心怀“国之大者” ，勇攀科研高峰
在这个充满期望和收获的季节
北京林业大学科研工作者
也迎来了丰硕的果实
近期，学校都有哪些科研成果
让我们一起来看看吧
林学院科研团队在温带森林生态系统多功能性维持机制研究上取得新进展
近日，我校全国高校黄大年式教师团队、国家林草局林业和草原科技创新团队——森林经理学科森林经营教师团队，以覆盖中国东北温带天然林的网格状布局样地为基础，围绕生物多样性与生态系统多功能性关系取得了新进展。研究成果以“Tree diversity across multiple scales and environmental heterogeneity promote ecosystem multifunctionality in a large temperate forest region”为题，发表在国际知名期刊《Global Ecology and Biogeography》（影响因子6.3，环境科学与生态学一区Top期刊）上。
不同维度多样性对生态系统多功能性的解释
该研究评估了不同维度生物多样性如何在地理和环境梯度下，维持区域尺度森林生态系统多功能性。研究证实了维持较高的本地物种多样性（α-多样性）和保持森林群落组成异质性（β-多样性）有助于提高区域尺度生态系统多功能性。物种、功能性状和系统发育多样性与森林生态系统多功能性之间的关系在不同的空间尺度上存在差异，明确了系统发育β-多样性和物种α-多样性在调节森林生态系统多功能性中的重要作用。
生物多样性和环境变量对生态系统多功能性的影响
土壤和气候条件不仅直接影响森林生态系统多功能性，还会通过影响物种多样性间接地发挥作用。环境异质性对森林生态系统多功能性也有重要影响，它可以通过多种途径调节森林生态系统多功能性。结合不同的空间尺度和环境条件有助于发展普适性理论来阐明区域尺度上森林生态系统多功能性的维持机制，同时也为未来探讨生物多样性与生态系统功能关系提供了新的视角。该研究强调了生物多样性在维持生态系统多功能性方面的重要性，为森林景观设计和管理提供了科学依据。
生物多样性和环境变量对生态系统多功能性的直接和间接效应
森林经理学科博士生李杰为论文第一作者，林学院张春雨教授为通讯作者。林学院赵秀海教授、程艳霞教授、郝珉辉老师以及德国哥廷根大学Klaus von Gadow教授参与了研究。该研究得到国家重点研发计划项目（2023YFF1304003）、国家自然科学基金项目（32371870）的资助。
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水土保持学院盐池站研究团队在荒漠生态系统碳循环领域取得进展
近日，水土保持学院盐池站查天山教授带领的生态监测与模拟团队在农林领域顶级期刊Agricultural and Forest Meteorology，发表了关于荒漠生态系统碳循环过程与调控机理的研究论文“Ecosystem-scale carbon dynamics in desert Shrublands: Unraveling the complex interplay among leaf functional and physiological traits and environment”。
冠层光合作用受到叶片性状与环境因素的共同影响。然而，其影响路径与相对关系仍不清楚。研究团队依托宁夏盐池毛乌素沙地生态系统国家定位观测研究站的多年原位连续监测和定期观测数据，采用机器学习和随机森林（Random Forest）量化了叶性状与环境变量对油蒿灌丛生产力（GEP）的影响，利用偏依赖关系图与结构方程模型解析其潜在的影响路径及相对重要性。
研究发现，展叶期GEP主要受最大羧化速率（Vcmax）限制，而对土壤含水量（SWC）的变化不敏感。同时，GEP与叶片氮含量呈现显著负相关，这表明油蒿对氮资源利用采取保守策略，将大量氮资源分配到光保护结构的建立，从而减少了分配到光合相关结构上的比例。在成熟期，叶片暗呼吸速率（Rd）、气孔导度（Gs）和光补偿点（LCP）主导GEP的变化。油蒿通过控制气孔和改变比叶面积（SLA）等策略，适应高辐射、大气和土壤干旱等环境胁迫。在落叶期，GEP受到最大电子传递速率（Jmax）限制，这主要源于叶绿素降解和氮的重吸收，导致光捕捉色素受损和光合电子传递链的破坏。
综上，不同物候时期叶性状与环境因素对GEP调控机制的差异，导致了GEP的季节动态变化。研究揭示了荒漠植被在应对干旱、高辐射和氮缺乏等胁迫时生理响应机制，同时强调了在预测生态系统碳循环时纳入叶性状变量的重要性。
图1 不同物候时期下各变量对GEP的相对重要性
图2 叶片光合生理、生物和环境因子与GEP之间的因果（直接/间接）关系
我校水土保持学院博士毕业生靳川为论文第一作者，查天山教授和海南大学胡中民教授为共同通讯作者。论文合作者还包括新布伦瑞克大学（加拿大）Charles P.-A. Bourque教授以及生态监测与模拟研究组的研究人员。该项工作得到了国家自然科学基金项目（32071842、32101588和32071843）的资助。
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生物科学与技术学院科研团队解析出伊藤杂种牡丹的遗传构成
近日，生物科学与技术学院高宏波教授课题组在国际著名的植物学期刊《Plant Physiology》（一区，Top期刊）上发表了题为“Molecular dissection of the parental contribution in Paeonia Itoh hybrids”的研究论文，对伊藤杂种牡丹（Paeonia Itoh hybrids）的遗传组成进行了较为深入的分析研究，阐明了牡丹和芍药在杂交形成伊藤牡丹的过程中两者的遗传贡献比例和构成。
课题组首先对伊藤牡丹系列中的著名品种‘芭茨拉’（Paeonia Itoh hybrid 'Bartzella'）进行基因组测序，并将其基因组数据比对到牡丹（P. suffruticosa）‘洛神晓春’和凤丹（P. ostii，通常被视为野生牡丹）的基因组上时，发现在基因组水平上，大量的单核苷酸多态性（SNP）位点显示出2:1的比例，少部分的SNP显示出1：1：1的比例（图2）。据此推测在杂交过程中，牡丹和芍药作为亲本，其中一个亲本贡献了两份基因。通过对SNP比例的统计，初步推断出牡丹是贡献两份基因的亲本。
图1. 芍药、牡丹以及伊藤杂种牡丹的叶片
图2. 伊藤杂种牡丹‘芭茨拉’基因组数据比对到凤丹的已组装基因组后显示具有2：1比例的SNP位点遍布整个基因组
课题组随后选取了四个保守基因MinD、ARC6、GUN5和EMB2754，在基因水平上通过PCR扩增和Sanger法DNA测序获取进一步证据。对17个芍药品种、21个牡丹品种以及32个伊藤牡丹品种的测序结果分析显示，这四个基因的测序峰图均出现了具有2:1峰高比例的SNP。通过分析碱基类型及其峰高占比，研究确认了在杂交过程中，牡丹作为父本贡献了两份基因，而芍药作为母本贡献了一份基因。值得注意的是，在MinD、GUN5和EMB2754基因的测序峰图中均发现了1:1:1比例的SNP，这表明牡丹贡献的两份基因存在差异。因为牡丹和牡丹之间的差异远低于牡丹和芍药之间的差异，这些1:1:1比例的SNP的数量远小于2:1比例的SNP数量。
课题组还利用了两对亲本和子代已知的伊藤牡丹杂交组合，对亲本和子代各品种中的四个基因进行了测序分析（图3），结果和上述结果一致。
图3. 两对亲本和子代已知的伊藤牡丹杂交组合的基因测序分析结果。此处仅显示分析的四个基因中MinD基因的测序结果峰图和SNP位点。
基于论文中的研究结果，研究提出了一个牡丹与芍药杂交形成伊藤杂种牡丹的遗传模型（图4）：在牡丹的减数分裂过程中，由于减数分裂Ⅰ期同源染色体未能正常分离，产生了含有两套异质性染色体的2n雄配子。该配子与芍药通过正常减数分裂产生的1n雌配子结合，形成了三倍体的伊藤杂种牡丹。两个杂交组合中亲本和子代的四个基因的测序结果（图3）也很好地验证了上述模型。
该项工作通过基因组序列分析和特定基因的Sanger测序峰图分析，有效地揭示了伊藤牡丹的亲本贡献和遗传构成，为促进伊藤牡丹以及其他植物的三倍体遗传育种提供了新的研究方法和思路，有助于提高杂交育种的准确性和效率。
图4. 牡丹与芍药杂交形成伊藤杂种牡丹的遗传模型
北京林业大学高宏波教授和洛阳国家牡丹基因库黄治民高级工程师为该论文的通讯作者，博士研究生洪琮浩、硕士研究生赵莹莹、博士研究生乔美玉为论文的第一作者。该研究得到了国家林木种质资源库牡丹项目的资助。
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园林学院科研团队在神农香菊芳香性状形成分子机制解析中取得新进展
近日，园林学院花卉研究团队在重要芳香种质神农香菊的芳香性状形成分子机制解析中取得了新进展，研究成果以“Identification and functional analysis of terpene synthases revealing the secrets of aroma formation in Chrysanthemum aromaticum”为题，在线发表于国际知名期刊International Journal of Biological Macromolecules（中国科学院1区Top，IF=7.7）。
芳香是植物的重要观赏性状，由许多挥发性次生代谢产物组合形成。神农香菊是菊科菊属的一个狭布野生种，分布在湖北神农架林区的高海拔地带（约2000米以上）。其整株具有浓郁的芳香，被誉为“菊科植物中的薰衣草”，是珍贵的芳香植物种质资源。
神农香菊特殊的芳香性状，使其具有了重要的药用、茶用和日化（精油）等开发利用价值。此外，神农香菊作为改良栽培菊花芳香性状的重要种质资源，也具有极高的开发潜力。目前，许多研究对神农香菊挥发物的成分进行了鉴定，并对主要成分的生物活性进行了探究。但在其芳香性状形成分子机理的研究，尤其是对其主要挥发物成分如石竹烯、荜澄茄油烯、侧柏酮等萜类化合物的生物合成分子机制的解析方面，严重不足，制约了对其的开发利用。
针对上述问题，园林学院孙明教授研究团队利用全长转录组和二代转录组测序技术，结合基因表达模式分析以及挥发物代谢组联合分析，对可能参与神农香菊主要萜类化合物合成的关键酶基因进行了挖掘。进一步利用AlphaFold 2对关键萜类合酶进行了蛋白结构预测，并通过分子对接模拟探究了底物与酶之间的相互作用。借助原核表达技术在大肠杆菌中诱导了这些萜类合酶的表达，并通过体外酶活试验，对其催化活性进行了验证。
研究结果发现神农香菊CaTPS7对香叶基焦磷酸（GPP）和法尼基焦磷酸（FPP）均具有催化活性，CaTPS8，CaTPS10和CaTPS20仅对FPP具有催化活性。CaTPS7和CaTPS20在对FPP的催化活性上存在功能冗余，均能够催化FPP生成较高含量的β-石竹烯和少量的α-石竹烯。CaTPS8和CaTPS10则能够催化FPP分别产生反式橙花叔醇和榄香烯等化合物。综上，该研究结合代谢组学、转录组学、生物信息学和分子生物学研究手段，初步解析了神农香菊重要香气成分如石竹烯、榄香烯合成的分子机制。为进一步解析神农香菊萜类挥发物的代谢网络奠定了重要基础，这些鉴定到的萜类合酶基因将有望用于芳香型菊花的分子育种，丰富栽培菊花的观赏性状。
我校园林学院已毕业博士钟剑为该论文的第一作者，孙明教授为通讯作者。该项研究得到国家自然科学基金（32271947）和雄安新区科技创新专项（2022XAGG0100）的资助。
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材料科学与技术学院科研团队在《Progress in Materials Science》发表综述论文
近日，材料科学与技术学院彭锋教授课题组在材料领域顶级期刊《Progress in Materials Science》（IF=33.6）发表了题为“Natural polysaccharide-based room-temperature phosphorescence materials: Designs, properties, and applications”的综述文章。
有机室温磷光（RTP）材料因其激发态寿命长、成本低、加工性能好，以及在防伪和信息加密、余辉显示、生物成像和传感等领域的良好应用前景而受到广泛关注。目前大多数RTP材料都来自人工荧光粉和石油基聚合物，存在合成过程复杂、颜色可调性差、缺乏可再生性和可持续性等问题。天然多糖中含有大量活性羟基、羧基、氨基等活性基团，可形成强氢键/共价键网络，为RTP的产生提供刚性环境。因此，天然多糖是构建有机RTP材料的优良基质，用其替代石油基聚合物构建RTP材料在基础研究和实际应用中均具有重要意义。
天然多糖基室温磷光材料的设计策略与应用
本文总结了天然多糖基RTP材料的最新进展，包括其设计原理、发光机制、先进的发光特性和潜在应用。从天然多糖作为发射源、刚性基质、碳点前驱体的角度总结了制备具有优异磷光性能的天然多糖基RTP材料的设计策略。重点介绍了具有激发波长依赖性、时间依赖性变色磷光，刺激响应性磷光，高稳定性磷光以及圆偏振磷光等特殊磷光属性的天然多糖基RTP材料体系，并讨论了其内在结构-性能关系。此外，基于天然多糖基RTP材料表现出的卓越特性，还介绍了天然多糖基RTP材料在防伪、传感、余辉显示、成像等领域的代表性应用。最后，探讨了天然多糖基室温磷光材料面临的挑战和发展方向。该论文旨在推进绿色、环保型有机RTP材料的发展，也为天然多糖的高值化利用提供了新思路。
材料科学与技术学院博士研究生高倩为该论文第一作者，青年教师吕保中和彭锋教授为共同通讯作者，北京林业大学为第一完成单位。本研究得到了国家杰出青年科学基金（32225034）、国家自然科学基金（22308028）等项目的支持。
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信息学院青年教师在农作物长势智能监测领域取得新进展
近期，信息学院青年教师韩东在农作物长势智能监测领域TOP期刊《International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation》（中国科学院一区TOP，IF=7.6），发表了题为“A graph-based deep learning framework for field scale wheat yield estimation”的学术论文，论文第一完成单位为北京林业大学。
基于遥感影像估测田块尺度作物产量时，不仅需要关注影像时间维度特征，还需关注影像空间维度特征。基于深度学习方法估测田块尺度作物产量，尤其当研究区范围较大时，模型对空间信息的有效提取意义重大，然而目前鲜有研究考虑遥感影像中作物的空间分布对其产量估测的影响。
田块尺度冬小麦产量长势监测框架
针对以上问题，本研究提出将图卷积模块嵌入到深度学习框架中用以学习气象数据和SAR参数影像的田块尺度地理知识，以SAFY-V模型为依据的解析模块用以提供作物生长机理知识，以引导模型更加精准化地实现田块尺度的冬小麦产量估测。
结果表明，基于最优历史气象数据输入策略（前15 d气象数据）构建的序列图生长模拟模型具有田块尺度最优的叶面积指数估测精度。图卷积模块的引入使得模型能够很好地考虑到病虫害和倒伏灾害在空间上的分布特征，提高了受灾冬小麦的产量估测精度。
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生态与自然保护学院科研团队在广义刺柏属物种多样性格局研究中取得新进展
近日，生态与自然保护学院张志翔教授团队从生态和进化两个方面综合阐述了刺柏属物种多样性格局的形成机制和广泛分布的成因。相关科研论文“Key innovations and niche variation promoted rapid diversification of the widespread Juniperus (Cupressaceae)”发表于自然出版集团《Communications Biology》（中科院一区TOP期刊）期刊上。
物种多样性在全球尺度空间上和谱系间的分布存在显著的异质性。从生态的角度来看，这种不均匀的物种多样性分布可能受到来自于生态环境、地形及所处区域的陆地面积的影响；从谱系/物种来看，物种演化出的适应性或者创新性性状可以促进物种的多样化和影响物种的地理分布。
刺柏属（Juniperus L.）隶属于柏科，约含75个物种，为松柏纲中第二大属，其独特“浆果状”球果的性状与其它柏科物种差异明显。刺柏属在北半球广泛分布，生态幅度大。从海平面附近的沙地到海拔5000米的高原灌丛，从湿润多雨的峡谷到干旱缺水的崖壁，均有刺柏属物种的分布。物种数量多和分布范围广是刺柏属物种显著的特征，而促进刺柏属物种的多样化及广泛分布的原因仍不明确。
本研究拟从生态和进化两个方面综合阐述刺柏属物种多样化的形成机制和广泛分布的成因。我们收集了刺柏属物种的地理分布、生态因子和表型性状数据，利用大量的遗传信息重建刺柏属物种的系统发生关系及分化时间，并对刺柏属物种的祖先生态位和祖先地理迁移历史进行重建。最终，本研究将揭示刺柏属物种多样性的分布格局，评估生态因素对物种多样性格局的影响。本研究还将阐明关键性状创新（如浆果状球果和雌雄异株）、生态位分化和历史性扩散事件对刺柏属物种多样性及分布范围的影响。
本研究基于97个样品（含70个物种，取样物种比例93%）的叶绿体基因组或基因片段数据，重建完整的刺柏属系统发生关系 （图1）。结果显示，刺柏属可以划分为3个谱系分支，分别为合子刺柏组、刺柏组和圆柏组。刺柏组与合子刺柏组形成姊妹群，合子刺柏组仅含一个物种，分布于地东海东部。刺柏组有14个物种，依球果成熟时颜色可分为蓝球果分支和红球果分支。圆柏组共有61个物种，为4个谱系分支：锯齿叶类（Clade I）、光叶单子类（Clade II）、光叶多子类（Clade III）和假锯齿叶类（Clade IV）。分化时间估算表明刺柏属起源于古新世中期约58.36 Ma，现存物种在始新世晚期（35.92 Ma）开始分化。刺柏属绝大多数现存分支在渐新世早期（31.35-28.27Ma）集中形成。
图1 刺柏属物种的系统发生关系
物种多样性分布根据分析，刺柏属共存在3个物种多样性中心（同时也是特有性中心），即喜马拉雅-横断山脉、北美洲西南部和环地中海沿岸。为了揭示生态因素对刺柏属物种多样性格局的影响，本研究共获取了21个生态因子作为解释变量。回归分析表明温度、降水、海拔等因素共同影响刺柏属物种多样性的分布（图3a-c）。物种的分布范围表明刺柏属是生态幅度变异较大的类群，为了解析生态位分化对刺柏属多样性格局的影响，本研究对所有谱系分支的生态位进行比较和祖先重建（图3d-i）。结果表面刺柏属6个谱系分支间存在显著的生态位分化，而这些分化在谱系形成时均已出现。这些结果表明谱系间生态位的分化是造成刺柏属物种分化和物种广布的因素之一。
图2 刺柏属谱系间生态位分化与祖先生态位重建
基于刺柏属现生物种的地理分布数据，本研究共划分出7个刺柏属主要分布区。刺柏属的祖先分布区重建结果表明，刺柏属起源于欧亚大陆，而后发生了多次的扩散（36）和隔离（10）事件（图4）。多次的跨大陆迁移及多个岛屿分布的物种表明长距离扩散也是造成刺柏属北半球广布的因素之一。
广义柏科物种多样化速率转换检验的结果表明，刺柏属和广义柏木属的多样化速率显著高于其它类群（约为4.66倍）。与广义柏科中的其他类群相比，刺柏属在演化历程中有许多性状的分化，本研究使用BiSSE对4对二元性状（雌雄同株 vs. 雌雄异株；乔木 vs. 灌木；浆果状球果 vs. 典型球果；鳞型叶 vs. 仅有刺型叶）进行分析，揭示性状差异对刺柏属多样化速率的影响。结果显示雌雄异株和浆果状球果的性状显著提升了刺柏属物种多样化速率（图5）。浆果状球果性状的出现不仅提升了刺柏属物种多样化速率，形成更多的物种，也扩大了物种的分布范围。
图3 广义柏科物种多样化速率和性状创新
野生动植物保护与利用学科树木学教研室2022级博士研究生刘康佳为论文的第一作者，张志翔教授和董文攀副教授为共同通讯作者。博士研究生李恩泽、崔兴勇和王钰双，中国科学院植物研究所徐超博士和索志立博士也参与了本研究。本研究得到了科技部科技基础资源调查专项（2021FY100200）、山东草本植物资源调查项目及第二次青藏高原科考项目（No. 2019QZKK050202）的共同资助。
论文信息：Liu K, Li E, Cui X, Wang Y, Xu C, Suo Z, Dong W, Zhang Z (2024) Key innovations and niche variation promoted rapid diversification of the widespread Juniperus (Cupressaceae). Communications Biology 7 (1):1002.
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草业与草原学院青年教师在昆虫认识领域取得重要研究进展
近日，草业与草原学院青年教师文超为论文第一作者和通讯作者的论文“Does bumblebee preference of continuous over interrupted strings in string-pulling tasks indicate means-end comprehension?”发表于中科院一区期刊《eLife》。
拉绳测试是比较心理学研究中广泛使用的行为测试范式，已经用于测试多种鸟类和哺乳动物。地熊蜂（Bombus terrestris）是目前报道的唯一一个能通过拉绳获得奖励的节肢动物，然而仍不清楚熊蜂在拉绳过程中能否判断绳子的连接性。该研究针对如上问题，使用了9个水平拉绳实验来探究熊蜂是否能够判断的绳子连接性。在测试过程中，向熊蜂展示了2个选择：其中一个是将绳子连接到含有奖励的人造花，另一朵花呈现中断的绳子。
结果表明，没有拉绳经验的地熊蜂无法判断绳子的连接性，有拉绳经验的地熊蜂能够区分连续和断开的绳子；地熊蜂能够泛化学习绳子的颜色特征，即使训练和测试中绳子的颜色不同，地熊蜂仍然倾向于选择连接的绳子；地熊蜂在拉绳过程中的绳子的视觉信号被遮挡或掩盖（在绳子拉动或拉出之后，有一个遮挡物），熊蜂无法识别连接的绳子；当训练的时候绳子为直的，测试时绳子为弯曲，熊蜂无法判断绳子的连接性，表明熊蜂是通过图像匹配来区分连续和断开的绳子，而不是天生地理解绳子的连接性。
该研究得到了国家自然科学基金委员会青年基金等项目资助。
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出品｜北京林业大学党委宣传部
来源｜绿色新闻网、各单位