浙江大學科研團隊在國際頂級刊物發(fā)表多篇有趣又重磅的科研成果

　　在陸地森林這個巨大的生態(tài)系統(tǒng)中，植物、微生物和土壤共同構成了一個復雜的循環(huán)系統(tǒng)。植物通過光合作用吸收二氧化碳，并將其轉化為自身的養(yǎng)分，同時也從土壤中吸收磷元素，以維持自身的生長。微生物可以將土壤中的有機物分解成無機物，釋放出磷元素，供植物吸收。然而，當土壤中磷元素不足時，微生物就會與植物展開爭奪。

　　磷核算顯示，土壤中很大一部分的磷都被微生物占據(jù)，并且它們對磷元素的競爭非常激烈。在二氧化碳濃度升高的情況下，植物會通過根系釋放更多的碳到土壤中，但微生物并沒有釋放更多的磷元素以支持植物的生長。植物所期待的“用碳換磷”投資遭遇失敗，他們沒有獲得額外的生長量。

　　科學家們分析了植物對磷的吸收、分配和利用效率，并比較了二氧化碳濃度升高組和對照組之間的差異。結果表明，土壤微生物是限制成熟森林生態(tài)系統(tǒng)磷循環(huán)和植物磷吸收的關鍵因素。森林中的冠層樹木在漫長的生態(tài)系統(tǒng)演替中擁有了極高的磷利用效率。當二氧化碳濃度升高時，植物對磷的利用效率也有所提高，但土壤中磷元素的有效性并沒有明顯變化。

　　“土壤微生物對土壤磷的礦化和固持限制了冠層樹木在大氣二氧化碳濃度升高下的磷吸收速率，從而限制了森林的額外固碳能力。植物需要更加積極的磷獲取策略，如根系分泌物所產(chǎn)生的潛在激發(fā)效應，來提升土壤磷元素的植物可利用率，進而更好實現(xiàn)‘固碳’目標。”蔣明凱說。

　　研究對改進陸地系統(tǒng)模式中的碳磷交互關系的預測機制提供了理論支撐，對氣候變化緩解政策提供了重要數(shù)據(jù)支撐?！敖酉聛恚覀儗⑨槍ν寥牢⑸锏娜郝浜凸δ荛_展研究，探究土壤微生物是如何限制森林碳磷交互關系及其在大氣二氧化碳濃度升高背景下的碳匯潛力?！笔Y明凱說。

　　該研究受到了“十四五”國家重點研發(fā)計劃(2022YFF0801904)、浙江省自然基金重點項目(LZ23C030001)、基金委青年項目(32301383)等經(jīng)費支持。

浙大團隊發(fā)現(xiàn)鎳氧化物高溫超導存在的關鍵實驗證據(jù)

　　北京時間2024年6月6日，Nature Physics在線發(fā)表了浙江大學物理學院/關聯(lián)物質(zhì)研究中心袁輝球團隊在鎳氧化物高溫超導方面的最新研究成果。他們利用最新發(fā)展的金剛石對頂砧準靜水壓技術，成功觀測到了 La?Ni?O? 超導體的零電阻，確認了其高溫超導電性。此外，該工作還揭示了超導與奇異金屬行為之間的內(nèi)在聯(lián)系，并發(fā)現(xiàn)載流子濃度在進入超導相區(qū)時大幅增加。這些實驗結果為鎳氧化物高溫超導提供了關鍵的實驗證據(jù)，奠定了研究基礎。

　　新材料展露高溫超導跡象

　　超導，是指在某些材料中電阻隨溫度下降而突然消失，電流可以在其中無損耗地傳輸。同時，超導還表現(xiàn)出完全抗磁性，即超導體內(nèi)的磁感應強度為零，這種現(xiàn)象又被稱為邁斯納效應。因此，零電阻和完全抗磁性是判斷超導是否存在的兩個關鍵實驗證據(jù)。

　　目前，大多數(shù)超導體的臨界溫度都低于液氮沸點(77K，即零下196攝氏度)，如最早被發(fā)現(xiàn)的汞、鉛等元素超導體，它們需要使用昂貴且稀缺的液氦作為低溫制冷劑來維持超導電性，從而限制了其大范圍應用。

　　尋找具有更高超導轉變溫度，特別是高于液氮溫區(qū)的新型高溫超導材料成為科學家們致力追求的一個目標。然而在目前已知的超導材料中，唯有銅氧化物高溫超導體可以在常壓下實現(xiàn)液氮溫區(qū)超導。

　　2023年5月，中山大學王猛團隊等首次報道了雙層鎳氧化物La?Ni?O?中接近80K的壓致超導跡象，但零電阻的缺失使得學界對其超導電性仍存在懷疑。

　　高壓技術的發(fā)展助力超導零電阻的發(fā)現(xiàn)

　　袁輝球教授分析認為，La?Ni?O?中零電阻的缺失可能是由于樣品和壓力的不均勻性等因素造成的。因此，小樣品和準靜水壓等實驗條件可能是實現(xiàn)零電阻的關鍵。據(jù)團隊骨干焦琳研究員介紹，團隊經(jīng)過數(shù)年的努力發(fā)展了金剛石對頂砧準靜水壓技術，壓力可高達50GPa，恰好適合鎳氧化物高溫超導的研究。

　　2023年6月，在獲得王猛教授提供的La?Ni?O?單晶后，他們將樣品打磨至長寬100微米左右，厚度10微米左右，并使用兩個臺面直徑僅幾百微米的金剛石對頂砧對樣品施加壓力。為了獲得更好的靜水壓環(huán)境，他們選擇了壓力均勻性更好的液體作為傳壓介質(zhì)。為了減少導線接觸電阻，他們在約100微米長的樣品上用銀膠焊接了4-5根導線，用于電輸運測量。事實證明，這些技術優(yōu)勢在當前鎳氧化物高溫超導研究中尤為重要，后來也被其他同行紛紛效仿。

圖1：高壓測量裝置(左圖)以及高溫超導零電阻現(xiàn)象。

　　得益于上述實驗技術的發(fā)展，研究團隊很快就在中觀察到了零電阻現(xiàn)象，為確認鎳氧化物高溫超導提供了關鍵的實驗證據(jù)。他們發(fā)現(xiàn)，當壓強為20.5GPa時，La?Ni?O?在66K開始出現(xiàn)超導，在40K電阻完全消失，表現(xiàn)出近乎完美的超導轉變。在超導轉變溫度以上，其正常態(tài)電阻呈現(xiàn)出很好的線性溫度依賴關系，并且一直延伸至測量最高溫度270K，表現(xiàn)出與簡單金屬迥然不同的奇異金屬行為，說明鎳氧化物高溫超導體不可能是一類簡單的常規(guī)超導體。

圖2：不同壓力下的電阻曲線(左圖)以及壓力-溫度相圖(右圖)

　　奇特的高壓電子性質(zhì)

　　在該項工作中，研究團隊還修正了先前報道的壓力-溫度相圖，并指出La?Ni?O?在低壓區(qū)間表現(xiàn)出金屬行為，而非先前報道的絕緣體行為。隨著壓力增加，該化合物中的自旋/電荷密度波迅速被抑制掉，并在13.7GPa附近同時觀測到壓力誘導的結構相變以及超導轉變的證據(jù)。研究還發(fā)現(xiàn)，超導轉變溫度之上的線性電阻行為和超導轉變溫度隨壓力增加而逐漸被抑制，呈現(xiàn)出與銅基和鐵基高溫超導相似的性質(zhì)，揭示了超導態(tài)與正常態(tài)奇異金屬行為之間的緊密聯(lián)系。通過霍爾電阻的測量，他們還發(fā)現(xiàn)La?Ni?O?在發(fā)生結構相變后顯著增加，表明高壓結構相改變了電子結構，促成了高溫超導的出現(xiàn)。

　　袁輝球表示，他們的實驗結果不但確認了鎳氧化物高溫超導的存在，增強了人們研究鎳基高溫超導的信心，同時還為發(fā)展相應的理論模型提供了重要的實驗數(shù)據(jù)。

　　中國科學院大學卡弗里理論科學研究所所長張富春教授認為，袁輝球教授團隊的實驗結果清楚地確認了鎳氧化物的高溫超導，是鎳基超導發(fā)展中的重要環(huán)節(jié)。中科院理論物理研究所的李偉研究員曾表示，他是看到了袁輝球教授團隊的零電阻實驗數(shù)據(jù)后才確信鎳基高溫超導的存在，并著手相關的理論研究。論文審稿人指出：“首次觀察到零電阻是極為重要的，它為雙層鎳氧化物超導的存在提供了強有力的支持?！?/p>

　　該項目獲得了國家重點研發(fā)項目、國家自然科學基金委和浙江省重點研發(fā)項目的資助。該項研究的主要實驗測量都在浙江大學完成，中山大學王猛課題組提供了La?Ni?O?單晶樣品。浙江大學物理學院博士生張亞楠和蘇大鈞為論文共同一作，浙江大學袁輝球教授和焦琳研究員，以及中山大學的王猛教授為共同通訊作者。

浙大團隊發(fā)現(xiàn)一個全新長壽基因

　　從《山海經(jīng)》中的“蓬萊島”到希臘神話中的“金蘋果”，人類對健康長壽的追求自古就有、從未停止。如何對抗衰老、延年益壽，也是科學界、醫(yī)學界的長期關注?？茖W家的最新工作顯示，昆蟲核基因組中存在與線粒體共進化的基因，他們還成功地識別并精確鑒定出一個在動物中全新的長壽基因，該基因不僅能夠顯著延長昆蟲和線蟲的壽命，還對人細胞具有顯著的抗衰老能力。

　　北京時間6月4日，浙江大學農(nóng)業(yè)與生物技術學院沈星星課題組、黃健華課題組聯(lián)合中國科學院王四寶課題組，在《自然-衰老》(Nature Aging)上發(fā)表了這項研究成果。論文標題為“Identification of a longevity gene through evolutionary rate covariation of insect mito-nuclear genomes”?！巴ㄟ^全球壽命基因數(shù)據(jù)庫的比對，我們發(fā)現(xiàn)該長壽基因是國際上第8個具有廣泛延長動物壽命的新基因?！鄙蛐切钦f。

　　獨辟蹊徑，精準識別“遠程”操控線粒體的核基因

　　線粒體作為真核生物體內(nèi)至關重要的細胞器，主要負責細胞的能量供應。隨著年齡的增長，動物(包括人類)的線粒體功能往往會逐漸衰退。鑒于線粒體與衰老、神經(jīng)退行性疾病、代謝性疾病、心血管疾病以及腫瘤等多種疾病的發(fā)生緊密相關，如何保持線粒體功能的穩(wěn)態(tài)至關重要。近年來，通過優(yōu)化線粒體功能來延長壽命的研究得到廣泛關注。

　　“一臺計算機的待機時間不僅與電池容量大小有關，也與CPU處理策略有關。那衰老是否不僅與線粒體本身有關，也會受到其他能夠?qū)€粒體產(chǎn)生作用的物質(zhì)的影響呢？”沈星星說，“與以往研究大多集中在線粒體本身不同，我們將關注放在與線粒體長期共同進化的細胞核上，并結合進化生物學、計算生物學、功能基因組學等多個交叉學科，系統(tǒng)性地挖掘出‘遠程’操控線粒體進化的核基因?！?/p>

　　研究團隊通過分析公共數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，收集了472種昆蟲的核基因組和線粒體基因組。運用共進化算法，構建了線粒體基因組—核基因組之間的共進化全局圖譜(圖1)。通過對這一圖譜的詳細分析，發(fā)現(xiàn)有75個核基因，盡管它們不定位于線粒體，卻與線粒體基因展現(xiàn)出顯著的共進化模式。這75個共進的核基因表現(xiàn)出不同的功能，包括端粒維持、核糖體生物發(fā)生、線粒體功能和DNA修復，而這些功能都與生命衰老和疾病顯著相關?！拔覀兛梢詫⑦@種共進化模式理解為，有兩輛汽車以相同的速度并行行駛在道路上，彼此的速度變化緊密同步，一方的加速或減速會立即反映在另一方上。”沈星星說。

　　為了驗證這75個核基因的功能，團隊選擇了其中4個基因(CG13220, CG11837, Nop60B和CG11788)，在果蠅體內(nèi)進行了基因活性降低的實驗。結果顯示，與對照組相比，這四個基因的活性降低均導致了線粒體形態(tài)的異常變化。

圖1 構建線粒體基因組—核基因組之間的共進化全局圖譜

　　逆向思維，發(fā)現(xiàn)全新長壽基因

　　團隊發(fā)現(xiàn)，CG11837基因不僅影響線粒體形態(tài)，它的活力還與動物的壽命長短存在顯著的正相關性。他們提出一個關鍵問題：改變CG11837基因的活力是否會影響動物的壽命？

　　于是，研究人員首先在褐飛虱、果蠅、斯氏按蚊和秀麗隱桿線蟲等六種不同的動物中進行了基因敲降實驗。令人驚訝的是，實驗結果顯示，降低CG11837基因的活力均顯著縮短了這六種動物的壽命，縮短幅度在25%至59%之間(圖2a)。

圖2 長壽基因CG1183在多個物種中的功能驗證

　　敲降基因會縮短壽命，那逆向思維，激活基因是否可以延長壽命？

　　為了深入探究CG11837基因是否具有延長壽命的潛力，研究人員又在果蠅和線蟲中進行了該基因的過表達實驗。結果顯示，與對照組相比，這兩種動物的壽命均顯著延長，延長幅度達到12%至35%。

　　這一發(fā)現(xiàn)促使研究人員思考，該基因是否也能延長人類的壽命？于是，他們對人類離體細胞進行了實驗，發(fā)現(xiàn)激活CG11837基因能夠提升抗衰老能力30%(圖2c)?！斑@一系列研究證實了CG11837基因在動物中具有廣泛的長壽效應?！鄙蛐切钦f。(圖3)

圖3 論文總結圖

　　對于這項研究，《自然-衰老》三位匿名評審專家均指出，“過去，大家一直關注線粒體或定位到線粒體的核基因與衰老關系，從而忽視了不在線粒體定位的核基因與線粒體的關系。該研究方法獨特且新穎，從線粒體基因組—核基因組之間的共進化角度出發(fā)，打破了傳統(tǒng)思維上的局限，挖掘到功能非常保守的新長壽基因，對衰老研究領域具有非常重要的科學價值和實踐意義”。

　　除了重要的理論價值，這項研究在實際應用層面有何前景？沈星星介紹道:“在農(nóng)業(yè)領域，該基因可以成為控制害蟲的新靶點，進而減少對化學農(nóng)藥的依賴，實現(xiàn)環(huán)境友好的綠色防控；在公共衛(wèi)生領域，可以通過干擾該基因表達來縮短蚊蟲等傳播疾病媒介的壽命，從而降低瘧疾、登革熱等傳染病的傳播風險，為蚊媒疾病防控和公共衛(wèi)生安全提供新的解決方案；在人類健康領域，CG11837基因的激活可能成為延長人類壽命的新策略，未來可能會有基于CG11837基因的藥物和治療方法問世，為延長人類健康壽命和提高生活質(zhì)量提供新的可能?！?/p>

　　浙江大學農(nóng)業(yè)與生物技術學院博士生陶妹、博士后陳佳妮、醫(yī)學院研究生徐延東以及中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心崔春來博士(現(xiàn)為華東師范大學研究員)為共同第一作者，浙江大學農(nóng)業(yè)與生物技術學院沈星星研究員、黃健華教授、中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心王四寶研究員為共同通訊作者。此外，趙陽研究員、陳學新教授和徐素宏教授給予大力支持和幫助，潘榮輝研究員、祝增榮教授和陳云教授等也參與了本研究。

　　該研究受到了“十四五”國家重點研發(fā)計劃青年科學家(2022YFD1401600)、浙江省自然基金杰出青年項目(LR23C140001)、新基石研究員項目等經(jīng)費支持。

以上就是大學路為大家?guī)淼恼憬髮W科研團隊在國際頂級刊物發(fā)表多篇有趣又重磅的科研成果，希望能幫助到大家！