导读
近日，中国科学家团队在国际顶级期刊Science上发表多篇论文，武汉大学汪成团队在Science发文报道超高比表面共价有机框架材料，浙大团队在Science发文揭示乳液中水油同步分离的神奇“膜”法，中国科学院分子植物卓越中心何祖华团队、张余团队联合万里团队在Science背靠背发文，发现植物免疫激活新机制。
1、武汉大学汪成团队Science发文报道超高比表面共价有机框架材料
北京时间11月8日，Science在线发表了武汉大学化学与分子科学学院汪成教授团队关于超高比表面共价有机框架材料用于甲烷吸附的最新研究成果，论文题为“Ultrahigh–surface area covalent organic frameworks for methane adsorption”。武汉大学2024届博士毕业生尹颖以及博士研究生章雅（北大联培）、周旭为论文共同第一作者，汪成教授与北京大学孙俊良教授为共同通讯作者，武汉大学桂波副研究员、上海科技大学章跃标教授以及博士研究生王稳启和姜闻涛为共同作者。武汉大学为第一署名单位。
▲从左至右：周旭 桂波 章雅 汪成 尹颖
天然气（主要成分为甲烷）储量丰富且碳排放较低，是一种可以替代传统化石燃料来实现碳中和目标的重要过渡燃料。目前，高密度天然气储存主要为液化天然气和压缩天然气，存在成本高、能耗大和安全隐患等问题。相比之下，吸附天然气技术利用甲烷吸附剂在相对低压下实现高效存储，为车载运输应用提供了一种安全、经济、环保的存储替代方案。当前已有大量孔材料的甲烷吸附研究，但由于难以同时兼顾质量容量和体积容量，其性能仍难以满足实用要求。理论分析表明，性能优异的甲烷吸附多孔材料应具备高比表面积（> 4000 m2g-1）及适宜孔径（0.8-1.5 nm）。共价有机框架（COF）是一类由有机分子构筑基元通过共价成键组装、在二维或三维方向上形成的新型晶态多孔材料。由于其固有的多孔性和共价键连特性，如果合成超高比表面COF，可作为一种具有高稳定性的甲烷吸附剂。从结构上看，相较于二维层状体系，三维COF通常具备更高比表面积。然而，三维COF的合成和结构表征面临巨大挑战，而且常见的框架互穿问题会显著降低其表面积。因此，构建具有超高比表面和合适孔径的微孔三维COF以实现甲烷高密度存储应用，意义重大但极具挑战性。
▲从左至右：周旭 桂波 汪成 尹颖 章雅
汪成教授团队以六连接立体节点与三角形分子为前体进行缩聚反应，成功设计合成了两种席夫碱连接的超高比表面微孔三维COF（3D-TFB-COF-Me/Et）。通过三维电子衍射进行结构解析发现，两种三维COF均具有一种罕见的自互锁拓扑结构（alb-3,6-Ccc2）。由于避免了常见穿插拓扑结构中的紧密堆积，使框架孔径减小的同时又保证构筑单元的充分暴露，两种COF均表现出超高的质量比表面（~4400 m2g-1）和体积比表面（~1900 m2cm-3）以及合适的微孔孔径（1.1 nm）。甲烷吸附实验表明，这两种COF均具备优异的高压甲烷吸附性能，如在298 K及100 bar压力下，3D-TFB-COF-Et的质量吸附容量为429 mg g-1，体积吸附容量则达到264 cm3(STP) cm-3。更重要的是，在298 K和5-100 bar压力下，3D-TFB-COF-Et的甲烷体积工作容量超过了目前报道的所有晶态多孔材料。此研究不仅证实了COF在能源气体储存方面的重大应用潜力，还为构筑同时兼具高质量比表面和体积比表面的多孔材料提供了重要指导。
该工作得到了国家自然科学基金杰出青年科学基金项目、联合基金重点支持项目、面上项目和湖北省自然科学基金创新群体项目的资助以及武汉大学科研公共服务条件平台的支持。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr0936
汪成课题组链接：http://chengwang.whu.edu.cn/
2、浙大团队《科学》揭示乳液中水油同步分离的神奇“膜”法
石油、冶金、食品、制药等工业生产过程会产生大量的含油废水。其中，乳化剂稳定的油水乳液在后续处理时最为棘手。乳液的排放不仅会对环境造成污染，也会造成资源的浪费。因此，在绿色、可持续发展的背景下，如何高效、同步回收稳定乳液中的油和水，成为分离科学与技术领域近百年来亟待攻克的一大难题。
浙江大学教授徐志康，百人计划研究员杨皓程、张超所在的聚合物分离膜及其表界面工程团队突破传统膜分离范式，提出了一种基于亲水膜/疏水膜组成的限域空间狭缝(Janus Channel of Membranes, JCM)的新概念与原型器件，从而发展了一类简单且高效的油水乳液同步分离技术，成功实现了97%的油回收和75%的水回收。相关研究成果以“Janus Channel of Membranes Enables Concurrent Oil and Water Recovery from Emulsions”为题，发表于《科学》。
突破性“狭缝”分离新器件
油水乳液是一种相对稳定的油水混合物，主要分为水包油和油包水两种类型。要将油水乳液中的油相和水相同步高效分离尤为困难。迄今为止，较为成熟的油水乳液分离技术包括化学絮凝、电聚结与离心分离等，此外，许多研究也聚焦于开发各种各样的分离膜材料及膜分离技术。
然而，这些方法通常只能分离出乳液中的部分油相或部分水相，剩余废液仍需进一步处理或被直接排放，距离实现“零液排放”与资源全回收的可持续发展目标仍有很大的差距。
徐志康教授团队在聚合物分离膜及其表界面工程领域深耕二十余年，通过分离膜表面工程技术，研发了一系列超亲水的分离膜材料，可从水包油乳液中选择性地分离水相。同时，他们也研发出一种表面性质迥异、一面亲水一面疏水的“两面神”非对称多孔膜，能够实现水包油乳液中分散油滴的捕获与分离。
然而，上述研究仍只能实现有水乳液中单一组分的分离。随着实践经验的积累和研究的不断深入，团队成员创新性提出，是否可以尝试用一张亲水膜和一张疏水膜共同组成双向水油分离系统，实现水、油同步分离？
通过大量实验，团队发现，在亲水膜和疏水膜所共同组成的狭缝空间中分离水包油乳液时，当狭缝宽度较大，亲水膜和疏水膜之间互不干涉，分离效率低。但是，当狭缝宽度从100mm以上逐步缩小至4mm时，水、油回收效率发生了质的飞跃。疏水侧的油回收率从5%大幅提升至97%，亲水侧的水回收率也从19%提高至75%。
“基于亲水膜/疏水膜组成的限域空间狭缝实现水油双向同步分离，对于膜科学领域而言，是分离概念和器件的重大突破与创新。”徐志康说。
神奇“狭缝”的作用机理
为进一步探究狭缝的作用机理，团队发现，随着亲水膜和疏水膜间距不断缩小，狭缝的“挤压”作用在乳滴破乳分离中发挥了关键作用。
以分离水包油乳液为例，在狭小空间内，随着水在亲水膜一侧的导出，料液中乳滴的局部浓度迅速增加，同时狭窄空间进一步提升了乳滴的碰撞概率。二者协同作用使乳液的“浓缩-聚并-破乳-分离”过程得到了显著强化。
那么，亲水膜与疏水膜对分离过程起着怎么样的作用呢？
团队分别构建了仅具有单侧亲水膜或单侧疏水膜的狭缝，发现尽管狭缝的“挤压”能够增强单一亲水膜或疏水膜的分离效率，但其油水回收率仍显著低于同时存在亲水膜与疏水膜的狭缝。特别是在乳化剂含量较高时，虽然三种狭缝的水、油回收率均有所下降，但相较于单一膜构建的狭缝，亲水/疏水双膜狭缝的水、油回收率降幅较小，展现出其处理稳定乳液的显著优势。
值得一提的是，团队意外发现分离过程中，亲水膜移除水相导致乳液浓度增加，促进了乳滴的碰撞、聚并和破乳，提升了油相的渗透通量。与此同时，油相的持续移除又有助于降低膜表面的乳液浓度，进而减轻了因浓差极化现象对亲水膜渗透通量的抑制作用。该过程中形成了一种积极的“正向反馈机制”，使得同步分离效率大幅提高。
“这个系统用到的膜材料简单，分离高效，能够广泛应用于不同类型的水包油和油包水乳液体系。”杨皓程介绍，当亲水膜的表面电荷与乳化剂的荷电性一致时，膜的抗污染性能得到显著提升，从而表现出更高的分离效率。
“表面界面连枝花，油水分离不离她；亲水疏水膜狭缝，弦歌不辍灼芳华。”徐志康表示，这项研究是团队多年沉淀后的又一重大发现，在环境保护、资源回收等多个领域都具有非常广阔的应用前景，团队成员将继续深入研究，推动技术进步和落地转化。
该论文的第一作者为浙江大学高分子科学与工程学系2022级硕博连读生郭馨宇，杨皓程、张超、徐志康为共同通讯作者。大连理工大学副教授赵磊协助计算了液滴的碰撞概率，浙江大学高分子科学与工程学系百人计划研究员梁洪卿和化学系教授吴健参与器件的设计与课题讨论，浙江大学高分子科学与工程学系博士后李浩南参与了实验的设计。该项工作得到了国家自然科学基金委-浙江省区域创新联合基金、国家重点研发计划和广东省自然科学基金的资助。
3、Science背靠背 | 分子植物卓越中心何祖华团队、张余团队联合万里团队发现植物免疫激活新机制
“背靠背”论文
粮安天下，农稳社稷。中国是14亿人口的大国，保障粮食供给事关国家安全和发展大局。近年来，病虫害的频繁爆发造成作物减产和品质下降, 大量使用化学农药控制农作物病虫害，不仅破坏生态环境，还威胁人们健康。培育广谱抗病品种是保障我国粮食安全、发展绿色农业、维护生态环境的重要举措。发掘广谱持久抗病基因，揭示植物免疫激活调控广谱抗病的分子机制是农作物抗病育种的重要理论基础。
北京时间2024年11月8日，国际权威学术期刊《科学》（Science）以“背靠背”形式在线发布了同一单位不同团队的两项重要科研成果。中国科学院分子植物科学卓越创新中心何祖华院士团队、张余研究员团队，复旦大学高明君研究员团队以及浙江大学邓一文教授团队合作完成了题为 “A canonical protein complex controls immune homeostasis and multipathogen resistance”的研究成果。另一篇题为“Activation of a helper NLR by plant and bacterial TIR immune signaling”的研究成果来自分子植物卓越中心万里研究员团队。
研究背景/ Research background
植物免疫的本质是识别“非我”。植物免疫系统通过识别病原微生物而激活自身的免疫反应，该系统由两道防线组成，一是通过植物细胞表面感受器识别病原菌后产生的基础抗病性（PTI），PTI相对温和且容易被病原菌分泌的毒性蛋白所突破；在进化中，植物产生了第二道防线，植物细胞内感受器NLR蛋白识别病原菌分泌的毒性蛋白后引起的专化性抗性（ETI），该防线反应强烈且能赋予植物强抗病性。植物ETI免疫反应的发生依赖于植物特定的NLR感受器蛋白识别特定病原菌分泌的特定毒性蛋白。由于ETI的特异性，目前在植物抗病育种和病虫害防治中缺乏有效的方法激活植物ETI。如何克服ETI对病原菌的特异性，实现有效的多病原广谱抗病性成为了植物免疫研究的重要课题。
水稻（上图）
拟南芥（下图）
研究内容/ Research content
何祖华及其合作研究团队在前期研究中发现了一个水稻免疫抑制基因ROD1，该基因突变引起活性氧积累，产生免疫自激活表型，显著提高水稻对多个病原菌如稻瘟病、白叶枯病和纹枯病的抗性，论文发表于国际权威学术期刊Cell（Gao et al., 2021）。然而对ROD1抑制免疫激活的信号网络尚不清楚。研究团队采用EMS化学诱变和γ射线物理诱变筛选rod1抑制子的策略深入研究，经过大规模的田间表型鉴定筛选，共获得18个rod1抑制子株系。通过基因克隆和全基因组测序分析，发现这些抑制子分别是OsTIR、OsEDS1、OsPAD4和OsADR1基因突变。首次报道禾本科作物的细胞内感受器OsTIR蛋白具有产生免疫小分子pRib-AMP的功能，小分子pRib-AMP能够激活水稻OsEDS1、OsPAD4和OsADR1蛋白形成免疫复合体EPA激发免疫反应。进一步研究发现水稻免疫抑制蛋白ROD1与OsTIR互作，影响OsTIR的酶活，从而抑制小分子pRib-AMP的生成，避免EPA复合体激发免疫反应，维持免疫的稳态。当病原菌侵染时，ROD1被降解，OsTIR蛋白被释放后生成小分子激活免疫复合体EPA，产生对多种病原菌的广谱抗性。因此，该研究揭示了一个五组分的信号网络调控植物免疫稳态的分子机制，为培育广谱抗多种病原菌的作物新品种提供重要的理论基础和靶标基因。
ROD1-OsTIR-EPA介导的免疫反应作用模型
无独有偶的是万里团队发现植物细胞内感受器的TIR蛋白可生成小分子2’cADPR，这一类小分子作为前体在植物体内可以被转化生成pRib-AMP，从而激活EPA免疫复合体，提高植物抗病性。利用2’cADPR处理植物即可诱导类似于ETI的强抗病性，实现了在没有特定病原菌侵染的情况下人为可控地激活植物强ETI免疫反应。而且相对于pRib-AMP，2’cADPR性质更稳定，所以也更适合开发作为植物免疫激活剂。这一发现为发展绿色农业提供了一种能够激发农作物广谱抗病性的新型“生物农药”，从而有效替代化学农药，减少对生态环境的负面影响。一些细菌的TIR蛋白也可以产生2’cADPR并激活植物的ETI免疫反应，因此本研究还揭示了植物和细菌免疫通路交互的分子机理。
TIR蛋白产生2’cADPR并被转化为pRib-AMP诱导EPA复合体激活植物免疫反应
植物细胞内感受器TIR蛋白介导的ETI抗性是农作物抗病育种的重要靶标。因此，研究植物免疫受体及其工作机理，并最终实现对植物免疫受体的人工定向改造，就能有效解决植物病害问题。这两项研究成果共同揭示了一个在不同植物中保守的由小分子pRib-AMP和蛋白复合体EPA介导的免疫激活新机制，为植物病害防控提供了新型“生物农药”靶标，对促进我国农业绿色可持续发展，维护生态环境，保障粮食安全具有重要意义。
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分子植物卓越中心博士研究生武越、徐炜莹、雷子耀，高级工程师刘继云，上海科技大学博士研究生赵国燕以及复旦大学博士研究生李魁为论文“A canonical protein complex controls immune homeostasis and multipathogen resistance ”的共同第一作者，分子植物卓越中心何祖华院士、张余研究员，复旦大学高明君研究员以及浙江大学邓一文教授为共同通讯作者。德国马普植物育种研究所Jane E. Parker院士、西湖大学柴继杰教授等参与了本项研究。该研究工作受到国家自然科学基金、农业生物育种重大专项、国家重点研发计划、上海市基础研究特区计划等的资助。文章链接：https://doi.org/10.1126/science.adr2138
文章第一作者合影
从左往右依次是：刘继云、李魁、雷子耀、赵国燕、徐炜莹、武越
分子植物卓越中心博士研究生于华、徐炜莹和陈思思为论文“Activation of a helper NLR by plant and bacterial TIR immune signaling”的共同第一作者，万里研究员为通讯作者。该研究工作得到了中国科学院分子植物科学卓越创新中心张余研究员的合作和支持。同时，该研究工作得到国家重点研发计划、植物性状形成与塑造重点实验室（中国科学院）、国家自然科学基金面上项目和中国科学院先导项目等资助。文章链接：https://doi.org/10.1126/science.adr3150
万里研究员及文章第一作者合影
从左往右依次是：徐炜莹、于华、万里、陈思思
来源：武汉大学、浙江大学、中国科学院分子植物卓越中心