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  氮是植物生長發育所需的必要元素,近年來,氮肥的過度使用以及大量含氮生活污水、工業廢水的排放導致水體中的氮含量急劇增加。作為植物更易吸收的氮源,NH4+在低濃度時能促進植物的生長,高濃度時,會對植物產生抑制甚至毒害作用。陸生植物主要通過根部對銨進行吸收,然后以各種含氮化合物的形式轉運到地上部分。銨進入細胞后主要通過兩種途徑進行同化:在谷氨酰胺合成酶(GS)的作用下銨首先被合成谷氨酰胺,然后在谷氨酸合成酶(GOGAT)的作用下合成谷氨酸,也稱GS/GOGAT途徑;另一條途徑主要通過谷氨酸脫氫酶(GDH)進行催化,銨與α-酮戊二酸結合生成谷氨酸。其中GS/GOGAT途徑一直以來被認為是高等植物銨同化的主要途徑,但也有研究認為,GDH途徑在植物處于特殊環境條件下起主導作用。  以上研究成果主要來自于陸生植物。作為水生態系的重要組成成分,沉水植物在物質循環及水質量改善上起到重要作用。沉水植物與陸生植物有極大的區別:一是沉水植物的葉片能夠直接從水體中吸收大量營養;二是沉水植物對銨的耐受性有物種差異性。這些差異是否會導致沉水植物在銨的同化機制上與陸生植物存在差異,其在沉水植物銨解毒過程中是否起到一定的作用到目前還缺乏相關研究。  基于以上背景,中國科學院水生植物與流域生態重點實驗室、中國科學院中-非聯合研究中心、中國科學院武漢植物園水生植物生物學學科組的研究人員開展了一系列研究。首先比較了常見的6種沉水植物的銨耐受性,并篩選出了銨耐受型代表物種穗狀狐尾藻(Myriophyllumspicatum)和敏感型代表物種光葉眼子菜(Potamogetonlucens)。在此基礎上,通過設置銨濃度梯度對兩種代表性沉水植物葉片中銨同化相關酶的活性和代謝產物等指標開展監測,結果發現GDH途徑在銨耐受型物種M.spicatum的銨解毒中起到重要作用,在高銨濃度下其活性分別增加了169%(NADH-GDH)和103%(NADPH-GDH),GS活性未發生顯著變化。而在銨敏感型物種P.lucens中,GDH未產生顯著性變化,GS活性增加了約17%。基于此結果,研究人員發現GDH途徑是沉水植物銨解毒過程中的重要機制。  研究成果以Glutamatedehydrogenaseplaysanimportantroleinammoniumdetoxificationbysubmergedmacrophytes為題,發表于國際學術期刊ScienceoftheTotalEnvironment。武漢植物園博士研究生鮮玲為第一作者,副研究員劉帆為通訊作者。這項工作得到中科院戰略先導專項項目(XDB31010104)、國家重點研發計劃項目(2016YFA0601001)和國家自然科學基金(31670369)的資助。  論文鏈接不同物種篩選及銨耐受型和敏感型植物同化途徑的比較

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  二維半導體材料由于具有高電子遷移率和易于調控等潛在應用價值而廣為關注。Bi2O2Se是這一領域內最近受到關注的一種材料,它具有空氣中穩定、遷移率高、能隙適中(~0.8eV)、自旋軌道耦合強等優點。目前,大面積的單層和多層Bi2O2Se薄膜已經被成功合成,且在場效應管、光電晶體管等電子學和光電子器件中顯示出優越特性。然而,Bi2O2Se還存在著一維納米線形態。相比于二維薄膜形態,納米線形態由于具有大的表面體積比,將可能展現出更奇特的性質。同時,基于這種強自旋軌道耦合材料構建超導復合器件,預期可實現拓撲超導態。  中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心固態量子信息與計算實驗室博士生應江華在特聘研究員屈凡明和研究員呂力的指導下,觀測到了Bi2O2Se納米線的相干表面態,并在基于Bi2O2Se薄膜的約瑟夫森結中實現了對超流的開關控制和對超流空間分布的調控。該研究團隊利用化學氣相沉積方法生長了高質量的Bi2O2Se納米線和薄膜,并分別制備了正常金屬電極和超導電極。在Bi2O2Se納米線器件中,低溫輸運展現出電阻隨沿納米線軸向磁場的周期振蕩,且該振蕩能被門電壓調制。該結果表明納米線中存在著相干的表面態,并形成了一維子能帶。態密度計算結果與實驗數據符合得很好,同時排除了通常認為的Aharonov-Bohm干涉機制。該工作是與物理所研究員楊槐馨合作完成的,發表在Phys.Rev.B100,235307(2019)。  最近,該團隊還利用Bi2O2Se薄膜制備了基于超導近鄰效應的約瑟夫森結器件。通過門電壓調控,成功實現對超流幅度的完全調節,即超流的開和關。更有意思的是,通過分析磁場中超流的衍射和干涉行為,他們發現超流的空間分布也可被門電壓調控。超流大時,體超流占主導;超流小時,邊緣超流占主導。據此,他們在同一器件中同時實現了對超流幅度和空間分布的調制。此外,理論預期Bi2O2Se薄膜的表面態與最外層原子是Bi或Se有關,這也提供了更豐富的可能性。該工作是與南京大學教授王學鋒、南開大學教授曹學偉合作完成的,發表在NanoLett.20,2569(2020)。  上述工作得到科技部、國家自然科學基金委、中科院B類先導專項、北京市科委、國防科大和北京量子信息科學研究院的資助。  文章鏈接:12圖1.(a)Bi2O2Se納米線器件示意圖。(b)AFM圖。(c)電阻隨磁場和門電壓的雙調制。(d)c圖的二階微分,展示振蕩信息。圖2.(a)Bi2O2Se約瑟夫森結在不同門電壓下的超流衍射和干涉圖。(b)相應門電壓下提取的超流空間分布。

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  印度板塊與歐亞板塊碰撞,形成了“世界屋脊”——青藏高原,這是新生代全球最為重要的地質事件之一。它塑造了亞洲的地形地貌,對亞洲乃至全球的氣候都有著深遠影響。因此,青藏高原的形成過程長期以來備受地質學、環境科學和生物學等領域學者的關注。由于青藏高原形成過程的復雜性,目前對于其形成歷史的認識還存在很大分歧。  中國科學院西雙版納熱帶植物園客座研究員RobertA.Spicer以及研究員蘇濤、周浙昆等近期在《國家科學評論》(NationalScienceReview)上發表綜述論文"Whythe'UpliftoftheTibetanPlateau'isaMyth ”,系統地綜述了以往有關青藏高原形成過程的不同觀點,并詳細介紹了利用地球系統模型、同位素分析以及古生物證據重建青藏高原古海拔的最新研究進展。  “青藏高原隆升”這一術語,大量出現在地質學和生物學的文獻中。“高原隆升”通常把青藏高原看作一個平面整體的抬升。這一觀點主要依據過于簡化的地球動力學與氣候模型,以及對代理指標結果的不合理解釋,且認為青藏高原的隆升肇始于印度板塊與歐亞板塊碰撞(~65-55Ma)及其后的持續向北推進。然而越來越多的地質學研究表明,青藏高原的形成過程極其復雜。青藏高原各地塊的形成時間和過程不同,這些地塊在不同的地質時期先后拼接到亞洲大陸。印度板塊與歐亞板塊的碰撞僅僅是青藏高原形成過程中的最后一次拼接。  近年來,越來越多的地質學和古生物學證據表明,高原中部在新生代相當長的時期內存在著一條東西走向的低谷,低谷的南面和北面分別是岡底斯山脈和羌塘山脈。在始新世由于印度洋季風的增強,暖濕氣團能夠越過南面的岡底斯山脈,于是在低谷中孕育了具有亞熱帶性質的動植物區系,這個時期的動植物區系與北半球有著廣泛的聯系。中央低谷自古近紀以來經歷了南北向的擠壓變形而不斷變窄。該中央低谷在新近紀被進一步擠壓填充,青藏高原在整體上才形成。  對于高原中部的古海拔,穩定性同位素研究和古生物學證據常得出截然不同的重建結果,這是因為:大氣中的同位素從印度洋傳送到青藏高原中部的過程中發生了反復分餾,由于高原中部在古近紀存在谷地,同位素分析結果代表了附近山體的最大高度;而基于化石證據(如棕櫚和攀鱸等)的重建結果,則代表了生活在谷地的生物在地質時期的海拔分布范圍。  在今后的研究中,需要充分考慮青藏高原不同地塊在形成過程中的差異性和有機統一,重視具有可靠地質年代的化石證據,采用整合同位素分析、古地形更為合理的地球系統模型,結合同位素分析和古生物學證據,交叉驗證古海拔重建結果,進而深入認識青藏高原形成歷史及其對亞洲季風氣候和生物多樣性演變的重要影響。  論文鏈接青藏高原構造簡圖。青藏高原是由不同的地塊拼接而成,各地塊的形成過程不同而又有機地統一。紅色圓點為本文涉及到的青藏高原及其鄰近地區古海拔研究地點。基于植物化石證據和同位素分析重建青藏高原南部及喜馬拉雅山脈的抬升歷史。

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  近日,中國科學院大連化學物理研究所復雜分子體系反應動力學研究組研究員韓克利團隊與生物分子功能研究組研究員樸海龍團隊合作,基于概念密度泛函理論中的局域親電性指數,提出了一種谷胱甘肽硫轉移酶(GST)檢測熒光探針的分子結構半定量設計方法。  GST作為II期解毒酶,能夠催化谷胱甘肽(GSH)的巰基親核進攻親電性或疏水性物質,以實現其生理功能。它的多種亞型同工酶在許多腫瘤細胞系尤其是抗癌藥耐藥性細胞系中過表達,因而高信噪比檢測GST對于癌癥的早期診斷和治療具有重要意義。之前報道的GST熒光探針多采用2,4-二硝基苯磺酰基作為識別和反應基團,該基團雖能保證極高的靈敏度,但同時會帶來嚴重的背景噪音。這是由該基團對GSH可觀的非酶促化學反應活性導致的。為了得到高性能的實用型GST熒光探針,需要降低識別基團的背景反應噪音。然而,靈敏度與背景噪音往往是相互制衡的一對因素,因此,對反應活性的微調是找準平衡點的關鍵。  概念密度泛函理論(CDFT)從“分子的基態性質由其基態電子密度所唯一確定”這一定理出發,給出化學相關概念的確切物理定義及其表達式,從而可用于定量計算和衡量。該工作中,研究團隊基于上述理論及GST酶促反應的芳香親核取代(SNAr)反應機理,創新性地將CDFT中的局域親電性指數ωk引入熒光探針的設計中,用于定量描述探針的背景反應活性,進而便于實現對反應活性有的放矢地微調。非酶促反應動力學測試結果表明,參數ωk可以準確描述和預測探針分子與GSH的背景反應活性;酶促反應動力學測試結果則顯示,ωk值的大小總體上還可以代表靈敏度的強弱。值得注意的是,相對于酶促反應所對應的靈敏度kcat,非酶促反應所對應的背景噪音knonc對ωk值更敏感,這證明了通過微調ωk達到降噪且保持高靈敏度的目的存在著可操作空間。此外,除了反應/識別機制上的優化,研究團隊還通過飛秒瞬態吸收光譜實驗和含時密度泛函理論計算證實,體系中的光致電子轉移(PET)過程在發光機制上對低背景噪音有所貢獻。該研究為基于SNAr反應的熒光探針或藥物分子的半定量設計提供了一種新思路。  相關成果發表在《研究》(Research)上。上述研究工作得到國家自然科學基金項目、中科院科研儀器設備研制項目、遼寧省興遼英才計劃項目和大連市科技創新基金項目等資助。大連化物所提出熒光探針分子結構半定量設計方法

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  機器學習是人工智能的核心。近年來隨著理論和算法的飛速發展,機器學習可以更快速地處理復雜、多維度的數據,去除噪聲、自動識別關鍵信息;也可以通過篩選特征和融合模型進一步提高預測能力。其中一個新的研究方向——深度學習,能夠從海量的數據中對數據的內在規律進行自動的分析、挖掘和學習,很大地推進了人工智能相關技術的發展和應用。因為機器學習的功能強大,它在圖像識別、數據分類、計算機視覺(包括圖像和視頻等)等多個領域的應用也趨向繁榮。  機器學習的優勢可以跟空間天氣預報研究相結合,促進預報先兆因子的提取和預報模型的建立,進一步提升空間天氣的預報能力。  太陽耀斑及其伴隨或引發的太陽質子事件、日冕物質拋射事件,可能引發劇烈的空間環境擾動,嚴重威脅到航天器和衛星的安全。研究太陽耀斑爆發的先兆因子、建立起滿足空間天氣業務預報需求的太陽耀斑預報模型,是空間天氣預報的重點內容。  中國科學院國家空間科學中心空間環境態勢感知技術重點實驗室副研究員王晶晶、研究員劉四清等人利用機器學習方法,開展了太陽耀斑爆發的先兆因子提取以及太陽耀斑預報建模的研究。  王晶晶等(2019)利用活動區中性線梯度圖像將十二個傳統的耀斑先兆因子(磁通量、螺度平均值等)進行改造,將活動區中性線梯度作為權重代入了先兆因子的計算中,提取了一組新的耀斑先兆因子;經測試,這組新的先兆因子在用于預報強耀斑(M級及以上級別耀斑)時,明顯優于傳統的先兆因子,其中統計量F評分(Fisherscore)超出了后者兩倍,以此建立的隨機森林預報模型的技巧評分也平均提升了約30%。結果表明,新穎的、可以反映太陽耀斑爆發物理機制、與耀斑爆發具有很強相關性的先兆因子,對進一步提升耀斑預報的能力至關重要。  以上研究結果發表于TheAstrophysicalJournal。  活動區中性線梯度圖像不僅包含了活動區中性線附近的磁場梯度數值,也包含了中性線長度、形態和位置信息;在傳統的預報先兆因子(如Schrijver(2007)的R值——中性線附近區域的通量之和)的計算過程中,活動區的中性線位置和形態等一系列至關重要的磁場演化特征被忽略了。王晶晶等(2020)利用核函數從活動區中性線梯度圖像中成功提取了兩個新的耀斑先兆因子,分別表征當前活動區中性線梯度的特征、在過去48小時內活動區中性線梯度的演化特征,再與兩個相似的傳統先兆因子——R值(中性線附近區域的通量之和)和R值差分值進行對比后發現,新的先兆因子在用于預報強耀斑(M級及以上級別耀斑)時,明顯優于傳統先兆因子,其中統計量F評分超出了后者八倍,并成功地將預報時間提前量提升至72小時。結果表明,機器學習方法可以更完善地描述活動區中性線梯度圖像特征,提取出新的耀斑先兆因子,有利于提升耀斑預報能力以及預報提前量。  以上研究結果發表于TheAstrophysicalJournal,被收錄在HMIScienceNugget作為亮點研究推薦。  論文信息:  [1]JingjingWang,SiqingLiu,XianzhiAo,YuhangZhang,TieyanWang,YangLiu,ParametersDerivedfromtheSDO/HMIVectorMagneticFieldData:PotentialtoImproveMachine-learning-basedSolarFlarePredictionModels,2019,ApJ,884,175,DOI:10.3847/1538-4357/ab441b.  [2]JingjingWang,YuhangZhang,HessWebberSheaA.,SiqingLiu,XuejieMeng,TieyanWang,SolarFlarePredictiveFeaturesDerivedfromPolarityInversionLineMasksinActiveRegionsUsinganUnsupervisedMachineLearningAlgorithm,2020,ApJ,892,140,DOI:10.3847/1538-4357/ab7b6c.圖1:活動區光球徑向磁圖(左上)、正/負級活躍磁場區域圖(右上)、中性線梯度圖像(左下)、中性線梯度圖像48小時差分圖(右下)圖2:利用中性線梯度圖像提取的特征(Feature1)預報強耀斑的F評分(Fisherscore)隨預報時間提前量的變化趨勢(上圖)、以及利用中性線梯度差分圖像提取的特征(Feature2)預報強耀斑的F評分隨差分時間的變化趨勢(下圖)

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  萜烯類化合物在食品、醫藥、化妝品、香料、生防等行業有廣泛的用途。近年來,萜烯類化合物因其加氫產物在生物燃料領域的潛在應用價值而受到越來越多的關注。萜烯類化合物傳統的生產方式是從天然植物中提取或者化學合成,但是這兩種方法存在產量較低、能耗高、操作流程復雜、易產生污染等問題。隨著合成生物學的發展和開發綠色能源的迫切需求,利用工程微生物和可再生糖來生產萜烯類化合物已成為新的研究熱點。中國科學院青島生物能源與過程研究所生物基材料組群精細化學品研究組長期從事生物合成萜烯類化合物的研究工作,并在蒎烯、檜烯、松油烯等化合物的生物合成方面取得一系列進展(圖1)(BiotechnologyforBiofuels2013,6:60;MicrobialCellFactories2014,13:20;RSCAdvances2018,8:30851)。  生物法合成萜烯類化合物產量主要受兩方面因素的影響:合成途徑中基因的表達及宿主對產物的耐受性。以往研究大多只關注合成途徑中基因的改造,而對宿主細胞產物耐受性的研究相對較少。針對上述問題,研究人員首先逐漸提高培養基中外源檜烯的濃度對宿主細胞進行定向馴化(Adaptivelaboratoryevolution,ALE),獲得了能耐受高濃度檜烯的大腸桿菌馴化菌株(圖2),利用該菌株作為宿主合成檜烯,其產量達到191.76mg/L,是未馴化菌株的8.43倍,為目前已知大腸桿菌合成檜烯產量的最高報道。接下來,研究人員通過基因組重測序、轉錄組測序、反向工程驗證等手段揭示了與耐受性提高相關的關鍵途徑和關鍵基因。首次發現了3個與大腸桿菌對檜烯的耐受性有關的基因:ybcK、ygiZ和scpA。該工作的研究策略和結果為生物合成其它萜烯類化合物的研究提供了重要參考。  相關工作近日發表于生物基化學品研究期刊BiotechnologyforBiofuels。該工作獲得中科院青年創新促進會、山東省人才項目、海南省重點研發計劃和兩所融合基金等的支持。  論文鏈接圖1蒎烯、檜烯、松油烯等化合物的合成途徑圖2定向馴化獲得大腸桿菌檜烯耐受性菌株。A:利用逐漸提高培養基中檜烯濃度的定向馴化(Adaptivelaboratoryevolution,ALE)策略獲得大腸桿菌檜烯耐受性菌株;B:馴化菌株XYF(DE3)和未馴化菌株BL21(DE3)在含有或不含檜烯的培養基中的生長狀況。

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