與固持過程機制。相關(guān)成果發(fā)表于Global Change Biology（2022）、Soil Biology and Biochemistry (2023,2024,2025)、Science of the Total Environment (2024a,b)等國際權(quán)威期刊。進展一：水稻根表鐵膜的碳“銹匯”機制和功能根際沉積碳輸入土壤后，首先與根際鐵氧化物接觸并被逐步吸附固定，但目前對于“根系-微生物-土壤”多界面的水稻根際熱區(qū)的碳鐵耦合動態(tài)過程機制還尚不清楚。本研究以碳鐵循環(huán)過程最活躍的水稻根際為研究對象，應(yīng)用界面可視化技術(shù)（原位酶譜、平面光電極等），解析根表鐵膜形成及其對根際沉積碳的固持效應(yīng)及作用機制。研究表明在水稻根系處可以形成根表鐵膜，主要通過以下過程有效固定有機碳：水稻根系釋放的氧氣引起了二價鐵氧化為三價鐵沉淀，有機碳可以與非晶質(zhì)鐵共沉淀，并阻止微生物礦化。添加二價鐵可以有效促進根表鐵膜形成，增加固碳效率。該研究預(yù)估了全球每季水稻共有130 Mg C通過根表鐵膜進行積累，表明在長期水稻種植條件下，新穩(wěn)定的碳是土壤原有碳庫的重要補充，對于更加全面的認識稻田土壤有機質(zhì)固定機制及實現(xiàn)“碳中和”路徑具有重要意義。進展二：鐵還原過程調(diào)控水稻根際激發(fā)效應(yīng)強度水稻根際沉積碳是土壤有機碳庫的重要輸入源，但也會通過激發(fā)微生物代謝活性加速土壤有機碳的分解礦化，產(chǎn)生的正向激發(fā)效應(yīng)。土壤活性鐵氧化物可吸附固定新輸入的根際碳組分，形成物理化學(xué)保護屏障以降低其生物可利用性。為了研究鐵氧化物對根際沉積碳的保護、和對土壤有機碳礦化及其根際激發(fā)效應(yīng)的影響，本研究通過13CO2連續(xù)標(biāo)記水稻盆栽試驗體系，引入腐植酸作為電子穿梭介質(zhì)促進異化鐵還原過程，探討Fe(III)還原-有機碳釋放過程對根際激發(fā)效應(yīng)的調(diào)控機制。結(jié)果表明腐植酸加入使水稻根際激發(fā)效應(yīng)強度增加了約25%。根系生長與Fe(III)還原過程協(xié)同刺激了根際CO2排放總量，但該過程不受微生物生物量與酶活性變化的影響。分析發(fā)現(xiàn)土壤中活性鐵氧化物通過物理保護作用降低有機質(zhì)的微生物分解，而腐植酸通過加速Fe(III)還原，增加鐵氧化物保護有機碳的釋放，進而提高根際激發(fā)效應(yīng)強度，所以Fe(III)還原與團聚體物理保護共同控制著微生物難接觸有機碳向生物可利用有機碳的非生物轉(zhuǎn)化過程，從而調(diào)控土壤有機碳的微生物分解礦化；研究結(jié)果揭示了活性鐵礦物的還原是釋放物理化學(xué)保護態(tài)有機質(zhì)的限速步驟，其動態(tài)過程最終決定水稻根際激發(fā)效應(yīng)的強度。進展三：碳鐵復(fù)合物對稻田土壤有機碳的保護效應(yīng)與機制傳統(tǒng)研究受限于鐵-碳復(fù)合物與土壤基質(zhì)的不可分離性，難以定量解析鐵礦物類型及碳負載量等關(guān)鍵參數(shù)對碳鐵復(fù)合物穩(wěn)定性及土壤原有碳礦化的影響。本研究采用同位素示蹤技術(shù)構(gòu)建了不同鐵礦物類型及碳負載量梯度的多形態(tài)碳鐵復(fù)合物體系，借助室內(nèi)模擬培養(yǎng)試驗，系統(tǒng)解析了2線（低結(jié)晶度）和6線（較高結(jié)晶度）水鐵礦結(jié)合態(tài)葡萄糖（高/低碳負載量）及土壤原有碳的礦化特征。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：2線水鐵礦結(jié)合態(tài)葡萄糖的累積礦化率較6線水鐵礦高21%，證實結(jié)晶度增加顯著降低鐵結(jié)合有機碳的生物有效性；碳鐵復(fù)合物輸入導(dǎo)致負激發(fā)效應(yīng)（-0.33%~-0.55% SOC），顯示鐵礦物對SOC的保護作用；CO2激發(fā)效應(yīng)強度與鐵礦物結(jié)晶度呈負相關(guān)，而CH4激發(fā)效應(yīng)受碳負載量呈正相關(guān)。研究明確了鐵礦物通過降低其結(jié)合的碳被礦化并抑制土壤有機碳礦化，進而促進稻田土壤有機碳積累，且碳積累效應(yīng)取決于鐵礦物的結(jié)晶度以及碳負載量。基于鐵礦物單位碳負載量產(chǎn)生的土壤凈碳平衡（即碳鐵復(fù)合物的固碳效率），發(fā)現(xiàn)6線水鐵礦結(jié)合態(tài)葡萄糖的固碳效率比2線水鐵礦高51%。這主要歸因于高結(jié)晶度鐵礦物更強的有機碳保護能力，其通過限制微生物接觸鐵保護的有機碳，使其結(jié)合碳的礦化率和SOC激發(fā)效應(yīng)強度分別降低29%和67%。同時，碳鐵復(fù)合物的固碳效率隨碳負載量增加呈下降趨勢，表明碳鐵復(fù)合物的穩(wěn)定性和碳負載量共同構(gòu)成富鐵水稻土固碳效率的關(guān)鍵調(diào)控因子。進展四：鐵氧化物形態(tài)與結(jié)合方式對有機碳穩(wěn)定性的協(xié)同調(diào)控借助厭氧培養(yǎng)實驗，系統(tǒng)對比針鐵礦與水鐵礦通過吸附和共沉淀形式形成的碳鐵復(fù)合穩(wěn)定性差異：低結(jié)晶度的水鐵礦結(jié)合葡萄糖礦化率顯著高于高結(jié)晶度針鐵礦處理，這與前者更易被還原的特性密切相關(guān)。四種碳鐵復(fù)合物中，共沉淀態(tài)的針鐵礦-有機碳復(fù)合物表現(xiàn)出最優(yōu)的固碳效果：相較于游離葡萄糖處理，其13C-CO2礦化量減少17~41%，13C-CH4礦化量降低21~61%，該類型碳鐵復(fù)合物具有最長有機碳駐留時間和最低礦化速率，且綜合溫室效應(yīng)（CO2當(dāng)量）下降幅度達62~71%。游離葡萄糖處理引發(fā)了CO2負激發(fā)效應(yīng)和CH4正激發(fā)效應(yīng)，而鐵結(jié)合葡萄糖處理則呈現(xiàn)相反的激發(fā)效應(yīng)模式。這種差異可能源于鐵氧化物既作為電子受體參與鐵還原過程，又通過磷固定加劇微生物養(yǎng)分限制。鐵氧化物形態(tài)對SOC穩(wěn)定性的影響強于其與有機碳的結(jié)合方式。高結(jié)晶度的針鐵礦一方面延緩鐵還原速率，另一方面降低土壤有效磷的生物可利用性，進而降低SOC分解速率，提高其穩(wěn)定性。綜上，這些發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)揭示了水稻土鐵氧化物對根際沉積碳的保護機制，闡明了鐵氧化物結(jié)晶度與有機碳結(jié)合方式及碳負載量對SOC積累的協(xié)同調(diào)控機制。從農(nóng)業(yè)管理角度而言，促進土壤中高結(jié)晶度鐵氧化物通過共沉淀方式與有機碳結(jié)合，不僅能有效提升SOC固存能力，還可通過降低CH4等溫室氣體排放，顯著緩解稻田生態(tài)系統(tǒng)對全球變暖的貢獻。這些發(fā)現(xiàn)為通過鐵碳耦合調(diào)控實現(xiàn)農(nóng)業(yè)碳中和目標(biāo)提供了重要的理論依據(jù)。論文鏈接：1?2?3?4?5?6水稻根際鐵氧化物固碳的生物與非生物機制（Global Change Biology,2022）鐵還原對水稻土有機碳礦化及其根際激發(fā)效應(yīng)的調(diào)控機制(Science of the Total Environment,2024a)碳鐵復(fù)合物降低其結(jié)合碳釋放與礦化并誘導(dǎo)負激發(fā)效應(yīng)的概念模型 (Soil Biology and Biochemistry,2023)碳鐵復(fù)合物的固碳效率隨鐵礦物結(jié)晶度和碳負載量的變化規(guī)律 (Soil Biology and Biochemistry,2025)厭氧條件下鐵氧化物形態(tài)對碳鐵復(fù)合物穩(wěn)定性及土壤激發(fā)效應(yīng)的影響機制(Soil Biology and Biochemistry,2024)厭氧條件下碳鐵復(fù)合物結(jié)合形式對其結(jié)合態(tài)碳釋放與礦化的影響(Science of the Total Environment,2024b)
