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  植物次生代谢产物是指植物体内普遍存在的生物代谢非必须的小分子化合物,具有重要的经济和药用价值。次生代谢产物是链接植物科学各分支和化学交叉学科的关键所在,是深入探讨植物系统发育的重要的化学证据。利用次生代谢产物的特征及分布规律来探讨植物多样性的起源、演化与适应机制,或是利用植物系统发育来探讨次生代谢产物在植物进化历程中形成和分布规律,是植物化学同植物系统学学科交叉新产生的进化生物学或化学生物学的前沿研究领域。  中国科学院昆明植物研究所青藏高原-喜马拉雅植物多样性形成与演变团队联合植物化学生物学团队、重要类群植物化学及功能研究团队、天然药物新药研发团队、活性天然产物发现与生物合成团队,以及中科院武汉植物园、美国密苏里植物园(MissouriBotanicalGarden)、康奈尔大学(CornellUniversity)、欧柏林大学(OberlinCollege)等研究了生物碱类、黄酮类、萜类、单宁类、酚酸类、醌类、甾体类、苯丙素类等八大次生代谢产物在种子植物生命之树(TreeofLife)中的分布特征及演化规律。  研究结果表明:1)种子植物437个科中,至少308个科有过植物化学成分研究报道。黄酮类和生物碱类是种子植物中占主导地位的代表性次生代谢产物,其它次生代谢产物在种子植物大的进化支系中的分布没有发现显著的规律,如萜类主要分布在裸子植物和菊支植物中,单宁类主要分布在蔷薇支植物中,而苯丙素类、醌类、酚酸类和甾体类在种子植物中呈现出随机分布特征;2)次生代谢产物在生命之树中的系统发育信号普遍不高,趋于随机分布,该结果表明除了固有的遗传因素外,多次起源(包括趋同进化)、生物之间相互作用以及环境是导致次生代谢产物复杂多样和近随机分布的重要原因;3)八类次生代谢产物中,除甾体类以外,其他七类均在生命之树的不同支系上呈现了一定的系统发育信号或分布规律,除了可为系统发育提供化学证据外,对寻找或发现特定化合物有着重要潜力和应用前景;4)从起源上看,大多数次生代谢产物在种子植物的祖先类群中便已出现,并随着植物的进化而急剧多样化,如黄酮类、苯丙素类等在植物登陆时就已出现,为植物适应陆地环境奠定了化学基础,但其多样性主要还是在被子植物的进化历程中适应环境、防御掠食者和病原体、或为化感剂、或作为传粉和果实扩散的诱导成分等过程中不断丰富和多样化的;特别是在白垩纪以后,次生代谢产物的多样性与昆虫、哺乳动物和鸟类多样化过程具有紧密关系,如柱头的出现以及芳香萜由利己素到利它素的转变,是促使食植性昆虫转变为传粉昆虫的重要原因。因此,研究从时间线上探究次生代谢产物的起源、分布及进化规律,为人们呈现出一幅从植物次生代谢产物角度编绘的,从适应到辐射发展,再到多样化以及相互制约、协同进化的争相斗艳的生命画卷。  该研究结果以Phylogeneticpatternssuggestfrequentmultipleoriginsofsecondarymetabolitesacrosstheseedplant“treeoflife”为题发表在NationalScienceReview杂志上。该研究得到国家自然科学基金重大项目(31590823)、国家重点研发计划(2017YFC0505200)和中科院先导A项目(XDA20050203)的资助。  文章链接图1八类次生代谢产物在种子植物生命之树上的分布图2次生代谢产物与动植物之间的协同多样化

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  近期,中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学重点实验室在冷原子喷泉的相互作用区磁场评估中取得新进展,相关成果作为编辑精选(Editor’spick)文章发表于《美国光学学会杂志B》(J.Opt.Soc.Am.B37,1775-1780)。  磁场强度是最基本的物理参数,大部分精密测量领域都要用到测磁的相关技术。对应冷原子喷泉钟而言,磁场通过二阶赛曼效应引入了最大的偏移项。磁场测量是其性能评估中最基本的必要测量参数之一。更精准的磁场测量和评估(包括方向、分布等参数)方法一直是科研人员努力的方向。  该项研究中,科研人员提出了一种通过测量磁敏微波跃迁干涉条纹可见度的方法,实现喷泉钟微波作用区的径向磁场分布评估。首先,通过建立磁场分布模型,从而得到不同原子经历不同的磁场而产生不同的附加相位。附加相位会造成干涉条纹的非均匀加宽,并因而影响条纹的可见度(见图1)。根据附加相位随冷原子自由演化时间的增加而增加的关系,科研人员设计并完成了验证实验(见图2),实现了100pT磁场不均匀分布的测量,实验结果与理论预期吻合较好。  相关课题组在基于原子喷泉的磁场测量领域取得了一系列有特色的研究成果,包括一阶赛曼效应测磁、根据不同磁敏效应的多量程测磁、直接的磁场矢量测量、磁场非均匀补偿,以及利用磁敏能级跃迁分辨和测量标量、矢量、张量光频移(合作)等。本项研究成果是测磁研究的又一项阶段性成果,实现了对小范围区域的磁场不均匀分布的测量。  该项研究得到中科院先导B项目支持。  论文链接图1可见度随附加相位分布的变化,绿色曲线为可视度的变化,黑色、红色、蓝色曲线分别对应干涉条纹的极大值、极小值、平均值。图2测量实验原理图,左图为喷泉结构图,右图为改变分离振荡场时序的示意图。图3实验结果,上下两张图分别对应图2中的(c)和(d)的情况。

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  2017年9月国家发改委、国家能源局、财政部等十五部委下发了《关于扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油的实施方案》,提出在全国范围内推广使用车用乙醇汽油,到2020年基本实现全覆盖。当前我国生物燃料乙醇产量仅占汽油消耗量的2%左右,若实现全国范围内推广使用E10乙醇汽油,则燃料乙醇缺口超过1000万吨。《方案》同时也指出其实施的基础和前提是“保障国家粮食安全”,避免出现“与民争粮、与粮争地”等问题。因此,对于我国这样一个人口众多、石油资源有限的大国来说,开发非粮的乙醇生产原料与生产技术具有战略意义与现实意义。合成气(syngas)是主要由氢气、一氧化碳和二氧化碳组成的混合气。合成气来源广泛,煤化工、钢铁工业、石油炼厂等生产过程中产生大量合成气,农林废弃物通过气化也可制得合成气。由于其易得性,使合成气成为一种极具潜力的可持续能源与化工生产原料。大量的原料和巨大的需求之间缺少高效转化技术是目前阻碍生物燃料乙醇大规模应用的基本国情。  中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员李福利带领的分子微生物工程研究组长期致力于燃料乙醇的生物合成研究。近日,该研究组与中科院分子植物科学卓越创新中心研究员顾阳以及山东大学微生物重点实验室教授王书宁通力合作,阐明了合成气利用的模式菌株永达尔梭菌(Clostridiumljungdahlii)合成乙醇的能量代谢调控机制(图1)。通过基因敲除和碳13同位素标记,阐明了乙醇代谢的关键途径与回流机制。基于此,通过设计新型的气液发酵装置,使醇产量提升到50g/L,产物组成以产酸为主转变为产醇为主(图2),相关研究成果发表在微生物领域期刊FrontiersinMicrobiology和AppliedandEnvironmentalMicrobiology上,乙醇产量和产率的提高大大推动了合成气生物转化的规模化应用。  该工作得到国家自然科学基金委、中科院、山东省自然科学基金委和中国石油化工股份有限公司的资助。  论文信息:  1.ZhuHF#,LiuZY#,ZhaoX,YiJH,LunZM,WangSN,TangWZ*,LiFL*.2020.EnergyconservationandcarbonfluxdistributionduringfermentationofCOorH2/CO2byClostridiumljungdahlii.FrontMicrobiol11.doi:10.3389/fmicb.2020.00416.  2.Zi-YongLiu,De-ChenJia,Kun-DiZhang,Hai-FengZhu,QuanZhang,Wei-HongJiang,YangGu*,Fu-LiLi*.EthanolmetabolismdynamicsinClostridiumljungdahliigrownoncarbonmonoxide.ApplEnvironMicrobiol.2020,doi:10.1128/AEM.00730-20.图1.永达尔梭菌转化合成气生产乙醇的代谢机制简图图2.永达尔梭菌转化合成气生产乙醇的阶段进展图

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  作为太阳系中与地球最为相似的类地行星,火星因其表面丰富的古代水活动历史和可能保存的古生命迹象,成为太阳系深空探测的热门目标之一。火星探索的其中一条主线是追寻与生命息息相关的水的线索。水是生命之源,理解火星上水含量和含水矿物的丰度,能帮助科学家更好地理解火星的地质和气候演化历史,从而解密古代火星是否具有宜居性。  中国科学院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室研究人员利用欧洲宇航局火星快车的OMEGA光谱仪数据和美国宇航局火星轨道侦查器的CRISM光谱仪数据,对好奇号火星车的着陆区盖尔撞击坑的含水量和含水矿物的丰度进行了细致研究,估算出了该地区土壤的含水量并对含水矿物进行了定量填图,并把结果与好奇号火星车的就位探测结果进行了比对。  分析发现,利用轨道遥感数据获取的盖尔撞击坑区域的含水量与好奇号的就位探测结果高度吻合,从而验证了本研究的水含量定量反演方法的正确性。而基于轨道数据矿物定量反演结果与好奇号的地面真值有一些差异,造成这种差异的影响可能来源于观测区表面质地、粒径大小、观测尺度的不同。虽然差异存在,但是定量分析填图结果与CRISM本身的矿物参数图非常一致,显示出矿物定量反演方法在大范围内地质制图中的应用潜力。  中国在2020年将首次实施火星探测任务,一次性完成"绕"、"落"、"巡"三大目标。本研究建立的含水量和矿物丰度反演方法可以直接服务于我国2020火星探测任务。  文章发表在Astronomy&Astrophysics上,论文的第一作者和通讯作者是空间天气学国家重点实验室研究员刘洋。  文章链接图1:火星盖尔撞击坑(左图黑框处)的温度和水含量。图片来源:Liuetal.(2020).图2:好奇号火星车巡视路径处的矿物丰度填图。图片来源:Liuetal.(2020)

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  近日,中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室二维材料与能源小分子转化创新特区研究组研究员邓德会团队在酸性电解水析氧催化剂研究中取得新进展,发现二氧化钌(RuO2)和石墨烯界面处的钌中心可以显著提升RuO2基催化剂在酸性电解水析氧反应中的活性和稳定性,该工作为设计和制备高效、稳定的酸性电解水析氧催化剂研究提供了新思路。  氢能作为一种清洁、高效和可再生的绿色能源,被视为21世纪最有潜力的清洁能源。基于质子交换膜的酸性电解水制氢技术具有效率高、产氢纯度高、能耗低等特点,被认为是可连续生产高纯氢气最有前景的技术之一。然而其阳极的析氧反应受四电子转移过程和动力学惰性的限制,成了电解水制氢的瓶颈。迄今为止,RuO2是极少数能在酸性条件下催化电解水析氧反应的催化剂。然而,该析氧反应过程中所伴随的RuO2过氧化生成RuO4而腐蚀溶解的过程,使得RuO2催化剂在酸性电解水析氧反应中难以长时间保持高的反应活性。因此,开发新的策略来同时实现高活性和高稳定性的RuO2基催化剂的制备具有重要的研究意义,但却极具挑战。  邓德会团队在长期深入研究二维材料限域过渡金属催化电解水的基础上(Angew.Chem.Int.Ed.,2020,doi:10.1002/anie.202003484;NanoEnergy,2020,72,104700;NanoEnergy,2019,61,611;NanoEnergy,2018,52,494;Nat.Commun.,2017,8,14430;EnergyEnviron.Sci.,2016,9,123;Angew.Chem.Int.Ed.,2015,54,2100;EnergyEnviron.Sci.,2015,8,1594;EnergyEnviron.Sci.,2014,7,1919),通过精确构筑RuO2和石墨烯的界面来提升RuO2基催化剂在酸性电解水析氧反应中的活性和稳定性。基于该策略所制备的催化剂表现出优于商品RuO2的电催化活性和稳定性,在10mAcm-2电流密度下,过电位仅为227mV,低于商品RuO2所需的290mV过电位,可以稳定运行超过24小时,其稳定性远高于商品RuO2催化剂。同时,该团队与中科院山西煤炭化学研究所博士任鹏举合作,结合密度泛函理论计算发现,RuO2和石墨烯界面上的Ru位点可以打破吸附态物种HOO*和HO*之间的线性关系,降低整个反应决速步的反应能垒,进而提高电解水析氧的反应活性。此外,石墨烯向RuO2表面转移的电子可以提高RuO2的抗氧化和抗腐蚀能力。因此,石墨烯和RuO2界面处的Ru中心不仅可以增强RuO2催化析氧反应的活性,而且可以有效提升其稳定性。  相关研究成果发表在《先进材料》(AdvancedMaterials)上。上述工作得到国家科技部重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、中科院前沿科学重点研究项目、中科院洁净能源创新研究院合作基金项目、教育部能源材料化学协同创新中心(2011.iChEM)项目和国家博士后创新人才支持计划项目的资助。界面钌活性中心高效催化酸性电解水析氧反应

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  5月25日,中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心(神经科学研究所)、中国科学院灵长类神经生物学重点实验室王立平研究组与复旦大学附属华山医院神经外科毛颖/吴雪海团队在《自然-神经科学》期刊在线发表了题为《探索意识障碍患者层级语言加工》的合作研究论文。该研究针对意识障碍患者开展了语言加工相关神经表征的探索性研究,并将相关神经表征与机器学习方法相结合,成功实现了对患者意识状态的诊断和康复预测,为意识障碍患者的临床诊疗提供了新的参考(图1)。  每年我国有近10万患者因颅脑外伤、脑卒中、缺血缺氧性脑病等病陷入昏迷,继而进入长期的意识障碍状态,即传统意义上的“植物人”状态,长期治疗给家庭和社会都带来了巨大的压力。意识障碍患者中,以无反应觉醒综合征(unresponsivewakefulnesssyndrome,UWS)和最小意识状态(minimallyconsciousstate,MCS)两类最为常见;相较于无反应觉醒综合征患者,最小意识状态患者的残存意识水平更高,康复可能性也更高。然而,现阶段对患者的状态鉴定依赖于有经验医生的观察和量表评分,具有一定的主观性,误诊率高达40%。近年来有研究者利用脑电或磁共振成像记录患者的脑活动,进而推测其意识障碍程度,但范式较为局限,神经指标也较为匮乏,准确性仍有一定的提升空间。因此,将语言加工这一大脑高级认知功能与意识状态相结合的研究,一方面对于研究大脑在不同意识状态下处理语言加工的能力及神经机制有着重要的科学价值,另一方面,将语言加工能力作为大脑认知能力指标来判断患者残存的意识水平,对于意识障碍患者状态诊断和康复预测有着极其重要的临床价值和社会意义。  虽然现阶段科研人员尚未彻底理解语言层级结构在大脑中的神经基础和计算机制,但现有的基础研究结果已经可以为临床转化提供借鉴。本研究合作者丁鼐研究员在以往的工作中发现,当健康人聆听按一定频率呈现的汉语语音序列时,大脑会以对应节律的神经振荡并行表征序列中不同层级的语言结构(字、词及句子/短语;图2a)。如,当以4字/秒的速度连续播放如“小马过河”的4字句子,大脑会追踪其中的字(“小”、“马”、“过”、“河”;出现频率为4Hz)、词(“小马”、“过河”;出现频率为2Hz)和句(“小马过河”;出现频率为1Hz)结构,并在脑磁或脑电等神经信号上得以体现。相应的,如果呈现的是“高学山跑”这样不存在词和句结构的4字语音序列,则只能观察到与字结构出现频率对应的神经信号。  在此基础上,团队假设,意识障碍患者的残存意识水平与语言序列中层级结构的加工深度可能存在关联,尤其会在高层级语言结构的神经表征上得到体现。鉴于此,研究人员首先设计了3种包含不同层级的语言序列(仅包含字层级的单字序列,包含字及词结构的词组序列,包含字、词、句层级的句子序列),记录了无反应觉醒综合征和最小意识状态患者在接受到语音刺激时的床旁脑电活动,并与健康人进行了对比。群体对比的结果显示,患者组和健康被试组均表现出了对字层级结构的显著神经响应,但仅健康被试组的脑电活动显著体现出对词和句子结构的追踪。值得注意的是,在个体分析中,研究人员发现15名患者表现出对词和句子结构追踪的神经活动,其中6名患者在脑电记录的100天后表现出明显的意识水平康复。机器学习进一步显示,利用词组序列和句子序列条件下的神经活动对两类患者的区分更为有效。  从神经机制上来说,意识并不是一个静止的脑功能,而是一个动态变化、自我保持和全脑协同工作的实时演化过程。基于意识的全局工作空间理论中意识与高级皮层脑区的关系,团队进一步假设:高意识水平的脑活动会长时间停留在较为高级的前额叶-顶叶皮层信息环路中,而低意识水平的脑活动则更常分布于感觉等低级信息处理脑区——即大脑处理的语言序列句法结构越复杂,涉及到的高级脑区活动越多。研究人员记录了3组被试在接受3种包含不同层级结构的语言序列时的脑电微状态,并与静息状态进行了对比。脑电微状态基于全脑EEG电极活动变异最大时的脑电地形图聚类得到,包含了持续时间、出现次数等多种指标,可以反映大脑整体活动状态的时间和空间特征(图2b)。结果发现,基于群体脑电活动鉴定出的4种脑电微状态的多项指标均体现出了组间及任务间的差异。被试组间比较显示,在处理多层级语言序列时,健康被试更多地表现出了与高级认知活动信息环路相关的脑电微状态,而患者上与感觉信息处理相关的脑电微状态的出现概率更高。对比两组患者时发现,相较于无反应觉醒综合征组,最小意识状态组上感觉相关微状态的持续时间更短,而高级认知相关微状态的单位时间内出现次数更多。任务间比较显示,患者组间的脑活动微状态差异在高级语言任务条件下更为显著(图3)。两种机器学习方法的结果均显示,将语言层级相关的神经电活动和脑电微状态相结合(图2c),可以准确地判断患者的意识水平,且句子条件下的分辨效果最佳。  更重要的是,综合利用上述语言范式下的脑电指标建立的机器学习模型,不仅在诊断上显著优于基于行为学量表的临床评估,而且可以更准确地预测患者个体在脑电记录100天后的康复,正确率达到80%。为充分检测语言-脑电模型对单个患者的分类和预测结果的可靠性,研究人员进一步引入新一批患者数据,对当前模型进行预测功能的泛化验证,成功复现了准确的分类和预测效果。与之相对的是,基于临床行为评分的模型完全不具备对新数据集的泛化能力。这一系列对预测效果泛化能力的验证极为重要,意味着研究团队可能找到了一种普适的大脑意识水平的评价指标,在昏迷、睡眠、麻醉等一系列与意识水平相关的大脑状态评估中有着广泛的潜在应用价值。研究团队将在今后的研究中进一步优化测试方案,结合多模态测试和记录手段,进一步提高研究结果的临床效果、适应面和自动化程度,最终为研究意识障碍的神经机制、意识活动的神经表征,以及在意识障碍患者上开展相关科学研究提供实验依据和理论基础。  该研究由中科院脑智卓越中心(神经所)研究员王立平与复旦大学附属华山医院教授吴雪海共同指导,由脑智卓越中心桂鹏、蒋雨薇、温云卿、姜建,复旦大学附属华山医院臧迪、齐增鑫、谈家兴、谷川弘美,首都医科大学附属天坛医院徐珑合作完成,受到脑智卓越中心学术主任、中科院院士蒲慕明,首都医科大学附属北京天坛医院中科院院士赵继宗,法国国家健康与医学研究院StanislasDehaene院士,复旦大学附属华山医院副院长毛颖,浙江大学研究员丁鼐的大力支持,并得到脑智卓越中心灵长类生理检测平台的协助。研究获得来自中科院、国家自然科学基金委员会和上海市的项目资助。  论文链接图1、研究者结合多层级语言序列范式和头皮高密度脑电记录,帮助临床医生对意识障碍患者的意识水平进行诊断和预后判断图2、研究流程。a)多层级语言序列范式和语言层级追踪相关神经反应的示意图。b)脑电微状态示意图。c)利用多层级语言序列范式下的语言层级追踪相关神经反应及脑电微状态指标,对意识障碍患者的意识水平进行判断并预测康复。图3、三种脑电微状态参数的最小意识状态与无反应觉醒综合征组间差异随任务中语言层级的提升而加大

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