科学家通过在田间施用固碳用岩尘以提高作物产量并减少温室气体

科学家通过在田间施用固碳用岩尘以提高作物产量并减少温室气体 在自然状态下，岩石在环境中分解时会自然吸收大气中的二氧化碳。岩石碎裂成的块数越多，可用于固碳的总表面积就越大，因此可吸收的二氧化碳量也就越大。然而，大多数岩石需要很长时间才能自行碎裂成小块。此外，为了让所有这些碎块都能吸收二氧化碳，它们必须分布在一个大范围内，全部暴露在大气中。这就是强化岩石风化的作用所在。该工艺是用机械将岩石粉碎成粉尘状，然后将其撒在农田里。农民不一定要花费额外的时间来做这些工作，因为这些粉尘可以与已经施用在农田里的肥料或其他添加剂一起撒播。在 2020 年的研究中确定，如果在全球范围内实施强化岩石风化，每年可从大气中吸收多达 20 亿吨（约 22 亿吨）二氧化碳。这比全球航空和海运每年排放的二氧化碳总和还要多得多。这些岩石可以从采矿作业等渠道获得，农民可以得到经济激励，在他们的田地里使用这些粉尘。如果仅靠金钱还不够，那么提高产量的承诺可能会有所帮助。迪米塔-埃皮霍夫博士在一块试验田里视察大豆 Ilsa Kantola，加州大学洛杉矶分校这项新研究在伊利诺伊大学能源农场进行，为期四年，研究对象是轮流种植玉米和大豆的田块。这些田地中的一些地块未经处理，作为对照组，而其他地块则每年以每公顷 50 吨（45 吨）的比例施用玄武岩粉尘。最终发现，经过处理的地块产量比对照地块高出 12% 至 16%。这一结果主要是由于玄武岩提高了土壤的 pH 值，进而增强了植物吸收土壤中已有养分的能力。此外，玄武岩在土壤中分解时，自身也释放出磷、钾和钙等养分。此外，经过玄武岩处理的地块上的植物含有更多的微量和大量营养元素，从而提高了它们对人类和牲畜的营养价值。固碳效果也得到了证实现在人们相信，施用碎石粉每年每公顷可以清除大气中大约三到四吨的二氧化碳。首席科学家、谢菲尔德大学戴维-比尔林（David Beerling）教授说："我们用来之不易的数据证明了增强风化法在现实世界中的碳清除潜力。这是了解这项技术在减缓气候变化的同时提高产量和改善土壤健康的巨大潜力方面迈出的一大步"。有关这项研究的论文最近发表在《美国国家科学院院刊》上。 ... PC版： 手机版：

日研究员开发新方法 测量土壤中微塑料污染含量

日研究员开发新方法 测量土壤中微塑料污染含量 受人类活动影响，纳米和微米级微塑料（N/MP）污染广泛存在于土壤、海洋、空气中甚至人体内，其危害日渐严重。日本研究人员近期开发出一种新方法，利用光谱法在两种波长下测量不同土壤类型中的N/MP含量。 新华社报道，环境中很大一部分纳米和微米级微塑料（N/MP）存在于土壤中，了解土壤中N/MP的分布和迁移对于应对其威胁至关重要。目前要测量土壤中N/MP的含量，需要先将土壤中的N/MP与有机物等分离开来，再利用拉曼光谱等方法检测。但现有方法对技术要求较高且分辨率有限，此外在分离土壤过程中常会丢失一部分N/MP，导致测量不准。 日本早稻田大学等机构研究人员开发出一种新的可测量土壤中N/MP含量的光谱法，无需将土壤中的有机物分离出去。其原理是使特定波长的光穿过样本，利用N/MP和土壤颗粒吸收光谱差异来量化N/MP。因此找到合适的波长来区分N/MP和土壤颗粒十分关键。 [Media] 研究人员将六种在粒径分布、有机物含量等方面呈不同特性的干土壤样本制成悬浮液，并与聚苯乙烯（一种常见微塑料成分）纳米颗粒混合，形成六种不同的模拟含N/MP污染物的土壤悬浮液。N/MP含量均保持在每升五毫克。然后使用分光光度计测量这些土壤悬浮液在200纳米至500纳米波长范围的吸收光谱，并据此确定干土壤中N/MP的含量。随后找出测量N/MP的两种波长的最佳组合。 研究显示，使用220纳米至260纳米和280纳米至340纳米波长组合时，六个样本的误差最低，因此适合测量不同土壤类型中的N/MP含量。研究人员还创建了土壤悬浮液中N/MP含量与添加到干土壤样本中的N/MP含量之间的校准曲线，从而能准确估算干土壤中N/MP的含量。 研究成果近期发表在《生态毒理学与环境安全》杂志上。研究人员表明，该方法可以用作土壤中N/MP含量的初步评估工具，以帮助人们进一步了解N/MP在土壤中的分布和迁移。 [Media] 2024年6月23日 11:57 AM

"哨兵植物"可通过叶片中的压力传感器拯救作物

"哨兵植物"可通过叶片中的压力传感器拯救作物 经过特殊标记的"哨兵植物"很快就能对作物问题（如虫害或细菌感染）发出预警。这些植物将利用两个"发光"传感器，对叶片中与压力有关的化合物做出反应。最常用的两种信号分子是过氧化氢和水杨酸。四年前，麻省理工学院的迈克尔-斯特拉诺教授及其同事创造了一种叶片集成传感器，它能在过氧化氢存在时发出荧光。这种"传感器"实际上由许多单壁碳纳米管组成，每根碳纳米管都包裹着一条被称为寡聚体的合成 DNA 链。当把含有这些"电晕相分子识别"（CoPhMoRe）纳米传感器的载体溶液涂抹在叶片背面时，这些微小的物体就会穿过叶片表面被称为气孔的微小开口。纳米传感器最终进入叶肉中层，叶肉中层是叶片的内层，大部分光合作用都在叶肉中进行。当该层随后产生过氧化氢时，过氧化氢会与纳米传感器结合，使其发出荧光。这种荧光很容易用红外摄像机检测到。虽然过氧化氢的产生本身就能表明某些植物胁迫因素的存在，但如果能同时检测到水杨酸，那就更有用了。有鉴于此，斯特拉诺的团队改变了该技术中使用的低聚物结构，创造出了第二种CoPhMoRe纳米传感器，这种传感器在与水杨酸而不是过氧化氢结合时会发出荧光。在研究中，用水杨酸传感纳米传感器（蓝色）、过氧化氢传感纳米传感器（红色，右图）和惰性对照纳米传感器（绿色）处理单个植物叶片的不同部分。在对白菜植物进行的实验室测试中，将含有两种不同类型纳米传感器的溶液涂抹在同一片叶子的不同部位。然后让这些植物承受强光、高温、细菌感染和昆虫叮咬等压力。研究发现，前三种压力会在几分钟内产生过氧化氢，然后在两小时内的某个时间段产生水杨酸。不过，水杨酸出现的确切时间却因压力源的类型而有一致的差异。这意味着，如果用红外摄像机对经过 CoPhMoRe 增强的植物进行持续监测，农民就可以根据植物叶片从开始产生过氧化氢到随后产生水杨酸之间的时间间隔，判断植物是否处于光、热或细菌胁迫的早期阶段。如果只产生过氧化氢，那就意味着昆虫叮咬是罪魁祸首。当然，如果两种信号分子都没有产生，那就意味着植物没有问题。"这两个传感器结合在一起，可以准确地告诉用户植物正在承受什么样的压力。"Strano 教授说："在植物内部，你可以实时看到化学变化的起伏，每一种变化都是不同胁迫的指纹。我们正在将这项技术应用到诊断中，它能比任何其他传感器更快地为农民提供实时信息，足以让他们进行干预。"有关这项研究的论文最近发表在《自然通讯》杂志上。 ... PC版： 手机版：

科学家利用CRISPR改变甘蔗叶片角度 使其变成超级作物

科学家利用CRISPR改变甘蔗叶片角度 使其变成超级作物 甘蔗是全球生物质产量最高的作物，占全球糖产量的 80% 和生物燃料产量的 40%。其巨大的体积和对水和光的最佳利用，使其成为生产创新型可再生生物产品和生物燃料的理想来源。然而，甘蔗作为Saccharum officinarum和Saccharum spontaneum 的杂交种，其基因组是所有作物中最复杂的。这种复杂性意味着通过传统育种方法改良甘蔗具有挑战性。正因为如此，研究人员转而使用基因编辑工具，如 CRISPR/Cas9 系统，来精确地针对甘蔗基因组进行改良。埃莉诺-布兰特（Eleanor Brant）收集叶片样本，用于基因编辑甘蔗的分子分析。图片来源：Charles Keato佛罗里达大学先进生物能源和生物产品创新中心（CABBI）的一个研究小组在《植物生物技术期刊》上发表的新论文中，利用这种遗传复杂性的优势，使用 CRISPR/Cas9 系统对甘蔗的叶片角度进行了微调。这些基因调整使甘蔗能够捕捉到更多的阳光，从而增加了生物质的产量。这项工作支持能源部资助的 CABBI 生物能源研究中心的"植物即工厂"方法及其原料生产研究的主要目标直接在甘蔗等植物的茎中合成生物燃料、生物产品和高价值分子。甘蔗基因组的复杂性部分归因于其高度冗余性：它的每个基因都有多个拷贝。因此，甘蔗植株表现出的表型通常取决于某个基因多个拷贝的累积表达。CRISPR/Cas9 系统非常适合完成这项任务，因为它可以一次性编辑一个基因的几个或多个拷贝。Baskaran Kannan 在田间评估基因编辑甘蔗。图片来源：Uzair Khan这项研究的重点是LIGULELESS1（即LG1），该基因在决定甘蔗叶片角度方面发挥着重要作用。叶片角度反过来又决定了植物能捕获多少光，而这对生物量的生产至关重要。由于甘蔗的高度冗余基因组包含 40 个LG1 基因拷贝，研究人员能够通过编辑不同数量的LG1基因拷贝对叶片角度进行微调，从而根据编辑LG1基因拷贝的数量产生略微不同的叶片角度。"在一些经过LG1编辑的甘蔗中，我们只是突变了几个拷贝，"研究小组负责人、佛罗里达大学农学教授 Fredy Altpeter 说。"通过这样做，我们能够调整叶片结构，直到找到能提高生物量产量的最佳角度"。实地试验结果及对未来的影响当研究人员在田间试验中种植甘蔗时，他们发现直立的叶片表型可以让更多的光线穿透冠层，从而提高了生物量产量。其中一个甘蔗品系的LG1拷贝数约为12%，叶片倾斜角度减少了56%，干生物量产量却增加了18%。通过优化甘蔗以捕捉更多光照，这些基因编辑可以提高生物量产量，而无需在田间添加更多肥料。除此之外，加深对复杂遗传学和基因组编辑的理解，有助于研究人员改进作物改良方法。Altpeter说："这是第一篇描述CRISPR编辑甘蔗田间试验的同行评审出版物。这项工作也为编辑多倍体作物基因组提供了独特的机会，研究人员可以对特定性状进行微调。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

物理学家发明测量单个原子三维位置的巧妙新方法

物理学家发明测量单个原子三维位置的巧妙新方法 新方法可通过单个图像确定原子的所有三个空间坐标。这种由波恩大学和布里斯托尔大学开发的方法是基于一种巧妙的物理原理。这项研究最近发表在专业期刊《物理评论 A》上。测量第三维度的挑战在生物课上用显微镜观察过植物细胞的人可能都能回忆起类似的情形。很容易看出，某个叶绿体位于细胞核的上方和右侧。但它们是否位于同一平面上呢？然而，一旦调整显微镜的焦距，就会发现细胞核的图像变得更加清晰，而叶绿体的图像却变得模糊不清。其中一个一定比另一个高一点，一个比另一个低一点。不过，这种方法无法精确显示它们的垂直位置。实际情况就是这样：各种"哑铃"的旋转方向不同，表明原子位于不同的平面上。图片来源：IAP/波恩大学如果要观察单个原子而不是细胞，原理也非常相似。所谓的量子气体显微镜可用于此目的。它可以直接确定原子的 x 坐标和 y 坐标。然而，要测量其 Z 坐标（即到物镜的距离）则要困难得多：为了确定原子位于哪个平面上，必须拍摄多幅图像，并在不同平面上移动焦点。这是一个复杂而耗时的过程。把圆点变成哑铃波恩大学应用物理研究所（IAP）的 Tangi Legrand 解释说："我们现在已经开发出一种方法，可以一步完成这一过程。为了实现这一目标，我们使用了一种早在上世纪 90 年代就已在理论上被人们所熟知，但尚未在量子气体显微镜中使用过的效应"。要对原子进行实验，首先必须将其大幅冷却，使其几乎不动。然后，可以将它们困在激光的驻波中。然后，它们就会滑入波谷中，就像鸡蛋坐在鸡蛋盒里一样。一旦被困住，为了显示它们的位置，就将它们暴露在另一束激光下，这束激光会刺激它们发光。由此产生的荧光在量子气体显微镜下显示为一个略微模糊的圆形斑点。量子气体显微镜产生的原子图像通常是一个圆形、略微模糊的斑点。研究人员将其扭曲成哑铃状（图片显示的是理论预测）。哑铃指向的方向表示 z 坐标。图片来源：IAP/波恩大学安德烈亚-阿尔贝蒂博士解释说："我们现在已经开发出一种特殊的方法，可以使原子发出的光的波面变形。变形的波面在照相机上产生了一个围绕自身旋转的哑铃形状，而不是典型的圆形斑点。这个哑铃指向的方向取决于光线从原子到照相机的距离"。这位研究员目前已从 IAP 转到位于加兴的马克斯-普朗克量子光学研究所，他也参与了这项研究。"因此，哑铃的作用有点像罗盘上的指针，让我们可以根据它的方向读出z坐标，"迪特尔-梅斯赫德（Dieter Meschede）博士说。波恩大学跨学科研究领域"物质"的成员之一。对量子力学实验非常重要通过这种新方法，只需一张图像就能精确测定原子在三维空间中的位置。例如，如果你想用原子进行量子力学实验，这一点就非常重要，因为通常必须能够精确控制或跟踪原子的位置。这样，研究人员就可以使原子以所需的方式相互影响。此外，这种方法还可用于帮助开发具有特殊特性的新型量子材料。布里斯托尔大学的 Carrie Weidner 博士解释说："例如，我们可以研究原子按一定顺序排列时会产生哪些量子力学效应。"这将使我们能够在一定程度上模拟三维材料的特性，而无需合成它们"。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家正利用土壤微生物的DNA帮助提高气候模型的准确性

科学家正利用土壤微生物的DNA帮助提高气候模型的准确性 微生物模型利用广泛的基因组数据为土壤碳模拟提供动力。图片来源：Victor O. Leshyk 插图这个新模型使科学家们能够更好地了解某些土壤微生物如何有效地储存植物根系提供的碳，并为农业战略提供信息，以保护土壤中的碳，支持植物生长和减缓气候变化。"我们的研究证明了直接从土壤中收集微生物遗传信息的优势。在此之前，我们只掌握了实验室研究的少数微生物的信息，"论文第一作者、伯克利实验室博士后研究员吉安娜-马施曼（Gianna Marschmann）说。"有了基因组信息，我们就能建立更好的模型，预测各种植物类型、作物甚至特定栽培品种如何与土壤微生物合作，更好地捕集碳。同时，这种合作还能增强土壤健康"。最近发表在《自然-微生物学》杂志上的一篇新论文介绍了这项研究。论文的通讯作者是伯克利实验室的 Eoin Brodie 和劳伦斯利弗莫尔国家实验室的 Jennifer Pett-Ridge，后者领导着"微生物持久存在"土壤微生物组科学重点领域项目，该项目由能源部科学办公室资助，以支持这项工作。看见看不见的东西 - 微生物对土壤健康和碳的影响土壤微生物帮助植物获取土壤养分，抵抗干旱、疾病和虫害。它们对碳循环的影响在气候模型中的体现尤为重要，因为它们会影响土壤中储存的碳量或在分解过程中以二氧化碳形式释放到大气中的碳量。通过利用这些碳构建自己的身体，微生物可以将碳稳定（或储存）在土壤中，并影响碳在地下的储存量和储存时间。这些功能与农业和气候的相关性正受到前所未有的关注。然而，仅一克土壤中就含有多达100 亿个微生物和数千个不同物种，绝大多数微生物从未在实验室中被研究过。直到最近，科学家们才从实验室研究的极少数微生物中获得数据，为这些模型提供依据，其中许多微生物与需要在气候模型中体现的微生物无关。Brodie解释说："这就好比根据只生长在热带森林中的植物所提供的信息，为沙漠建立生态系统模型。"为了应对这一挑战，科学家团队直接利用基因组信息建立了一个模型，该模型能够适应任何需要研究的生态系统，从加利福尼亚的草原到北极解冻的永久冻土。该模型利用基因组深入了解土壤微生物的功能，研究小组将这种方法用于研究加利福尼亚牧场中植物与微生物组之间的相互作用。牧场在加州具有重要的经济和生态意义，占陆地面积的 40% 以上。研究重点是生活在植物根部周围的微生物（称为根圈）。这是一个重要的研究环境，因为尽管根区只占地球土壤体积的 1-2%，但据估计，根区储存了地球土壤中 30-40% 的碳，其中大部分碳是由根系在生长过程中释放出来的。为了建立这个模型，科学家们利用加州大学霍普兰研究与推广中心提供的数据，模拟了微生物在根部环境中的生长情况。不过，这种方法并不局限于特定的生态系统。由于某些遗传信息与特定的性状相对应，就像人类一样，基因组（模型所基于的）与微生物性状之间的关系可以转移到世界各地的微生物和生态系统中。研究小组开发了一种新方法来预测微生物的重要性状，这些性状会影响微生物利用植物根系提供的碳和养分的速度。研究人员利用该模型证明，随着植物的生长和碳的释放，由于根系化学和微生物性状之间的相互作用，会出现不同的微生物生长策略。特别是，他们发现，生长速度较慢的微生物在植物生长后期会受到碳释放类型的青睐，而且它们在利用碳方面的效率出奇地高这使它们能够在土壤中储存更多的这种关键元素。这一新的观测结果为改进模型中根系与微生物之间的相互作用提供了依据，并提高了预测微生物如何影响气候模型中全球碳循环变化的能力。"这些新发现对农业和土壤健康具有重要意义。通过我们正在建立的模型，我们越来越有可能利用对碳如何在土壤中循环的新认识。这反过来又为我们提供了可能性，使我们能够提出保护土壤中宝贵的碳的策略，从而在可行的范围内支持生物多样性和植物生长，以衡量其影响，"马施曼说。这项研究强调了利用基于遗传信息的建模方法来预测微生物性状的威力，有助于揭示土壤微生物组及其对环境的影响。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：