金沙威尼斯欢乐娱人城 - 金沙app官方版下载

宫内发育迟缓（IUGR）是胎儿在母体子宫内生长发育障碍的总称，IUGR动物出生后表现为生长迟缓、发育异常、抗病力和肉品质下降，早期发病率和死亡率较高。在养猪生产中约有25%的新生仔猪因遭受IUGR而死亡。由于对IUGR猪生长调控机制了解不够全面，IUGR仍然是目前养猪业面临的一个主要问题。
　　宫内发育迟缓（IUGR）是胎儿在母体子宫内生长发育障碍的总称，IUGR动物出生后表现为生长迟缓、发育异常、抗病力和肉品质下降，早期发病率和死亡率较高。在养猪生产中约有25%的新生仔猪因遭受IUGR而死亡。由于对IUGR猪生长调控机制了解不够全面，IUGR仍然是目前养猪业面临的一个主要问题。
　　近期，金沙威尼斯欢乐娱人城亚热带农业生态研究所畜禽健康养殖与农牧复合生态研究中心孔祥峰科研团队，通过比较研究不同日龄或生长阶段的正常体重猪和IUGR猪的生长发育、机体代谢和肠道微生态特征，并利用粪菌移植+无菌鼠等技术进行验证，发现IUGR改变了肠道菌群多样性及其代谢路径，导致肠道能量、氨基酸和胆汁酸代谢异常，阻碍了IUGR猪的后期生长发育。通过在日粮中添加胆汁酸试验发现，胆汁酸可提高IUGR仔猪的肝脏功能和肠道有益菌数量，缓解肠黏膜氧化损伤，还可以改善IUGR仔猪结肠黏膜的屏障功能和氧化还原状态，有利于维持肠道健康。上述研究表明，肠道微生物可作为调控IUGR的靶点，胆汁酸在改善IUGR猪营养代谢和维持肠道健康方面发挥了重要作用。
　　上述研究成果先后在J Anim Sci Biotechnol、Front Microbiol、Front Nutr、J Appl Microbiol和《动物营养学报》等期刊上发表。该研究得到国家自然科学基金委区域创新发展联合基金重点项目（U20A2056）、国家自然科学基金面上项目（31772613）、国家重点研发计划课题（2017YFD0500503）和湖南省科技领军人才项目（2019RS3022）的资助。
　　论文链接：1 2 3 4 5 6 7
　　饲粮添加胆汁酸对正常猪和IUGR仔猪的饲喂效果图

2022-12-30

深圳先进院微流控芯片技术助力细胞外囊泡产量提高

研发了一种微流控芯片技术，实现了细胞的工程化改造，并显著提高了细胞外囊泡的分泌量。
　　近日，金沙威尼斯欢乐娱人城深圳先进技术研究院杨慧课题组研发了一种微流控芯片技术，实现了细胞的工程化改造，并显著提高了细胞外囊泡的分泌量。最新研究成果以“Mechanical stimulation on a microfluidic device to highly enhance small extracellular vesicle secretion of mesenchymal stem cells” (基于微流控芯片的机械刺激高效增强间充质干细胞分泌细胞外囊泡) 为题发表在生物医学工程领域TOP期刊Materials Today Bio上 (DOI: doi.org/10.1016/j.mtbio.2022.100527)。
　　文章上线截图
　　文章链接：https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2022.100527
　　2013年，诺贝尔生理学或医学奖颁发给发现“细胞的囊泡运输调控机制”的三位科学家。囊泡运输构建了人体生理学和病理学过程中的“智慧物流运输系统”，负责细胞间的物质递送和信息通讯。因此，细胞外囊泡被视为重要的生物标志物和天然的运载工具，在智能药物递送、重大疾病精准诊疗等领域展现了巨大的应用潜力。
　　然而在常规培养条件下，供体细胞往往存在分泌效率有限、外囊泡产量低等技术问题，极大的限制了细胞外囊泡的实际应用。为了提高细胞外囊泡的分泌量，常用的技术手段包括分子调控、乙醇处理、pH调节等生化策略，因依赖于生化试剂添加物，易改变细胞生理状态而影响外囊泡的功能性和安全性。为应对这一挑战，杨慧团队提出一种名为“种子SEED芯片 (Small Extracellular vEsicles Developer)”的微流控编辑平台，能够高通量且无损伤的刺激细胞，提高细胞外囊泡的分泌量。
　　基于“种子SEED芯片”增强细胞外囊泡分泌量的原理图
　　“种子SEED芯片”由于借助了微流控芯片技术可在微观尺度 (10-6米，1/100的头发丝直径) 精确操控流体的特点，可以将物理场作用定位到细胞尺度，实现对细胞的高通量且高精度的操控。芯片内部引入“鱼骨型”微结构阵列，机械挤压刺激细胞，增强细胞外囊泡的分泌量，且针对不同来源的细胞可实现微结构的特异性开发。研究中采用骨髓来源间充质干细胞作为应用对象，该技术成功使干细胞外囊泡的产量提高了数倍。上述干细胞外囊泡在生物医学研究及临床应用中具有重大潜力，但干细胞有限的扩增能力，极大限制了其分泌外囊泡的数量，为实际应用提出了挑战。此项工作成功构建了大规模生产细胞外囊泡的新范式，并以角膜损伤模型为例，验证了此方法生产的干细胞外囊泡能够显著促进组织修复。
　　未来，基于微流控芯片技术增强细胞外囊泡分泌量的新策略有望发展成为一种平台型工具，并与胞内递送研究相结合，提高细胞外囊泡产量的同时，将具有临床治疗作用的外源物质装载到外囊泡中，为外囊泡装载研究以及精准治疗应用提供新的技术支持。
　　深圳先进院客座博士生郝锐、博士生胡师为该论文的共同第一作者，杨慧研究员为通讯作者，厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院郭航教授为文章的共同通讯作者。本研究工作得到了国家自然科学基金项目、广东省重点领域研发计划、深圳市科技创新委员会的支持。
　　

2022-12-30

亚热带生态所：益生菌/合生元在巴马香猪肠道健康和肉品质“母子一体化”调控中发挥重要作用

饲料禁抗后，微生态制剂成为保障动物健康生产的一类重要饲料添加剂。目前，关于益生菌/合生元的研究多集中于母猪或仔猪饲粮的短期添加，对其长期添加的效果尚不明确。巴马香猪是国家级地方品种猪，也是宝贵的小型猪品种，是研究人类营养和代谢性疾病的理想模型。其遗传性能稳定、耐粗饲、适应性好、抗病力强、肉质鲜美，具有良好的市场前景。巴马香猪养殖成为了巴马县脱贫攻坚和乡村振兴的重要产业之一，但其生长发育缓慢，传统养殖以放养为主，粗放养殖效率低，严重阻碍了巴马香猪产业的健康发展。开展巴马香猪营养代谢调控研究，建立母子一体化营养调控策略具有重要研究意义。
　　饲料禁抗后，微生态制剂成为保障动物健康生产的一类重要饲料添加剂。目前，关于益生菌/合生元的研究多集中于母猪或仔猪饲粮的短期添加，对其长期添加的效果尚不明确。巴马香猪是国家级地方品种猪，也是宝贵的小型猪品种，是研究人类营养和代谢性疾病的理想模型。其遗传性能稳定、耐粗饲、适应性好、抗病力强、肉质鲜美，具有良好的市场前景。巴马香猪养殖成为了巴马县脱贫攻坚和乡村振兴的重要产业之一，但其生长发育缓慢，传统养殖以放养为主，粗放养殖效率低，严重阻碍了巴马香猪产业的健康发展。开展巴马香猪营养代谢调控研究，建立母子一体化营养调控策略具有重要研究意义。
　　近期，金沙威尼斯欢乐娱人城亚热带农业生态研究所畜禽健康养殖与农牧复合生态研究中心孔祥峰研究团队，系统研究了妊娠-哺乳期饲粮添加益生菌和合生元对巴马香猪的饲喂效果，并从营养代谢、肠道微生态和基因表达等方面探讨了其作用机制。研究发现，妊娠-哺乳期饲粮添加益生菌和合生元，可改善母猪肠道菌群平衡和代谢活性，增强机体健康，提高其繁殖性能；可改善哺乳仔猪的肠道菌群组成，促进哺乳仔猪对糖脂和蛋白质的利用，降低氧化应激水平和炎症程度，增强机体免疫功能，从而促进哺乳仔猪的生长发育；可调节断奶仔猪肠道微生物菌群结构，改善肠道屏障功能、抗氧化功能和线粒体功能，增强肠道黏膜免疫；可改善生长育肥期子代肌肉的肉色、保水力、嫩度和IMF含量，改变肌肉氨基酸和中长链脂肪酸组成，增强机体蛋白质合成、调节脂质和葡萄糖代谢，改善肌纤维类型组成和肌肉脂肪沉积，改变肠道菌群代谢功能，进而改善子代生长性能和肉品质。妊娠-哺乳期饲粮添加益生菌可增加生长育肥期子代日采食量、降低腹泻率，增加结肠有益菌丰度、抑制有害菌增殖。另外，妊娠-哺乳期饲粮添加抗生素对子代的生长性能、肠道建康、机体脂代谢和肉品质均产生负面影响，且增加了肠道Treponema和Streptococcus等有害菌的丰度。
　　本研究聚焦于干预母猪肠道微生态对子代生长发育和营养代谢的影响，为利用“母仔一体化”为核心的营养调控策略改善子代肉品质提供了理论依据与技术支撑；以巴马香猪为试验对象，系统研究了饲粮添加益生菌/合生元对各生长阶段巴马香猪的饲喂效果，并从多个方面探讨其作用机制，对微生物制剂用于地方猪健康养殖具有重要指导意义。
　　上述研究成果先后在Front Microbiol、Front Nutr、Oxid Med Cell Longev、Mediators Inflam、Front Vet Sci、J Funct Foods、J Appl Microbiol和《畜牧兽医学报》等期刊上发表。
　　相关论文信息：1 2 3 4 5 6 7 8
　　益生菌合生元用于巴马香猪“母子一体化”营养干预研究流程图
　　益生菌合生元对巴马香猪“母子一体化”营养干预作用及机制

2022-12-29

南海海洋所揭示卫星观测海表盐度偏差的区域分布及其主导因素

　　近日，金沙威尼斯欢乐娱人城南海海洋研究所热带海洋环境国家重点实验室（LTO）研究员杜岩团队在卫星观测海表盐度偏差的区域分布及其主导因素研究上取得新进展，相关成果以博士研究生欧阳雅婷为第一作者，杜岩研究员、张玉红研究员为共同通讯作者发表在国际期刊Remote Sensing of Environment上。
　　本工作对卫星海表盐度与Argo海表盐度间偏差的空间分布特征，及其与海气变量（海表温度、降水和风速等）的关系进行了研究。分析结果表明，卫星海表盐度的偏差在南北纬40°之外的低海温区域最为显著，在热带辐合带、西边界和南极绕极流等强流区次之，在副热带开阔大洋区域偏差最小。
　　海表温度、降水和风场等海气变量是影响海表盐度卫星遥感观测和反演的重要因素。现有卫星海表盐度三级产品的偏差会随着海表温度升高递减，当海表温度超过热带对流降水阈值（27℃）时，海表盐度偏差小幅增加。海表盐度偏差随降水增强显著增加，当降水强度超过6毫米/天时，卫星海表盐度偏差较大且较Argo观测偏淡。降水对卫星观测盐度的影响有两方面：一是降水导致的海气边界层变化增加了卫星观测的难度；二是强降水形成的“淡水透镜”效应仅影响海表面非常薄的一层，虽能被卫星观测海表盐度（约5 cm）反映，但不能体现在现场观测的近表层盐度（约5 m）上，造成卫星海表盐度偏淡。由于海上降水瞬时性较强，卫星海表盐度二级产品较经过时间平滑的三级产品更能体现强降水引起的海表面淡化现象。卫星盐度偏差率随风速增加先降低后升高。在低风速下，海面粗糙度校正模型误差会引起海表盐度偏差；高风速下，海表面粗糙度增加了反演难度，造成海表盐度偏差。中风速下海表盐度偏差随风速减小可能与风搅拌减弱海表面降水引起的“淡水透镜”效应有关。
　　本研究发现，副热带开阔大洋具有较高的海表温度、极少的降水和弱风条件，故而成为卫星观测偏差最小的区域，适合作为盐度遥感观测的定标检验区。在中高纬度西风带和强流区，多种影响因素叠加使得盐度观测和反演困难，是未来盐度观测计划中需要重点突破的问题。
　　本研究得到了金沙威尼斯欢乐娱人城项目(183311KYSB20200015, XDA15020901, 133244KYSB20190031, SCSIO202201, and SCSIO202204)、国家自然科学基金(41976024, 42276026 and 42006028)、南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）(2019BT02H594)和热带海洋环境国家重点实验室自主研究项目(LTOZZ2101)的资助。
　　相关论文信息：Ouyang, Yating, Yuhong Zhang*, Jianwei Chi, Qiwei Sun, Yan Du*, (2022). Deviations of satellite-measured sea surface salinity caused by environmental factors and their regional dependence. Remote Sensing of Environment, 285: 113411. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rse.2022.113411. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S003442572200517X?via%3Dihub
　　图1 卫星海表盐度在不同环境条件下与现场观测数据的大偏差比例（以Aquarius为例）。子图为偏差比例与(a)温度、(b)降水量、(c)风速变化的关系
　　图2 高影响因子对卫星观测的海表盐度偏差的作用区域示意图
　　

2022-12-29

南海海洋所地震成像揭示俯冲板块水合/脱水对板间耦合与孕震行为的影响

　　近日，金沙威尼斯欢乐娱人城南海海洋研究所边缘海与大洋地质重点实验室（OMG）研究员夏少红团队联合南京大学与日本东北大学相关团队，在俯冲带水合/脱水作用与大地震产生关系方面取得新进展。相关成果于发表在Journal of Geophysical Research: Solid Eart （《地球物理学研究杂志：固体地球》）上,苟涛助理研究员为第一作者，夏少红研究员为通讯作者，南京大学黄周传教授与日本东北大学赵大鹏教授为论文共同作者。
　　俯冲带是地球上最大的地震聚集带，产生了全球90%以上的地震，是8级以上大地震的主要发生区域。俯冲大洋板块与上覆板块之间的大型逆冲断层是世界上规模最大的断层之一，上下板块之间的摩擦耦合不断积累着巨大的应变能，到达足够程度后发生错动可触发高达9级的板间地震，可造成灾难性的破坏。因此，板间大地震的产生规律一直是社会公众和科学界关注的焦点问题。
　　大洋板块水合/脱水是地球进行水循环的关键途径，也是造成俯冲带异质性的重要过程。海水沿断层裂隙进入大洋板块岩石圈，通过水合作用（如蛇纹石化）形成含水矿物，可造成岩石流变学性质的显著改变。同时，随着板块俯冲，大量地表水被运输到地球内部，其中大部分通过板块脱水释放到地幔中，深刻地影响着俯冲带壳幔结构与应力状态。然而，由于缺乏对板块水合/脱水程度的三维约束，上述过程能否影响俯冲带板间耦合和地震产生尚未取得较好认识。
　　针对这一问题，研究团队利用美国阿拉斯加前弧海底地震仪和陆地台站天然地震数据，通过地震层析成像反演获得了高精度P波速度（Vp）、S波速度（Vs）和波速比（Vp/Vs）三维结构。
　　研究结果表明，俯冲太平洋板块内部地震波速显示出不同程度的降低，据此，研究人员对蛇纹石化程度进行了估算（图1），发现其水合程度沿海沟走向的显著变化。在已有约120年未发生8级以上地震的舒马金群岛，俯冲板块水合程度最高，这可能是由于洋脊处形成的化石组构近平行于海沟方向，加强了俯冲外缘隆起处弯曲断层的水合作用，生成的大量蛇纹石导致板块强度降低，板间耦合较弱，因此板块界面难以形成大地震。同时，俯冲板块水合程度由西向东减小，并且表现出不平滑的变化趋势（图2），这与板间耦合沿海沟走向的分段变化特征，以及2020-2021年两次板间大地震的同震位移空间展布密切相关。这些现象表明该地区俯冲板块水合程度的空间变化可能影响了板间耦合和大地震破裂。
　　此外，在舒马金群岛和科迪亚克岛，由于上覆板块和地幔楔表现为低速、高波速比特征，同时俯冲板块内具有更频繁的地震活动，深部板块的变质脱水可能更加强烈。而脱水过程中释放的含水流体向上迁移和聚集，又促进了板块界面深部构造震颤与长周期慢滑移事件的产生（图3）。
　　该研究揭示了俯冲板块水合/脱水对板间耦合和孕震行为的影响，为理解俯冲带运行机制与大地震产生提供了新认识。
　　研究工作得到了国家自然科学基金、日本学术振兴会、广东省研究基金和金沙威尼斯欢乐娱人城南海海洋研究所南海新星项目的联合资助。
　　相关论文信息：Gou, T., Xia*, S., Huang, Z., & Zhao, D., 2022. Structural heterogeneity of the Alaska-Aleutian forearc: Implications for interplate coupling and seismogenic behaviors. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 127, e2022JB024621. https://doi.org/10.1029/2022JB024621
　　图1 估算蛇纹石化沿平行板块边界的二维切面。背景的红色与绿色表示由强到弱的蛇纹石化。红色和黑色五角星分别代表2020年（7.8级）和2021年（8.2级）发生的两个板间大地震，蓝色五角星代表2020年发生的俯冲板块内地震（7.6级）。黑色虚线代表20世纪板间大地震的破裂区。板间耦合程度由西向东增强，蓝色虚线与实线代表其沿海沟分段的边界。紫色圆点与红色短线分别代表构造震颤低频地震与慢滑移事件。红色三角代表活火山。
　　图2 估算蛇纹石化垂直切面图。切面位置沿俯冲板块上边界25 km等深线（AA’）。彩图内黑色曲线代表莫霍面、俯冲板块上边界等地震间断面。彩图上方蓝色曲线代表板块边界以下10 km处的蛇纹石化程度，其他彩色曲线代表归一化后不同地震的同震位移量。蓝色箭头代表板间耦合程度沿海沟分段的边界。
　　图3 阿拉斯加-阿留申俯冲带结构示意图。背景的红色与绿色表示由强到弱的蛇纹石化。黑色虚线表示20世纪板间大地震的破裂区。蓝色虚线表示呈沿海沟分段的板间耦合程度边界。
　　

2022-12-29

深圳先进院：基于震荡电场诱导电喷流技术的荧光水凝胶微球通用合成方法

报道了一种基于震荡电场诱导电喷流技术的荧光水凝胶微球通用合成方法，应用于微流芯片中，快速且高通量的合成多种均一度极佳的高性能荧光水凝胶微球。
　　近日，金沙威尼斯欢乐娱人城深圳先进技术研究院医工所的门涌帆副研究员团队和陈艳研究员团队，在国际学术期刊Sensors and Actuators B:Chemical（IF=9.221）上发表了题为“Facile and scalable generation of fluorescent microspheres using a microfluidic electrojetting device”的文章，报道了一种基于震荡电场诱导电喷流技术的荧光水凝胶微球通用合成方法，应用于微流芯片中，快速且高通量的合成多种均一度极佳的高性能荧光水凝胶微球。助理研究员孔维俊和冯鸿涛为本文共同第一作者，门涌帆副研究员和陈艳研究员为本文共同通讯作者。
　　论文上线截图
　　论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S092540052201749X?via%3Dihub
　　在材料科学中，简便且可调的荧光微球制备方法一直被认为是一种强有力的研究工具。研究者们普遍认为，高通用性的制备方法能有效地减少针对不同材料而开展的条件试错实验。本文中，我们提出了一种基于震荡电场诱导电喷流（Oscillating electric field-induced electrojetting, OEFIE）的微流控装置，用于在一定尺寸范围内可控的制备了掺杂不同荧光物质的均一荧光微球。本工作中，我们使用震荡电场于微流器件内操纵液滴的生成，在仅改变电场强度和频率的情况下，即可实现液滴尺寸在近3个数量级内的精确操纵，所产生的超均一液滴随后在紫外照射下于10秒内固化为荧光微球。为证明本方法的通用性，我们分别使用荧光素钠、绿色荧光蛋白和CdTe量子点作为荧光基质，利用本方法制备荧光微球。所制备的微球具有优良的荧光性质和优于多数同类研究的出色的均一性（其尺寸的平均偏离系数小于2.1%）。总而言之，作为一种简易、可调的荧光微球合成方法，其在生物材料和生化分析领域中的荧光功能化聚合物材料制备方面具有着可预见的巨大潜力和广阔的应用前景。
　　图1：实验装置和荧光微球生产原理示意图
　　图2：三种荧光微球的荧光图像和激光共聚焦3D荧光图像
　　该工作获得了国家自然科学基金项目、深圳湾实验室开放基金项目以及深圳市基础研究项目等项目的支持。
　　

2022-12-29

南海海洋所在洋壳初始俯冲以及陆壳形成机制研究取得新进展

　　近日，金沙威尼斯欢乐娱人城南海海洋研究所边缘海与大洋地质重点实验室研究员张运迎团队联合其他科研团队，在洋壳初始俯冲以及陆壳形成机制方面取得新进展。相关成果发表在Geological Society of America Bulletin《美国地质学会通报》和International Journal of Earth Sciences《国际地球科学杂志》上。张运迎研究员为论文第一作者，孙珍研究员、香港大学孙敏教授、中国地质科学院地质研究所尹继元研究员、金沙威尼斯欢乐娱人城广州地球化学研究所袁超和夏小平研究员为论文共同作者。
　　地球为何拥有板块构造和大陆，是21世纪地球科学十大科学问题之一。板块俯冲是维系地球圈层间协同演化的关键，其引发的地球表层与内部之间的物质循环不仅影响着地球内部的物质组成，还调节着地表宜居环境；同时，大陆地壳作为陆生生命的居住地，其表面风化作用也调节着地球气候演变。
　　然而，科学家们对板块构造学说的关键一环（即：洋壳初始俯冲机制）以及大陆地壳的形成机制（如：洋内弧基性玄武质成分如何转变为具有陆壳特征的长英质组分）尚没有统一的认识。
　　针对以上问题，研究团队对古亚洲洋构造域准噶尔地区的寒武纪蛇绿岩以及石炭-二叠纪花岗岩进行了锆石U-Pb-Hf-O同位素研究。研究表明：（1）寒武纪蛇绿岩中的长英质岩石具有类似地幔的Hf-O同位素组成，表明其来源于初始俯冲阶段的洋壳熔融和弧玄武岩浆分异。结合区域资料，研究提出早寒武世该区存在一个长达1000 km、东西向的洋内弧俯冲带，其初始俯冲与冈瓦纳大陆聚合以及劳亚大陆裂解有关（图1），解答了西南古亚洲洋寒武世初始俯冲在全球范围内的动力学机制；（2）研究还发现，早于320 Ma的花岗岩具有类似地幔的O同位素组成，晚于320 Ma的花岗岩展现出地壳特征的O同位素组成，表明晚期花岗岩具有再循环表壳物质的加入。结合区域资料，研究认为弧–弧碰撞引起的表生物质再循环和熔融作用促进着大洋弧地壳转变为大陆地壳（图2）。
　　本研究以早寒武世古亚洲洋为例，回答了洋壳俯冲的初始机制和大洋地壳转变为大陆地壳的机制，为全面认识板块构造学说提供重要科学依据。
　　上述研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省实验室（广州）人才团队引进重大专项等项目联合资助。
　　相关论文信息：
　　Zhang, Y.Y., Sun, M., Yin, J.Y., Yuan, C., Sun, Z., Xia, X.P., 2022. Subduction initiation of the western Paleo-Asian Ocean linked to global tectonic reorganization: Insights from Cambrian island-arc magmatism within the West Junggar, NW China. Geological Society of America Bulletin 134, 3099–3112.
　　Zhang, Y.Y., Sun, M., Yin, J.Y., Yuan, C., Sun, Z., Xia, X.P., 2022. Maturation of East Junggar oceanic arc related to supracrustal recycling driven by arc–arc collision: perspectives from zircon Hf–O isotopes. International Journal of Earth Sciences, 111, 2519–2533.
　　图1 早寒武世全球板块以及西准噶尔构造位置重建图
　　图2 洋内弧地壳成熟化机制示意图，弧-弧碰撞引起再循环表壳物质的部分熔融促进着大洋弧地壳转变为大陆地壳
　　

2022-12-27

亚热带生态所在喀斯特坡地关键带多界面水文过程驱动的可溶性碳运移机制取得新进展

在岩溶作用下，喀斯特区地上地下二元三维结构发育，水文过程以地下过程为主。喀斯特关键带核心区（土壤-表层岩溶带系统）不仅是可溶性碳的主要储存库，也是水文和生物地球化学过程的热区。然而，受喀斯特关键带地下过程观测技术的限制，土壤-表层岩溶带系统内，多界面径流组分的可溶性碳流失机制尚不清楚。该区以往设立的喀斯特生态系统科研样地均借鉴黄土区、红壤区以地表过程为主的监测方法和技术手段，不能同时实现喀斯特地区特有的地上-地下过程耦合监测，无法揭示喀斯特区关键带地上-地下多界面三维空间内水、土、生源要素的分布、迁移、转化机理，难以满足喀斯特地区植被恢复、水土流失阻控、地下水补给评估与水资源高效利用、面源污染防治、极端气候事件应对等重大现实需求。针对以上问题，环江喀斯特生态系统观测研究站研发了喀斯特坡地关键带多界面三维水土过程监测方法及平台，实现了喀斯特关键带多界面（大气-土壤界面、土壤-表层岩溶带界面、表层岩溶带-基岩界面）产流及物质迁移过程的实时动态监测与样品采集（图1）。
　　在岩溶作用下，喀斯特区地上地下二元三维结构发育，水文过程以地下过程为主。喀斯特关键带核心区（土壤-表层岩溶带系统）不仅是可溶性碳的主要储存库，也是水文和生物地球化学过程的热区。然而，受喀斯特关键带地下过程观测技术的限制，土壤-表层岩溶带系统内，多界面径流组分的可溶性碳流失机制尚不清楚。该区以往设立的喀斯特生态系统科研样地均借鉴黄土区、红壤区以地表过程为主的监测方法和技术手段，不能同时实现喀斯特地区特有的地上-地下过程耦合监测，无法揭示喀斯特区关键带地上-地下多界面三维空间内水、土、生源要素的分布、迁移、转化机理，难以满足喀斯特地区植被恢复、水土流失阻控、地下水补给评估与水资源高效利用、面源污染防治、极端气候事件应对等重大现实需求。针对以上问题，环江喀斯特生态系统观测研究站研发了喀斯特坡地关键带多界面三维水土过程监测方法及平台，实现了喀斯特关键带多界面（大气-土壤界面、土壤-表层岩溶带界面、表层岩溶带-基岩界面）产流及物质迁移过程的实时动态监测与样品采集（图1）。
　　近期，金沙威尼斯欢乐娱人城亚热带农业生态研究所环江喀斯特生态系统观测研究站王克林和张伟团队依托以上喀斯特坡地关键带多界面三维水土过程监测平台（4个处理，3个重复，共计12个小区），连续3年（2018-2020）同步观测土壤-表层岩溶带系统内地表径流、岩土界面壤中流、表层岩溶带侧渗等多界面产流过程及可溶性碳流失过程，解析了喀斯特关键带结构因子（裸岩率、土厚、土厚变异系数、表层岩溶带厚度、表层岩溶带风化程度、基岩起伏度、土壤质地等）与土地利用方式（自然恢复灌丛、牧草、经果林、传统玉米）对喀斯特关键带多界面水文过程和可溶性碳流失通量的影响。
　　研究结果表明（图2）：1）从水量平衡结果看出，喀斯特坡地关键带水文过程表现出明显的以地下过程为主的特点：表层岩溶带侧渗（70%）、岩土界面壤中流（27%）、地表径流（3%）。整体而言，随着人为利用强度的增加，喀斯特坡地地下水补给量显著降低，地表径流和岩土界面壤中流等浅地表横向径流逐渐增加，从而降低了土壤-表层岩溶带系统的水文调蓄功能，加剧了旱涝灾害风险。2）土层厚度、基岩起伏度、土壤质地是控制喀斯特关键带多界面DOC和DIC流失通量的最重要的关键带结构因子。土层较厚且土壤-表层岩溶带平整接触的岩土系统更容易触发浅地表横向径流驱动的可溶性碳损失。土地利用对喀斯特关键带多界面产流及可溶性碳的控制作用远小于关键带结构因子的影响，然而，与传统玉米耕种及经果林种植等高强度利用类型相比，保护性牧草种植表现出显著的减少径流、降低碳损失的保水固碳效果。3）极端降雨事件导致喀斯特坡地关键带多界系统中的可溶性碳流失量高达平水年总流失量的2.5倍，极端降雨事件是喀斯特地区关键生源物质流失的关键防控期。本研究为全球变化背景下喀斯特关键带生源要素流失阻控和水土资源可持续利用提供了科学依据。
　　研究结果以Soluble carbon loss through multiple runoff components in the shallow subsurface of a karst hillslope: Impact of critical zone structure and land use为题发表在Catena。该研究得到了国家自然科学基金联合基金、国家自然科学基金重点基金、广西重点研发等项目资助。
　　论文链接
　　图1 喀斯特坡地关键带多界面三维水土过程监测平台
　　图2 喀斯特坡地关键带多界面DOC、DIC流失特征及其关键影响因子

2022-12-28

亚热带生态所在喀斯特植被恢复过程土壤有机质-微生物协同机制取得进展

金沙威尼斯欢乐娱人城亚热带农业生态研究所环江喀斯特生态系统观测研究站王克林和张伟研究员团队在喀斯特植被恢复背景下土壤有机质积累的微生物调控机制方面取得进展，相关研究成果近期以Linking bacterial life strategies with soil organic matter accrual by karst vegetation restoration为题发表在土壤学领域知名期刊Soil Biology and Biochemistry上。
　　金沙威尼斯欢乐娱人城亚热带农业生态研究所环江喀斯特生态系统观测研究站王克林和张伟研究员团队在喀斯特植被恢复背景下土壤有机质积累的微生物调控机制方面取得进展，相关研究成果近期以Linking bacterial life strategies with soil organic matter accrual by karst vegetation restoration为题发表在土壤学领域知名期刊Soil Biology and Biochemistry上。
　　土壤有机碳形成影响碳汇、生态系统多功能性以及陆表系统对气候变化的响应和反馈。在高强度耕作扰动向大规模植被恢复转变背景下，喀斯特区损耗的土壤有机质库逐渐恢复，可利用资源的变化也影响地下微生物群落。然而，植被恢复如何影响微生物群落结构和功能以及这种变化是否会进一步影响土壤有机质积累，目前尚不清楚，制约喀斯特生态系统碳汇潜力评估以及高效固碳增汇人工干预技术研发。
　　在亚热带生态所王克林研究员和张伟研究员指导下，团队以黔桂喀斯特南北样带为研究区，以生态工程实施15年后的人工林和自然恢复林为研究对象，以对应区域长期受耕作干扰的耕地和约60年未受干扰的次生林为参照，分析与土壤有机质积累密切相关的6个关键指标及土壤微生物群落结构特征。基于单参数法、平均值法、单阈值-多阈值法三种相互独立但互补的方法全面评估了植被恢复前后土壤有机质积累特征，进一步从群落水平和门水平量化微生物生活史策略，结合随机森林和结构方程模型构建土壤有机质积累与微生物之间的联系。
　　结果发现，人工林和自然恢复林土壤有机质自然增长量显著高于耕地（分别增加47%和60%），但仍低于次生林。同时，植被恢复降低了土壤有机质及相关指标对区域温度变化的敏感性；植被恢复后，富钙土壤提高了碳库稳定性，降低了细菌多样性，促进细菌群落由r-策略转向K-策略；而K-策略主导的细菌群落促进了土壤有机质积累，在维持土壤固碳功能高水平运作时其协同关系尤为紧密。
　　研究进一步表明，以K-策略为主导的细菌群落碳氮利用效率高，有利于土壤有机质积累，而有机质在富钙土壤中的积累和稳定又促进K-策略微生物的生存和竞争。钙-微生物-有机质三者之间的协同关系为研发功能微生物和碳酸钙耦合调控喀斯特土壤固碳增汇技术提供了理论依据。
　　该研究得到了国家自然科学基金重点基金、区域联合重点基金等项目的资助。
　　论文链接
　　图1 研究区概况及与土壤有机质积累相关的关键参数
　　图2 喀斯特植被恢复土壤钙-微生物-有机质之间的联系

2022-12-27

深圳先进院在人工智能算法指导实验机器人进行蛋白质工程改造

本研究依托深圳合成生物研究重大科技基础设施，开发了一种自动化蛋白质工程方法BO-EVO，通过多轮机器学习与机器实验迭代，大幅提升了蛋白质多位点组合突变设计空间的探索效率，能够以<1%湿实验量寻找获得全局最优实验结果。
　　北京时间12月24日，金沙威尼斯欢乐娱人城深圳先进技术研究院司同课题组和乔宇课题组合作，在生物信息期刊Briefings in Bioinformatics (IF: 13.994) 在线发表研究论文 “Protein engineering via Bayesian optimization-guided evolutionary algorithm and robotic experiments” 。
　　本研究依托深圳合成生物研究重大科技基础设施，开发了一种自动化蛋白质工程方法BO-EVO，通过多轮机器学习与机器实验迭代，大幅提升了蛋白质多位点组合突变设计空间的探索效率，能够以<1%湿实验量寻找获得全局最优实验结果。除利用文献数据、理论模型数据进行验证外，BO-EVO方法被应用于实际蛋白质工程任务，4周内将鼠李糖脂合成酶RhlA的酶底物特异性提升了4.8倍。
　　文章上线截图
　　文章链接：https://doi.org/10.1093/bib/bbac570
　　蛋白质适应度地形（fitness landscape）隐喻蛋白质氨基酸序列与其目标性质（“适应度”）对应关系形成的高维表面。蛋白质工程改造可视为在这个高维表面上寻找高点对应的序列。然而有效探索该地形将面临几个挑战：1. 探索空间随序列长度指数增长；2. 有功能的蛋白极其稀少且高性能蛋白数量随其适应度呈指数衰减；3. 由于序列位点间突变存在上位效应，地形极度崎岖；4. 实验表征费时、费力、费钱。定向进化采用多轮的随机突变与高通量筛选对适应度地形开展探索，通常每轮固定一个最佳突变。然而，由于适应度地形通常较为崎岖，贪婪策略更容易陷入局部最优。
　　在该研究中，机器学习在建模蛋白质适应度地形及指导蛋白质工程方面都取得了初步成功。然而，一方面受限于序列特征不充分及适应度标签数据稀疏，机器学习模型性能有限；另一方面受限于人力实验，现有机器学习指导的蛋白工程改造都追求尽可能小的实验通量和尽可能少的迭代轮次（甚至无迭代）。生物铸造厂（Biofoundry）通过物理与信息的自动化可以加速生物工程的“设计-构建-测试-学习”闭环过程。在蛋白质工程任务上，自动化、高通量实验平台使得短时间内大批量建库和筛选成为可能，从而能够获取高通量、高质量的序列-功能关系数据，用于机器学习模型性能及序列设计质量的闭环迭代提升。
　　为了实现机器学习算法与机器人实验之间的高效反馈，数据获取、模型构建及序列推荐三者缺一不可，需形成闭环。就算法而言，贝叶斯优化正适用于这种复杂适应度地形的寻优，其可利用预测模型的不确定性构建采样函数以平衡“探索与利用”。然而，经典的贝叶斯优化方法并不适用于高维问题及批量采样。本研究针对蛋白质多位点组合突变设计空间的高维搜索难题，开发了贝叶斯优化指导的进化算法（BO-EVO，图1）。作者在研究中提出了搜索空间演化策略，克服经典贝叶斯优化的可扩展性问题，采用迭代式批量化采样策略，实现与高通量、自动化实验平台的高效适配。
　　图1. BO-EVO原理图。a. BO-EVO算法流程展示搜索空间演化; b. FAST-HIT软件框架实现数据获取、模型构建与序列推荐的闭环迭代。
　　文章以四位点组合突变的GB1经验地形数据开发算法，确定算法超参。在GB1地形上，BO-EVO性能超越随机算法、纯进化算法（AdaLead）甚至MCMC算法（图2）；其性能虽不及全空间枚举的贝叶斯优化方法，但计算效率大大提高，可扩展性极好。
　　图2. 适应度地形探索算法比较。a. 找到全局最优的成功率；b. 算法所推荐的序列的适应度均值及最大值。
　　为了考察对不同适应度地形的适用性，作者将开发好的BO-EVO算法（超参不变）应用在另外一个四位点组合突变的经验地形PhoQ上，获得了更高的成功率（图3）。此外，作者进一步挑战BO-EVO，将其用在具有不同粗糙度的NK模拟地形（统计模型，粗糙度可控）上，发现对于中等及以下粗糙度的NK地形，BO-EVO表现优秀，而对极其崎岖的地形，BO-EVO的成功率明显下降（图3）。当然，对于极其崎岖的地形，其适应度的可预测性本身极大降低。
　　图3. BO-EVO在不同地形上的泛化能力。a. NK地形的粗糙度；b. BO-EVO迭代5轮后找到全局最优的成功率。绿色圆圈代表NK地形，蓝色三角形代表PhoQ地形，紫色五角星代表GB1地形。
　　最后，作者将BO-EVO算法成功应用于真实的蛋白质工程任务上。面向4位点组合突变的优化任务，作者以鼠李糖脂合成酶RhlA为研究对象，基于BO-EVO指导机器人平台开展自动化实验，进行共4轮、每轮384个突变体的分子克隆、诱导表达和质谱测试。在不使用先验知识的前提下，BO-EVO通过模型-实验闭环迭代，在1个月内实现底物选择性指标近5倍的提升，达到文献已报道最高水平。
　　
　　图4. BO-EVO指导RhlA酶的4位点组合优化。a. 鼠李糖脂单体Rha-C10-C10分子结构；b. 鼠李糖脂单体的MALDI质谱检测结果，包括野生型与典型变体；c. Rha-(C8-C10)的归一化产量，野生型为1。
　　综上，文章依托深圳合成生物大设施，开发了蛋白质适应度地形的高效探索算法，率先实现了基于机器学习模型与机器人实验反馈迭代的自动化蛋白质工程改造。司同研究员、乔宇研究员和胡如云助理研究员为本文的共同通讯作者，胡如云助理研究员和博士生付立豪为本文共同第一作者。本研究得到国家重点研发计划、国家自然基金及深圳合成生物学创新研究院等项目支持。
　　
　　PI与课题组简介：
　　司同，中科院深圳先进院合成生物学研究所研究员，博士生导师。国家重点研发计划合成生物学项目首席科学家，国家高层次人才（青年），深圳合成生物研究重大科技基础设施总工艺师。
　　课题组方向为自动化合成生物技术，包括机器学习指导蛋白工程、高通量质谱筛选等，用于开发微生物细胞工厂研究和生产燃料、化工品、药物等重要分子，前期成果在Nat Commun, J Am Chem Soc, Angew Chem Int Ed, Chem Sci, Metab Eng等国际著名学术期刊发表论文50余篇，“谷歌学术”引用超过2400次。
　　实验室主页:
　　http://isynbio.siat.ac.cn/sitonglab/
　　

2022-12-27