快讯！南大六月科技领域新突破
六月科技快讯
晚新生代草原生态系统演化研究取得新进展
千万年以来全球C4植被的扩张是地球生物进化史上的一个重要事件。过去几十年，学者基于稳定碳同位素对这一植被扩张过程进行了研究，然而驱动机制仍不清楚。南京大学地理与海洋科学学院王翰林博士和鹿化煜教授研究和总结了全球各个大陆C4植被的扩张历史及其驱动机制，强调了气候要素的控制作用。这项研究首先建立了全球现代禾本科物种与气候对应关系数据集~1200万条，总结了全球各个大陆草原、C4植被扩张历史，基于上述现代禾本科与气候的对应关系，尝试利用植硅体组合重建古气候，探讨气候演变驱动机制。他们还分析了利用植硅体重建晚新生代以来古气候的局限性和不确定性，包括大气二氧化碳浓度、火灾和食草动物的影响。这项研究是他们承担的渭河盆地新生代环境演化研究的扩展和深化，前期的相关研究结果在国内外重要学术刊物发表了多篇论文。
全球禾本科主要分支分布图
成功研制透明探测模块串行集成--超薄的光纤偏振态分析仪
为方便地对光的各种偏振分量进行测量，南京大学现代工学院徐飞教授、郝玉峰教授、陈烨副研究员、陆延青教授团队和物理学院詹鹏教授，联合中国科技大学石孟竹博士、陈仙辉院士团队，厦门大学陈锦辉副教授和日本国家材料科学研究所Kenji Watanabe博士和Takashi Taniguchi博士团队，将三个由二维材料组成的透明光电功能单元串行集成，成功地在人头发丝般粗细的光纤的端面制作出了一个大小约为人类头发横截面的 1/100，厚度为100 nm级的光偏振传感器，能够实现快速、准确、高效地检测光的多种偏振态。这是一项有助于推进通信、成像、医疗和遥感领域的突破。该工作提出了一种构建多功能集成的光电器件的通用方法，通过沿光路堆叠超薄透明光电单元，有望保证器件同时具备紧凑的横向和纵向尺寸。该方法未来可以被改进并用来测量光学的其他内秉和外秉属性，譬如波长、入射角度、自旋和轨道角动量等，为具备多样化的光学、光电功能的超紧凑光学系统开发铺平道路。
(A) 光纤集成偏振计的实物照片。光纤固定在外径为2.5 mm，内径为125 μm的光纤陶瓷插芯中。(B) 器件结构的伪彩色SEM图像。白色虚线的圆圈代表光纤的纤芯区域。
我校“青藏高原南部和北部区域环境演变联系的新发现”研究成果入选“中国地理科学十大研究进展”
近日，中国地理学会公布了2021年“中国地理科学十大研究进展”，南京大学地理与海洋科学学院、地球科学与工程学院联合完成的“青藏高原南部和北部区域环境演变联系的新发现”研究成果成功入选。青藏高原的形成和演化，对亚洲环境演变产生了重要影响。课题组围绕青藏高原南部阿拉伯海和北部渭河盆地的沉积记录（图1和图2），开展了青藏高原地貌效应与环境演变的研究。团队成果从高原南部和北部同步研究青藏高原环境影响的新思路，揭示至少在渐新世初期，高原南部的地貌和气候环境格局初步形成；高原南部和北部在上新世环境的同周期变化，受到全球温度和海平面变化驱动。相关研究成果在国内外重要学术刊物发表 (Feng et al., 2021, Geology; Lyu et al., 2021, Science China Earth Sciences; Wang et al., 2020, Science Advances; Lu et al., 2020, Geological Magazine.)，受到同行专家的肯定。
图1 渭河盆地在亚洲的位置、本项目研究区域及其与青藏高原的联系
图2 阿拉伯海、本项目研究区域及其与青藏高原的联系
双蜂窝超晶格构筑高活性与高可逆的钠离子电池晶格氧活性正极材料
作为锂离子电池在储能领域中的替代品，低成本、高性能的钠离子电池是大规模储能的关键战略，正极是其中最关键组件之一。然而，在层状结构中充分的O氧化还原总是伴随着结构的重排和不可逆的氧损失。实现反应活性和可逆性双高仍然是一个很大的挑战。南京大学郭少华、周豪慎教授课题组提出了在Na2/3[Li1/7Mn5/14][Mg1/7Mn5/14]O2（LiMn6-MgMn6）材料中构建双蜂窝超晶格结构的策略，以同时实现晶格O氧化还原的高活性和可逆性。材料在首圈放电时表现出285.9mAg-1的可逆容量，是目前报道的钠离子电池层状正极的最高可逆容量。同时，该成果说明了多功能单元的重要性，为实现先进电池材料提供了一种策略。
LiMn6-MgMn6材料的电化学性能
碳硼烷选择性功能化方面研究取得新进展
南京大学化学化工学院燕红教授课题组近期报道了光催化碳硼烷羧酸脱羧自由基偶联反应，成功地实现了碳硼烷选择性功能化。碳硼烷及其衍生物由于其独特的三维立体结构、低毒性以及良好的热稳定性和化学稳定性等特性，被广泛应用于生物医学、光化学、超分子和配位化学、材料等众多领域。经典的闭式碳硼烷因其结构特点，使得对其选择性官能团化极具挑战性。以碳硼烷羧酸为碳硼烷自由基前体，课题组在可见光催化下可脱羧生成活泼碳硼烷簇硼自由基，然后与一系列自由基受体偶联，实现了烷基化、烯基化以及杂芳基化碳硼烷衍生物的高效合成。该反应具有反应条件温和、反应产率较高、底物适用性广等一系列优点。此外，利用该反应可一步获得碳硼烷功能化的稠环化合物，进而可调控一系列稠环芳烃的光物理性质。该研究成果不仅为构筑基于硼原子团簇的功能分子提供了一种有效的方法，而且在生物医药和发光材料应用等相关领域展现了应用潜力。
光催化碳硼烷羧酸脱羧自由基偶联反应(本工作)
早期有颌脊椎动物鳞片演化研究取得重要进展
鱼类最显著的特征之一就是体表覆盖的鳞片，鳞片和鳞列形态是对化石鱼类进行分类、推测身体结构、生活方式和彼此亲缘关系的重要证据。盾皮鱼类是最原始的有颌脊椎动物。完整的盾皮鱼鳞列比硬骨鱼类和软骨鱼类的鳞列更为罕见。云南曲靖下泥盆统洛赫考夫阶西屯组（大约4.1亿年前）是著名的早期鱼类化石产地，其中保存有十分丰富的盾皮鱼类鳞片微体化石。但由于缺乏完整的鳞列，导致这些大量零散保存的盾皮鱼鳞片难以得到分类鉴定，提供的信息十分有限。南京大学地球科学与工程学院朱敏院士研究团队对副云南鱼化石进行扫描，结果展示了最原始有颌脊椎动物的完整鳞列，副云南鱼成为了解有颌脊椎动物祖先鳞列格局最重要的一扇“窗口”，其完整鳞列还为鳞片微体化石研究提供了重要资料。研究团队以副云南鱼鳞列为参考，在副云南鱼同一采样点和层位处理、挑样并鉴定出了一批云南鱼类鳞片微体化石。组织学研究表明大多数云南鱼类鳞片不具有发达的中间疏松层（由带血管的骨质构成），这可能代表了有颌脊椎动物鳞片的原始特征。
西屯副云南鱼化石照片
硼氢化反应快速构建聚集诱导发光分子库方面研究取得新进展
南京大学化学化工学院燕红教授课题组近期报道了钯催化碳硼烷和炔烃的硼氢化反应，成功地实现了碳硼烷选择性功能化，并构建了聚集诱导发光的分子库。聚集诱导发光（Aggregation-induced-emission, AIE）现象指的是分子在聚集态下光致发光远高于分散态下的光致发光现象，已经被广泛应用于各类发光材料的构筑中。然而，合成这类的分子通常需要用到有毒的化学品、较为苛刻的条件和多个步骤。除此之外，基于二维芳香化合物的分子设计经常受到聚集诱导淬灭（Aggregation Caused Quenching, ACQ）的影响。因此，设计新的AIE分子体系并开发简便高效的合成路线具有重要的意义和挑战。燕红教授课题组报道了一种以三维巢式碳硼烷为硼源的Pd催化的炔烃硼氢化反应，构建了基于三维硼簇化合物的AIE分子库。该反应具有反应条件温和、反应速度快、产率高、底物适用性广、区域选择性好等一系列优点。
反应底物筛选（部分）
揭示人类攻击行为的遗传机制
人类不恰当的攻击行为（如暴力犯罪）损害社会和谐、破坏家庭、对他人造成伤害。然而，攻击行为的遗传基础在很大程度上仍然不清楚。而AMPA受体在人类行为、认知、情感等各种神经活动中起关键作用。在过去的研究中，研究人员发现将AMPA受体亚基GluA3的编码基因从小鼠基因组敲除，雄性小鼠会表现出强烈的攻击行为。南京大学医学院石云教授团队研究人员在三个欧洲家庭发现了四位具有突发攻击行为的男性患者。他们的基因组分别携带GRIA3基因的罕见变体，造成GluA3亚基上G630R或E787G的突变。功能检测表明这两个突变都造成AMPA受体GluA3功能的散失，也就是说，谷氨酸结合到突变的GluA3上，不能介导有效的神经信号传递。因此，人类GluA3的功能损坏也会导致攻击行为，这和基因敲除小鼠的行为范式一致。此外，研究人员检查了GRIA3基因范围内的单核苷酸多态性位点（SNP）。在192个高频SNP中的rs3216834为连续的鸟苷酸重复序列，容易和周围序列形成鸟苷酸四联体的单链DNA结构，从而阻滞了mRNA的转录。研究人员进一步利用GluA3敲除小鼠探究了GluA3功能缺失导致攻击性行为的神经环路机理，他们发现敲除鼠的内侧前额叶皮层的神经活动减低，在前额叶皮层将GluA3补偿回去，可以显著缓解敲除小鼠的攻击性行为，说明前额叶皮层异常的神经活动是攻击性行为的关键神经环路机制，从而揭示了人类攻击行为新的遗传机制。
GluA3敲除的小鼠展现强烈的攻击行为。在人类，GluA3的突变失去功能，或者SNP导致GluA3表达下降，促进攻击行为。
笼目金属CsV3Sb5中探测到反常集体激发
南京大学物理学院奚啸翔教授课题组与以色列魏茨曼科学研究所颜丙海教授课题组合作，在钒基笼目金属CsV3Sb5中探测到电荷密度波序的反常集体激发，揭示了该体系中存在较强的电子-声子耦合相互作用。金属材料在低温状态下可能存在费米面失稳，导致电荷密度周期性调制，同时伴随着晶格畸变。这一现象称为电荷密度波，在低维金属中十分常见，但成因却十分复杂，是凝聚态物理领域的一项重要问题。理解电荷密度波的形成机制，对于揭示非常规超导体机理以及两者的关联具有重要意义。奚啸翔课题组利用拉曼散射研究了CsV3Sb5中的电荷密度波。通过拉曼光谱的温度依赖，发现相变温度以下出现许多相对于正常晶格声子非常弱的峰（如图a、b所示）。这些峰具有两种不同的温度依赖行为（如图c、d所示），其中一种对应于电荷密度波的集体激发，即振幅模；而另一种则源于超晶格折叠声子能带到Г点。与理论计算对比发现，这些模的对称性和特征频率与图1b所示畸变后晶格的声子十分吻合。结合较大的振幅模特征频率，CsV3Sb5中存在显著的电子-声子耦合相互作用。强电声耦合可能导致电子失去屏蔽声子振动的能力，因此阻碍了软模的形成。该工作表明晶格自由度也扮演着不可或缺的角色，为揭示电荷密度波形成的可能机理及其与超导电性的关联奠定了基础。
图1.（a）常见电荷密度波材料中软模与振幅模的关系。（b）CsV3Sb5的典型振幅模。三角形与六边形表示晶格畸变导致的V原子团簇。
图2.（a-b）CsV3Sb5温度依赖的拉曼二维强度图。（c-d）A2和E3温度依赖的拉曼光谱。（e-i）各种拉曼活性模参数的温度依赖。
二磷化硅层状半导体的混合维度激子态研究取得重要进展
南京大学现代工学院袁洪涛教授课题组找寻到一种全新的具有二重旋转对称性的层状材料体系二磷化硅（SiP2），其导带中的电子会束缚于晶格中的准一维磷磷原子链（表示为PB–PB链）中，而价带中的空穴电子态则扩展于晶格二维平面之内，这样的电子和空穴，通过库仑相互作用形成了一种非常规的具有“混合维度”属性的各向异性激子态。该新型材料含有硅元素，可以和现代的硅基电子学结合，具有广阔的应用前景。研究论文中作者们所探讨的科学问题属于“聚焦前沿、独辟蹊径”研究范式，特别是非常规的混合维度激子态的探索和发现，旨在通过独辟蹊径来扩展科学前沿，为人们深入理解相关材料体系中的激子物理及多体效应提供一个全新的材料平台。SiP2中的混合维度激子作为典型的多体相互体系来探究半导体尤其是低维半导体中的激子和声子相互作用，对于拓展多体效应的研究范畴、探索新型光电器件具有重要意义。
二维范德华层状半导体材料SiP2中的混合维度激子态的示意图，电子能带结构与束缚激子态示意图。这种非常规的激子态（A激子）为布里渊区X点的直接带隙激子，由一维受限的电子（黄色小球）和二维受限的空穴（绿色小球）所组成。A'即为A激子与声子相互作用产生的声子边带。
《Science》报道南京大学地理学科最新成果：全球海面油膜遥感
南京大学地理与海洋科学学院刘永学教授课题组在全球海面油膜遥感监测方面取得重要进展。该研究利用遥感大数据，首次勾绘了全球海面油膜的空间分布，构建了迄今为止最为全面、位置明晰的海面油膜持续固定排放源清单，确定了不同来源海面油膜的贡献比例，从而改善了对海面油膜来源的结构性认知。成果以“Chronic oiling in global oceans”为题于2022年6月17日发表在《Science》（https://science.org/doi/10.1126/science.abm5940）。该文被Science新闻团队(Science Press Package Team)选为亮点文章推荐，并为新华社、南华早报、Scientific American、Heidi.news等国内外媒体报道。研究成果可为联合国可持续发展目标“保护和可持续利用海洋及海洋资源以促进可持续发展”(SDG-14)提供最先进的监测基准，为海洋能源开发、海洋污染治理、环境监管等提供重要的先验知识与决策依据，亦可为基于深度学习技术的海面油膜全自动提取、监测等提供大型训练数据集。
全球海面油膜聚集中心分布。A: 天然渗漏中心、油气平台/管道油膜中心的全球分布；
灰喜鹊比较认知研究取得新进展
近期，南京大学生命科学学院动物行为与保护实验室（Lab of Animal Behavior & Conservation）在灰喜鹊的比较认知方面取得一些新的进展。2021年1月12日在《Scientific Reports》上的文章，探究了灰喜鹊“乌鸦喝水”实验中其对物理世界的认知能力。该文章通过水与沙、重与轻、实与虚、粗与细、高与低、U型管等六个系列实验，采用了一种新的数据分析方法，从认知心理学的角度来解释灰喜鹊对自然规律的认知能力。这项研究还与公认的鸦科天才新喀里多尼亚乌鸦（Corvus moneduloides）“乌鸦喝水”数据进行比较，发现至少在叼石取物的物理认知方面，灰喜鹊不落下风。同时，动物行为学实验室积极参与国际动物认知大平台建设，在2022年1月10日参与鸦科鸟类恐新症的研究，该跨物种的合作研究，可能是动物认知研究历史上，最大规模的一次全球合作，也为未来动物认知的广泛合作提供了范本。
伊索寓言范式中测试灰喜鹊的实验道具
首次发现人类顽固性便秘的致病菌并提出全新疗法
全球约10%的人患有慢性便秘。慢性便秘多为功能性便秘，其中约三分之一的患者对现有治疗方法效果差，且反复发作如何预防和治疗IFC是世界性难题。南京大学医学院朱敏生教授和陈鑫副研究员提出猜想，认为顽固性便秘可能是某种细菌感染并定植大肠粘膜导致的。为证实该猜测，团队与南京大学医学院金陵医院姜军、李宁、汪芳裕主任医师团队合作，对患者肠粘膜菌进行了规模化功能筛选。通过近十年的努力，终于成功分离出顽固性便秘的致病菌，并命名为Shigella sp PIB。其致病机制如图所示。研究人员通过全基因组测序、特征序列和突变序列筛选，成功建立了高特异、高敏感的PIB菌核酸PCR检测方法（可检测低至单个PIB菌）。研究人员进一步建立了高效的粪长链不饱和脂肪酸DPA的检测方法，作为PCR检测方法的重要补充。利用上述高灵敏检测方法，在可疑患者甚至人群中筛查顽固性便秘患者，具有重要的临床诊疗意义。
PIB菌经口腔进入机体，定植于结肠粘膜，产生二十二碳五烯酸（DPA）抑制结肠蠕动，最终导致顽固性功能性便秘。
揭示亚热带森林立枯凋落物光降解新机制
传统的研究认为凋落物接触水体或者土壤表面是凋落物降解的起点，但在自然生态系统中有相当一部分凋落物在落入水体或土壤前会保持长时间的立枯状态。在潮湿的森林生态系统中，紫外线辐射对凋落物分解，尤其是立枯凋落物分解的重要性和机制仍不清楚。南京大学生命科学学院田兴军教授团队通过模拟立枯降解过程进行野外原位实验，以紫金山典型立枯树种山胡椒（叶子经冬不落）为实验材料，采用因子实验设计，控制不同微生物条件下紫外线对凋落物分解的影响。该成果揭示了非干旱环境中紫外线加速凋落物降解的作用机制，强调在紫外线辐射的驱动下，光降解是森林系统中的一个重要生态驱动环节。
紫外线辐射度和微生物活性对质量损失增加幅度的相对影响
新冠病毒抑制方面连续取得进展
由严重急性呼吸综合征冠状病毒-2（SARS-CoV-2）引起的COVID-19大流行已经对人类的生命健康和社会的经济发展造成了巨大威胁，迫切需要开发有效的病毒防治策略以应对这空前的灾难。自新冠病毒大流行爆发以来，南京大学刘震教授迅速组织研究团队并联合校外优势单位协同攻关，积极探索和发展抑制新冠病毒的新型抑制剂，已经发展出两种新型的核酸适配体病毒抑制剂。研究团队加工合成多价结合高甘露糖聚糖的树突状适配体（PAP）和四面体结构（AP-TDN），对病毒和癌细胞展现出了良好的靶向识别能力以及一定的对病毒的广谱抑制能力。为进一步研发高效的广谱抑制剂奠定了重要的物质基础。另一方面，基于病毒表面广泛存在的刺突蛋白（S蛋白），课题组开发了与之拓扑结构相匹配的DNA纳米皇冠以应对发生持续变异的新冠病毒株。
用于病毒抑制和癌细胞靶的向高甘露糖特异性适配体的筛选、加工及作用原理示意图
基于液晶几何相位的轨道角动量光束三维阵列操控
南京大学陈鹏副教授、陆延青教授课题组在液晶平面光子学方面取得新进展，利用集成化几何相位的液晶微纳结构，实现了高效、可调、可定制的轨道角动量（OAM）光束三维阵列操控。光子轨道角动量（OAM）是一种新颖的光场调控维度，携带OAM的光束有望为微粒操控、超分辨显微、大容量光通信、高维量子纠缠等领域提供全新的技术手段，因此受到广泛关注。陈鹏、陆延青课题组在此前液晶几何相位及OAM光束操控研究的基础上，提出一种新型液晶平面光子元件，将二值精细结构（二维达曼光栅、达曼波带片）与渐变几何相位结构（q波片、PB透镜）集成于一个平面光子元件，实现了偏振可控、模式分布可定制的OAM光束三维阵列（图1）。该元件展现出高效率、高灵活性、大容量等特性，为多维OAM操控与软物质光子学开拓了思路。
基于液晶几何相位的OAM光束三维阵列操控示意图
跨生境的"长距离相互作用"塑造滨海湿地生态系统结构与韧性
南京大学生命科学学院徐驰教授、刘茂松副教授和滕漱清博士后课题组联合国内外科学家，以我国黄海典型滨海湿地景观为研究对象，通过分析40年的多源数据并建立理论模型，研究了外来物种互花米草定殖扩张过程中本地物种芦苇和盐地碱蓬空间分布的变化规律及其驱动机制，揭示出"长距离相互作用"对于驱动滨海湿地生态系统变迁发挥关键作用。该研究于2022年6月28日以"Long-distance facilitation of coastal ecosystem structure and resilience"为题在线发表于《美国科学院院刊》（PNAS）。该研究拓展了生态系统的长距离相互作用理论，有助于深入理解长距离相互作用机制及其生态效应。研究发现的这种新型生物间相互作用的空间尺度能够达到10千米，这是目前研究报道的固着生物间相互作用的最长距离之一。
长距离相互作用机制示意图
揭示治疗哮喘／COPD新途径
自然界中存在大量苦味物质，人类口腔中表达了二十多种不同的苦受体(Tas2R)用来感知这类物质。有意思的是，呼吸道也能表达苦受体，该特性有可能用于哮喘及慢性阻塞性肺病（COPD）的治疗，但苦受体松弛气道平滑肌的机制及其下游信号一直不清楚。南京大学医学院朱敏生教授课题组联合南京师范大学、上海凯屹医药科技公司等单位，通过多年探索终于揭示了苦物质松弛气道的机制。研究发现：苦物质激活Tas2R后，其偶联G蛋白Gαt 从Tas2R-Gαt/Gβγ 复合体中解离，释放出的Gαt与乙酰胆碱受体(AChR)结合，竞争性抑制AChR的偶联G蛋白Gq 的功能，阻止AChR信号诱导的钙信号，并引起平滑肌松弛。该发现不但首次完善地阐明了苦受体松弛气道平滑肌的机制，还发现了多靶点效应。研究者从苦丁茶中分离出苦丁皂苷（KE／KE-A）——一种新的高效苦受体激动剂，利用多靶点效应设计实验进一步发现苦受体是哮喘／COPD 治疗的非常理想的药物靶点。目前KE-A已获批开展临床试验，期望有所突破。此研究能够帮助我们进一步理解中药“清肺”的科学内涵。
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来源：科学技术处
封图：洪嘉雄
编辑：陈意冲 邱子涵 徐一楠
责编：佘静
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