从进化角度来看理解微生物甲基化汞的基本限制因素

《Water Research》：Understanding fundamental constraints of microbial mercury methylation through the evolutionary perspective

• 最后一个普遍的共同祖先可能具备汞甲基化的能力。• 微生物的汞甲基化可能起源于地球化学反应。• 汞甲基化可能有助于汞甲基化微生物与其周围环境互动并适应环境。

引言
甲基汞（MeHg）是一种高神经毒性的污染物，它会在食物网中积累（Clarkson和Magos 2006）。它广泛存在于自然和人工水生系统中，对人类健康构成重大威胁（Regnell和Watras 2019, Xia等人2024）。评估环境中的甲基汞污染风险对于制定有效的管理和监管策略以保护人类健康至关重要（Eckley等人2020）。由于微生物的汞甲基化是水生环境中产生甲基汞的主要过程（Ma等人2019），因此识别甲基汞污染的风险在很大程度上取决于理解调控微生物汞甲基化的关键因素（Luo等人2023）。然而，目前的努力表明，由于环境变量之间的复杂相互作用，控制微生物汞甲基化的因素极为复杂，缺乏普遍性原则，这使得很难预测不同环境中的甲基汞生成情况（Bravo和Cosio 2020, Hsu-Kim等人2013, Peng等人2024）。
为了获得微生物汞甲基化的普遍性原则，关注在各种谱系和环境中共识的过程特征是有用的。一种有前景的方法是研究微生物汞甲基化的进化基础，因为其他微生物过程的研究表明，这样的分析可以揭示继续支配这一过程的基本限制。例如，关于甲烷生成出现的研究表明，现代甲烷生成菌主要存在于低氧化还原电位的环境中，依赖于简单的碳底物，并且受到硫酸盐和铁还原等更具能量优势的反应路线的竞争限制（Liu和Whitman 2008, Sousa和Martin 2014）。类似地，关于砷甲基化的研究表明，它是在砷毒性和微生物竞争的背景下进化而来的（Chen和Rosen 2020, Thomas 2021），这表明它在砷含量高的环境和/或生态竞争激烈的环境中普遍存在（Zhao等人2015, Qiao等人2024）。
在最基本的层面上，要使现代微生物能够进行汞甲基化，必须满足三个进化前提：这一生物过程的起源、其催化机制的建立以及这种能力的保留。这一过程的进化起源限制了能够支持汞甲基化的微生物谱系和代谢系统；了解其催化机制是如何建立的有助于确定汞甲基转移可以发生的环境条件；而其进化保留可能反映了选择优势，这有助于解释汞甲基化在各种生态场景中的分布。综合考虑这些前提可以提供关于现代汞甲基化过程的基本系统发育、代谢和环境因素的见解。
因此，我们综合了目前关于微生物汞甲基化的知识，探讨了这一过程何时出现、如何建立以及为何能够持续。然后，我们讨论了这些见解如何有助于我们理解现代微生物汞甲基化的限制。随后，我们概述了研究微生物系统中汞甲基化的出现、建立和功能背景的实验方法。通过整合生物化学、地球化学、微生物学和进化的见解，我们旨在提供一个新的视角来理解控制微生物汞甲基化的基本因素，从而提高我们预测不同环境中甲基汞生成和污染风险的能力。
我们通过检查这一过程的前提是否在当时已经存在，来推断微生物汞甲基化在进化过程中首次出现的时间。微生物汞甲基化是一种酶催化的反应（Choi等人1994a, Date等人2019），需要Hg(II)、甲基转移酶、甲基供体以及适当的环境条件（Gao等人2024）。在这些要求中，Hg(II)在整个地球历史上都是可获得的，因为汞可以通过火山活动释放（Geyman等人2023）。编码微生物汞甲基化中甲基转移酶的hgcAB基因对被认为存在于LUCA的基因组中（Lin等人2023），但其存在并不能保证微生物一定能够进行汞甲基化，因为一些携带hgcAB的微生物无法甲基化汞（Gilmour等人2018）。目前在进化过程中是否存在适合的甲基供体和环境条件尚未得到讨论。由于LUCA可能拥有hgcAB并且是所有现存生命的共同祖先，评估它是否具备汞甲基化所需的条件为理解这一过程是否在生命早期就已建立提供了一个关键的参考点，进而有助于了解当前微生物和环境中的汞甲基化分布。因此，我们考察了（i）LUCA的代谢网络中是否存在适合汞甲基化的甲基供体（图1）以及（ii）当时的环境条件是否能够支持微生物汞甲基化。
我们对现代汞甲基化微生物的甲基供体进行分析，结果表明LUCA很可能具备微生物汞甲基化所需的甲基供体。现有证据支持古菌和细菌是LUCA的后代，而真核生物起源于古菌和细菌的共生（Gabaldón 2021, Vosseberg等人2024, Wollweber等人2025）。重要的是，汞甲基化的能力仅限于古菌和细菌，没有发现真核生物能够甲基化汞（Podar等人2015）（图1）。在细菌中，汞甲基化的甲基供体包括甲基四氢叶酸（CH3-THF）和S-腺苷甲硫氨酸（SAM）（紫色细胞，图1）。CH3-THF作为甲基供体的证据包括Desulfovibrio desulfuricans LS中[3-14C]丝氨酸到[14C]MeHg的14C标记保留率为95%（Choi等人1994b），以及在这种微生物的裂解物中从14CH3-THF和Hg(II)形成[14C]MeHg（Choi等人1994a）。SAM作为甲基供体的证据包括Pseudodesulfovibrio mercurii ND132的裂解物中Hg(II)和SAM形成MeHg和S-腺苷同型半胱氨酸（SAH），而Hg(II)不能被CH3-THF和许多其他含甲基化合物甲基化（Zheng等人2024）。在产甲烷的古菌中，甲基供体被认为是甲基四氢甲基蝶呤（CH3-H4MPT），这是基于对几种汞甲基化甲烷生成菌的蛋白质组分析、底物限制研究和13C标记研究得出的（Gao等人2024）（绿色细胞，图1）。
CH3-THF和CH3-H4MPT的生物合成途径代表了Wood-Ljungdahl途径中合成甲基的两个独立分支（Adam等人2019），这是LUCA中唯一存在的CO2固定途径（Weiss等人2016）。重建的LUCA基因组包含Wood-Ljungdahl途径两个分支的不完整基因，但包含羰基分支和乙酰辅酶A合成的完整基因集（Moody等人2024, Weiss等人2016）。在细菌和古菌原始分化之后，CH3-THF和CH3-H4MPT分支独立进化之前（Sousa和Martin 2014），LUCA可能从地球化学反应生成的CH3-R获得了合成甲基汞所需的甲基（蓝色细胞，图1a），尽管甲基载体的结构尚未确定。这一可能性得到了CH3-THF和CH3-H4MPT都被鉴定为Hg(II)甲基化的甲基供体的支持（Choi等人1994a, Choi等人1994b, Gao等人2024），以及汞甲基化过程中的甲基转移与乙酰辅酶A合成之间的机制相似性的支持。具体来说，HgcA中的类卟啉结合域在汞甲基化过程中介导甲基转移，其结构与参与乙酰辅酶A合成的类卟啉铁硫蛋白（CFeSP）相似（Cooper等人2020, Parks等人2013）。关于另一种甲基供体SAM，有研究表明这种化合物存在于LUCA中，并可能从CH3-R合成（Moody等人2024, Weiss等人2016）。因此，所有目前已知的微生物汞甲基化的甲基供体都起源于LUCA。
普遍认为LUCA生活在厌氧热液环境中（Moody等人2024, Weiss等人2016）。现代热液系统因此提供了评估汞甲基化是否适应这些环境条件的类似物。宏基因组研究表明，生活在热液环境中的微生物具有进行汞甲基化的潜力（Gionfriddo等人2020, Podar等人2015, McDaniel等人2020, Liu等人2023）。直接培养实验进一步证明，汞甲基化可以在温泉系统中发生（Xue等人2025）。此外，从热液喷口分离出的Desulfacinum hydrothermale在60°C的厌氧培养条件下被证实具有汞甲基化能力（Malcolm等人2010）。这些发现表明，在类似于LUCA的环境条件下，支持微生物进行汞甲基化。综合来看，Hg(II)在环境中的可用性、推断出的适合甲基供体和甲基转移酶在LUCA中的存在，加上汞甲基化与类似环境条件的兼容性，支持了所有微生物汞甲基化所需的前提可能都存在于LUCA中的假设。
了解微生物汞甲基化催化机制的建立可能揭示这一过程的基本条件。早期代谢进化的模型提出，像LUCA这样的原始生命中的几乎所有酶催化的生化反应都起源于金属/矿物催化的地球化学反应的版本（Muchowska等人2020, Sousa和Martin 2014）。如果微生物汞甲基化遵循类似的进化路径，其催化机制可能保留了从先前存在的地球化学反应中继承的化学特征，而支持这种化学作用的物理化学条件可能构成了现代汞甲基化的基本环境限制。评估这种可能性需要两条不同的证据：汞甲基化是否可以在热液系统中发生地球化学方式；以及这种化学作用是否与LUCA的代谢相关。
地球化学中的汞甲基化需要两个基本化学步骤：形成含甲基的化合物及其甲基转移到Hg(II)上。蛇纹石化热液系统可以从H?和CO?生成甲基化合物（Holm和Charlou 2001; Russell等人2010; Preiner等人2020）。热液矿物还可以促进甲基中间体向更复杂化合物的转化和碳-碳耦合，如矿物催化的丙酮酸合成所示（Preiner等人2020）。在过渡金属存在的情况下，无机汞甲基化可以从Hg(II)和有机甲基供体中生成，表明甲基转移到Hg(II)和Hg-碳键的形成可以在没有生物催化的情况下发生（Celo等人2006）。综合来看，地球化学甲基组的形成和转移以及无机Hg-碳键的形成表明，热液系统可能支持无机汞甲基化的产生。
环境样本为这一假设的地球化学反应提供了进一步线索。在Sea Cliff热液场，未稀释的喷口流体中甲基汞是主要的溶解汞物种（>80%），而在开阔海域水中，甲基汞通常仅占溶解汞的不到10%（Lamborg等人2006）。这一异常高的甲基汞比例，加上缺乏沉积物覆盖，使他们提出热液系统中的无机甲基化是最可能的解释。在黄石热水中也检测到了甲基汞，其中认为微生物和无机甲基化都对其形成有贡献（Holloway等人2023）。这些观察结果共同表明，热液系统是地球化学汞甲基化可能发生的自然环境。
地球化学反应作为微生物汞甲基化前体的一个基本要求是，甲基转移过程在没有依赖ATP的细胞过程的耦合情况下在能量上是可行的。在提供适当底物的冻融细胞裂解物中，微生物汞甲基化可以在不添加ATP的情况下进行（Choi等人1994a; Zheng等人2024）。计算研究进一步表明，从类卟啉甲基供体到Hg(II)的甲基转移在热力学上是可行的（Demissie等人2016; Zhou等人2014）。这些发现与从地球化学到微生物汞甲基化转变所需的热力学可行性一致。这种热力学差异还暗示了两种汞甲基化途径的不同进化轨迹：依赖于Wood-Ljungdahl途径的汞甲基化与已有地球化学甲基转移化学的起源相兼容，而依赖于SAM的汞甲基化可能只在生物能量代谢建立之后才出现，因为SAM的生物合成需要ATP（Gross等人1983）。
地球化学反应与早期代谢之间的机制相似性进一步支持了这种转变的合理性。早期Wood-Ljungdahl途径进化的模型提出，在从热液化学向LUCA相关代谢的转变过程中，地球化学提供的甲基基团（CH3-R）被纳入了祖先的乙酰硫酯合成（Sousa和Martin 2014; Martin 2020）。在伍德-伦达尔（Wood–Ljungdahl）途径中，甲基转移是由一种类珊瑚素-铁-硫（corrinoid-Fe-S）系统介导的：类珊瑚素铁-硫蛋白（CFeSP）将其甲基携带在其类珊瑚素辅因子上，而其[4Fe–4S]中心参与类珊瑚素的还原激活（Ragsdale和Pierce 2008）。HgcAB展现出功能上类似的组织结构：HgcA含有与CFeSP同源的类珊瑚素结合域，而HgcB则是一个由两个[4Fe–4S]簇组成的铁氧还蛋白（ferredoxin），被认为能提供还原激活HgcA结合的类珊瑚素所需的电子（Parks等2013；Cooper等2020）。这种共同的催化逻辑，加上上述的甲烷化合物和非生物Hg-碳键的形成，表明地球化学中的Hg甲基化反应可能促进了微生物Hg甲基化的出现。理解Hg甲基化在微生物系统中的长期保留机制将有助于揭示有利于或触发Hg甲基化的条件。然而，由于甲基汞（MeHg）没有已知的生物功能，其对于微生物的生物学意义长期以来一直是个谜（Lin等2023）。另一方面，微生物Hg甲基化的关键基因（hgcAB）经历了广泛的水平基因转移，并在多种微生物谱系中得以保留（Podar等2015，McDaniel等2020，Zhang等2023）。hgcAB基因对的长期保存以及催化关键残基的保守性（Parks等2013）表明，Hg甲基化能力可能具有依赖环境的选择性优势，因为无益的横向获得基因通常会被淘汰（Pál等2005；Hao和Golding 2006；Sorek等2007；Power等2021）。因此，我们基于这一过程的特点和当前的知识讨论了Hg甲基化的潜在作用。

微生物Hg甲基化的一个有趣特征是，即使在甲基化Hg的微生物中，相同浓度下的甲基汞毒性也要高于无机汞（Baldi等1993，Gilmour等2011）。这一特征非常特殊，因为大多数金属或类金属的甲基化过程通常会降低其毒性（Bentley和Chasteen 2002，Chen和Rosen 2020）。从另一个角度看，Hg物种毒性的增加不仅会毒害甲基化Hg的微生物本身，还会对其潜在的竞争者造成危害。最近的研究表明，生命之源（LUCA）可能拥有早期的免疫系统，并生活在原始生态系统中（Moody等2024），这表明甲基汞分子可能被用作有毒武器（用于攻击）和/或有毒盾牌（用于防御）。Lin等2023还基于hgcAB和mer基因的进化分析提出，甲基汞可能是作为一种抗菌化合物产生的。在现代甲基化Hg的微生物中，已经发现甲基汞会迅速被排出细胞外（Graham等2012，Lin等2015，Schaefer等2011）。尽管排出可以保护细胞免受新形成的甲基汞的影响，但这并不支持Hg甲基化作为一种解毒机制，因为甲基汞的产生并不会赋予微生物对汞的抗性（Gilmour等2011）。此外，在KEGG途径中，抗生素生物合成是Hg甲基化期间最显著的功能之一（Gao等2024）。由于抗生素生物合成与微生物竞争密切相关（Abrudan等2015；Maan等2022），这进一步支持了甲基汞可能作为Hg甲基化微生物的有毒武器或盾牌的假设。然而，这一假设面临一个关键挑战，即Hg甲基化能力是构成性的而非诱导性的（Gilmour等2011）。矛盾的是，即使在非竞争系统（如纯培养）中，微生物仍会合成甲基汞这种抗生素化合物，这表明Hg甲基化能力可能具有其他重要的作用。

微生物Hg甲基化的第二个特点是其祖先的直接甲基供体是伍德-伦达尔途径中的一个核心代谢物，而该途径是原始生命中唯一的二氧化碳固定途径（图1，图2）。因此，甲基汞的生物合成可能反映了伍德-伦达尔途径的流量，其活性需要与更广泛的细胞生物合成过程协调。对现代甲基化Hg的微生物的研究表明，Hg暴露和甲基化伴随着广泛的基因表达响应，包括化能自养能量代谢、糖酵解、TCA循环、甲烷生成和氨基酸生物合成（Gao等2024，Qian等2016）。这些发现与Hg甲基化与细胞生物合成广泛调节相关的假设一致。这种潜在功能也可能解释了hgcAB基因的构成性表达（Gilmour等2011）。

祖先微生物Hg甲基化的第三个特点是其整个过程的放能性质。二氧化碳还原为甲基以及甲基转移过程的吉布斯自由能都低于零（Choi等1994a，Maden 2000，Zheng等2024）。在现代甲基化Hg的微生物中，尽管HgcAB介导的甲基转移本身并不直接与ATP合成耦合，但甲基合成会消耗还原当量并再生氧化电子载体。通过充当电子 sink，这一过程可能维持与离子梯度形成相关的代谢电子流，从而间接支持ATP合成（Bertsch等2015；Thauer等2008）。因此，与伍德-伦达尔途径相关的Hg甲基化过程可能与能量保存有关。由于Hg甲基化仅需要伍德-伦达尔途径的甲基分支（图1），当汞的可用性高但羰基分支的完成受到限制时，这种关联可能特别重要。

综合来看，微生物Hg甲基化的生物学意义可能体现在多种潜在的、共存的作用中。甲基汞可能在种间竞争中作为有毒武器或盾牌；Hg甲基化过程可能与细胞生物合成的广泛调节和/或能量保存有关。这些潜在作用为微生物Hg甲基化的长期保留提供了合理的解释，并表明这一过程可能是微生物与其周围环境互动和适应的一种策略。我们的分析表明，生命之源（LUCA）可能具备微生物Hg甲基化的所有先决条件，这一过程可能起源于非生物地球化学反应，并且可能是Hg甲基化微生物与环境相互作用的重要方式。这些发现为当今微生物Hg甲基化的基本限制提供了重要见解（图2），并有助于解释一些未解决的实验观察结果。推断Hg甲基化的所有先决条件可能早已存在于生命之源中，这表明这一过程可能早于几乎所有现代微生物谱系的多样化。这有助于解释Hg甲基化能力在细菌和古菌中的广泛分布，包括传统的Hg甲基化微生物以及最近发现的群体如阿斯加德古菌（Podar等2015；Cooper等2020；McDaniel等2020；Zhang等2023）。这种系统发育上的广泛性表明，与特定微生物谱系的关联可能不是Hg甲基化能力出现的严格界限，这种能力可能在许多未探索的厌氧环境中更为普遍，如地下水、石油储层和动物肠道中。然而，遗传基础的存在并不一定意味着Hg甲基化活动的均匀性。基于培养的研究报告了硫酸盐还原菌之间的差异高达三个数量级，而携带hgcAB的甲烷生成菌的甲基化效率从无法检测到与硫酸盐还原菌和铁还原菌相当（King等2000，Gilmour等2013，Gilmour等2018）。因此，实际的Hg甲基化潜力可能更多地受到菌株特定生理和代谢条件的限制。

证据表明，祖先微生物的Hg甲基化可能起源于已存在的地球化学反应。这一观点得到了经典（硫酸盐还原菌、铁还原菌、甲烷生成菌）和新发现的潜在Hg甲基化微生物（酸杆菌门、绿 flexota、硝化螺旋体门、深古菌门、热古菌门、阿斯加德古菌等）都具有伍德-伦达尔途径的甲基分支的支持（Chen等2023，Gao等2024，Huang等2019，McGonigle等2020，Parks等2013，Ruiz-Blas等2024，Valentin-Alvarado等2024，Zhou等2019）。因此，在通过伍德-伦达尔途径提供甲基供体的菌株中，控制该途径甲基分支活性的因素（如极低的氧化还原电位、过渡金属（铁、钴、镍）以及氢或电子通量（Ragsdale和Pierce 2008）也可能是微生物Hg甲基化的基本控制因素（图2）。其中一些依赖因素，如氧化还原电位（Ma等2019）、钴（Ekstrom和Morel 2008）和电子通量（Qian等2016，Zhang等2024）已被确定为控制微生物Hg甲基化的重要因素。此外，提高生物可利用Hg(II)的浓度可以增强反应速率，这与Hg生物可利用性在控制微生物Hg甲基化中的已知作用一致（Hsu-Kim等2013；Date等2019）。提出的微生物Hg甲基化在环境互动和适应中的作用表明，这一特征的实际活性和选择价值不仅取决于Hg甲基化微生物本身，还取决于周围的生态环境。与此假设一致的是，研究发现共生相互作用可以使Hg甲基化速率比单培养提高1.7-9.0倍（Yu等2018），而非Hg甲基化微生物比Hg甲基化微生物更能预测甲基汞的产生（Liu等2019）。

在本节中，我们讨论了研究Hg甲基化出现、建立和功能的实验方法，并提出了未来研究的可行方向。评估Hg甲基化是否存在于生命之源的一种方法是在生命树的最深处进行研究，那里有乙酸生成菌和甲烷生成菌（Martin等2016，Moody等2024）。虽然我们在理解甲烷生成菌中Hg甲基化机制方面取得了进展（Gao等2024），但这一过程的生化细节和系统发育历史仍然不清楚。在乙酸生成菌中，已鉴定出关键的Hg甲基化基因hgcAB的存在（Podar等2015），并且其中一些物种已被确认为Hg甲基化微生物（Gilmour等2013）。然而，甲烷生成菌中Hg甲基化的途径、分布和进化仍知之甚少。除了对甲烷生成菌和乙酸生成菌的进一步研究外，系统发育分析也有助于这一问题的研究。最近的基因组解析系统发育分析表明，hgc基因主要通过垂直遗传演变，伴随着大量的基因丢失和水平基因转移。然而，稳健地根植单基因树具有挑战性，古代单个基因的进化历史仍难以确定（Lin等2023）。扩大分类学样本的范围可以改进hgcA和hgcB同源物之间深层进化关系的分辨率。跨不同基因树拓扑结构和根植方式的基因树/物种树对比可以进一步评估涉及古代垂直遗传、谱系特异性基因丢失和水平基因转移的进化情景。在深层进化节点重建祖先序列，然后对重建的hgcAB蛋白进行功能表征，可以补充这些系统发育分析，以检查推断出的古代祖先是否具有Hg甲基化活性。

为了研究生物和非生物Hg甲基化之间的联系，研究非生物Hg甲基化的机制将是有益的，特别是在类似于厌氧热液环境中伍德-伦达尔途径的矿物催化系统中。研究可以重点关注含铁和镍矿物是否支持Hg甲基化所需的两个基本步骤：从H2和CO2形成含甲基化合物及其甲基团向Hg(II)的转移。稳定同位素追踪可以确定CO2衍生的碳是否被纳入甲基汞中，而对甲基中间体和甲基汞的时间分辨分析可以帮助确定甲基团形成和转移的顺序和耦合。此外，还需要进一步研究微生物Hg甲基化的生化细节，以更全面地阐明这一途径的催化原理、辅因子相互作用和电子转移过程。将这些生化特征与非生物Hg甲基化的特征进行比较，将有助于澄清两种过程之间的机制关系，并检验从地球化学到微生物Hg甲基化的转变。

理解Hg甲基化的生物学意义需要在分子、代谢和群落水平上进行研究。使用野生型和ΔhgcAB突变株的遗传易处理型Hg甲基化微生物进行实验将为测试其提出的功能提供共同框架。为了验证“化学武器与防御机制”假说，可以在存在或不存在Hg(II)的情况下，通过成对竞争或与非甲基化菌共同培养的方式来评估这些菌株。通过连续转移竞争实验，并结合群落组成分析，可以帮助辨别MeHg生成的变化是反映了短期生理可塑性、群落更替，还是Hg甲基化谱系内的适应性变化，从而验证Hg甲基化是否为Hg甲基化菌提供了竞争优势。考虑到Hg甲基化在细胞生物合成调控中的潜在作用，可以通过比较不同营养条件和Hg暴露下同质菌株的转录组学、蛋白质组学和代谢组学分析，来确定hgcAB基因的缺失是否一致性地改变了细胞的生物合成和代谢过程。为了探究Hg甲基化与能量保存之间的可能关联，可以在能量受限条件下比较野生型和ΔhgcAB菌株在有或没有Hg(II)的情况下的表现。通过检测生长产量、细胞能量状态和氧化还原平衡，可以确定Hg甲基化是否提供了额外的能量保存机制。

### CRediT作者贡献声明
J. G.和L. H.设计了本文的总体框架。J. G.和L. H.撰写了全文。L. H.提供了资金支持。B. H.、J. S.、Y. Y.和G. J.审阅了论文，并通过富有建设性的讨论协助进行了数据分析。

### 竞争利益声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的利益冲突。

### 数据可用性
本文没有生成新的数据。

### 文章部分摘录
**CRediT作者贡献声明**
- Jun Gao：撰写 - 审稿与编辑；撰写 - 原稿创作；概念构思。
- Bin He：撰写 - 审稿与编辑。
- Jianbo Shi：撰写 - 审稿与编辑。
- Yongguang Yin：撰写 - 审稿与编辑。
- Ligang Hu：撰写 - 审稿与编辑；撰写 - 原稿创作；资金获取；概念构思。
- Guibin Jiang：撰写 - 审稿与编辑。

### 竞争利益声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。

### 致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（22193052）、国家重点研发计划（2022YFC3701302）、中国科学院战略性先导科技专项（XDB0750200）以及中央引导地方科技发展基金项目（2025ZY01044）的支持。此外，还使用了大型语言模型（ChatGPT）来优化语言表达并生成图2中的一些内容。

**作者名单：**
Jun Gao | Bin He | Jianbo Shi | Yongguang Yin | Ligang Hu | Guibin Jiang