分子育种革新未来农业：SCIEX代谢组学助力育种新篇章-医疗器械网

分子育种革新未来农业：SCIEX代谢组学助力育种新篇章

来源：SCIEX 分类：招商 2024-05-31 18:00:09 209阅读次数

背景

“一粒种子可以改变一个世界，一项技术能够创造一个奇迹“。作物育种技术是保障国家粮食安全的核心，2024年中央一号文件中提出需要推动生物育种产业化扩面提速。近年来，以全基因组选择、基因编辑、合成生物及人工智能等技术融合发展为标志的新一轮生物技术革命，正深刻改变着全球农产品研发和生产格局，世界育种迈入“4.0时代”。

分子育种是什么？

分子育种，是通过运用现代生物学技术，在分子层面上进行精准操作，改变植物和动物的遗传信息，从而赋予它们新的、且更优良的性状。而代谢组学、蛋白组学、转录组学、基因组学等各类组学技术与遗传学、生物信息学的结合，将能大幅提高育种效率，从而实现精准育种。其中，代谢组学分析通过对代谢物的全面检测，放大了基因和蛋白表达的微小变化，帮助研究人员识别与特定优良性状相关的代谢物，为育种决策提供准确的指导和有力的支持。

开发了一系列的针对小麦、水稻、桃、拟南芥、玉米、番茄和油菜籽等作物和模式植物的代谢组学和脂质组学的解决方案；以及植物激素、类胡萝卜素等功能性成分的精准定量方案；助力作物生理生化变化过程及调控机理研究，指导制定精准的分子育种策略。

应用领域一：液相色谱串联质谱法进行高覆盖靶向代谢组和脂质组分析

方案优势：

灵敏度高-MRM模式满足低含量成分的分析检测
检测通量高-正负模式快速切换，可完成上千个MRM通道分析

代谢组学旨在研究生物体或组织甚至单个细胞中的糖类、脂类、氨基酸、核苷酸等全部小分子代谢物成分及其动态变化。其中，靶向代谢组学是针对特定代谢物进行研究分析，具有特异性强、灵敏度高和定量准确等特点。

小麦和水稻作物主要粮食作物，也是遗传育种的研究热点之一。提供了小麦苗中184种代谢物和219种脂质化合物，以及水稻中220种代谢物的靶向分析方案，此类方法专属性好、灵敏度高、稳定性好，能够对不同品种的小麦和水稻进行区分（图1）^[1][2]。

图1. 不同品种小麦和水稻的主成分分析图

应用领域二：高分辨液质联用系统进行非靶向代谢组和脂质组分析

方案优势：

采集效率高- 结合DBS技术的IDA模式采集，一针进样同时获得一级、二级质谱信息
解决方案完整-包括前处理、检测方法、数据解析的完整分析流程

玉米作为重要粮食和经济作物，在保障粮食安全方面具有重要战略地位。对普通黄金玉米和甜玉米中的小分子代谢物进行了非靶代谢组学分析，共鉴定出330个代谢物，包含氨基酸、核苷、糖类、酚酸类和糖苷类物质等^[3]。

通过主成分分析（PCA）发现两个玉米品种间代谢物有明显差别，以p值<0.05，Fold change>2或<0.5，及VIP>1共筛选出组间差异代谢物148个，表明两个品种玉米代谢存在明显差异 (图2)。

图2. 不同玉米品种代谢组学分析结果

除了关注代谢物外，通过非靶向脂质组学方法，两种玉米在正、负模式下分别鉴定到270和198个不重复的脂质成分，以p值<0.05，Fold change>2或<0.5，及VIP>1筛选出组间的差异脂质成分共298个，差异脂质类别以甘油磷酯，甘油酯，甘油糖酯，脂肪酸等为主^[4]。普通黄金玉米和甜玉米中鉴定的代谢物及脂质成分信息为农学领域的客户开展非靶向脂质组学和高覆盖靶向代谢组学研究提供参考，便于快速筛选差异物。

除了玉米，还提供了其它模式植物和经济作物的代谢组和脂质组学分析方案^[5][6]。

应用领域三：高分辨液质联用系统进行拟靶向代谢组学分析方案

方案优势：

结合非靶向定性优势和靶向的定量优势，采集信息全面，灵敏度高，高通量且稳定

广靶代谢组学结合了非靶和靶向代谢组学的优势，具有覆盖度高、灵敏度高、定性定量准确等优势。

应用高分辨质谱进行非靶向数据采集和鉴定，再根据保留时间和碎片离子将所发现代谢物转化为分窗口多反应监测（Scheduled MRM）方法，从而进行高灵敏度和高通量检测（图3）。

图3. 广靶代谢组学实验流程

拟南芥和番茄由于植株小、结实多、生命周期短、基因组简单、遗传操作简便，作为生物学模式作物，是进行遗传学研究的常用材料。

提供了拟南芥和番茄的广靶代谢组分析方案，分别在拟南芥和番茄中鉴定到了538和330种代谢物，为作物品质改良和植物代谢生物学研究提供了知识基础和资源^[7][8]。

应用领域四：EAD技术有效区分脂质异构，助力叶绿体细胞器间脂质转运机制研究

方案优势：

高效-EAD 可获得脂质精细结构，区分异构体，无需衍生化等繁琐操作
高水平结构信息-EAD仅需改变自由电子能即可获得重复性好、准确度高的二级碎片信息

脂质参与植物细胞膜形成、能量储存和信号传递和生长调控等生理过程中有重要作用。而脂质的类型，以及脂肪酸链的具体位置、碳碳双键的数量和位置都与脂质的功能息息相关。EAD碎裂生产的二级质谱图能够提供丰富的碎片信息，实现包括脂肪酸位置、双键位置、双键顺反等脂质精细结构的完整注释（图4）^[9]。

上海交通大学农业与生物学院薛红卫课题组与苏州大学医学院吴嘉炜课题组合作在PNAS发表了研究论文，通过高分辨质谱7600的EAD技术判断植物中 MGDG（甘油糖脂）sn1 和 sn2 脂肪酸的类型，对同分异构体进行区分，并通过特征碎片的信息完成脂质定量，为细胞器间脂质转运提供了模型，也为质体内共生进化理论提供了脂质信号交流的分子证据^[10]。

图4. EAD模式下脂质分子精细结构的注释示意图

应用领域五：液相色谱串联质谱法定量植物激素、类胡萝卜素分析方案

方案优势：

灵敏度高-低定量下限满足植物激素及类胡萝卜素低含量分析要求
抗基质干扰-离子源设计显著降低污染和干扰

植物激素作为内源性代谢物，是植物生长发育过程中的信号传导因子，在植物适应环境和应对非生物及生物胁迫中起重要作用。然而，植物基质成分复杂，可能存在大量其它物质干扰植物激素的检测。

基于液质联用系统，有研究者建立了植物内源激素的定量方法，例如水稻中54种植物激素，包括细胞分裂素、生长素、水杨酸、茉莉酸、脱落酸及赤霉素的检测，方法灵敏度高，定量下限0.005-10 ng/mL，可满足复杂植物基质中低含量植物激素的检测需求^[11][12]。

类胡萝卜素是植物光合作用和脂质过氧化的关键物质，其含量对果实的颜色和外观有影响。由于植物中类胡萝卜素含量低，且其离子化效率较低，建立准确定量类胡萝卜素的检测方法仍具挑战。

四川大学生命科学学院张阳课题组在New Phytologist发表研究论文，该研究报道到了一个新的调控番茄类胡萝卜素类合成的转录因子SIWRKY35，并基于液质联用系统对类胡萝卜素进行定量，研究结果成功地应用于叶黄素合成生物学研究，为以番茄为基础的其它天然产物的代谢工程应用研究提供了理论基础^[13]。

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参考文献

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[1] 液相色谱串联质谱法对小麦苗中183种代谢物进行靶标代谢组学分析，RUO-MKT-02-13585。

[2] 液相色谱串联质谱法对水稻中220种代谢物进行靶标代谢组学分析，RUO-MKT-02-13586。

[3] 利用 ZenoTOF? 7600质谱建立玉米中小分子代谢物的分析方法，RUO-MKT-02-15366-ZH-A。

[4] 利用 ZenoTOF? 7600质谱建立玉米脂质成分的分析方法，RUO-MKT-02-15351-ZH-A。

[5] X500R QTOF系统结合MS-DIAL软件鉴定桃子中的脂质成分，RUO-MKT-02-15689-ZH-A。

[6] 基于高分辨质谱X500R QTOF系统油菜籽的代谢组和脂质组学分析，RUO-MKT-02-15719-ZH-A。

[7] 基于ZenoTOF? 7600系统的高质量二级质谱数据建立拟南芥广靶代谢组学检测方法，RUO-MKT-02-14255-ZH-A。

[8] 基于高分辨质谱X500R QTOF系统番茄广靶代谢组学分析，RUO-MKT-02-15354-ZH-A。

[9] 应用电子活化解离技术在一次实验中完成脂质结构表征，RUO-MKT-02-13050-ZH-B。

[10] Yao, H., Lu, Y., Xue, H. et al. Arabidopsis Sec14 proteins (SFH5 and SFH7) mediate interorganelle transport of phosphatidic acid and regulate chloroplast development. PNAS 120, 6 (2023).

[11] Pan, X., Welti, R. & Wang, X. Quantitative analysis of major plant hormones in crude plant extracts by high-performance liquid chromatography–mass spectrometry. Nat Protoc 5, 986–992 (2010).

[12] Xin, P., Guo, Q., Li, B. et al. A Tailored High-Efficiency Sample Pretreatment

Method for Simultaneous Quantification of 10 Classes of Known Endogenous Phytohormones. Plant Communications 1, 10004712 (2020).

[13] Yuan, Y., Ren, S., Zhang, Y. et al. SlWRKY35 positively regulates carotenoid biosynthesis by activating the MEP pathway in tomato fruit. New Phytol 234, (2022).