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环境化学与生态毒理学国家重点实验室在哺乳动物基因组DNA 6mdA修饰掺入控制机制方面取得新进展
中国科学院生态环境中心环境化学与生态毒理学国家重点实验室汪海林研究组在在哺乳动物基因组DNA 6mdA修饰掺入控制机制方面取得新进展，相关研究成果近日在线发表于EMBO Journal 杂志（Aberrant DNA N6-methyladenine incorporation via adenylate kinase1 is suppressed by ADAL deaminase-dependent 2’-deoxynucleotide pool sanitation, doi: 10.15252/embj.2023113684）。
高等哺乳动物DNA N6-甲基腺嘌呤（6mdA）是表观遗传学领域的一个研究热点。前期工作中，汪海林研究团队（Liu, et al. Cell Res. 2021, 31:94-97）与Musheev研究团队（Musheev, et al. Nat. Chem. Biol. 2020, 16:630-634）独立发现哺乳动物基因组中存在DNA聚合酶依赖的以N6-甲基-2’-脱氧腺苷三磷酸（6mdATP）为底物掺入至复制或修复的DNA而形成的掺入型6mdA（i6mdA）。生理上，与具有表观遗传学效应的甲基化DNA 6mdA一样，i6mdA同样会影响碱基配对和双螺旋构象，进而影响DNA复制和转录。Musheev团队认为，细胞内存在丰富的RNA N6-甲基腺嘌呤（m6A）修饰，其降解后产生的大量m6rA核苷及其磷酸化产物可能通过核酸补救合成途径转化掺入至DNA，形成i6mdA。然而，与Musheev团队的研究结果不同，汪海林团队在他们所研究的细胞中检测到的i6mdA源自外源m6rA核苷。因此，他们认为，机体内RNA m6A降解转化形成i6mdA的通路应该受到严格控制，但具体机制目前尚不清楚。
为了探究哺乳动物中DNA 6mdA掺入控制的分子机制，首先，汪海林/李向军团队利用他们已建立的稳定同位素示踪技术结合超灵敏的高效液相色谱串联质谱（UHPLC-MS/MS）的分析方法，追踪哺乳动物细胞中RNA N6-甲基腺嘌呤修饰的代谢。同位素示踪技术可以避免6mdA分析过程中原核生物（细菌、支原体等原核生物DNA中含有高丰度的6mdA修饰）污染，而超灵敏的UHPLC-MS/MS可以实现对哺乳动物中痕量6mdA修饰的准确定量。示踪结果显示哺乳动物细胞中大量RNA m6A修饰（>60%）被成功标记，同时胞内也检测到了丰富的标记的RNA m6A降解产物（游离m6rA核苷及其磷酸化产物）。然而胞内却没有出现稳定同位素标记的游离6mdA核苷及其磷酸化产物，且在大多数测试细胞系中也未检测到标记的i6mdA（即源自RNA m6A降解的i6mdA），仅在少数细胞株中检测到稀少的标记的i6mA (NIH3T3和C2C12细胞)。这些结果提示哺乳动物细胞内存在阻断DNA 6mdA错误掺入的2’-脱氧核苷酸库清除机制（2’-deoxynucleotide pool sanitation）。
随后，汪海林/李向军团队发现脱氨酶ADAL（Adenosine deaminase like protein）的缺失会导致细胞内出现游离的6mdA核苷及其磷酸化产物，以及源自胞内RNA m6A降解的DNA i6mdA。此外，对比存在i6mdA的NIH3T3和C2C12细胞与未检测到i6mdA的mES细胞中的Adal基因的表达水平，他们发现Adal的表达与i6mdA的水平呈现负相关。这些结果表明ADAL参与抑制i6mdA的产生。最后，他们通过代谢酶筛选，发现腺苷酸激酶AK1（Adenylate kinase 1）的过表达促进ADAL缺陷细胞中i6mdA水平的升高，而Ak1的敲低则显著抑制i6mdA的产生，说明AK1同样参与调控i6mdA的形成。
值得注意的是，汪海林/李向军团队在小鼠成纤维NIH3T3细胞和小鼠成肌C2C12细胞中检测到的i6mdA丰度（分别为0.42和0.14 6mdA per 106 dC）比这两个细胞系中已报道的i6mdA丰度低约90-1000倍。该结果同样支持哺乳动物细胞中i6mdA产生受到严格控制的结论。
图1 哺乳动物细胞内2’-脱氧核苷酸库清除机制抑制DNA 6mdA产生的机制示意图
综上所述，这项工作揭示了哺乳动物细胞中存在的抑制潜在DNA 6mdA错误掺入的2’-脱氧核苷酸库清除机制。脱氨酶ADAL以及其他调节因子（如焦磷酸酶MTH1）共同构成了该清除机制。而该机制的缺陷（如在NIH3T3细胞中）和腺苷酸激酶AK1表达的上调会促进异常的6mdA掺入（图1）。该研究将有助于理解表观遗传DNA稳态的维持机制。
中国科学院生态环境研究中心环境化学与生态毒理学国家重点实验室陈少坤博士为论文的第一作者，汪海林研究员为通讯作者。中国科学院大学化学科学学院李向军教授为共同通讯作者。
论文链接1：https://www.embopress.org/doi/epdf/10.15252/embj.2023113684
论文链接2：https://www.nature.com/articles/s41422-020-0317-6
论文链接3：https://www.nature.com/articles/s41589-020-0504-2
环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2023年6月30日
2023-06-30
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欧阳志云研究组在气候变化背景下生态工程对生态系统服务的影响研究方面取得重要进展
中国科学院生态环境中心城市和区域生态国家重点实验室欧阳志云研究组在气候变化背景下生态工程对生态系统服务的影响研究方面取得重要进展，相关研究成果在线发表于Global Change Biology（The impact of ecological restoration on ecosystem services change modulated by drought and rising CO2, doi: 10.1111/gcb.16825）和Environmental Research Letters（Ecological restoration and rising CO2 enhance the carbon sink, counteracting climate change in northeastern China, doi: 10.1088/1748-9326/ac3871）。
上世纪，由于不适当的人类活动，自然生态系统发生了严重退化。为扭转这一趋势，以联合国REDD+（The United Nations Collaborative Programme on Reducing Emissions from Deforestation and Forest Degradation in Developing Countries plus）计划为代表的旨在恢复退化生态系统的生态恢复项目在世界范围内广泛开展。先前的研究发现，这些生态工程在恢复退化的生态系统和增强生态系统服务供给方面具有显著成效。同时，由于CO2排放持续增加导致的全球气候变暖使得地球的气候系统越来越不稳定。这种变化不仅导致大气CO2浓度不断升高，还导致干旱事件的发生频度、广度和持续时间不断增加。已有研究表明气候变化对生态系统服务的影响不容忽视。然而，目前尚不清楚气候变化如何影响生态工程在增强区域生态系统服务供给方面的作用。
图1 左) 气候变化、大气CO2浓度升高和生态工程对碳汇的影响；右) 气候变化、大气CO2浓度升高和生态工程对不同土地利用类型固碳速率的影响
针对上述问题，研究团队以京津风沙源区治理工程区为案例，结合基于遥感的长时间序列土地利用数据集、机器学习模型、生态系统过程模型和生态系统服务评估方法，通过构建多种模拟情景开展分析研究。研究结果显示，生态工程和大气CO2浓度升高是当地碳汇提升的主要原因，并成功抵消气候变化导致碳汇减少的不利影响。生态工程的实施促使固碳、水源涵养、土壤保持和防风固沙服务分别增加22.21%, 2.87%, 2.35%和28.77%。其中植树造林对生态系统服务提升的贡献远高于草地恢复，其中超过91.41%, 98.13%和64.51%新增加的固碳、土壤保持和防风固沙服务由植树造林所贡献。尽管植树造林导致水源涵养服务有所下降，但是这种下降却被草地恢复增加的水源涵养服务所抵消。此外，生态工程对生态系统服务的影响沿着降水梯度也呈现出明显的差异。
图2 左) 生态工程对生态系统服务影响的空间分布；右) 生态工程对生态系统服务的影响在不同降水梯度差异
大气CO2浓度升高进一步放大生态工程在增加生态系统服务供给方面的贡献，但是这种增强作用几乎完全被干旱带来的负面影响所抵消。在干旱和大气CO2浓度升高的联合作用下，生态工程对固碳、水源涵养、土壤保持和防风固沙服务提升的贡献分别减少了5.74%, 32.62%, 11.74%和14.86%。此外，干旱和大气CO2浓度升高的联合作用对不同生态系统服务在不同的降水梯度上也呈现出明显的差异。总体上，其对固碳、土壤保持和防风固沙服务的负面影响沿着降水梯度逐渐加剧，但是其对水源涵养服务的负面影响沿降水梯度先加剧后又逐渐减小。
图3 左) 干旱和大气CO2浓度升高对生态工程作用下生态系统服务变化的增强/减弱效应空间分布；右) 干旱和大气CO2浓度升高对生态工程作用下生态系统服务变化的增强/减弱效应在不同降水梯度差异
本研究进一步证实了生态工程在增强区域生态系统服务供给以及抵御气候变化对碳汇负面影响方面的重要性。同时，大气CO2浓度升高对生态工程在增加生态系统服务供给方面的促进作用被干旱的负面影响几乎完全抵消这一事实也告诉我们气候变化的负面影响总体上大于其正面影响。该研究表明在评估生态工程对生态系统服务供给的影响时，有必要考虑大气CO2浓度升高和干旱等气候变化因素的扰动，并尽可能通过优化生态恢复策略提高生态系统的恢复力从而减少气候变化带来的负面影响。这一研究为科学认识气候变化背景下生态工程对生态系统服务的影响提供了新的视角和系统的评估方法。
中国科学院生态环境研究中心博士后黄斌斌为论文第一作者，逯非研究员为通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划项目、中国科学院战略性先导科技专项、中科院青年创新促进会、中科院生态环境中心碳达峰碳中和生态环境技术专项以及河北省重点研发计划等项目的资助。
论文链接1: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/gcb.16825
论文链接2：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/ac3871
城市与区域生态国家重点实验室
2023年6月29日
2023-06-29
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环境化学与生态毒理学国家重点实验室在细颗粒物改变流感病毒感染特征方面取得新进展
环境化学与生态毒理学国家重点实验室刘思金研究员研究组与中科院微生物研究所方敏研究员等团队合作在细颗粒物改变流感病毒感染特征的研究中取得新进展，相关成果近期发表于Science Advances（Dong, et al, 2023. DOI: 10.1126/sciadv.adf2165），并被Nature作为研究亮点（Research Highlight）报道。
目前的研究认为大气细颗粒物可能增加了流感病毒等病原微生物的传播和感染风险。然而，颗粒物的携载作用是否改变流感病毒的感染活性和感染过程，颗粒物/病毒复合体对机体的损伤靶点与单纯的病毒感染相比是否发生改变等方面仍存在诸多问题亟待解答。
针对上述科学问题，研究团队发现大气细颗粒物与流感病毒存在活跃的相互作用，发现颗粒物负载的病毒仍具有强感染活性，并且颗粒物的理化性质（例如亲疏水特性等）是影响病毒负载量和感染过程的重要因素。在流感病毒感染早期，颗粒物通过网格蛋白介导的内吞作用（clathrin-mediated endocytosis）等途径，促进病毒以非唾液酸受体依赖的方式进入宿主细胞；而在感染后期，颗粒物与脂筏结构域（lipid raft domains）相互作用促进子代病毒从细胞膜出芽释放，这些结果揭示了颗粒物促进流感病毒内吞和出芽释放的机制。动物感染实验进一步发现，颗粒物显著改变了流感病毒在呼吸道的分布，在感染早期，亲水性强的颗粒物快速地运载病毒进入肺部，而疏水性强的颗粒物则将病毒阻滞在鼻腔中。更为重要的是，颗粒物可以运载病毒突破气血屏障，到达肺外器官（例如肝脏、脾脏和肾脏），并导致更严重的损伤结局，包括全身性炎症、局部组织损伤和体重减轻等。核心发现如下示意图所示。该研究工作对于深入了解大气细颗粒物等环境因素对病原微生物传播和感染的影响具有启发意义。
Nature针对该研究成果进行了专文报道，认为该研究—“有助于解释为什么空气污染严重时流感病毒感染更加严重”。
该研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中科院青年创新促进会等项目的支持。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf2165
Nature Highlight链接：https://www.nature.com/articles/d41586-023-01898-x
环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2023年6月19日
2023-06-19
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宋茂勇研究组在催化剂选择性调控方面取得新进展
在前期的研究中，我们发现N元素掺杂能够显著提升TiO2的甲苯选择氧化性能，并初步证明在TiO2表面形成的N--Ti3+-Ov可能是甲苯选择性氧化的活性位点（Cell Reports Physical Science, 2022, 3, 100936）。我们进一步提出TiO2负载Pt提升甲苯选择氧化活性，但Pt负载带来的过氧化作用会显著降低反应的选择性（50.1%）。宋茂勇研究团队与清华大学肖海团队合作，针对如何调控Pt/TiO2的催化选择性开展了深入研究。
理论计算表明，Pt/TiO2催化剂的Ti3+是甲苯的甲基C–H键选择性氧化的活性位点，而Pt是甲苯过氧化的活性位点。常规合成的Pt/TiO2单原子催化剂具有典型的Pt-O二配位结构，有趣地是，四配位的Pt位点不会活化氧分子导致甲苯过氧化。在此基础上，我们利用还原TiO2为载体，氯铂酸（H2PtCl6）的水溶液为Pt前驱体，合成了Pt/B-TiO2催化剂。由于Pt与还原TiO2的电子相互作用较弱，电子从Pt向Cl配位转移形成稳定的Pt-Cl键。Cl配位使得Pt二配位结构转化为四配位结构（图1），在洗涤和焙烧处理后Pt-Cl键仍然稳定存在，抑制了Pt位点的甲苯过氧化活性。与此同时，富电子的Pt原子有利于Ti3+的稳定，进一步提升了甲苯的选择氧化效率。该方法有效调控了TiO2负载Pt催化剂的选择性，对甲苯的甲基C–H键氧化的选择性可以达到100%。
图1 甲苯选择氧化活性位点示意图和Pt/TiO2催化剂的甲苯选择氧化性能
相关研究成果发表于Journal of the American Chemical Society。生态环境中心麻春艳副研究员为第一作者，生态环境中心宋茂勇研究员和清华大学肖海教授为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金（22125606, 21976198, 21777175）项目的支持。
论文链接1：https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.100936
论文链接2：https://doi.org/10.1021/jacs.3c03257
环境纳米技术与健康效应重点实验室
2023年5月10日
2023-05-10
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汪海林研究组在人工定向进化蛋白研究方面取得重要进展
中国科学院生态环境中心环境化学与生态毒理学国家重点实验室汪海林研究组在人工定向进化蛋白研究方面取得重要进展，相关研究成果近日在线发表于Analytical chemistry （Artificially Evolved Super Binder for Specific Recognition of N6-Methyladenine Base Modification in DNA and RNA, doi: 10.1021/acs.analchem.3c00588）。
DNA和RNA中都存在一种重要的表观遗传碱基修饰，即N6 -甲基腺嘌呤(6mA/m6A)。细菌中DNA 6mA在病原体预防、DNA复制以及错配修复中起到重要作用（Reisenauer et al. 1999, Wion et al. 2006）。2015年，在果蝇、线虫等高等生物中也发现DNA 6mA修饰（Zhang et al. 2015, Greer et al. 2015, Wu et al. 2016）。RNA m6A在RNA的转录、剪接、运输、翻译、衰减中起到作用（Liu et al. 2017, Roundtree et al. 2017, Yu et al. 2018, Wang et al. 2014, Lee et al. 2021）。目前商品化的6mA抗体能够非特异性结合不含修饰的短重复序列，产生广泛的假阳性峰（Lentini et al. 2018）。如何准确测定DNA/RNA中6mA/m6A位点及分布仍是表观遗传学领域、化学测量学与化学生物学中一个极其重要的科学难题。针对这一难题，汪海林研究团队尝试发展人工定向进化技术合成一个可高特异性、高亲和力识别N6-甲基腺嘌呤修饰的超级结合蛋白。该蛋白一旦合成成功将可应用于DNA/RNA中6mA/m6A的成像、检测和基于亲和沉淀的测序。
为了获得高亲和力的6mA/m6A结合蛋白，该团队首先利用易错PCR技术建立RNA m6A reader的随机突变文库，然后利用酵母表面展示相应的突变蛋白库，可获得3x108个不同的突变蛋白。采用不含6mA的DNA探针（FAM标记）作为阴性对照，含有6mA的DNA探针（Cy5标记）作为正向筛选探针，同时与酵母进行孵育。通过荧光激活细胞分选对6mA结合蛋白进行分选。采用这种进化策略，该团队进行了三次突变文库构建和筛选，获得了三种人工进化的蛋白，命名为e6mABP1、e6mABP2和e6mABP3（图1）。
图1. e6mABP蛋白的人工定向进化流程示意图。流式图中的红框门用于分选优势突变体。
分别诱导3种蛋白在酵母表面展示后进行流式表征，实验结果显示，与原始的reader模板蛋白相比，e6mABP1-3中Cy5的信号峰明显向右偏移，说明这些蛋白的Cy5结合信号增加，但是FAM结合信号相似。将这些流式图重叠，可以看出e6mABP1、e6mABP2和e6mABP3的Cy5荧光强度分别是初始reader模板的2.6倍、12.4倍和26.5倍。为了让进化的蛋白在体外与含6mA的DNA结合并验证蛋白活性，该团队纯化了重组蛋白MBP-Flag、MBP-Flag-reader、MBP-Flag-e6mABP1、MBP-Flag-e6mABP2和MBP-Flag-e6mABP3，纯度在98.7% ~ 99.3%，终浓度约为20 ~ 30 mg/mL。该团队将e6mABP蛋白与DNA探针孵育，进行了凝胶电泳迁移分析。分别观察e6mABPs-DNA复合物和未结合DNA探针的两条条带。与不含6mA的DNA探针相比，e6mABP3在100 nM的情况下就可以观察到其对含有6mA的DNA有更明显的结合倾向。e6mABP2和e6mABP3对不含6mA的DNA的亲和力（Kd）分别为1620 nM和1549 nM，与reader模板蛋白（Kd=686 nM）相比，e6mABP2和e6mABP3对不含6mA的DNA的亲和力较低。与reader模板蛋白（Kd=150 nM）相比，e6mABP2和e6mABP3对含有6mA的DNA的亲和力（Kd=54-93 nM）都有所增加。这些结果表明，e6mABPs比reader模板蛋白对含有6mA的DNA探针具有更高的亲和力和特异性。因此，随着进化轮数的增加，筛选获得的e6mABP对不含6mA的DNA探针的亲和力降低，而对含6mA的DNA探针的亲和力显著增加。
研究团队以m6A reader YTHDF2C为初始模板，进行包含突变文库构建、酵母表面展示、FACS的三轮定向进化，最终筛选获得6mA超级结合蛋白e6mABPs。e6mABPs对含有6mA的DNA具有较高的亲和力和特异性。获得的e6mABPs将为6mA富集提供一种高效、可重复且经济的方法。此外，该研究的进化方案也可以用于其它DNA/RNA修饰的特异性结合蛋白的进化与筛选，促进相关研究的发展。
中国科学院生态环境研究中心博士生刘艳为论文的第一作者，汪海林研究员为通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金的资助。
论文链接: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.3c00588
DOI: 10.1021/acs.analchem.3c00588
环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2023年4月28日
2023-04-28
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贺泓院士团队发现大气N2O5非均相生成新机制
硝酸盐是大气PM2.5的主要组成。大气硝酸盐的两个主要生成途径分别为NO2的气相氧化（与OH自由基反应）以及N2O5的水解。传统观点认为大气N2O5的唯一来源是NO2和大气NO3自由基的反应，而NO3自由基主要来自于NO2与O3反应。在国家自然科学基金大气霾化学基础科学中心等项目（22122610, 22188102, 22006158）资助下，中国科学院生态环境研究中心贺泓院士团队与宾夕法尼亚大学Joseph S. Francisco教授团队、香港城市大学/内布拉斯加大学林肯分校曾晓成教授团队合作研究发现，光照条件下，吸附在TiO2表面的NO2可被光生空穴氧化，生成吸附态的NO3。吸附态的NO3并不倾向于直接脱附，而是与另一个NO2分子结合生成N2O5，并释放到大气中。在这一光氧化过程中，TiO2表面的羟基对NO2的吸附和转化起到了非常关键的作用。这一发现揭示了大气N2O5一个新的非均相生成来源，研究成果以“Photocatalytic Oxidation of NO2 on TiO2: Evidence of a New Source of N2O5”为题，发表于Angew. Chem. Int. Ed.期刊。
图1. TiO2表面NO2非均相光氧化形成N2O5示意图
该研究同时评估了这一非均相来源对实际大气条件下的N2O5贡献。盒子模型模拟结果表明，在TiO2材料大量使用的城市近地面环境中，高浓度NOx在TiO2表面光氧化可导致白天N2O5的大气浓度最多升高20%，从而成为大气N2O5的一个重要贡献源，并对后续硝酸盐生成等过程产生重要影响。该团队近期研究还发现，城市近地面环境中的TiO2表面对SO2光氧化生成气态硫酸也有重要贡献，可显著促进大气新粒子形成（Environ Sci Technol 2023, 57 (2), 920-928），增加大气颗粒物数浓度。这些研究成果表明城市地区的光化学活性表面可能对城市大气化学过程和空气质量具有重要影响。
论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202304017
大气环境与污染控制实验室
2022年4月20日
2023-04-20
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郑明辉课题组编制的国家生态环境标准《土壤和沉积物 毒杀芬的测定 气相色谱-三重四极杆质谱法》（HJ 1290-2023）发布
毒杀芬是一种组成复杂的混合物，具有持久性、高毒性、生物蓄积性、半挥发性，是《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》首批优先控制的12种持久性有机污染物之一。
郑明辉课题组基于参加《全球POPs监测技术导则》的经验，创新同位素稀释技术，建立了在3万多种毒杀芬同类物中，准确识别和定量3种指示性毒杀芬的方法。方法具有选择性强、检出限低、灵敏度高的特点，达到国际领先水平。课题组联合中国环境监测总站编制了国家生态环境标准《土壤和沉积物 毒杀芬的测定 气相色谱-三重四极杆质谱法》，于2023年2月9日在生态环境部网站（2023年第8号文）正式发布，详见https://www.mee.gov.cn/ywgz/fgbz/bz/bzwb/jcffbz/202303/t20230314_1019454.shtml，本标准将于2023年8月1日正式实施。
环境化学与生态毒理学国家重点实验室长期以来致力于新污染物检测方法研究，其持久性有机污染物检测技术成果能助力于我国开展新污染物治理和国际履约工作。
环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2023年3月16日
2023-03-15
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Ecology：树大未必招虫！研究揭示热带森林植食率的垂直分布格局
动物对植物的取食，即植食过程，是自然界最为常见的生物间相互作用之一。这一过程对植物的生长、繁殖、生存以及生物多样性维持有着深远影响。然而，自然界中的植食程度在不同物种之间差异巨大，如何解释这种差异，已成为当前群落生态学领域数十年来关注的基本科学问题之一。
当前，学术界对这一问题的解释主要包括几个假说。1）化学防御假说，认为植物化学防御物质（如次生代谢物）的差异是导致植食率高度差异的主要原因。但该假说的推测往往只在单个物种或少数近缘物种之内成立。在群落尺度上，特定次生化合物的含量和植食率之间的关系非常微弱；2）“显示度”假说，该假说认为在群落中更容易被发现的个体或物种（比如更高，更大的个体），遭到植食性动物取食的程度会更高；即自然界存在“树大招虫”的格局。3）负密度制约假说，认为一定范围内同种植物密度越高，则这种植物遭受的植食程度也越高；4）生长速率假说，认为物种的生长策略，决定了其植食程度。采取高生长速率策略的物种会对植食动物采取耐受型策略，所以这些植物的植食率会更高。目前，在物种高度多样化的热带森林群落中，上述哪种机制决定了物种之间的虫食率格局仍不清楚。
为回答这一问题，中国科学院生态环境研究中心张霜副研究员与中国科学院西双版纳版纳热带植物园徐国瑞副研究员借助塔吊系统，在补蚌热带雨林大样地开展合作研究。通过对目前已知的全球最大幅度林冠垂直落差采样（地上1.6 – 65 m高），同时考虑了目标植物叶属性及其邻居的多样性、多度、高度异质性、系统发育历史等因素，综合分析了这些因素对于虫食率种间变异的影响。通过对129种乔木6700片叶片的系统采样分析，发现： 1）植食率随着林冠高度的增加而降低，这与显眼度假说的预期相反；2）邻居的多样性、同种个体多度、邻居高度异质性等因素，对目标植物的植食率均没有显著影响。即没有检测到明显的协同防御效应和负密度制约效应；3）叶面积越大，则植物的植食率越高，这说明占据稳定、优质的食物资源，可能是植食性昆虫进行宿主选择的重要依据。这一研究揭示了在高度复杂的生态系统中，种间相互作用的垂直格局是一个不同忽视的因素，这给我们理解种间相互作用变异规律和生物多样性的维持机制提供了新思路。日前，这一研究以“Canopy height, rather than neighborhood effects, shapes leaf herbivory in a tropical rainforest”为题，在生态学经典期刊Ecology上在线发表。Ecology当值主编认为“This paper will do a great job of advancing our understanding of herbivory in tropical forests”。
本研究受到了中国科学院热带森林生态学重点实验室开放课题、国家自然科学基金(31971481)、中国科学院青年创新促进会（2019046, 2022401）等项目的资助。特别感谢西双版纳森林生态系统国家野外科学观测研究站给予本研究的大力支持。
全文链接：https://esajournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ecy.4028
图1 补蚌塔吊样地树种取样分布点和取样乔木个体的高度分布（红色点为采样个体，灰色点为塔吊范围内的其他个体）
图2 树冠高度、叶片大小、比叶面积和邻居物种丰富度（NSR）与植食率的关系
图3 贝叶斯谱系结构方程模型分析不同因素对植食率的作用路径
城市与区域生态国家重点实验室
2023年3月15日
2023-03-15
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祝贵兵研究组在泥炭湿地温室气体氧化亚氮N2O通量研究方面取得进展
泥炭地储存了全球土壤10-30%的总有机氮和总有机碳，对全球温室气体N2O、CH4和CO2的释放影响重大。自人类世（Anthropocene）以来，北方季节性冻土区泥炭地以地球平均升温速率两倍的速度（每10年0.6°C）升温。升温引起氮矿化速度加快，导致冻土区泥炭地大量非活性氮变为生物可利用态氮，并进入微生物氮循环过程。越来越多的证据表明，北极和亚北极地区永久冻土区泥炭地已经融化并释放大量N2O。与活跃层融化的永久冻土相比，季节性冻土区泥炭地在土壤剖面中融化过程更强烈，具有更大的氧化还原电位梯度，因此可能释放更多的N2O。基于以上分析，我们提出科学假设：季节性冻土区泥炭地是N2O释放的“热区”，而融化时期是每年N2O释放的“热时”。
图1 采样时间和土壤剖面实景照片
研究发现，季节性冻土区泥炭地在春季土壤融化时期的N2O排放通量为1.20±0.82 mg m-2 d-1，显著高于其他时期和同纬度的其他生态系统，甚至高于全球最大的天然陆地N2O释放源——热带森林。15N-18O同位素示踪和抑制剂联用研究结果显示，细菌和真菌反硝化作用（83.1±8.4%）是泥炭地剖面（0–200 cm）N2O的主要微生物来源。宏基因和宏转录组测序技术进一步分析表明，季节性冻土区泥炭地具有较高的N2O产生潜力，冻融作用显著刺激了N2O产生基因的表达，加强了N2O产生微生物之间的互作关系，从而导致了春季融化时期N2O的大量产生，融化时期大量的N2O释放使得季节性冻土区泥炭地成为了一个重要的N2O排放源。这项研究提供了关于季节性冻土区泥炭地解冻后潜在氮释放的新见解，并为地球系统模型提供了重要信息，从而能够更好地预测气候变暖条件下北方泥炭地的生物地球化学循环。
图2 样点和区域尺度上季节性动土区炭地N2O释放通量
随着全球气候变暖的加剧，泥炭地中碳降解和氮矿化速率将大幅增加。我们的研究表明，季节性冻土区泥炭地“热时”时期N2O的排放将加剧变暖效应，可能使泥炭地成为一个净“加热源”。人类生产活动与自然环境变化都可能加速这种效应。因此，保护泥炭地对于全球生态安全和气候变化至关重要。
研究成果发表于微生物生态TOP期刊The ISME Journal，并受Nature Portfolio Communities邀请发表评述：Behind the paper of “Hot moment of N2O emissions in seasonally frozen peatlands”。中国科学院生态环境研究中心博士毕业生王晓敏为论文的第一作者，祝贵兵研究员为通讯作者。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41396-023-01389-x
评述链接：https://earthenvironmentcommunity.nature.com/posts/hot-moment-of-n2o-emissions-in-seasonally-frozen-peatlands-bfb1fe91-95b0-4cfc-bfcb-0bb572bd7cdf
环境水质学国家重点实验室
2023年3月13日
2023-03-13
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刘思金研究组在《德国应用化学》上发表关于纳米佐剂方面新进展
刘思金研究员研究组与广州大学闫兵教授团队等合作在纳米佐剂方面取得新进展，相关研究成果近期以研究论文形式发表于《德国应用化学》（Angew Chem Int Ed Engl）（Ma, et al. Angew Chem Int Ed Engl. 2023, DOI: 10.1002/anie.202218719）。
佐剂是疫苗制剂制备中不可或缺的，具有增强对疫苗组分抗原特异性免疫应答或改变免疫反应的功效。传统佐剂主要是天然的免疫激活物质及其衍生产物，但往往效果欠佳，也存在副反应，而且其作用机制不完全清楚。纳米化的佐剂主要利用纳米颗粒实现对现有佐剂的包封、运载和呈递等，对如何调控纳米颗粒物结构及提高其自身佐剂活性方面亟待深入研究。
为了开发高效的促进免疫系统激活的纳米佐剂，该合作团队联合攻关，利用机器学习及分子模拟方法，深入接受了天然免疫受体的激活模式，总结了关键分子作用靶点的活化规律。据此，设计、合成了具有广谱Toll样受体靶向及激活的小分子配体库，将其修饰在纳米金球表面。进一步，利用定量构效关系（nano-QSAR）模型解析了表面配体及纳米金球对纳米金颗粒物@配体复合物诱导树突状免疫细胞（DC）活化，增强其表面与T细胞的共刺激分子及促炎细胞因子表达的贡献，优化小分子配体在纳米金颗粒物表面的展示模式，形成纳米金佐剂库。研究发现，新型纳米金佐剂能够显著提高DC细胞的抗原提呈能力及淋巴结运移能力，并具有良好的组织相容性，有效实现淋巴结靶向。同时，利用小鼠黑色素瘤肺转移模型以及乳腺癌模型，评价纳米金佐剂及肿瘤抗原形成的纳米疫苗的肿瘤的预防和治疗效果，发现该纳米疫苗能显著活化以DC细胞活化为核心的多种抗肿瘤免疫细胞，抑制肿瘤的生长及转移。本研究为纳米佐剂设计及合成提供了新的策略及方法。相关研究成果在线发表于Angew Chem Int Ed Engl。
马娟副研究员为第一作者。以上研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和中科院青促会等项目的支持。
论文链接详见：https://doi.org/10.1002/anie.202301059
环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2023年2月28日
2023-02-28
