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              科研进展
              • 深海微生物原位采样新技术及应用

                  深海是一个由高压和低温组成的极端环境,并存在热液、冷泉、泥火山、盐卤池等各种特殊生境。由于光线无法到达,深海生态系统被称为为以化能自养微生物为生命基础的“暗世界”。基于深海生物学研究在揭示生命起源与演化机制、解析全球碳氮元素循环过程以及寻找新的天然活性产物和工程酶类方面的重要意义和价值,越来越多科学研究人员将目光投向深海,并开展了一系列前沿性的深海探索项目。 
                  作为海洋中最高丰度和生物量的生命形态,海洋微生物在碳、氮、硫等关键元素循环方面发挥重要作用,是生物地球化学循环过程中最重要的一员,因而成为海洋前沿科学研究的主要专注点之一。然而,受限于微生物培养技术条件的不足,实验室可培养的微生物种类非常有限,由于受压力、温度、原位物质能量特征等因素的影响深海来源的微生物更是难以培养。因此,对微生物的研究极度需要非培养依赖性的技术手段。目前,利用DGGE电泳、16S rRNA文库以及454焦磷酸法测序等手段,研究人员已对环境微生物的群落结构有了比较深入的认识。近年来高通量测序技术的快速发展更让科学家们得以从宏基因组学和宏转录组学水平解析环境微生物的功能特征。宏基因组学是从DNA水平上对环境微生物所携带的功能特征基因进行分析。宏转录组学则是从RNA水平上反应微生物的原位基因表达情况,可以更真实的揭示环境微生物的活性状态,日渐成为环境微生物学研究的发展趋势。 
                  相对于DNA分子,RNA非常易于降解,其半衰期一般仅有几分钟(Steglich et al., 2010),这对如何获取真实反映微生物原位表达活性的转录组数据构成极大挑战。对于深海微生物取样而言,常规手段是通过Niskin取样瓶采集海水样品,将样品收回到船上后进行过滤收集和固定处理,这种取样方式存在诸多不足,从深海取样采集到回收至甲板上一般需耗时几十分钟至数小时不等,样品回收过程中压力、温度,及溶氧量等诸多环境因素的变化,将影响微生物的活性状态,致使获取的深海微生物样品无法真实反应其深海原位的基因表达情况。采用合适的装备,对深海样品进行原位富集过滤,并进行原位固定取样成为解决这一问题的关键。 
                  在深海原位微生物取样技术方面,国外目前已经开展了相关的研发工作。其中,美国伍兹霍尔海洋研究所(WHOI)研发了拥有多个采样瓶的序列生物水体采样装置,可根据科学需求选择采集水体样本或是微生物样品,并能携带固定液完成样品的原位固定,实现原位样品序列采集功能。该实验装置已在大西洋中脊实验航次中,搭载于ROV深潜器进行了验证性实验(Breier et al., 2009)。2014年,该装置进行了系统升级,升级后的SUPR-V2系统功能更加全面(Breier et al., 2014)。Wurzbacher等人也设计开发了相对简单的原位过滤固定取样器(in situ filtration and fixation sampler, IFFS),用于分析水体中放线菌actR基因的原位表达情况。该装置配载脉冲触发装置,可在过滤给定体积的水样后(设计水样过虑体积为100ml-900ml) ,切换至固定液导管,实现对样品的原位固定(Wurzbacher et al., 2012)。Sanders等人则设计了原位生物组织匀浆固定取样器(in situ Mussel And Snail Homogenizer, ISMASH),通过搭载ROV深潜器,借助ROV机械手抓取热液区蜗牛后,可在海底放入该装置,进行原位的生物组织匀浆及样品保存,用于解析热液区贝类和螺类共生菌的转录组与共生机制(Sanders et al., 2013)。此外, McLane实验室作为一家专业科技公司(www.mclanelabs.com),服务于海洋科学研究,也根据客户需要量身设计了一系列的海洋水体取样装置,并且部分装置可搭载深海着陆器使用。不过,该公司的产品功能相对固化,对于特定需求(诸如高压力耐受性)需对装置做重新的设计调整。相对而言,国内对深海生物研究的起步较晚,技术积累相对缺乏。 
                  因应深海科学研究的需求,中国科学院深海科学与技术研究所的科学及工程技术人员通力合作,设计了一套依托于着陆器的自动化深海微生物原位富集与固定取样器(ISMIFF)。该取样器是一套可在深海及深渊环境(深度大于6000的深海海域)下进行水体微生物原位富集过滤并将其生物信息即时固定的装置。本装置主要由控制舱和过滤舱两个舱体组成。其中,控制舱是一个充油补偿舱,包含控制电路板、泵、阀以及压力传感器等,过滤舱则主要用于放置生物滤膜。该装置搭载于着陆器进行作业,由着陆器提供能源,并通过串口与着陆器进行通讯。 
                  ISMIFF的作业流程图1所示。作业开始前,需将装置内的管路清洗并充满无菌水。着陆器坐底后,为避开浮尘影响,延时0.5-2小时后向富集装置发送运行指令,富集装置控制泵开始运转,将海水泵入含有0.22 μm生物滤膜(用于截留微生物)的过滤舱中。装置内的压力传感器实时监控过滤管路中的液体压力,根据压力反馈控制泵的输出功率,从而使管路中液体压力保持在合理范围。当富集装置过滤海水体积达到预设置后,通过电磁阀切换试剂管路,将固定液注入过滤舱,以实现样品原位固定。着陆器回收后,立即在实验室进行滤膜样品的处理与保存。 
                    
                  图1. 深海微生物原位富集与固定取样器及作业流程图  
                  ISMIFF可最大程度实现原位保真取样。该取样器在过滤水体总量方面也具有明显优势,滤水初始流速高达700 ml/min,实际测试中7小时内完成约300L海水的原位过滤,远大于船载CTD采水器一次下作业的采水量240L,为在深海及深渊寡营养环境低丰度微生物样品的获取提供了便利。ISMIFF已完成121MPa(1万米海水深度1.2倍的压力值)的严格打压测试,可实现全海深原位取样,极大的扩展了装置的应用范围。 
                  ISMIFF首先在中国科学院深海科学与工程研究所所执行的马里亚纳深渊科考航次中进行了实验性应用。科学家们采集了挑战者深渊序列深度的水体微生物原位样品,通过宏基因组测序对深渊原位条件下的水体微生物群落组成进行了解析,结果表明原位条件下的微生物群落组成与常规Niskin采水瓶采集的样品有很大差异(Wang et al. 2019)。基于新的基因组分拣技术,研究人员亦成功获取了30个深渊微生物类群的高质量基因组序列,阐明了与氮硫相关的元素循环过程和转录活性特征,并重点阐释了Chloroflexi和Marinimicrobia分别在深渊难降解型有机物和蛋白类有机物的代谢方面所发挥的重要作用(图2;Gao et al. 2019)。该研究是中国科学家首次对深渊微生物基因组进行较为全面的解析并对其原位代谢活性进行了详尽的报道,揭示出深渊特殊极端环境对微生物种群分化的驱动作用。另外,此研究还表明深渊特定微生物类群可能通过氧化CO来获取能量,拓展了CO氧化菌的已知生存空间范围(Gao et al. 2019)。 
                    
                  图2. 深渊水体微生物生态角色全面解析 
                  在国家重点研发计划专项课题“冷泉系统生物演化及适应机制”的支持下,ISMIFF在海底冷泉微生物原位取样方面也实现了突破。在2019年5月及2020年5月广州海洋地质调查局“海洋地质六号”科考船的南海冷泉航次中,ISMIFF搭载“海马”号ROV,于海马冷泉区不同站位开展了底栖生物幼虫及水体微生物的富集和原位固定取样(图3)。在2021年1月,由中国科学院深海科学与工程研究所“探索二号”船执行的海南科考航次中,科学家们借助“深海勇士”号载人潜水器将ISMIFF直接布放海底,成功进行了多位点的原位固定取样(图4)。应用ISMIFF进行海底采样不仅能够大幅增加过滤水体的体积,减少工作量,而且可以实现样品原位固定,可以更好的服务于深海冷泉生态系统的科学研究。 
                    
                  图3. ISMIFF原位取样器借助“海马”号ROV在进行海底原位取样 
                    
                  图4. ISMIFF原位取样器直接布放于海底冷泉区进行原位取样 
                     
                  相关阅读: 
                  Breier JA, Rauch CG, McCartney K, Toner BM, Fakra SC, et al. (2009). A suspended-particle rosette multi-sampler for discrete biogeochemical sampling in low-particle-density waters. Deep-Sea Res PT I, 56: 1579-1589.  
                  Breier JA, Sheik CS, Gomez-Ibanez D, Sayre-McCord RT, Sanger R (2014). A large volume particulate and water multi-sampler with in situ preservation for microbial and biogeochemical studies. Deep-Sea Res PT I, 94: 195-206. 
                  Gao ZM, Huang JM, Cui GJ, Li WL, Li J, Wei ZF, et al (2019). In situ meta-omic insights into the community compositions and ecological roles of hadal microbes in the Mariana Trench. Environ Microbiol, 21: 4092-4108. 
                  Wurzbacher C, Salka I, Grossart HP. (2012). Environmental actinorhodopsin expression revealed by a new in situ filtration and fixation sampler. Environ Microbiol Rep, 4: 491-497. 
                  Wang Y, Gao ZM, Li J, He LS, Cui G, et al. (2019). Hadal water sampling by in situ microbial filtration and fixation (ISMIFF) apparatus. Deep-Sea Res PT I, 144: 132-137. 
                  Sanders JG, Beinart RA, Stewart FJ, Delong EF, Girguis PR. (2013). Metatranscriptomics reveal differences in in situ energy and nitrogen metabolism among hydrothermal vent snail symbionts. ISME J, 7: 1556-1567. 
                2021-12-09
              • 稻田和旱地土壤微生物生物量(碳、氮)含量及其环境驱动的差异机制取得新进展
                热带和亚热带地区长期植稻过程中形成了特殊的人工湿地土壤,即水稻土。相比于旱地土,水稻土具有特殊的氧化还原过程,土壤中的有机质可以支撑更多的微生物生物生物量,然而,这一现象的内在机制还缺乏系统地解释。
                  热带和亚热带地区长期植稻过程中形成了特殊的人工湿地土壤,即水稻土。相比于旱地土,水稻土具有特殊的氧化还原过程,土壤中的有机质可以支撑更多的微生物生物生物量,然而,这一现象的内在机制还缺乏系统地解释。
                  中国科学院亚热带农业生态研究所吴金水研究团队从Web of Science数据库中筛选了129篇文章中通过氯仿熏蒸提取或培养法测定的水稻土(>1700个)和水旱轮作(>1100个)土壤微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)含量数据,对其进行了荟萃分析,并与邻近旱地土壤(>360个)进行比较,结果表明:水稻土MBC含量是旱地土壤的两倍。与旱地土壤相比,稻田MBC含量高的可能原因为:与旱地作物相比,1)水稻植物的根系碳和根沉积物输入量更高;2)氧气可利用率较低,因此微生物周转较慢;3) 水稻土微生物碳同化效率高;4)稻田铁氧化物的作用有利于碳稳定。水田轮作、水田和旱地土壤中MBC在土壤总有机碳中的比例分别为3.5%、2.5%和2.1%。与旱地(9.9 ± 0.21)相比,水稻土中较高的微生物生物量C/N比(12.4 ± 0.11)反映了与缺氧条件下较慢的C损失相关的大量N损失(通过硝酸盐淋溶和反硝化作用)。尽管水稻种植的热带和亚热带地区温度更高,灌水条件更好,但与旱地土壤相比,水稻土的微生物生物量周转慢1.1-1.6倍。多元逐步回归和冗余分析表明,在水稻土、水旱轮作土壤中,相似的土壤因子(如全氮和有机碳)影响微生物生物量,而pH和有机碳含量主要影响旱地土壤中的微生物生物量(图1)。水旱轮作土壤具有交替的好氧-缺氧循环,可以吸收有机化合物并与铁(羟基)氧化物共沉淀,这是有机碳稳定的另一个机制。因此,在氧气限制条件的淹水水稻土中,微生物活性降低和微生物周转缓慢导致水稻土中微生物生物量的含量比旱地高近两倍,这对于水稻土微生物多样性和碳汇效应的维持具有重要意义。
                  上述结果以Paddy soils have a much higher microbial biomass content than upland soils: A review of the origin, mechanisms, and drivers为题,发表在Agriculture, Ecosystems & Environment上。该研究得到国家自然科学基金、湖南省自然科学基金等项目资助。
                  论文链接
                  图1 水田、水旱轮作和旱地土壤微生物生物量(碳、氮)含量差异的影响因素概念框架图
                2021-12-09
              • 广州地化所、深地科学卓越创新中心在碳酸盐岩矿物对原油裂解行为影响的研究中取得新认识
                    原油裂解行为的研究有助于预测在特定储层中油气的组成、相态特征,从而有效地指导油气勘探与开发工作。目前温度和压力对于原油裂解行为的影响已有大量研究,而储层介质环境(矿物)对原油裂解行为影响的认识则相对薄弱。通常油气储层介质按岩性可以分为碎屑岩和碳酸盐岩两大类。碎屑岩主要是由石英、长石及多种粘土矿物结合而成。已有研究表明粘土矿物会显著地影响原油裂解的行为,能促进异构化、重排等反应。碳酸盐岩储层则是一类主体由方解石(灰岩)、白云石(白云岩)所组成的孔隙发育的储层。前人大量研究表明方解石对原油裂解行为的影响很小,但鲜有研究关注白云石。此外,硫酸盐热化学还原反应(TSR)由于其广泛存在于碳酸盐岩储层中,且会对原油会造成强烈的影响(油藏酸化并被破坏)而受到国内外学者的广泛关注。国内外TSR高发地区普遍与白云岩储层有关。尽管目前国内外学者针对TSR反应的机理已有较为充分的认识,但白云石在TSR过程中是否起作用以及其作用机理等仍然存疑。
                   针对上述科学问题,中国科学院广州地球化学研究所有机地化国家重点实验室吴亮亮副研究员课题组通过典型原油与方解石、碳酸镁、白云石等多种碳酸盐岩矿物的黄金管热模拟实验揭示了的碳酸盐岩矿物特别是白云岩对原油裂解行为的影响及其机理,并进一步通过PVT相态模拟软件探究不同成熟度阶段白云岩储层介质对赋存其中原油的组成和相态的影响和变化规律。
                   研究表明两种常见的碳酸盐岩矿物(方解石和白云石)对原油裂解行为的影响存在显著差异。其中方解石的影响十分有限;但白云石则对C1-5以及C6-13的产率均有较为显著的影响。实验结果显示,碳酸镁或白云石在高温阶段可以发生裂解生成无机CO2和Mg(OH)2(图1)。而生成的Mg(OH)2易于吸附H2S气体并形成Mg(HS)2。随后基于SO42-离子浓度及H2的演化趋势,推测白云石中过渡金属可能会促进水裂解生成H2和O2,随后生成的O2会进一步将Mg(HS)2氧化成MgSO4。上述过程将导致反应体系易于富集SO42-离子及H2和消耗H2S。而本实验中高浓度MgCO3和白云石系列相比低浓度系列具有更高的H2产率(图2a)和SO42-离子浓度(图2c)以及更低的H2S产率的现象与上述推测的反应过程十分吻合。这些结果表明白云岩对原油裂解过程的影响主要是通过促进有机硫转变成硫酸镁,随后通过激活硫酸盐热化学还原反应从而达到破坏烃类的作用。
                  图1. a.加入不同浓度和种类的碳酸盐岩矿物后原油裂解的CO2产率随温度变化关系图;b. 原油裂解产物中CO2的δ13C值随温度变化关系图.
                  图2. a.加入不同浓度和种类的碳酸盐岩矿物后原油裂解的H2产率随温度变化关系图;b. H2S产率随温度变化关系图; c. 600oC热解产物中硫酸根离子绝对浓度.
                   PVT相态模拟结果表明,白云石对原油裂解行为的影响在Easy Ro 为1.19-1.47%这个阶段最为强烈,特别是在Easy Ro为1.47%时,白云石的存在会导致原油的露点温度增加约35℃且泡点压力下降约1.3MPa(图3)。一般而言,成熟度在1.3-2.0%阶段为轻质油/凝析油生成高峰。因此对于赋存于白云岩储层中的凝析油/轻质油气藏而言,考虑白云石的影响将有助于更准确地预测储层中油气的组成和相态。
                   本研究成果完善了白云石对原油裂解过程影响的认识,指出了白云岩储层中凝析油气资源的组分和相态预测需考虑白云石的影响,有助于更加准确地评估特定白云岩储层中原油的组成、相态,从而更有效地指导深层油气勘探。
                  图3.各成熟度阶段碳酸盐岩矿物的浓度和种类对原油裂解产物相包络线的影响.
                   该成果近期发表于国际期刊Marine Petroleum Geology上,研究得到了中国科学院战略性先导科技专项(A类)、国家自然科学基金和有机地球化学国家重点实验室基金的资助。
                   论文信息: Liangliang Wu*, Xinyan Fang, Ansong Geng. Influence of carbonate minerals on the pyrolysis and phase behavior of oil. Marine Petroleum Geology, 134 (2021), 105374. DOI: 10.1016/j.marpetgeo.2021.105374.
                   论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264817221004773
                   
                   
                   
                2021-12-09
              • 广州健康院揭示mTOR调控胚胎干细胞自我更新的新机制
                近日,中国科学院广州生物医药与健康研究院秦宝明实验室揭示mTOR调控胚胎干细胞自我更新的新机制,相关成果以The mTORC1-eIF4F axis controls paused pluripotency为题于12月6日发表在EMBO Reports期刊。
                  近日,中国科学院广州生物医药与健康研究院秦宝明实验室揭示mTOR调控胚胎干细胞自我更新的新机制,相关成果以The mTORC1-eIF4F axis controls paused pluripotency为题于12月6日发表在EMBO Reports期刊。该工作中,研究人员发现mTOR调控mESC自我更新主要来自mTORC1的作用,具体机制与全基因组转录无关,而主要通过翻译起始复合物eIF4F(eukaryotic translation initiation factor 4F)协同调控细胞质和线粒体的蛋白翻译来实现。因此,内源mTORC1在mESC中维持自我更新而不参与维持多能性。此外,该研究还发现在经典的血清培养条件下,eIF4F还调控多能性蛋白的翻译,这一作用依赖于MEK/ERK通路,而与mTORC1无关。
                  胚胎干细胞(embryonic stem cell, ESC)具有自我更新(self-renewal)和多能性(pluripotency)这两大重要特征。这两个特征在体内胚胎发育早期对应的阶段都是瞬时存在的。ESC体外建系的过程是胚胎早期细胞在维持多能性的同时获得了几乎无限的增殖能力,即自我更新。早年研究显示,这两大特征相互依存,即多能性维持机制与细胞周期调控之间存在紧密的协同关系。然而近年来一系列新的研究发现,自我更新很大程度上是独立调控的。敲除或阻断Myc、MOF、mTOR等能引发体外胚胎发育以及ESC“pause”(暂停),即细胞增殖停止但多能性维持不变。这一现象在自然界中与哺乳动物胚胎发育中普遍存在的“diapause”(滞育)相对应。利用pause,科研人员可以在胚胎及ESC基因编辑中更加方便地开展实验,甚至有可能建立新的效率更高的相关技术。而深入认识这一特征的调控机制,科研有可能特异性地激活ESC的自我更新并维持多能性不变,这将有助于多能干细胞(PSC)的规模化扩增或生产,推动PSC的基础研究和应用。 
                  2016年,Bulut-Karslioglu等发现在ESC中抑制雷帕霉素机制受体(mechanistic target of rapamycin, mTOR)引发pause,这一作用主要来自包括全基因组转录在内的多个层面的抑制。众所周知,mTOR形成两个蛋白构成和功能迥异的复合物,即mTOR复合物1(mTORC1)和mTOR复合物2(mTORC2)来发挥功能,Bulut-Karslioglu等发现两个复合物都参与调控自我更新。然而来自基因敲除小鼠的表型显示,mTOR敲除导致囊胚发育阻断在E5.5天,而mTORC1的失活(Raptor敲除)在同一时间引发胚胎致死,而mTORC2失活(Rictor敲除)则明显更晚引发致死。这提示在胚胎早期发育中mTORC1比mTORC2发挥更为重要的作用。因此,mTOR调控ESC自我更新是通过哪个复合物以及具体机制如何等问题都还尚不清楚。 
                  该成果以mTORC1为切入点,报道了翻译起始调控在ESC自我更新和多能性维持中的作用。值得一提的是,该研究还发现敲降 mTORC1-eIF4F通路中的抑制因子4EBP1/2能显著加速ESC的增殖,说明eIF4F是ESC自我更新的限速调控环节,进一步提示仅仅通过干预eIF4F就可能达到对ESC自我更新的全速域调控。拓展到成体干细胞或功能细胞前体这个范畴,目前这类细胞在体外几乎都无法像ESC那样实现长期稳定扩增,如何激活这类细胞的自我更新同时维持其分化潜能具有重要价值。在机体水平,特异性地刺激体内干细胞的稳态维持,即在体内干细胞反复再生过程中依然维持良好的分化潜能,将对克服疾病和衰老具有重大意义。 
                  秦宝明研究员所带领的代谢与细胞命运实验室,此前致力于研究体细胞重编程早期细胞和代谢重塑的作用和发生机制,曾发现mTORC1介导的生物合成的关闭而非自噬降解的激活是这些重塑过程得以发生以及诱导多能干细胞(iPSC)得以建立的主要原因。
                  本研究在秦宝明研究员指导下、由广州健康院与中国科学技术大学联合培养的博士研究生徐雪婷完成,并得到了来自中科院生物物理所秦燕教授、浙江大学易文教授、深圳大学的刘宝华教授以及健康院张小飞研究员等多位同行的帮助和支持。该工作得到了来自国家科技部、国家及广东省自然科学基金以及广州市等多项基金的资助。 
                  论文链接
                  广州健康院揭示mTOR调控胚胎干细胞自我更新的新机制 
                2021-12-09
              • 广州能源所研制出大尺度全尺寸开采井天然气水合物三维综合试验开采系统
                中国科学院广州能源研究所天然气水合物开采技术与综合利用研究室李小森研究员团队针对海域天然气水合物野外试采成功率低、风险大、成本高等难点问题,基于我国南海天然气水合物成藏条件,成功研制出国产化天然气水合物三维综合试验开采系统,突破了相关技术难点并研发出相关基础理论和技术。
                  中国科学院广州能源研究所天然气水合物开采技术与综合利用研究室李小森研究员团队针对海域天然气水合物野外试采风险大、成本高等难点问题,基于我国南海天然气水合物成藏条件,成功研制出国产化天然气水合物三维综合试验开采系统,突破了相关技术难点,并研发出相关基础理论和技术。 
                  研究团队通过三年的研发,自主研制出国际首套有效体积2585升、最大模拟海深3000米的大尺度全尺寸开采井天然气水合物三维综合试验开采系统。该系统突破了水合物重塑、缩尺模拟尺度效应等技术难点,建立了高压储层模拟器缩尺相似设计理论与技术,解决了高压三维储层模拟器空间尺寸、强度、内部结构设计难题;突破了水合物藏地质分层构建难题,构建出符合实际水合物藏的地质分层结构;解决了地层温压环境及地温梯度精确模拟与控制、气体溶解循环、恒温恒压注气注液技术、高压气液两相流在线测量等技术难题,形成了实际水合物藏真实重塑制备技术;开发出新型全尺寸开采井筒和多级防砂控砂技术及井网部署方案;研发出沉积物中空间点阵式多参数联合表征的高精度三维立体监测技术,可实现水合物藏内温度场、压力场、渗流场、水合物分布等的实时精准监测与动态表征。 
                  该系统是当前国际规模最大、模拟海深最深、技术水平国际领先的天然气水合物开采试验装备,与实验室已有开采模拟设备构成多尺度天然气水合物三维综合试验开采平台,可为南海天然气水合物试采提供多尺度天然气水合物开采物理模拟、开采工艺优化、工程装备研制、工程实施安全等多功能全方位研究。 
                  研究团队利用该试验系统,开展了大量试验研究,形成了天然气水合物高效开采与控制技术体系,显著提高天然气水合物开采的经济性、安全性及降低试采风险,为我国南海天然气水合物“生产性”试采和“商业化”开采提供基础理论、关键技术和优化开采方案。 
                  该研究成果对于促进我国南海天然气水合物资源合理开发利用,确保广东省乃至我国能源供应安全,推动我国海洋深水科学与技术的发展及深海油气资源开发,创建天然气水合物开采试验示范基地和科技人才培养基地,以及经济社会可持续发展具有重要战略意义,未来有望带来显著的社会与经济效益等。 
                  该研发工作依托于李小森主持的2018年广东省促进经济发展专项资金(海洋经济发展用途)重点项目“南海天然气水合物高效开采与控制技术研究”,该项目于近期通过验收。验收专家组经实地现场查验、答辩等验收环节,一致认为,本项目圆满完成各项研究任务,超额完成考核指标。验收结果为综合评级“优秀”。 
                   
                  大尺度全尺寸开采井天然气水合物三维综合试验开采系统 
                   
                  专家组现场查验大尺度全尺寸开采井天然气水合物三维综合试验开采系统 
                  
                2021-12-08
              • 硫化氢水合物的形成特征及热力学稳定性
                相比于甲烷水合物,硫化氢水合物热力学、动力学方面的基础研究还比较缺乏,而自然界的天然气水合物往往是多种气体的混合物(如含有硫化氢、二氧化碳),相关基础研究与环境、能源问题密切相关。
                  相比于甲烷水合物,硫化氢水合物热力学、动力学方面的基础研究还比较缺乏,而自然界的天然气水合物往往是多种气体的混合物(如含有硫化氢、二氧化碳),相关基础研究与环境、能源问题密切相关。针对硫化氢水合物的微观特征及热力学稳定性问题,深海极端模拟实验室蒋磊团队通过采用熔融毛细硅管原位观测和激光拉曼光谱技术相结合的方法完成两项研究成果,分别发表于《ACS Omega》和《Chemical Engineering Journal》。 
                  过冷度对微孔隙内水合物的形成特征有较大的影响,高过冷条件下毛细硅管中水-气弯液面会先形成水合物光环,并向两侧生长,水合物以肉眼不可见的微晶、纤维状和针状晶体形态为主;中等过冷条件下水合物晶体以柱状多面体和骨架晶体为主,水合物的转化率要低于高过冷条件;低过冷条件下水合物以块状多面体形态为主,包括立方体和八面体。同时,该研究首次发现微孔隙内水合物能够以“桥接”方式连接。相关研究成果发表于《ACS Omega》,“Crystallization Behavior of the Hydrogen Sulfide Hydrate Formed in Microcapillaries”(DOI: 10.1021/acsomega.1c01051)。文章第一作者为深海所博士研究生孙既粤,通讯作者为蒋磊研究员。 
                    
                  空心水合物“桥接”现象 
                  另外,研究团队测量了H2S水合物在多种电解质溶液中的分解条件。实验结果表明,电解质浓度与抑制效应呈正相关;相同浓度条件下,MgCl2具有最强的抑制效果。在实验数据基础上,该研究建立了相关的热力学模型,准确地预测出H2S水合物在不同电解质溶液中的分解条件,并给出了相应的分解焓。在机理分析方面,通过拉曼光谱手段揭示了电解质通过改变溶液中氢键强度来影响水合物的活度,从而影响水合物的相平衡条件。相关研究成果发表于《Chemical Engineering Journal》,“Experimental measurement and thermodynamic modeling of dissociation conditions of hydrogen sulfide hydrate in the presence of electrolyte solutions”(DOI: 10.1016/j.cej.2021.133821)。文章第一作者为深海所博士研究生孙既粤,共同第一作者为西北大学孙睿教授,通讯作者为蒋磊研究员。 
                  实验方法示意图 
                    
                  实验结果与水合物热力学模型对比结果 
                2021-12-07
              • PNAS | DNA复制中的“前-后”协调
                中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所、深圳合成生物学创新研究院甘海云课题组在美国科学院院刊(PNAS)发表了题为“复制胁迫状态下芽殖酵母中Rad53耦联先导链和后随链DNA合成的机制”的文章。
                  9月21日,中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所、深圳合成生物学创新研究院甘海云课题组在美国科学院院刊(PNAS)发表了题为“复制胁迫状态下芽殖酵母中Rad53耦联先导链和后随链DNA合成的机制”(A mechanism for Rad53 to couple leading- and lagging-strand DNA synthesis under replication stress in budding yeast)的文章,甘海云研究员和哥伦比亚大学张志国教授为共同通讯作者。该项研究揭示了DNA复制检验点通路成员协同响应DNA复制胁迫的分子机制。作者通过分析DNA复制检验点通路成员对胁迫状态下复制叉状态的影响,发现检验点通路成员Mec1,Mrc1(哺乳动物中的同源蛋白为Claspin)突变后与Rad53突变体的表型高度一致,表明DNA复制检验点通路是通过Rad53对复制体蛋白进行调控。 
                  论文首页截图 
                  细胞分裂前的物质准备过程中,需要完成对遗传物质的复制。以有丝分裂为例,遗传物质DNA的复制主要发生在分裂前的S期。DNA能否及时准确的复制,既关系到细胞能否完成分裂,也关系到遗传信息能否被准确的传递给子代细胞。然而,DNA复制过程中往往会遇到影响复制的因素,如DNA损伤,双脱氧核糖核苷酸(dNTP)水平降低,转录与复制机器遭遇等。此类现象被统称为DNA复制胁迫(replication stress)。 
                  为了应对复制胁迫,生物体进化出了检验点(checkpoint)机制(图1):DNA复制胁迫发生时会产生单链DNA,感应器蛋白感受到单链DNA的存在后,会激活激酶Mec1(哺乳动物中的同源蛋白为ATR),Mec1被激活后通过磷酸化下游蛋白的形式将信号逐级转导至效应激酶Rad53(哺乳动物中的同源蛋白为Chk1),激活后的Rad53会对DNA复制过程进行多重调控以应对复制胁迫。尽管Rad53作为响应DNA复制胁迫的检验点早已明确,但这一过程中Rad53如何协调复制机器中诸多蛋白的具体分子机制尚不清楚。 
                  图 1 DNA损伤检验点通路与DNA复制检验点通路示意(2016, FEMS Yeast Research) 
                  2014年以来,当时作为哥伦比亚大学张志国教授团队成员的甘海云研究员(现为中国科学院深圳先进院合成生物学研究所研究员)就开始研究DNA复制机器响应DNA复制胁迫的机制。并与合作者共同开发了eSPAN技术(发表于2014年的Molecular Cell杂志),该技术使得特异检测DNA复制过程中前导链和后随链结合蛋白成为了可能。eSPAN(enrichment and sequencing of protein-associated nascent DNA)技术巧妙的将BrdU(脱氧核糖核苷类似物,溴脱氧核苷尿嘧啶)标记的新生DNA链富集技术与染色质免疫共沉淀(ChIP)技术结合,并利用了新生前导链与新生后随链方向不同的特征来分析蛋白在前导链和后随链上的结合情况(图2)。 
                  图 2 酿酒酵母中的eSPAN技术实验流程 
                  研究人员利用该技术对比分析了DNA正常复制与DNA复制胁迫状态下前导链与后随链结合蛋白的异同。结合对比分析的结果和相关遗传学研究结果,研究人员发现当降低胞内dNTP水平使DNA复制处于胁迫状态时,位于滞后链的上的PCNA会在检验点激酶Mec1和Rad53的调控下,从滞后链上脱离以维持复制胁迫状态下的基因组稳定。随后研究人员进一步利用该技术对比分析了检验点激酶Rad53缺失与否状态下的复制叉及其结合蛋白的状态。当检验点功能缺失且复制胁迫存在时,DNA复制解旋酶CMG复合体仍会前进并解开双链DNA,但前导链复制较滞后链慢,从而导致前导链暴露出大段单链区域(后续表述统称为不对称复制)(图3)。这表明检验点激酶Rad53能够协调DNA解旋酶复合体与前导链和后随链复制速度,从而防止大段单链DNA暴露引起的复制叉坍缩及DNA损伤(相关研究发表于2017年的Molecular Cell杂志)。 
                  图 3 检验点通路通过RAD53来防止复制胁迫时前导链暴露出大段单链DNA区域 
                  上述两项研究初步揭示了检验点激酶Rad53在受到复制胁迫时对复制体蛋白的调控机制。然而,由于Rad53在复制检验点通路中处于下游位置,整个复制检验点通路是否参与该调控过程尚不清楚。 
                  本项研究中,甘海云研究员团队通过分析DNA复制检验点通路成员对胁迫状态下复制叉状态的影响,发现检验点通路成员Mec1,Mrc1(哺乳动物中的同源蛋白为Claspin)突变后与Rad53突变体的表型高度一致(不对称复制),表明DNA复制检验点通路是通过Rad53对复制体蛋白进行调控。 
                  此外,Mrc1不但具有检验点功能,还直接参与DNA复制。有意思的是,Mrc1检验点功能缺失时,细胞响应复制胁迫的表型与Rad53突变体和Mec1突变体一致,而删除Mrc1的复制功能时,不对称复制的表型消失。这暗示Mrc1的复制功能可能是检验点Rad53的调控靶点。根据这一假设,进一步的遗传学实验发现在Rad53突变体中删除Mrc1会使Rad53突变体的不对称分裂表型消失,这一结果初步证实了上述推测。 
                  图 4 响应复制胁迫时,复制检验点通过Mrc1来实现对前导链与后随链复制的调节 
                  Mrc1是通过与Tof1-Csm3形成复合体来行使其DNA复制功能的。那么Tof1是否也参与这一过程呢?作者进一步分析了Tof1突变体表型,证实了Tof1也处在这一调控通路中。至此,作者解析了检验点蛋白是如何在复制胁迫的情况下调节DNA复制的分子机制:细胞感受到复制胁迫后,激活了复制检验点通路Mec1 à Mrc1 à Rad53,激活后的Rad53则通过调节Mrc1-Tof1来实现对前导链和后随链的复制协调以防止出现单链DNA造成基因组不稳定(图4)。 
                  该工作中由甘海云研究员团队完成的研究得到了基金委国自然重大专项、广东省合成基因组学重点实验室、以及深圳合成生物学创新研究院的资助。  
                  原文链接
                  延伸阅读:文章链接1、文章链接2、文章链接3
                  
                2021-12-07
              • 广州地化所、深地科学卓越中心建立全球首个潮解点/风化点数据库
                    潮解与风化是物质相态随相对湿度变化而发生改变的两个关键过程,而潮解相对湿度(潮解点)与风化相对湿度(风化点)是表征该过程的两个重要参数,在很大程度上决定了气溶胶的相态、含水量、化学反应活性、光学性质和云凝结核活性等,从而影响其环境和气候效应。此外,潮解点与风化点在化学热力学、化工、食品、医药、地球及空间科学等领域也是非常重要的基础物理化学参数。
                   中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室彭超博士(合作导师:唐明金研究员)收集和评估了110种化合物(包括68种无机物、42种有机物)的潮解点及风化点的实验数据,并建立了全球首个潮解点和风化点的数据库。这项工作近期由基金委主办的期刊Fundamental Research在线发表(约稿),其主要内容包括:
                   (1)收集及总结了这些物质潮解点和风化点的测量结果,并分类(共15类物质,包括11类无机物和4类有机物)整理成数据库;
                   (2)在此基础上,给出了这些物质室温下(298 K)潮解点与风化点的推荐值;
                   (3)分析了不同要素,如温度、颗粒物粒径、初始相态、悬浮状态等,对物质潮解点与风化点测量结果的影响;
                   (4)探讨了物质潮解点与风化点研究的未来发展方向。
                   该研究受到基金委优青项目、基金委重大研究计划集成项目项目、中国科学院“百人计划”和中国博士后科学基金面上资助等项目的资助。
                   文章信息:Peng, C., Chen, L. X. D., and Tang, M. J.: A database for deliquescence and efflorescence relative humidities of compounds with atmospheric relevance, Fundamental Research, https://doi.org/10.1016/j.fmre.2021.1011.1021, 2021.
                   文章链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667325821002612?via%3Dihub
                   
                  
                2021-12-07
              • 深圳先进院针对肺部CT影像提出一种基于聚焦-融合-修正的深度网络架构
                 近日,中国科学院深圳先进技术研究院数字所生物医学信息技术研究中心李烨研究员团队与中国人民解放军总医院团队合作,针对肺部CT影像提出了一种基于聚焦-融合-修正的上下文学习深度神经网络,实现了新冠肺炎(COVID-19)肺部感染病变的自动识别与分割,有效提升了计算机断层扫描(CT)影像中病变区域的自动分析与识别准确率。
                  近日,中国科学院深圳先进技术研究院数字所生物医学信息技术研究中心李烨研究员团队与中国人民解放军总医院团队合作,针对肺部CT影像提出了一种基于聚焦-融合-修正的上下文学习深度神经网络,实现了新冠肺炎(COVID-19)肺部感染病变的自动识别与分割,有效提升了计算机断层扫描(CT)影像中病变区域的自动分析与识别准确率。该成果已发表在计算机人工智能期刊IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems上。 
                  通过人工智能算法从CT图像中自动检测和识别COVID-19肺部感染,可以为病人诊断、治疗以及预后监测提供一种快速且有效的计算机辅助诊断方法,同时可以有效缓解专业放射科及临床医生短缺问题,为及时快速筛查和分级诊断提供辅助影像学证据。然而,从二维CT图像中分割感染区域面临着诸多挑战,其中包括感染区域特征的高度变化以及感染与正常组织之间的对比度低、边缘模糊等问题。
                  针对上述问题,团队提出了一种基于聚焦-融合-修正的深度网络架构,通过设计的自动聚焦和全景聚合模块自适应的、整合了网络同级和跨层级的上下文信息,有效缓解了由于病变分布散乱、形状不规则等造成的识别精度低问题。进一步,网络架构中引入结构一致性修正机制,在学习过程中利用距离映射对每个像素及其周围区域进行编码,有效将区域的结构信息引入学习过程,提高了模型对复杂病变结构的感知,降低了其它信息的干扰。在新冠肺炎CT影像分割应用中,分割效果超过近期提出的多种深度学习方法。 
                  该研究工作得到中科院战略性先导科技专项(B类)、深圳市科创委“新型冠状病毒感染应急防治”专项以及国家自然科学基金等的资助。 
                  论文链接 
                  基于聚焦-融合-修正的上下文学习网络示意图 
                  
                2021-12-06
              • 深圳先进院在国土资源与生态环境安全监测方面取得重要进展
                 中国科学院深圳先进技术研究院数字所空间信息研究中心陈劲松团队从2017年开始,牵头承担国家重点研发计划项目“国土资源与生态环境安全监测系统”课题,联合兰州交通大学、石河子大学、福州大学3家高校,研发典型区域国土资源与生态环境安全常态监测系统,为区域生态安全监管提供信息和决策支持。
                  随着国土资源与生态环境安全突发事件的应急响应需求日益凸显,全天候、立体化对地观测系统及其与通信卫星、导航卫星等协同的快速响应集成系统技术,尤其是地面通信阻断下应急信息精准定位与快速采集、实时处理与传输技术,呼之欲出。 
                  中国科学院深圳先进技术研究院数字所空间信息研究中心陈劲松团队从2017年开始,牵头承担国家重点研发计划项目“国土资源与生态环境安全监测系统”课题,联合兰州交通大学、石河子大学、福州大学3家高校,研发典型区域国土资源与生态环境安全常态监测系统,为区域生态安全监管提供信息和决策支持。团队面向“一带一路”核心/重点区域国土资源与生态环境安全监测,针对现有遥感数据融合模型在跨传感器、跨地域中的迁移性问题,以对抗神经网络数据融合技术为接入点,研发了多源多尺度卫星遥感数据融合模型,提高了模型迁移性。通过引入深度卷积网络、对抗神经网络、胶囊网络等最新人工智能模型算法,缓解现有传统地物提取算法受同物异谱、类别不平衡、样本量和样本噪声所引起的精度不足和自动化低下问题,实现了区域地表一级要素的高精度自动化提取;面向环境要素预测场景,引入多任务高斯过程模型,实现对时间序列环境参量的变化建模及外推预测。在此基础上,构建了新疆区域生态环境健康诊断和安全评价的指标体系网络及自适应指标筛选模型,实现了对新疆区域、流域、森林、农田系统的生态健康评价,课题成果覆盖“数据集成”-“算法模型”-“变化监测”-“生态安全评价”全链条。 
                  经过四年的深耕研究,课题于2021年9月在项目承担单位南京大学组织的课题综合绩效评价会议上通过专家评议。陈劲松团队将继续联合国内外产学研机构与企业,共同探索集成国产卫星协同观测技术和星空地立体监测技术,进一步推进人工智能和遥感技术在国土资源与生态环境监测中的技术前沿,从而服务国土资源与生态安全和“一带一路”国家全球战略。 
                   
                  国土资源与生态环境安全监测技术路线 
                   
                  陈劲松研究员团队参加课题绩效评价会并与项目负责人合影 
                  
                2021-12-06
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