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廣州地化所：印度-亞洲碰撞及其構造耦合時間為~51 Ma
縫合帶兩側的上地殼變形及斷層體系的同步發育是匯聚板塊間發生構造耦合最敏感、最及時的淺地表響應，對于理解大陸俯沖（“軟碰撞”）到大陸碰撞（“硬碰撞”）的轉換至關重要。就印度-亞洲碰撞而言，沉積物源分析揭示了印度板塊與亞洲板塊于ca.59 Ma初始接觸（“軟碰撞”），而印度-亞洲匯聚速率的驟降及上板片記錄的首個古近紀變形脈沖卻發生在ca.52 Ma，明顯滯后于兩板塊初始接觸時間。這是否暗示印度-亞洲碰撞存在一個由“軟碰撞”向“硬碰撞”過渡的過程？若是如此，雅魯藏布縫合線以南的主要斷層理應記錄同時期的變形脈沖以響應此刻印度與亞洲板塊間的重要構造耦合。
基于以上科學問題及思路，中國科學院廣州地球化學研究所同位素地球化學國家重點實驗室大陸邊緣構造學科組趙奇博士及閆義研究員，聯合日本高知大學Satoshi Tonai博士、美國邁阿密大學Yildirim Dilek教授及廣州海洋地質調查局朱作飛博士，通過對雅魯藏布縫合線南側的仲巴-江孜逆沖斷層進行脆性結構相分析（圖1），綜合運用斷層伊利石年齡分析法和氫同位素分析法，重構了仲巴-江孜斷層的完整演化史，發現：
?。?）研究區仲巴-江孜斷層可劃分為3個脆性結構域（圖2），伊利石年齡分析表明各結構域中斷層泥具有共同的、相對于圍巖更為年輕的2M1多型伊利石/云母端元年齡（ca.80 Ma; 圖3a），指示仲巴-江孜斷層于ca.80 Ma開始活動或同期的構造熱事件；而各結構域的自生1M/1Md多型伊利石端元呈現出自南向北變年輕的趨勢（ca.51 Ma, ca.49 Ma和ca.46 Ma; 圖3a），代表后期斷層內部變形局部化（圖4b, c）；
?。?）各結構域的2M1多型伊利石/云母端元的氫同位素值指示斷層初始時受變質流體影響（圖3b, c），結合其年齡數據，支持ca.81 Ma新特提斯洋洋中脊俯沖模式（圖4a, d）；而各結構域的1M/1Md多型伊利石端元的氫同位素值表明，仲巴-江孜斷層在后期變形局部化階段有大量的大氣水滲入（圖3b, c），指示該斷層于ca.51 Ma開始重復活動時，已經逆沖到印度大陸邊緣之上且位于海平面以上（圖4b, e）；
?。?）繼印度-亞洲板塊初始接觸后（ca.59 Ma），仲巴-江孜斷層的首個脆性變形時間（ca.51 Ma）與上板片記錄的首個變形脈沖時間（ca.52 Ma）一致?？紤]到同時期印度-亞洲板塊間匯聚速率的驟降（ca.16 cm/yr 至ca.8 cm/yr），認為印度與亞洲板塊于ca.51 Ma發生重要的構造耦合，可能代表了大陸碰撞（“硬碰撞”）的開始。
該研究從構造年代學的角度強調了印度-亞洲板塊匯聚于~51Ma發生了重要的構造耦合，為研究大陸碰撞的早期階段如何過渡提供了關鍵線索。研究成果近期發表于國際地學權威期刊《Geology》上。該項研究得到了國家自然科學基金青年科學基金項目（42202248）資助。
論文信息：Zhao Qi (趙奇), Yan Yi (閆義), Tonai Satoshi, Dilek Yildirim, Zhu Zuofei (朱作飛), Timing of India–Asia collision and significant coupling between them around 51 Ma: Insights from the activation history of the Zhongba–Gyangze Thrust in Southern Tibet: Geology, https://doi.org/10.1130/G51615.1.
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圖1.（a）藏南地區簡要地質圖；（b）A–A'剖面圖；（c）斷層面理的下半球等面積投影；（d）藏南地區主要斷層年齡；（e-f）仲巴-江孜斷層的野外露頭和采樣位置。
圖2.（a-c）各脆性結構域的結構特征;（d-f）各結構域中斷層泥中、粗粒級的掃描電鏡結果和各結構域斷層泥不同粒級的礦物學組成餅圖;（g）各結構域斷層泥不同粒級樣品的 K-Ar年齡和δD值與粒級之間的關系圖。
圖3.（a） 伊利石年齡分析圖，注意最老的1M/1Md伊利石端元年齡與印度-亞洲匯聚速率的驟降時間一致；（b） 伊利石δD值分析圖；（c）與2M 1和1M/1M d多型端元形成相關的流體δD值以及可能的流體儲庫。
圖4.（a-c）仲巴-江孜斷層演化模式圖，以及（d-e）斷層（再）活化期間流體活動概念模型。
2023-12-07
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“實驗6”科考船圓滿完成2023年度國家自然科學基金東印度洋共享航次
12月1日，由中國科學院南海海洋研究所組織實施的國家自然科學基金2023年東印度洋綜合科學考察共享航次結束，返抵廣州新洲碼頭。中國科學院南海海洋研究所副所長林強到港慰問并致辭。
本航次于2023年9月10日啟航，由 “實驗6”號科考船執行，來自中國科學院南海海洋研究所、中國科學院海洋研究所、自然資源部第二海洋研究所、自然資源部第三海洋研究所、中國海洋大學、華東師范大學、廈門大學、中山大學、南京大學等13家單位28項項目的37位科學家參加。中國科學院南海海洋研究所研究員王衛強擔任航次首席科學家。
航次歷時83天，總航程達13700海里，完成調查設計斷面6條，大面CTD站位87個，采集海水154次，主要開展水文氣象觀測、海洋沉積物采集、生物化學、大氣氣溶膠及海底地震采集調查等工作，涉及海洋科學領域多個學科，獲得了大量的現場觀測數據和樣品。
東印度洋綜合科學考察航次是國家自然科學基金委資助的共享航次之一，目的是通過對熱帶東印度洋進行多學科綜合交叉調查，深入對該海域海汽過程的認識，增強對該海域環流的季節和季節內特征的理解，闡釋生物地球化學關鍵因子的循環過程及環流系統對該過程的貢獻，揭示該海域地質特征，推進印度洋沉積與古海洋環境學的研究。
2023-12-05
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放線菌鞭毛起源和退化研究獲得新進展
近日，中國科學院南海海洋研究所熱帶海洋生物資源與生態重點實驗室研究員高貝樂團隊在放線菌鞭毛起源和退化研究中取得新進展，相關成果以“The common origin and degenerative evolution of flagella in Actinobacteria”為題，在線發表于mBio。中國科學院南海海洋研究所助理研究員朱思琦、科研助理孫賢為該論文的共同第一作者，高貝樂為論文通訊作者。
細菌鞭毛是最復雜的納米機器之一，鞭毛介導的運動在細菌環境適應過程中發揮著重要作用，并對其形態、生理和發育具有直接影響。鞭毛和鞭毛介導的運動可能在細菌進化過程中發揮了重要作用。然而，鞭毛的獲得和丟失對細菌譜系演化的影響缺乏系統的研究，尤其是在高級分類水平。放線菌門是細菌域中最大的細菌門之一，在生態分布、形態特征、生理和生命周期等方面都展現出巨大的生物多樣性。放線菌門中最具代表的分枝桿菌和鏈霉菌都沒有鞭毛，而少數放線菌能在其生命周期的早期短暫形成帶有鞭毛的游動孢子，以極高的速度運動，但相關的功能研究十分匱乏。早期的細菌域基因組分析表明，極少數放線菌具有“不完整”的鞭毛基因，而這些鞭毛基因的進化來源和演變過程并不明確，鞭毛馬達的組成和結構有待揭示，鞭毛運動與放線菌豐富的生物多樣性之間的關系尚不清楚。
本研究對目前已知的放線菌門下的所有譜系的鞭毛基因分布和組成，結合生理、生態等特征進行了全面分析。研究結果表明，放線菌的祖先具有完整的鞭毛基因，主要通過垂直傳遞的方式遺傳給子代。放線菌門早期進化的譜系主要分布在水生環境中，這些單細胞物種普遍保留了鞭毛基因；隨后進化的譜系（放線菌綱）大多與宿主相關或分離自土壤環境，并且能夠形成菌絲體并具備復雜的細胞周期，這些譜系經歷了多次鞭毛基因的丟失事件（圖1）。能夠形成游動孢子的放線菌只在單細胞的孢子形成階段利用鞭毛運動，一旦孢子萌發就開始丟失鞭毛并喪失運動性。為了保留鞭毛基因，我們發現這些基因組中具備更多的c-di-GMP合成酶和趨化類型，可能用以協調鞭毛基因的表達和細胞周期（圖1）。
放線菌門隨后進化的譜系除了鞭毛基因的大量丟失外，保留鞭毛的物種在其結構上也經歷了退化。早期出現的譜系具有與模式生物相似的鞭毛組分，而后期進化的譜系丟失了部分鞭毛基因，其中最顯著的是鞭毛的遠端桿組分FlgFG，形成了目前已知的最簡單的鞭毛桿結構（圖2）。FlgFG是鞭毛桿-鞭毛鉤連接的分子基礎，這說明目前基于沙門氏菌的組裝模型并不適用于這些物種。由于鞭毛桿內嵌于細胞壁之中，必須與周圍結構協同進化，我們推測這些沒有FlgFG的放線菌在細胞壁結構上也發生了改變。此外，隨著鞭毛結構的改變，后期進化的放線菌的趨化類型也從F1型變成了F5型（圖1）。
綜上所述，研究團隊通過深度的基因組學分析，揭示了放線菌鞭毛基因的起源和零星分布之謎，為放線菌物種演化與鞭毛丟失之間的聯系提供了獨特見解。作為放線菌鞭毛退化的產物，最簡單的鞭毛桿有望成為合成生物學中重構納米機器的模型。
本研究得到了中國科學院戰略性先導專項、國家重點研發計劃項目、南方海洋科學與工程引進人才團隊重點專項廣東實驗室(廣州)、廣東省科技計劃項目、中國科學院南海生態與環境工程創新研究院的資助。
相關論文信息：https://journals.asm.org/doi/10.1128/mbio.02526-23
圖1 放線菌鞭毛進化示意圖
圖2 放線菌鞭毛的退化
2023-12-06
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Nature Communications | Sc3.0重要進展，釀酒酵母染色體臂的精簡與合成重構
研究發現僅需20%的天然序列即可支持菌株存活，約45%的天然序列足以恢復菌株的穩健表型；并進而利用顯著區別于天然序列的合成型序列構建了可替代內源chrXIIL來支持酵母存活的功能性人工染色體。
作為包含了物種所有遺傳信息的復雜序列，基因組存在普遍的冗余性。 除了維持生存所需的必需基因外，基因組內還具有大量輔助型核心基因，使得生命系統在面對復雜環境變化或者部分基因功能喪失時依舊能維持正常運轉。合成基因組學作為新興的研究領域，以突破從頭設計與合成物種基因組的相關理論和技術為目標，致力于解答DNA序列與生物學功能的關聯，拓展人類對生命本質的認知和理解，合成新型人造生命。目前，人們已經實現了對多個病毒、細菌的基因組的設計與合成，并創建了僅含有473個基因的最小原核基因組。
由于基因組大小和復雜度的增加，真核生物基因組的合成面臨更多挑戰。世界上首個真核生物基因組合成計劃—釀酒酵母基因組合成計劃（Sc2.0）經過17年的不懈努力，近期完成了所有酵母染色體的人工合成（見BioArt 十篇齊發！邁向人造真核全基因組，國際釀酒酵母基因組合成計劃（Sc2.0）宣布第二階段重大進展報道）。在Sc2.0中，通過對重復序列的刪減等預計可實現約8%的酵母基因組的精簡。為了進一步探索酵母基因組序列的必需性和可塑性，中國農業科學院農業基因組研究所研究員、中國科學院深圳先進技術研究院客座研究員戴俊彪聯合曼徹斯特大學教授蔡毅之和紐約大學教授Jef Boeke發起了Sc3.0計劃1，旨在對酵母基因組進行深度精簡和重構設計，構建首個最小酵母基因組，探究真核生命的核心元素。
2023年11月30日，中國科學院深圳先進技術研究院戴俊彪團隊和趙喬團隊在Nature Communications在線發表題為Building a eukaryotic chromosome arm by de novo design and synthesis的研究論文，通過自下而上的設計策略指導釀酒酵母12號染色體左臂（chrXIIL）的深度精簡和優化。研究發現僅需20%的天然序列即可支持菌株存活，約45%的天然序列足以恢復菌株的穩健表型；并進而利用顯著區別于天然序列的合成型序列構建了可替代內源chrXIIL來支持酵母存活的功能性人工染色體。這是戴俊彪團隊繼2021年利用Sc2.0合成染色體中引入的重排系統（SCRaMbLE）建立基于非理性隨機刪減的基因組精簡策略后2（見BioArt Genome Biology兩連發 戴俊彪組報道人工基因組高效簡化策略——Sc3.0正式拉開序幕報道），取得的Sc3.0計劃的又一重要進展。
釀酒酵母中必需基因定義為敲除該基因后菌株不能在富營養培養基上存活。系統性基因敲除的研究表明約80%酵母基因都是非必需基因。釀酒酵母中存在復雜的相互作用網絡，90%以上的非必需基因與其他基因存在遺傳相互作用。多基因的同時移除極易導致合成致死現象，使得對酵母染色體及基因組的理性精簡具有極大的挑戰性。為探究酵母基因組理性精簡的設計路線，在本研究中研究人員選擇了釀酒酵母chrXIIL為研究對象。
chrXIIL全長150kb，編碼74個基因，包含10個必需基因。首先，研究人員設計了一個新型線性染色體骨架，便于后續多個版本人工染色體的高效組裝。為了測試排布方式對于左臂上必需基因功能的影響，研究人員構建了不同版本的必需基因染色體。結果顯示，相較于轉錄方向，調控序列的改變對基因的轉錄水平具有更為顯著的影響，而構建的必需基因染色體均可以很好地替代內源必需基因的功能。
隨后，研究人員通過同源重組介導的染色體截短技術在二倍體中實現了其中一條chrXIIL的整體刪除，發現僅必需基因染色體不足以替代左臂支持菌株生存，需要增加額外的關鍵基因。通過對11基因組合（10個必需基因+1個非必需基因）的系統性測試，研究人員未獲得可支持菌株存活的組合。但是，即使只需要回補2個基因，也存在超過1000種可能，亟需有效的理性原則來指導關鍵基因的篩選。
為了量化遺傳相互作用數目，本研究將與特定基因存在遺傳相互作用的其他基因的數目（GGI）作為一個評估參數。分析發現，必需基因相較于非必需基因存在更高的GGI, 且90%的高GGI基因（超過必需基因GGI的平均值）與其他基因存在合成致死的現象?；凇案逩GI的基因的功能更重要”的假設，研究人員以必需基因GGI平均值的兩倍作為閾值，篩選獲得兩個關鍵基因，并構建了帶有12個基因的人工染色體，發現該染色體可成功替代內源染色體臂來支持菌株存活，但存在嚴重的生長缺陷。
為修復該菌株的生長缺陷，研究者通過選擇性回補額外13個非必需基因（其他高GGI基因和單敲除后存在生長缺陷的基因），構建了表型顯著回復的新菌株，證實了優化原則的有效性。隨后，研究人員利用轉錄組數據鑒定了另外2個重要基因，結果顯示回補27個基因的菌株的生長得到了顯著恢復，突出了組學數據對于精簡染色體的優化迭代的指導意義。
合成菌株的代謝組數據分析結果顯示，合成菌株中多個代謝途徑受到了影響，涉及到多種氨基酸代謝通路，并且不同菌株差異性代謝產物主要集中在ABC轉運蛋白通路。這些結果提示合成菌株中氨基酸的跨膜運輸或者利用方面存在一定的功能缺陷，進而影響菌株生長，為解析菌株生長抑制機制提供了一種潛在方案。
在實現左臂序列的精簡后，研究人員采用了大膽的策略來對序列進行最大程度的改編設計：1）一種氨基酸僅對應一個優化密碼子的策略來重構基因編碼序列，2）使用完全不同于天然序列的合成型啟動子與終止子來改編調控序列。通過高效的組裝建庫和篩選方案，研究人員成功實現了24個基因的功能重構，并利用重構的轉錄單元，構建了可單獨支持細胞存活的全人工序列染色體。
綜上所述，該研究在染色體臂范圍內探究了支持生存的最小基因集，不僅達到了前所未有的精簡程度，還提出了一種新型優化策略，為酵母基因組的系統精簡提供了可能的解決方案。與此同時，該研究引入具有前瞻性的重編設計，并證實了利用顯著區別于天然序列的全人工染色體替代天然染色體臂功能的可行性。本研究結果揭示了酵母基因組序列令人驚嘆的冗余性和可塑性。
中國科學院深圳先進技術研究院副研究員姜雙英、廈門大學教授羅周卿為論文共同第一作者。戴俊彪研究員與趙喬研究員為論文通訊作者。感謝中山大學眼科中心副研究員肖傳樂為全長轉錄組分析提供的幫助。該研究獲得國家重點研發計劃、國家自然科學基金、廣東省基礎與應用基礎研究基金、中國科學院大科學計劃、深圳市科技計劃及深圳合成生物學創新研究院等多個項目的支持。
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參考文獻：
1. Dai, J., Boeke, J.D., Luo, Z., Jiang, S. & Cai, Y. Sc3.0: revamping and minimizing the yeast genome. Genome Biology 21, 205 (2020).
2. Luo, Z. et al. Compacting a synthetic yeast chromosome arm. Genome Biol 22, 5 (2021).
2023-12-06
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西南喀斯特坡地土壤-表層巖溶帶結構與水文過程協同演化
碳酸鹽巖地貌占據了全球陸地面積的10%至15%，由于其強烈的可溶蝕性，導致土層淺薄，下伏表層巖溶帶裂隙、管道網絡遍布，空間異質性高，水文過程極其復雜且易受外界環境的影響。隨著全球變化的加劇，預測喀斯特區水文過程如何響應極端氣候及人類干擾變得至關重要。要在類似喀斯特區極高異質性地質背景下，實現基于有限參數條件的水文及物質遷移轉化過程的準確刻畫，關鍵在于深入研究水文過程、植被、土壤、表層巖溶帶、基巖和其他因素之間的相互反饋機制。
碳酸鹽巖地貌占據了全球陸地面積的10%至15%，由于其強烈的可溶蝕性，導致土層淺薄，下伏表層巖溶帶裂隙、管道網絡遍布，空間異質性高，水文過程極其復雜且易受外界環境的影響。隨著全球變化的加劇，預測喀斯特區水文過程如何響應極端氣候及人類干擾變得至關重要。要在類似喀斯特區極高異質性地質背景下，實現基于有限參數條件的水文及物質遷移轉化過程的準確刻畫，關鍵在于深入研究水文過程、植被、土壤、表層巖溶帶、基巖和其他因素之間的相互反饋機制。
中國科學院亞熱帶農業生態研究所陳洪松課題組，前期在小流域尺度上，通過物探發現土壤厚度與表層巖溶帶深度顯著正相關，小流域植被群落、土壤類型、巖溶發育程度之間呈現出很好的空間對應關系，然而喀斯特山坡巖土結構與水文功能之間的定量關系仍不清楚。
針對以上科學問題，陳洪松課題組依托環江站喀斯特坡地關鍵帶三維水土過程觀測平臺，綜合應用全坡面巖土探槽開挖、巖土結構定量刻畫、多界面水文水化學過程動態監測等方法，于2019年4月至2022年5月期間共計監測了158次喀斯特關鍵帶不同界面（地表徑流、巖土界面壤中流）降雨-產流事件，同時調查了土壤-表層巖溶帶結構參數（924組土壤厚度和表層巖溶風化程度配對數據）。結果表明：（1）土層厚度隨下伏表層巖溶帶風化程度的增加而增大，土層厚度與表層巖溶帶厚度呈顯著正相關關系（P<0.001）；（2）非極端降雨條件下（降雨量<50mm/12h），地表徑流量與土壤厚度顯著正相關（P<0.001），巖土界面壤中流與土壤厚度呈顯著負相關（P=0.0018），喀斯特山坡關鍵帶產流路徑發生轉變的臨界土壤厚度為50cm；（3）降雨量>50mm/12h條件下，不同厚度小區出現地表徑流與巖土界面壤中流共存的現象，且地表徑流與巖土界面壤中流顯著正相關，說明地表水文過程與地下水文過程之間出現明顯水文連通現象。（4）相比淺薄土壤，深厚土壤的淀積層發育，且具有較高的儲水能力和CO2濃度，促進了表層巖溶帶的發育，弱透水性淀積層及高透水表層巖溶帶導致地表徑流增加，巖土界面壤中流減少。這是喀斯特關鍵帶土壤-表層巖溶帶結構與水文過程共同演化的本質原因。研究發現的雙50閾值（50cm土壤厚度以及50mm降雨量），以及喀斯特關鍵帶結構-過程-功能的共同演化規律，能為喀斯特區水土資源可持續高效利用、高精度水土過程模型構建提供理論支撐。
上述結果以Co-evolution among soil thickness, epikarst weathering degree, and runoff characteristics on a subtropical karst hillslope為題，發表在SCI一區Top期刊Journal of hydrology上（IF=6.4），該研究得到廣西重點研發項目（AB22035058）、國家重點研發項目（2022YFF1300702）資助。
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圖1 土層厚度與表層巖溶帶風化程度的關系
圖2 常規降雨條件下（降雨量<50mm/12h）徑流與土層厚度的關系
圖3 喀斯特坡地土壤-表層巖溶帶結構與水文過程協同演化機理示意圖
2023-12-03
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研究團隊揭示海冰漫射衰減系數的溫度響應機制及其對北冰洋的潛在影響
近日，中國科學院南海海洋研究所熱帶海洋環境國家重點實驗室（LTO）海洋光學研究團隊在海冰透光性溫度響應機制研究方面取得新進展。該研究明晰了海冰漫射衰減系數對冰溫變化的響應特征及內在機制，并揭示了該溫度響應對北冰洋冰藻初級生產及輻射能量傳輸的潛在影響。相關研究成果發表于Limnology And Oceanography，博士畢業生張雨為第一作者，副研究員許占堂為通訊作者。
由于海冰與太陽光的相互作用，海冰的光學特性不僅是氣候變化的一個指標，也是氣候變化的一個放大器。在北極，當太陽短波輻射到達冰表面時，大約70%的年總能量被反射到大氣中，剩余的30%被傳輸到海冰中，并分布在冰層和上層海洋中。對于反射的太陽光線，目前已有完善的海冰反照率正反饋機制來闡釋海冰變化與溫度變化之間的關系。然而，針對海冰和海水系統中光的分布及其對溫度變化的響應知之甚少，相關現象對冰區生態環境的潛在影響也不得而知。
該研究基于2016年至2022年期間于加拿大曼尼托巴大學和中國科學院南海海洋研究所進行的三次海冰光學特性和冰溫的同步觀測實驗，結合2018年和2022年的遼東灣現場驗證觀測，明晰了海冰下行輻照度漫射衰減系數(the diffuse attenuation coefficient,Kd)與冰溫(ice temperature,Tice)的負相關關系(Tice 1 ℃的變化可導致平均變化0.29 -1)，并發現Kd對高溫區間(-9 ℃ < Tice< -2 °C)的溫度響應要比低溫區間(-24 ℃ < Tice < -9 ℃)更加顯著。根據Kd-Tice定量關系對北極海冰進行參數化，估算發現：在春季光限制條件下，海冰的溫度響應可顯著影響北冰洋冰藻初級生產；而對北冰洋海冰輻射能量傳輸的影響相對較弱。
這項研究系統地研究了海冰的溫度響應，在完善海冰光學特性認知的同時，可改善大尺度氣候模式中海冰透光性的參數化。未來需要對北冰洋海冰的光學特性開展全面的觀測、參數化和遙感反演研究，以對北冰洋海冰進行更可靠的處理，同時改進海冰溫度響應對北冰洋生態影響的評估。
該研究由國家自然科學基金項目和廣東省基礎與應用基礎研究基金項目共同資助完成。
相關論文信息：Yu Zhang, Zhantang Xu*, Jens K. Ehn*, Aura Diaz, Yuezhong Yang, A significant change in sea ice diffuse attenuation coefficient with temperature and its implications for the Arctic Ocean, Limnology and Oceanography, 2023. doi: 10.1002/lno.12432
文章鏈接：http://doi.org/10.1002/lno.12432
圖1.下行光譜輻照度漫射衰減系數與冰溫的同步觀測結果
圖2. 海冰Kd溫度響應對北冰洋冰藻初級生產和海冰輻射能量傳輸的潛在影響評估
2023-11-30
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Nature Communications | 深圳先進院李光林/唐為研究團隊等提出原位釋氫調控衰老微環境促老齡骨修復的策略
研究提出了原位長效釋氫阻止衰老進程、重塑老齡組織修復能效的策略，并系統探究了氫分子對于老齡骨組織中三類關鍵細胞（干細胞、巨噬細胞、骨細胞）衰老行為的影響。
近年來，人口老齡化日益加劇，老齡化不僅直接導致了對組織修復材料和制品的巨大需求。值得關注的是，老齡患者的組織損傷伴有衰老相關變化，衰老環境中免疫系統紊亂，衰老細胞發生DNA損傷、線粒體功能障礙、過度氧化應激反應等現象，且大量表達由炎癥因子、趨化因子、基質降解蛋白酶等組成的衰老相關分泌表型因子（Senescence-Associated Secretory Phenotype，SASP），嚴重制約組織再生修復效果。盡管一系列抗衰老藥物被報道，但均具有半衰期短、系統性毒副作用、有效性不足（不同細胞對藥物的敏感程度不一）等問題。目前國內外缺乏針對改善衰老微環境的組織修復材料。
近日，集成所神經工程中心李光林/唐為研究團隊聯合上海交通大學氫科學中心何前軍教授、華東理工大學劉昌勝院士在Nature Communications發表了題為Local H2 release remodels senescence microenvironment for improved repair of injured bone 的文章，共同提出了原位長效釋氫阻止衰老進程、重塑老齡組織修復能效的策略，并系統探究了氫分子對于老齡骨組織中三類關鍵細胞（干細胞、巨噬細胞、骨細胞）衰老行為的影響。研究發現，氫分子具有廣譜抗衰老效應，并展現出明顯的SASP抑制效應（senomorphics）和一定程度的衰老細胞清除效應（senolytics）?；诖?，設計、開發了一種具有高產氫率（911 mL/g）、良好生物相容性的硅化鈣納米材料（CaSi2，CSN），采用靜電電噴策略以可降解聚合物聚羥基脂肪酸酯為載體（Polyhydroxyalkanoate，PHA）共電噴于介孔活性玻璃支架上（Mesoporous Bioactive Glass，MBG），實現了體內原位超1周釋氫，較傳統注射等量富氫水釋氫量高46000倍。體內原位釋氫顯著性減緩了修復過程中多細胞衰老進程，介導衰老巨噬細胞抑炎極化和干細胞活性與功能維持，促進老齡骨缺損衰老與炎癥疊加的病理微環境向促再生方向轉化，有效實現24月齡老齡小鼠臨界股骨缺損修復。
中國科學院深圳先進技術研究院、上海交通大學與華東理工大學為該論文共同通訊單位。中國科學院深圳先進技術研究院為論文第一完成單位。該工作也得到了國家自然科學基礎科學中心、中國科學院人機智能協同系統重點實驗室、國家自然科學基金、廣東省自然科學基金、深圳市科創委基礎研究項目、中國科學院青年創新促進會、博士后創新人才支持計劃和上海交通大學氫科學中心等的資助。
圖1：氫分子對老齡骨組織中干細胞、巨噬細胞和骨細胞均具有顯著抗衰老效應
圖2：原位釋氫支架CSN@PHA-MBG有效實現了24月齡老齡鼠臨界骨缺損修復
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2023-12-01
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廣州地化所：大理苦橄欖巖中橄欖石熔體包裹體的水含量和氫同位素研究——重新評估水在峨眉山大火成巖省形成中的作用
大火成巖省是短時、巨量噴發的鎂鐵質巖漿建造，代表了地球內部巨量物質和能量的集中釋放。地質記錄表明，大火成巖省可以通過大規?；鹕矫摎猓ò℉2O、SO2、CO2、F和Cl）對全球環境產生重大影響，可能造成生物大滅絕等重大災變事件。大火成巖省的成因目前還沒有一致看法，早期科學家們都強調了過量的熱或者減壓熔融的作用，但是后來的研究者強調巖漿中高的水含量對大火成巖省的形成才是最重要的因素。位于我國西南地區的峨眉山大火成巖省是我國第一個世界公認的大火成巖省，其源區和原始巖漿水含量存在較大的爭議。傳統上認為峨眉山大火成巖省非常干，根據橄欖石和熔體中Ca的分配系數計算結果表明，其源區幾乎不含水。但是通過紅外光譜測試的單斜輝石斑晶的水含量推斷的大理苦橄巖原始巖漿中的水含量可能高達3.4%，相當于島弧巖漿。因此水對峨眉山大火成省形成的貢獻仍然存在爭議。
為了厘清峨眉山大火成巖省原始巖漿中的水含量，以及水在大火成巖省形成中扮演的角色，廣州地球化學研究所同位素地球化學國家重點實驗室、深地科學卓越創新中心的陳綺靜博士研究生在夏小平和任鐘元研究員的指導下，研究了峨眉山大火成巖省中大理苦橄巖橄欖石中的熔體包裹體的主、微量元素、揮發分和氫同位素組成，發現熔體包裹體記錄的水含量為0.01-1.73 wt.%；氫同位素為δD=87 ± 11‰至-267 ± 14‰，均具有很大的變化范圍（圖1）。最低的氫同位素比值低于平均地幔（-80±10‰），與脫水板塊及深部地幔源區（<-200‰）的氫同位素比值相當，表明大理熔體包裹體大多經歷了H +擴散丟失和H 2O脫氣的影響，但是一些熔體包裹體可能經歷了快速冷卻，仍然保留了其原始巖漿的氫同位素和水含量特征。根據這些數據恢復的大理苦橄欖巖原始巖漿H 2O含量約為1.35 wt.%，低于前人對峨眉山大火成巖省原始巖漿的估計（3.44 ± 0.89 wt.%或4.0–5.6 wt.%；圖2），支持峨眉山大火成巖省原始巖漿為中度富水的洋島玄武巖型（OIB），而不是高度富水的島弧型，其源區的H 2O/Ce比跟其他中度富水的大火成巖省如塔里木，Karoo，Columbia River， Snake River Plain相當（圖3），遠小于科馬提巖，可能說明水在峨眉山大火成巖省形成過程中所起的作用與其他大火成巖省差不多，沒有科馬提巖那么明顯。
圖1 大理熔體包裹體水含量和氫同位素圖解
圖2 大理苦橄巖巖漿水含量與不同構造巖漿水含量對比。
圖3 科馬提巖、大火成巖省等不同來源巖漿的H 2O/Ce比對比圖（修改自Liu et al., 2017）。
該成果近期發表在JGR：Solid Earth上，本研究得到了國家重點研發計劃項目（2018YFA0702600）和國家科學基金項目（41672057；41973021）的資助。
論文信息：Qijing Chen (陳綺靜), Zhong-Yuan Ren (任鐘元), Xiao-Ping Xia* (夏小平), Le Zhang (張樂), Qing Yang (楊晴), Chao Yuan (袁超) (2023). Water content and hydrogen isotopes of olivine-hosted melt inclusions in the Dali picrites, SW China: Reassessing the role of water in the formation of the Emeishan large igneous province. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 128, e2023JB027547
論文鏈接
2023-11-28
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研究團隊揭示蘇祿海大尺度環流對內孤立波動力學特征參數的影響規律
近日，中國科學院南海海洋研究所熱帶海洋環境國家重點實驗室蔡樹群研究團隊在蘇祿海大尺度環流對內孤立波傳播及其色散和非線性平衡的影響研究方面取得進展。相關成果于近日發表在Progress in Oceanography《海洋學進展》上，博士謝皆爍為論文第一作者，研究員蔡樹群為通訊作者，合作者還包括國防科技大學博士杜輝、中國船舶科學研究中心博士劉樂等。
衛星圖像顯示，蘇祿群島附近激發的內孤立波能夠跨越整個蘇祿海海盆傳播。這些內孤立波的傳播過程及其能量等的變化可能受其背景大尺度環流變化的影響。本研究借助再分析及遙感觀測數據，并結合內孤立波的基本理論參數模型，探究了蘇祿海海盆尺度環流及其西邊界流這兩個主要大尺度環流模態對該海域內孤立波關鍵動力參數（包括傳播速度、非線性強度、色散強度等）的調制情況；指出背景平均的蘇祿海大尺度環流會增加內孤立波的傳播速度及其色散強度，但減少內孤立波的非線性強度，從而表明內孤立波的色散分裂過程會被增強，有利于內孤立波能量向高頻波動部分串級；內孤立波關鍵動力參數海盆模態的季節變化則分別與兩個主要大尺度環流模態的季節變化強相關，內孤立波傳播速度、非線性強度及色散強度受大尺度環流變化影響的季節性擾動幅值分別可達到背景值的15%、30%和20%；蘇祿海環流引起的內孤立波速度異常主要受其大尺度海流變化所影響，而內孤立波非線性強度異常則主要由其背景層化變化所導致（圖1）。該研究表明，內孤立波活動關鍵海域主要大尺度環流模態的變化會在一定程度上改變和調整內孤立波非線性陡化過程及色散分裂過程的平衡關系，進而調制內孤立波能量串級的其他關鍵過程，并最終影響內孤立波破碎及消亡規律。
該研究由國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金項目、“廣東特支計劃”青年拔尖人才項目、中科院南海海洋所“南海新星”項目等共同資助完成。
相關論文信息：Xie J., H. Du, Y. Gong, J. Niu, Y. He, Z. Chen, G. Liu, L. Liu, L. Zhang, S. Cai. The role of seasonal circulation in the variability of dynamic parameters of internal solitary waves in the Sulu Sea. Progress in Oceanography, 2023, 217, 103100.
文章鏈接： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S007966112300143X
圖1 蘇祿海海盆尺度環流致層化和海流變化對內孤立波傳播速度及其非線性和色散的影響
2023-11-24
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華南植物園發現植物入侵產生的藍碳增匯可彌補因土地利用造成的碳損失
鹽沼濕地作為典型的濱海藍碳生態系統，是全球藍碳碳匯的主要貢獻者之一。鹽沼濕地廣泛分布于中國濱海區域，據估計我國的鹽沼濕地土壤碳儲量為7.5 ± 0.6 Tg ，平均碳沉積速率( CAR )達到201 g C m-2 yr-1 ，高于全球平均水平( 168 g C m-2 yr-1 ) 。然而，近幾十年來，由于植物入侵和土地利用的改變，我國鹽沼濕地的景觀分布格局發生了巨大的變化。這些過程都極大地改變了鹽沼濕地的面積分布和物種組成，從而對濱海濕地碳儲量和碳埋藏產生深遠的影響。該研究表明濱海藍碳的碳匯功能很大程度上受鹽沼植被覆蓋的調控，而向海側的互花米草入侵光灘有利于鹽沼濕地碳固存。1982 -2 021年間鹽城鹽沼濕地藍碳碳匯功能的變化.
鹽沼濕地作為典型的濱海藍碳生態系統，是全球藍碳碳匯的主要貢獻者之一。鹽沼濕地廣泛分布于中國濱海區域，據估計我國的鹽沼濕地土壤碳儲量為7.5±0.6 Tg，平均碳沉積速率 (CAR) 達到201 g C m-2 yr-1，高于全球平均水平 (168 g C m-2 yr-1)。然而，近幾十年來，由于植物入侵和土地利用的改變，我國鹽沼濕地的景觀分布格局發生了巨大的變化。這些過程都極大地改變了鹽沼濕地的面積分布和物種組成，從而對濱海濕地碳儲量和碳埋藏產生深遠的影響。
中國科學院華南植物園海岸帶生態系統過程與環境健康研究組為了探究在雙重因子（植物入侵和人類活動）的驅動下，鹽沼濕地過去的幾十年里景觀格局及其碳匯功能的變化。中國科學院華南植物園海岸帶生態系統過程與環境健康研究組以鹽城濱海濕地為研究對象，綜合運用遙感分類與數據整合的方法，研究了1982-2021年間來植物入侵和人類圍墾在時空尺度上對鹽城鹽沼濕地藍碳碳匯功能的影響。
研究結果發現，過去四十年來，外來植物互花米草（Spartina alterniflora）的入侵大大增加了鹽城區域的藍碳儲量，這主要與互花米草在光灘上的擴張以及該植物所具有的高效固碳能力相關。從土地利用轉移矩陣來看，互花米草較少直接入侵本土植物覆蓋的鹽沼濕地，而是其在光灘的定植和擴張減少了海水的鹽分輸入，從而改變了本土植物之間的種間競爭。我國特有的“紅海灘”——鹽地堿蓬（Suaeda salsa）濕地面積由于土地圍墾和本土物種蘆葦（Phragmites australis）的侵占而大幅減小，其面積減幅達到了90%。蘆葦濕地面積前期被人類圍墾所大量占據，但其通過侵入鹽地堿蓬濕地而得到很好的抵消，因此蘆葦濕地的面積在過去四十年間沒有太大的變化（圖1）。最終對碳匯的核算表明：過去四十年間，鹽城鹽沼濕地的總面積減少了43.09 km2，但由互花米草入侵帶來的藍碳增益超過了土地圍墾和鹽地堿蓬濕地喪失導致的碳損失（圖2）。
該研究表明濱海藍碳的碳匯功能很大程度上受鹽沼植被覆蓋的調控，而向海側的互花米草入侵光灘有利于鹽沼濕地碳固存。類似的生物入侵與植被演替過程可能適用于世界其他地區，對藍碳碳匯研究和鹽沼時空變化具有重要的研究意義。文章建議制定環境管理措施來平衡互花米草的生態負面影響及其強大的碳固存能力是一項復雜的挑戰，需要付諸更多的實踐以系統評估其綜合生態效應。
相關研究成果已近期在線發表在國際專業期刊Carbon Research（《碳研究》）。華南植物園博士研究生周金戈為論文第一作者，王法明研究員為論文通訊作者。該項研究得到國家自然科學基金、廣東省重點研發計劃、廣東省基礎與應用基礎研究基金、中國科學院基礎研究青年團隊和青年創新促進會等項目的共同資助。論文鏈接：https://doi.org/10.1007/s44246-023-00070-4
圖1. 鹽城鹽沼濕地過去四十年的時空格局變化及其藍碳碳匯效應（摘要圖）
圖2. 1982-2021年間鹽城鹽沼濕地藍碳碳匯功能的變化
2023-11-21
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