在“2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要”聚焦生物育種的政策東風(fēng)下，育種技術(shù)正朝著高精度、高通量、多組學(xué)融合的方向加速升級。安捷倫整合代謝組學(xué)、元素分析、細(xì)胞成像、核酸分析等核心技術(shù)，打造覆蓋生物育種核心流程的多組學(xué)解決方案。

圖 1. 安捷倫多組學(xué)綜合解決方案

元素分析/元素組學(xué)是生物育種的核心技術(shù)之一，用于解析礦質(zhì)元素累積規(guī)律、揭示逆境下元素轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制、依托元素指紋保障品種真實(shí)性，為育種研究提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。

核心儀器：ICP-OES、ICP-MS、ICP-MS/MS

核心技術(shù)：元素高通量、高靈敏度分析；元素形態(tài)分析；元素空間分布和單細(xì)胞分析

核心優(yōu)勢：全場景適配的元素分析方案矩陣；精準(zhǔn)匹配高通量及高靈敏度分析場景；技術(shù)延伸性強(qiáng)—色譜聯(lián)用/元素空間分布/單細(xì)胞分析

代謝組學(xué)關(guān)鍵應(yīng)用場景與案例

圖 2. 元素分析在生物育種中的應(yīng)用場景

一、輔助基因挖掘與遺傳改良

礦質(zhì)元素的累積的遺傳規(guī)律，是作物營養(yǎng)強(qiáng)化、抗逆育種的關(guān)鍵。通過元素表型與 GWAS（全基因組關(guān)聯(lián)分析）結(jié)合，可快速定位調(diào)控元素累積的基因位點(diǎn)，加速育種進(jìn)程。

在一項(xiàng)水稻秈粳亞種元素累積差異的遺傳解析的研究中^[1]，研究團(tuán)隊(duì)用 ICP-MS/MS 搭配 ICP-OES，精準(zhǔn)測定 575 份水稻籽粒中 11 種微量礦物質(zhì)（As、Cd、Cr、Cu、Fe 等）的含量，結(jié)合 GWAS 分析，鑒定出 96 個與元素累積相關(guān)的顯著關(guān)聯(lián)位點(diǎn)，定位到 6 個已知功能候選基因（如調(diào)控 Zn 累積的 OsZIP 家族基因）。該研究揭示了水稻秈粳亞種元素差異的遺傳基礎(chǔ)，為通過分子標(biāo)記輔助育種改良水稻礦質(zhì)營養(yǎng)品質(zhì)提供了精準(zhǔn)靶點(diǎn)。

圖 3. （左圖）不同亞種多種元素含量的箱線圖；（右圖）元素間 Pearson 相關(guān)系數(shù)矩陣^[1]

在另一項(xiàng)挖掘小麥鋅、鐵等礦物質(zhì)的遺傳基礎(chǔ)研究中^[2]，通過 ICP-MS/MS 測定 330 份小麥材料（籽粒和穗軸）中 Zn、Fe、Cu、Mn、P 5 種礦物質(zhì)的含量，發(fā)現(xiàn)不同小麥材料的元素含量存在顯著遺傳變異。結(jié)合 GWAS 檢測到大量顯著標(biāo)記-性狀關(guān)聯(lián)位點(diǎn)，鑒定出生物強(qiáng)化育種的核心標(biāo)記，為培育高鋅、高鐵小麥品種提供了遺傳依據(jù)和篩選工具。

圖 4. 成熟小麥籽粒中 5 種營養(yǎng)素含量及千粒重的頻率分布圖 ^[2]

二、培育營養(yǎng)強(qiáng)化作物品種

通過元素分析精準(zhǔn)調(diào)控作物的礦質(zhì)營養(yǎng)含量，培育富硒、富鋅等營養(yǎng)強(qiáng)化品種，是解決膳食營養(yǎng)缺乏的重要途徑。

硒、碘缺乏是全 球公共衛(wèi)生問題，培育雙強(qiáng)化作物是有效解決方案。在一項(xiàng)分析硒碘雙強(qiáng)化蘿卜幼苗元素形態(tài)與生物可及性的研究中^[3]，通過營養(yǎng)液添加硒、碘，培育硒碘雙強(qiáng)化蘿卜幼苗，用 ICP-MS/MS 測定總含量，結(jié)合 HPLC-ICP-MS 分析形態(tài)（有機(jī)/無機(jī)），發(fā)現(xiàn)蘿卜幼苗能將無機(jī)硒、碘轉(zhuǎn)化為有機(jī)形態(tài)（如硒代半胱氨酸、碘代酪氨酸），且經(jīng)模擬消化后生物可及性高。該研究證實(shí)蘿卜幼苗可作為硒碘缺乏地區(qū)的膳食補(bǔ)充來源，為雙營養(yǎng)強(qiáng)化蔬菜育種供了成功范例。

圖 5. 蛋白酶水解后蘿卜幼苗的 HPLC-ICP-MS 色譜圖 ^[3]

三、抗逆性鑒定與適應(yīng)性篩選

逆境（如重金屬污染、鹽脅迫）下，作物的元素吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)能力直接影響抗逆性。安捷倫元素分析方案能精準(zhǔn)解析作物抗逆機(jī)制，助力篩選抗逆品種。

鎘污染土壤種植的水稻易積累鎘，危害人體健康。在一項(xiàng)水稻抗鎘育種的研究中^[4]，通過將耐鎘水稻品種 Pokkali 的 OsNramp5 基因（錳/鎘轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因）導(dǎo)入優(yōu)良品種 Koshihikari，利用 ICP-MS/MS 測定水稻根、莖、籽粒及木質(zhì)部汁液中 Cd、Mn 含量，發(fā)現(xiàn)改良后水稻籽粒 Cd 含量顯著降低（降幅達(dá)70%），且不影響 Mn 吸收和產(chǎn)量、食味品質(zhì)；利用 LA-ICP-MS 可視化 Cd 在根系的分布，證實(shí) OsNramp5 基因重復(fù)能增強(qiáng)根系對 Cd 的截留能力。該研究為水稻抗鎘育種提供了關(guān)鍵基因和驗(yàn)證方法，助力污染區(qū)安全水稻生產(chǎn)。

圖 6. 水稻根中 Cd/Mn 分布的 LA-ICP-MS 成像 ^[4]

四、產(chǎn)品產(chǎn)地溯源和真實(shí)性鑒定

不同產(chǎn)地的土壤、氣候條件導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品的礦質(zhì)元素“指紋圖譜”存在差異。安捷倫元素分析方案能精準(zhǔn)捕捉這種差異，為農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源、真?zhèn)舞b別提供客觀依據(jù)。

在一項(xiàng)針對黑龍江水稻產(chǎn)地的多年份元素指紋驗(yàn)證的研究中^[5]，團(tuán)隊(duì)基于多年份、大樣本量，用 ICP-MS/MS 測定黑龍江建三江、五常、查哈陽三大產(chǎn)區(qū)水稻中 33 種礦物元素的含量，發(fā)現(xiàn)不同產(chǎn)區(qū)水稻的礦物元素指紋存在顯著差異。基于多年數(shù)據(jù)建立的產(chǎn)地判別模型準(zhǔn)確率高于單一年份模型（達(dá) 94%），為水稻產(chǎn)地溯源的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；瘧?yīng)用提供了數(shù)據(jù)支持和方法參考。

圖 7. 2020 vs 2018-2020 年水稻樣本判別函數(shù)得分圖 ^[5]

五、單細(xì)胞 SC-ICP-MS 方案

在生物育種的前沿研究中，單細(xì)胞水平的元素分析能揭示細(xì)胞間的元素含量差異，為精準(zhǔn)育種提供更精細(xì)的數(shù)據(jù)。有望用于篩選元素累積能力均一的作物細(xì)胞系，或解析逆境下單個細(xì)胞的元素響應(yīng)差異，為細(xì)胞工程育種提供單細(xì)胞層面的量化依據(jù)。安捷倫將高靈敏度、低背景和較短的駐留時間（0.1 ms）相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了快速時間分辨（TRA）模式，可有效應(yīng)用在 SC-ICP-MS 多元素分析。

在安捷倫與客戶合作的一項(xiàng)應(yīng)用案例中^[6]，利用 SC-ICP-MS 開發(fā)了一種準(zhǔn)確的定量方法，成功測定酵母、綠藻、血紅細(xì)胞中 Mg、P、Fe、Zn 等元素含量，結(jié)果與傳統(tǒng)方法一致，且能額外獲取細(xì)胞個體間的元素差異信息。

圖 8. 酵母、綠藻和紅細(xì)胞的單細(xì)胞和整體細(xì)胞中元素含量以及使用 SC-ICP-MS 測得的紅細(xì)胞中 Fe 的質(zhì)量（紅框中）^[6]

結(jié)語

在生物育種向精準(zhǔn)化、高通量、多維度升級的進(jìn)程中，安捷倫元素分析方案以全場景適配能力，成為解鎖育種核心需求的關(guān)鍵支撐。從 ICP-OES 的高通量篩查、ICP-MS/MS 的高靈敏精準(zhǔn)定量，到 LA-ICP-MS 的空間分布可視化與 SC-ICP-MS 的單細(xì)胞解析，技術(shù)矩陣全面覆蓋基因挖掘、營養(yǎng)強(qiáng)化、抗逆篩選、產(chǎn)地溯源等核心場景。未來，安捷倫將持續(xù)深化元素分析與多組學(xué)技術(shù)的融合創(chuàng)新，以更先進(jìn)的儀器平臺、更完善的解決方案，助力科研人員攻克育種關(guān)鍵難題。

參考文獻(xiàn)

[1] https://doi.org/10.1007/s00122-019-03485-z

[2] https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2019.110338

[3] https://doi.org/10.1016/j.foodres.2018.10.049

[4] https://doi.org/10.1038/s43016-022-00569-w

[5] https://doi.org/10.1016/j.jfca.2022.104803

[6] 5994-4460ZHCN

標(biāo)簽：安捷倫