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科研动态 | 北林大近期科研进展扫描

花匠小妙招
2024-10-29 06:59

北京林木分子设计育种高精尖创新中心、中科院植物所等联合解析重要木本花卉-杜鹃花高质量基因组

北林大水保学院盐池站研究团队在荒漠土壤微生物生态过程研究中取得突破

北林大水保学院科研团队在土壤侵蚀过程机理研究方面取得新进展

北京林木分子设计育种高精尖创新中心青年研究员在统计遗传学研究方面取得新进展

北林大环境学院营养元素去除与回收科研团队在新型卫生厕所系统研发领域取得新进展

北林大环境学院科研团队在工业二氧化碳捕集利用反应领域取得新进展

北林大团队在生物质能源材料领域取得重要研究进展

北林大保护学院研究团队在植物生态适应研究的新方法上取得进展

北京林木分子设计育种高精尖创新中心、中科院植物所等联合解析重要木本花卉 – 杜鹃花高质量基因组

杜鹃花，著名花卉，我国十大名花之一，具有较高观赏价值。杜鹃花属（ Rhododendron ）包括约1千个野生种和3万多栽培品种，因其丰富、多样的美丽花冠而闻名于世。多样的杜鹃花品种，在欧洲、北美和亚洲各国，作为盆栽植物和景观灌木的地位日益突出。仅在比利时栽培杜鹃花的年产量已达4000万盆。尽管具有全球范围认可度和庞大的产业规模，但杜鹃花的选育途径还停留在基于表型性状的亲本选择与杂交，关键性状决定机制不明，高效精准的现代育种技术体系还未建立。解析高质量杜鹃花植物基因组，是杜鹃花功能研究和高效分子设计育种的前提基础，对杜鹃花产业发展有重要推动作用。

杜鹃 (映山红、照山红、山踯躅、山石榴，学名：Rhododendron simsii ) 主要分布在我国东部，是当前万余个园艺品种的原种，百余年来欧美日等国杜鹃花杂交育种的主要亲本。北京林业大学林木分子设计育种高精尖创新中心联合中科院植物研究所系统与进化植物学国家重点实验室以及比利时、瑞典、加拿大科研人员组成国际团队解析了杜鹃高质量的基因组图谱及其构成特点，揭示了花色形成相关的基因调控模式、关键的转录因子及结构基因，为杜鹃花关键性状遗传机制研究和基因组编辑等高效分子设计育种的建立提供了重要基础。该研究以“ Chromosome-level genome assembly of a parent species of widely cultivated azaleas ”为题目发表在 Nature Communications 杂志。

论文链接:

杜鹃花基因组数据库链接:

http://rhododendron.plantgenie.org/

北林大水保学院盐池站研究团队在荒漠土壤微生物生态过程研究中取得突破

微生物是土壤生态系统的重要组成部分，直接或间接地参与所有土壤生态过程，在生态系统物质循环、能量转换以及生态环境与人类健康中，发挥着重要作用。该领域的研究已成为土壤学、生态学、微生物学和环境科学等学科最为活跃的前沿交叉领域。由于受气候变化、人类活动的影响，荒漠化、地力下降、土壤侵蚀、土壤污染等土壤退化问题日趋严重，认识土壤微生物群落结构和功能，可能会开辟一条解决生态修复、生物生产力提高、环境退化、土壤可持续利用等生态环境问题的通道，拓展荒漠生态学的理论，对我国北方地区荒漠化防治具有十分重要的意义。

近年来，水保学院盐池生态站研究团队采用稳定性同位素示踪、高通量测序、扫描电镜、能量色散X射线光谱、网络分析等多学科交叉技术手段，系统、深入地探索了我国荒漠地区土壤微生物群落结构及对关键土壤生态过程的影响，在荒漠地区主要微生物类群的辨识及生态属性划分、固碳固氮微生物过程、功能微生物对土壤肥力及植物群落的影响等方面取得了突破。

研究团队首次明晰了我国12个主要沙漠/沙地的土壤细菌优势类群，并将其化分为6个主要的生态类型；阐明了微生物介导的土壤无机碳形成过程及实验条件下的生成速率；发现不同固沙植物种对微生物的选择作用调节着土壤有机碳的合成和分解过程，揭示了典型固沙植物种如何通过土壤微生物调节土壤碳库和植物种间关系；发现了荒漠土壤中非蓝藻类三个重要的异养固氮微生物属。

论文引用及连接：

https://doi.org/10.1111/ejss.12824

https://doi.org/10.1111/ejss.12866

北林大水保学院科研团队在土壤侵蚀过程机理研究方面取得新进展

日前，北林大水土保持学院王彬副教授研究组在土壤侵蚀过程机理研究方面取得新进展，相关研究成果发表在农林科学领域一区Top期刊 Soil & Tillage Research和行业权威期刊European Journal of Soil Science上。

土壤侵蚀是制约人类生存和社会可持续发展的重大环境问题，是多种生态问题的集中反映。近地表土壤水文条件（排水、饱和及壤中流）通常随时空尺度的变化而发生改变，探究耦合土壤水文条件的坡面侵蚀过程机理对理论和实践均具有重要意义。水土保持学院王彬副教授研究组针对不同近地表水文条件下坡面主导侵蚀过程和输移模式等科学问题尚不清楚的问题，采用人工模拟降雨、径流冲刷和稀土元素示踪技术等系统的研究方法，在细沟间侵蚀-搬运-沉积过程对土壤水文条件的响应机制方面取得了阶段性成果。

研究表明，土壤近地表水文条件是细沟间侵蚀的主导因子之一。土壤水文条件由排水转变为壤中流时，细沟间主导侵蚀过程将由“受搬运”限制为主（transport-limited）转变为“受分离”限制为主(detachment-limited)。雨滴诱发和薄层流驱动的颗粒滚动为细沟间侵蚀的主要搬运模式，揭示了土壤水文条件作用下的细沟间侵蚀-沉积时空分布特征，阐明了细沟间侵蚀侵蚀-搬运机制。基于近地表土壤水文条件因子的量化，课题组建立了具有一定物理意义的耦合水动力参数、降雨强度和近地表土壤水文条件的细沟间侵蚀动力方程，初步实现了对细沟间泥沙搬运能力和土壤分离速率的预测。

文章引用及链接：

https://doi.org/10.1111/ejss.12905

北京林木分子设计育种高精尖创新中心青年研究员在统计遗传学研究方面取得新进展

近日，北林大高精尖中心青年研究员姜立波博士在统计遗传学领域的研究取得一系列研究进展，相关成果发表在《Gut Microbes》（影响因子7.74，医学一区TOP）和《Computational and Structural Biotechnology Journal》（影响因子6.018，生物二区）国际期刊上。

微生物-宿主的互作在植物，动物以及人类健康中起着非常重要的作用，为了探索其互作的遗传机制，大量的全基因组关联分析研究被用于定位影响宿主微生物群组成，结构与功能的基因，这些研究也表明对宿主产生的影响不只是单个微生物也依赖微生物之间的相互作用。但如何系统的量化微生物的互作以及对宿主的影响是一个重要的挑战。为解决这一难题，姜立波通过整合行为生态学与基因作图理论，提出了一项关键技术，该技术利用数学模型将微生物的竞争与合作系统的分解为共生，拮抗，攻击和利他网络，并将网络嵌入到基因定位的框架中，同时借助通径分析进一步与表型进行桥接，从而全方位勾画出复杂性状的基因型-微生物网络-表型图谱。通过一套人类肠道微生物数据的验证，这一新技术被证明具有非常好的功效，该研究进一步扩展了复杂性状基因定位理论的范畴，相关论文以题目为“A behavioral model for mapping the genetic architecture of gut-microbiota networks”发表在《Gut Microbes》。

两篇论文的第一作者为北京林业大学高精尖中心青年研究员姜立波，北京林业大学为第一单位。两项研究工作得到林木分子设计育种高精尖中心、国家自然科学基金等项目的资助。

论文链接如下：

北林大环境学院营养元素去除与回收科研团队在新型卫生厕所系统研发领域取得新进展

近日，北林大环境学院“营养元素去除与回收团队”徐康宁课题组在新型卫生厕所系统研发领域取得新进展，相关工作以“A green method for the simultaneous recovery of phosphate and potassium from hydrolyzed urine as value-added fertilizer using wood waste”为题，在线发表于环境领域国际权威刊物Resources, Conservation & Recycling（中科院一区TOP期刊，IF="8.086）。本文第一作者为北京林业大学硕士研究生刘静岩，通讯作者为徐康宁副教授，由北京林业大学、澳大利亚昆士兰大学、清华大学和加拿大阿尔伯塔大学相关学者合作完成。该工作得到北京林业大学中央高校基本科研业务费专项资金、国家自然科学基金青年科学基金项目以及国家水体污染控制与治理科技重大专项等资助。

尿液贡献了生活污水中大约80%的氮和50%的磷，是氮磷钾资源的宝库，在能源和资源紧缺的大背景下，从源头上实现尿液的分离式收集并进行资源化处理是一种面向未来的、更可持续的排水理念。研究团队结合北京林业大学的学科特色，提出了利用农林废物生物质炭（biochar）进行尿液中氮磷钾原位富集的新思路，不仅可以同时实现农林废弃物的处理处置，而且资源化产品是一种富含氮磷钾、有机质的生物炭肥，能够在提供肥料的同时起到改良土壤的作用。

研究团队首次报道了镁氧化物改性生物炭表面形成钾型鸟粪石沉淀，这是磷钾同步富集的主要机理，磷钾富集能力分别可以达到162 mg/g和180 mg/g，研究进一步通过仪器表征分析以及热力学模型计算等方法揭示了化学沉淀在营养元素富集中的作用，这为磷钾的优化富集提供了重要参考。这一技术可以为乡村、旅游景区、生态农场等无下水管网场景以及具备完善管网系统城市场景提供一种更可持续的污水管理方案。

研究团队已经在该研究方向累积发表高水平论文3篇、中文核心期刊论文1篇，获得2项发明专利授权。

北林大环境学院科研团队在工业二氧化碳捕集利用反应领域取得新进展

为实现《巴黎协定》的目标，即“将全球平均气温较前工业化时期上升幅度控制在2 oC以内，并努力将温度上升幅度限制在1.5 oC以内”，需要彻底改变人类生产消费能源的方式，以迅速降低温室气体排放量。只有全球尽快实现温室气体排放达到峰值，本世纪下半叶实现温室气体净零排放，才能降低气候变化给地球带来的生态风险以及给人类带来的生存危机。净零排放要求任何由人为产生释放到大气中的CO2能够被等量消除，通过自然过程（如植树造林）或其他可以永久储存直接或间接从大气中捕获二氧化碳的技术，尽可能快速地减少温室气体排放，将剩余温室气体排放量相等的温室气体从大气中移除，以平衡排放，达到净零。CO2捕集是目前最经济可行并能有效降低工业烟气点源碳排放的技术。捕集的CO2通过后续转化利用合成重要化合物或提高原油采收率。保证全球能源系统可持续发展的关键技术之一是应用二氧化碳捕获、利用和储存。保证全球能源系统可持续发展的关键技术之一是应用二氧化碳捕获、利用和储存。要加速CCUS技术等脱碳或负排放技术的研发与应用。尽早部署煤电CCUS、生物质耦合CCUS和工业领域CCUS技术研发示范对实现2060年碳中和目标具有重要意义。

鉴此，北林大环境学院王强教授及韩国仁荷大学Sang-Eon Park教授等人，综述了工业上二氧化碳的捕获和利用的最新技术进展，并提出了面临的挑战。客观地总结和全面回顾了液态和固态CO2吸附剂的特性及性能，并提出了改善其CO2捕集能力和提高CO2利用率的可行方案。系统地讨论和比较了吸附材料在燃烧前和燃烧后CO2捕集和利用方面的工业应用。总结和全面回顾了CO2利用技术的最新技术及发展，并提出了改善其CO2转化率的可行方案。系统地讨论和比较了CO2利用方面的优缺点。该综述对于学术研究人员全面了解CCU的当前发展现状和未来趋势将具有重要意义，有助于促进基础研究和商业应用领域的重大突破。碳捕集和利用技术在减少碳排放方面具有巨大潜力。在二氧化碳捕获方面，燃烧后捕获作为主要捕集技术引起全世界的关注。开发具有高效吸附性能和优良再生性能的新型捕获材料对于预燃捕获工艺至关重要。目前，CO2利用使用高纯二氧化碳作为来源可实现较高选择性，特别是通过双电子转移作用形成CO 和 HCOOH 。二氧化碳的热化学转化技术发展相对成熟，可获得较高转化率，其他新兴利用技术的开发与优化及先进催化剂的设计合成，亦显示出可再生能源的巨大应用潜力。在资源化利用CO2过程中，特别是用于化学品生产的CO2加氢，开发具有成本效益的无碳氢气发电技术具有十分重要的意义。鼓励探索和实施有利于CCUS发展的创新激励政策，积极探索政府与市场整合的CCUS商业化投资融资机制，积极利用绿色金融、气候债券、低碳基金等多种形式支持CCUS示范项目。

上述研究成果在材料领域TOP期刊《Chemical Society Reviews》上发表，该综述论文通讯作者为我校环境学院王强教授及韩国仁荷大学Sang-Eon Park教授，第一作者为环境学院博士研究生高婉琳。该研究得到国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费专项资金的资助。

文章链接：

https://doi.org/10.1039/D0CS00025F

北林大团队在生物质能源材料领域取得重要研究进展

近日，北林大“农林生物质资源与化学品创新团队”在生物质能源领域取得重要研究进展，相关工作以“ TEMPO Oxidized Cellulose Nanofibers-Based Heterogenous Membrane Employed for Concentration-Gradient-Driven Energy Harvesting”为题，在线发表于能源与材料领域国际权威刊物Nano Energy（IF="16.602）。本文第一作者为北京林业大学材料学院青年教师许阳蕾，通讯作者为许凤教授，北京林业大学为独立完成单位。该工作得到北京林业大学中央高校基本科研业务费专项资金，国家自然科学基金青年科学基金项目等资助。

渗透能是指不同浓度溶液间的水压差所具有的能量，作为一种可再生绿色能源，将其应用于发电具有可预测、能量输出稳定、可持续等优点。有效的纳米通道薄膜是捕获这种清洁能源的关键。随着纳米流体科学及膜技术的发展，在有限的纳米通道薄膜中控制离子输运以实现渗透能的高效收集成为研究热点。

能源收集装置及TOCN / PET异质膜示意图

该研究团队采用TEMPO氧化纳米纤维素（TOCNs）和圆锥形多孔聚脂薄膜（PET）基底膜直接获得一种纳米流体装置，可收集渗透能并整流离子输运。TOCNs具有丰富的羧基和羟基，其对离子的输运性能起着主导作用。圆锥形的多孔PET膜基底与TOCNs复合形成类似纳米流体二极管的离子输运装置，其中非对称几何结构及异质表面电荷的协同作用产生离子极性及离子整流特征，阳离子选择性明显增强。TOCNs/PET复合纳米流体装置中浓度梯度驱动系统的提出有助于解决传统的反向电渗析问题，并有益于增加系统输出功率密度。该团队所开发的TOCNs/PET复合膜具有3个显著优势：（1）该复合膜采用环保可再生能源材料TOCNs制备，方法简单，易于获取；（2）海水和河水发电的人工模拟实验中，最大输出功率密度达到0.96 Wm-2；（3）TOCNs / PET复合膜中表面电荷的异质结构产生表面电荷的极化，获得了突出的离子电流整流特性，其整流比562是PET薄膜的71倍。上述对TOCNs / PET异质复合膜的纳米流体及能量获取装置的研究，为可再生薄膜材料的商业应用提供了新的理论及技术方案，这对有效和可靠能源供应的发展至关重要。

文章链接：

北林大保护学院研究团队在植物生态适应研究的新方法上取得进展

近日，北林大生态与自然保护学院杜芳教授课题组在生命科学领域的知名刊物《中国科学：生命科学》上发表了题为 “生态适应研究新方法：从种群遗传学到景观基因组学” 的综述性论文。文章通过整合种群遗传学和景观基因组学当前在植物适应性研究领域的研究热点，总结了生态适应研究的前沿理论和方法，重点解析了种群遗传学和景观基因组学在解析植物生态适应的分子机理中的作用。　

生态适应（Ecological Adaptation）是物种应对环境变化的重要方式，而目前利用单一方法去解决生态适应相关问题的方式存在一定的缺陷。该研究提出在进行物种生态适应相关研究时，首先应通过种群遗传学方法研究物种遗传多样性、种群结构及种群内和种群间的基因流，来解析物种的进化历史模式。其次，该研究提出可以利用新近发展起来的非适应性风险分析方法(Risk of Non-Adaptedness, RONA)评估物种应对当前环境并进一步预测其对未来环境的适应性、预估物种的适应潜力并揭示物种适应的机理。基于此，该研究搭建了有关遗传分化特异性位点检测、广义线性混合模型、多变量统计分析和非线性模型等鉴定生态适应方法的技术流程，并对其优缺点进行了比较。最后，研究总结了国内外树木生态适应的最新研究实例，并为今后生态适应研究的发展方向提出了建议。该研究为深入理解物种对环境的生态适应提供了极大帮助，为物种生态适应研究提供了新的研究思路。

论文预发表链接：

来源 | 绿色新闻网

审核 | 张薇朱天磊

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