大豆育种、电氢转换……广大“黑科技”上新
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积极投身科技创新
瞄准核心技术攻关
广大科研团队立足当下，稳步发展
在科研创新的道路上勇攀高峰
接下来，跟随我们一同回顾
近期广大科研的最新进展
广州大学生命科学学院关跃峰团队与孔凡江团队在Nature Plants中发表一项题为“Genetically optimising soybean nodulation improves yield and protein content”的研究论文。该研究通过基因编辑精准调控根瘤数量，实现碳氮平衡的高效固氮，从而在大田种植条件下大幅提高大豆产量和蛋白含量。该研究因此提出“优化结瘤固氮促进高产优质”的精准育种新思路。
我国大豆80%以上依赖进口，造成供需矛盾的重要因素之一，是中国大豆单产水平与美国、巴西等主产国有较大差距。培育高产高油高蛋白且环境友好的大豆新品种，是保障粮食安全的重要途径。大豆育种中，产量和蛋白质存在难以克服的负相关性，过去以产量为目标的大豆育种往往导致蛋白质含量显著下降，成为困扰高产高蛋白高油大豆育种的瓶颈。与此同时，大豆能通过结瘤固定空气氮素，是环境友好型作物。然而过去发现的超级结瘤（Super-nodulation）大豆，均因碳氮失衡而产量下降，导致“大豆多结瘤会减产”的思维定势，因此育种中普遍忽视对生物固氮的遗传改良。
该研究通过基因编辑创制了根瘤数量不同程度改变的各种大豆突变体（nin-4m，ric1b/2b，ric1a/2a，ric-6m和nark），发现超级结瘤大豆突变体ric-6m和nark生物量减少，而根瘤增加1倍的ric1a/2a突变体生物量显著增加。同位素示踪等实验表明，ric1a/2a根瘤数量适当提高，不仅增加生物固氮作用，还通过氮素促进了叶绿素含量，增强大豆光合效率，最终达到碳氮协同促进。ric1a/2a中适当增加的根瘤并未像超结瘤突变体一样消耗过多碳源，因此维持了碳氮平衡。作者在福建、河北等地开展了多年多点田间试验，与底盘国审品种华春6相比，ric1a/2a的小区产量显著提升10-20%以上，而蛋白质含量稳定提高1-2个百分点，且不显著降低含油量。这归因于ric1a/2a中转运到种子的碳源与氮源协同提升，因此实现协同增加产量和蛋白质的生物育种。通过基因编辑等生物育种手段优化大豆结瘤固氮，有望成为提升大豆单产和品质，并促进绿色种植的重要途径，对打好大豆种业翻身仗有重要意义。
我校关跃峰教授、中科院分子植物科学卓越创新中心王二涛研究员及我校孔凡江教授为论文通讯作者。福建农林大学资源与环境学院钟祥斌副教授、王杰副教授为论文共同第一作者。中国科学院植物研究所杨文强研究员，河北省农林科学院粮油作物研究所杨春燕研究员、史晓蕾副研究员为研究提供了支持。本工作得到国家重点研发计划、福建农林大学杰出青年科研人才计划、河北省自然科学基金、国家大豆产业技术体系、中国科学院青年基础研究等项目资助。
非线性波方程的定性研究是现代偏微分方程理论中重要且前沿的研究方向之一。上世纪 70 年代至今，F. John、T. Kato 、W.A. Strauss 、C.D. Sogge 等著名数学家针对非线性波方程的临界Strauss猜测进行了深刻的研究。但由于连续模非线性项的复杂性，其临界非线性行为仍是该领域的极具挑战性的问题之一。历经四年“坐冷板凳”的时间，陈文辉最终在该问题上取得了重要的研究进展。
这项研究利用现代调和分析与 WKB分析等工具，由前期工作[W. Chen&T.A.Dao, Math. Ann.(2023)]的启发，构造多项式-对数型加权Sobolev空间，证明了基于 Strauss临界指标的三维经典波方程中非线性项的临界正则性，精细刻画了经典波方程的临界非线性行为，阐明了非线性项的正则性对解性态的影响机制，发展了处理连续模非线性项的新数学方法。
该研究工作广州大学为第一单位，并得到了国家自然科学基金的支持。陈文辉，2022年入选广州大学“百人计划-青年杰出人才”、数学与信息科学学院副教授。代表成果发表在Math. Ann.（2篇）、Indiana Univ. Math. J.、J. Differential Equations（4篇）等国际知名期刊。Math. Ann.于1869年创办于德国，致力于发表数学各领域具有突破性的重要成果，是数学界公认的国际顶级综合性数学期刊。
异质结构的构建是合成具有高电化学性能的锂离子电池负极材料的一种有效方法。在本研究中，王家海教授团队通过一种设计的溶剂热策略实现了一个界面调控的ZnS@MoS2 异质结构。该策略在异质结构中引入了界面调控，增加了锂吸附的活性位点，并提高了锂离子存储的整体动力学性能。在异质结构界面处引入了内建电场，增强了电子转移和锂离子迁移，从而得到高性能锂离子电池负极材料。ZnS@MoS2 异质结作为锂离子电池负极展现出优秀的储锂容量和循环稳定性，在5A/g的电流密度下可以稳定循环 1000 圈并保持 996.0 mAh/g 的容量。密度泛函理论（DFT）计算的结果进一步确认，界面处的电子重新分布促进了电荷转移并降低了锂离子迁移的障碍。这项研究提出了一 种新颖的界面调控策略，增强了异质结构中的锂离子存储，并揭示了改善锂存储动力学 的潜在机制。具体创新点为：
01
界面调控策略的引入：本文通过设计一种界面调控策略，系统地解决了 ZnS 和 MoS2 在异质结构中的界面匹配和电子传输效率问题，这在之前的研究中很少被报道。界面调控不仅改善了材料的电化学性能，还提高了其结构稳定性。
02
异质结构的创新构建：采用溶剂热法成功构建了ZnS@MoS2异质结构，这种结构能够有效增加锂离子的吸附位点，并改善锂离子的迁移动力学。这种特殊的构建方式为提高电池的能量密度和循环稳定性提供了新的途径。
03
表面反应动力学的优化：通过界面调控策略，显著增强了表面反应动力学，这意味着电池在充放电过程中能更高效、快速地进行锂离子的吸附和释放。这直接提升了电池的充放电性能，尤其是在高倍率充放电条件下。
04
内建电场的应用：研究中在 ZnS@MoS2 异质结构的界面处引入了内建电场，该电场有助于促进电子的快速转移和锂离子的迁移，进一步提升了电池的充电效率和稳定性。这种方法在提高电池性能方面展现了巨大的潜力。
▲图2
ZnS@MoS2 异质结电化学表征及性能测试
陈辅周博士为本文的第一作者，王家海教授和邵敏华教授为共同通讯作者，广州大学为第一通讯单位。
电解水制氢（Info Mat）：本文从质子固态氧化物电解水制氢机制出发，结合重要研究进展总结并对比了离子传导类型、材料成分、结构设计等优化手段对电流密度、极化电阻、电解效率等电化学性能和稳定性的影响。概述了该类电解水制氢技术在实际应用中面临的挑战，包括但不限于阳极材料的电催化反应活性及稳定性、电池漏电流与电解效率、活性反应面积等。最后提出利用第一性原理、机器学习、计算流体力学等手段辅助开发电解池关键材料、模拟电池工况等的建议，以促进质子固态氧化物电解池的发展，实现高效电氢转换。
燃料电池用氢（Nano Energy）：本文简要概述了近十年来质子固态氧化物燃料电池阴极材料的里程碑进展及其面临的挑战，并提出利用机器学习高效开发阴极材料，预测其电导率、催化活性、稳定性等指标。总结归纳了机器学习在材料科学中的应用步骤：发现科学问题，收集数据，预处理数据，特征工程，训练及优化模型等。分析了机器学习应用于材料科学中面临的挑战：数据质量及规范性，物质属性关系，标准化实验技术等，并提出了在未来材料科学研究中实现跨学科合作、数据共享及开发强大模型验证框架等展望。
▲机器学习训练过程
及其在燃料电池阴极材料性能预测中的
潜在应用与挑战
相关研究发表在国际高水平期刊《信息材料》和《纳米能源》（InfoMat 和 Nano Energy）。
近日，电子与通信工程学院曾衍瀚副教授团队在工艺、电压和温度（PVT）扰动下的模拟集成电路优化方面取得重要研究进展，首次报道了基于多任务进化的集成电路PVT鲁棒性优化的工作，建立了PVT知识迁移框架，提出了基于直流工作点的PVT分析模型，有效减少了负面的知识迁移。相关研究成果分别发表在电子设计自动化(EDA)领域国际四大顶会之一的2023 IEEE/ACM International Conference on Computer Aided Design (ICCAD)和集成电路领域国际顶级期刊IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers。
曾衍瀚副教授团队为了应对模拟集成电路设计中因PVT变化带来的挑战，提出了一种PVT迁移框架。本框架通过将PVT变化视为一系列需要进行知识迁移的优化任务，旨在提升设计的PVT稳健性。该框架通过促进所有变体间的知识共享，显著提高了设计的效率，并有效减少了在每次模拟过程中对变体进行评估的次数。
为确保知识迁移的效率和稳健性，团队研究构建了一种新型策略，即在优化过程中监测直流工作点偏移情况，并建立“角点模型”来探索PVT变化的内在规律。这种方法有助于减轻负面知识转移的影响，进而确保在面对PVT变化时能够实现更加准确和可靠的模拟IC设计。该框架的性能优于现有方法，在减少60%仿真次数的情况下，将目标芯片电路功耗降低了60%，温度特性提高80%。
EDA行业具有“芯片之母”的地位，贯穿半导体产业链各个环节，是半导体“卡脖子”关键环节。团队将与国产EDA龙头企业广州市概伦电子进一步合作，与概伦电子的Nano Designer协同，打通模拟集成电路IP自动化设计全流程，为实现高性能化，高集成度、高灵活性的模拟集成电路设计提供新的解决方案，从点到链突破，助力国产EDA加速突围。
曾衍瀚副教授团队为了应对模拟集成电路设计中因PVT变化带来的挑战，提出了一种PVT迁移框架。本框架通过将PVT变化视为一系列需要进行知识迁移的优化任务，旨在提升设计的PVT稳健性。该框架通过促进所有变体间的知识共享，显著提高了设计的效率，并有效减少了在每次模拟过程中对变体进行评估的次数。
▲基于多任务进化的 PVT 知识迁移架构
曾衍瀚副教授和电子科技大学李耘教授为论文的通讯作者，硕士生李锦韬为论文 的第一作者，广州大学为论文第一通讯单位。该研究工作得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金和广州市科技计划（市校联合）等项目的支持。
近日，广州大学化学化工学院吴旭教授团队与加拿大工程院院士/加拿大皇家科学院院士/阿尔伯塔大学曾宏波教授合作，报道了一种水凝胶取向结构构筑结合界面分子铆钉的策略，实现了涂层水下超疏油的显著防污自洁功能，同时实现与各类基材持久的强附着性。相关研究成果发表在材料领域国际顶级期刊：Advanced Functional Mate rirals。
吴旭教授团队等报道了一种水凝胶取向结构构筑结合界面分子铆钉的策略，通过特定分子结构设计及其在溶剂置换过程中链段取向迁移与非均相网络交联，构筑并锁定表面亲水/基底疏水+铆钉的涂层取向结构，实现了涂层水下超疏油的显著防污自洁功能，同时实现与各类基材持久的强附着性（剪切强度达5MPa）。材料的合成和涂装工艺适用于工业放大装置，可应用于各类基材。研究工作中提出的取向结构设计与调控为材料各异性界面功能的实现和创新应用开辟了新的研究思路。
该研究工作广州大学为第一通讯单位，第一作者为硕士研究生姜旭生，通讯作者为徐秀彬讲师，吴旭教授和曾宏波教授。该课题研究得到了国家自然科学基金、广东省杰出青年科学基金、粤港澳大湾区国际科技创新中心专项等多项基金的支持。
我校大湾区环境研究院洪义国教授团队在化学领域期刊《Analytical Chemistry》(Nature Index 收录期刊)报道了一种耦合 I5N同位素示踪和氨基磺酸还原(SIT-SAR)利用膜进样质谱仪 (MIMS)测定水体和沉积物氨氢化速率(Ra)和亚硝酸盐氧化速率(Rn)的新方法。
氨基磺酸(SA)是一种强还原剂，在酸性条件下能迅速将15NO，还原为29N(详见反应式)。本研究通过反应条件优化实验(SA的浓度、HC1浓度、反应时间、15NO；还原适宜pH范围等)，建立了一种耦合1N稳定司位素示踪和氨基磺酸还原利用MIMS测定水体和沉积物R和R的方法，并利用此方法测定了珠江口(PRE)表、底水体及表层沉积物的R和R，进一步验证了该方法的可靠性。
▲SAT-SAR法测定水或沉积物样品中
氨氧化（Ra）和亚硝酸盐氧化（Rn）速率的一般步骤
论文的第一作者是硕士研究生杨雅文同学和吴佳鹏博士，通讯作者为洪义国教授广州大学为唯一第一作者单位和唯一通讯作者单位。
纳米技术的发展为生物医学领域带来了革命性的突破。闫兵教授团队的最新研究成果，再次证明了纳米技术在生物医学研究中的潜力。该团队采用创新的纳米组合化学方法，设计并合成了一系列氧化还原金纳米颗粒，成功构建了一个动态的细胞模型。这一模型揭示了活性氧（ROS）在人类细胞内信号传导中诱导的动态特征。传统的细胞模型通常 只关注信号分子的稳态浓度，而忽视了分子信号事件的动态变化。闫兵教授团队的研究通过使用不影响细胞正常状态的纳米颗粒浓度，构建了十个具有不同ROS水平的细胞模型，模拟了细胞内ROS的实时积累过程。这一创新方法不仅模拟了不同生理和病理条件下的细胞状态，还精细地探索了细胞信号动态传导的实时分子事件。
▲细胞响应ROS的产生
与积累诱导信号传导的动态调控
该研究成果以“ Unraveling the Complex Dynamics of Signaling Molecules in Cellular Signal Transduction ”为题，发表在PNAS Nexus。广州大学大湾区环境研究院的博士后王深清为该文章的第一作者，闫兵教授和中国科学院烟台海岸带研究所的陈令新研究员为共同通讯作者。
原子级分散催化剂(SACs)是目前燃料电池和金属-空气电池中最有前途的低成本氧催化剂。尽管SACs具有超越贵金属的催化活性，然而其稳定性一直备受诟病，这是导致目前 SACs无法走向实际应用去替代传统贵金属催化剂的关键挑战之一。因此，找到解决 SACs稳定性问题的关键方案，是其未来走向实际应用的首要任务鉴于此，刘兆清教授团队通过巧妙的热解策略，成功构建了新型的双层单原子催化剂（Co/ DACN）。X射线吸收谱实验和理论计算结果表明，Co/ DACN 伴随着CoN2C3配位环境，形成了独特的Co-C 双轴向配位结构（图1）。进一步通过理论计算对其双轴向键的形成机制进行了探索，苯碳（类卡宾特性）的存在是双轴向 Co-C键形成的关键。而这种原位生成的独特Co-C双轴向键的形成，一方面促进了层间电子转移，优化了催化剂的催化活性；另一方面，解决了催化剂的热稳定性和化学稳定性问题，最终在酸性和碱性条件下Co/DACN 展示了优异的催化活性和超强的稳定性。
▲Co/ DACN双轴向结构形成机制探究
相 关 成 果 发 布 在 国 际 知 名 期 刊《美国科学院院报 》 ( Proceedings of the National Academy of Sciences，PNAS) 。刘兆清教授和悉尼大学赵慎龙教授为论文的通讯作者，淡猛博士为论文的第一作者，广州大学为论文第一通讯单位。
创见卓越 ，智领风潮
革新图变 ，砥砺前行
在科研探索的征途上，
广州大学始终锐意进取，勇往直前
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初初审审｜张芳
复初审审｜吴谦
终初审审｜温志昌
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