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分子育種革新未來農(nóng)業(yè)：SCIEX代謝組學(xué)助力育種新篇章
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背景
“一粒種子可以改變一個世界，一項技術(shù)能夠創(chuàng)造一個奇跡“。作物育種技術(shù)是保障國家糧食安全的核心，2024年中央一號文件中提出需要推動生物育種產(chǎn)業(yè)化擴面提速。近年來，以全基因組選擇、基因編輯、合成生物及人工智能等技術(shù)融合發(fā)展為標(biāo)志的新一輪生物技術(shù)革命，正深刻改變著全球農(nóng)產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)格局，世界育種邁入“4.0時代”。
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分子育種是什么？
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分子育種，是通過運用現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)，在分子層面上進行精準(zhǔn)操作，改變植物和動物的遺傳信息，從而賦予它們新的、且更優(yōu)良的性狀。而代謝組學(xué)、蛋白組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、基因組學(xué)等各類組學(xué)技術(shù)與遺傳學(xué)、生物信息學(xué)的結(jié)合，將能大幅提高育種效率，從而實現(xiàn)精準(zhǔn)育種。其中，代謝組學(xué)分析通過對代謝物的全面檢測，放大了基因和蛋白表達的微小變化，幫助研究人員識別與特定優(yōu)良性狀相關(guān)的代謝物，為育種決策提供準(zhǔn)確的指導(dǎo)和有力的支持。
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SCIEX開發(fā)了一系列的針對小麥、水稻、桃、擬南芥、玉米、番茄和油菜籽等作物和模式植物的代謝組學(xué)和脂質(zhì)組學(xué)的解決方案；以及植物激素、類胡蘿卜素等功能性成分的精準(zhǔn)定量方案；助力作物生理生化變化過程及調(diào)控機理研究，指導(dǎo)制定精準(zhǔn)的分子育種策略。
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應(yīng)用領(lǐng)域一：SCIEX液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法進行高覆蓋靶向代謝組和脂質(zhì)組分析
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方案優(yōu)勢：
·?靈敏度高-MRM模式滿足低含量成分的分析檢測
·?檢測通量高-正負(fù)模式快速切換，可完成上千個MRM通道分析
代謝組學(xué)旨在研究生物體或組織甚至單個細(xì)胞中的糖類、脂類、氨基酸、核苷酸等全部小分子代謝物成分及其動態(tài)變化。其中，靶向代謝組學(xué)是針對特定代謝物進行研究分析，具有特異性強、靈敏度高和定量準(zhǔn)確等特點。
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小麥和水稻作物主要糧食作物，也是遺傳育種的研究熱點之一。SCIEX提供了小麥苗中184種代謝物和219種脂質(zhì)化合物，以及水稻中220種代謝物的靶向分析方案，此類方法專屬性好、靈敏度高、穩(wěn)定性好，能夠?qū)Σ煌贩N的小麥和水稻進行區(qū)分（圖1）[1][2]。
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圖1. 不同品種小麥和水稻的主成分分析圖
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應(yīng)用領(lǐng)域二：SCIEX高分辨液質(zhì)聯(lián)用系統(tǒng)進行非靶向代謝組和脂質(zhì)組分析
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方案優(yōu)勢：
·?采集效率高-?結(jié)合DBS技術(shù)的IDA模式采集，一針進樣同時獲得一級、二級質(zhì)譜信息
·解決方案完整-包括前處理、檢測方法、數(shù)據(jù)解析的完整分析流程
玉米作為重要糧食和經(jīng)濟作物，在保障糧食安全方面具有重要戰(zhàn)略地位。SCIEX對普通黃金玉米和甜玉米中的小分子代謝物進行了非靶代謝組學(xué)分析，共鑒定出330個代謝物，包含氨基酸、核苷、糖類、酚酸類和糖苷類物質(zhì)等[3]。
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通過主成分分析（PCA）發(fā)現(xiàn)兩個玉米品種間代謝物有明顯差別，以p值<0.05，Fold change>2或<0.5，及VIP>1共篩選出組間差異代謝物148個，表明兩個品種玉米代謝存在明顯差異 (圖2)。
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圖2. 不同玉米品種代謝組學(xué)分析結(jié)果
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除了關(guān)注代謝物外，通過非靶向脂質(zhì)組學(xué)方法，兩種玉米在正、負(fù)模式下分別鑒定到270和198個不重復(fù)的脂質(zhì)成分，以p值<0.05，Fold change>2或<0.5，及VIP>1篩選出組間的差異脂質(zhì)成分共298個，差異脂質(zhì)類別以甘油磷酯，甘油酯，甘油糖酯，脂肪酸等為主[4]。普通黃金玉米和甜玉米中鑒定的代謝物及脂質(zhì)成分信息為農(nóng)學(xué)領(lǐng)域的客戶開展非靶向脂質(zhì)組學(xué)和高覆蓋靶向代謝組學(xué)研究提供參考，便于快速篩選差異物。
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除了玉米，SCIEX還提供了其它模式植物和經(jīng)濟作物的代謝組和脂質(zhì)組學(xué)分析方案[5][6]。
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應(yīng)用領(lǐng)域三：SCIEX高分辨液質(zhì)聯(lián)用系統(tǒng)進行擬靶向代謝組學(xué)分析方案
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方案優(yōu)勢：
結(jié)合非靶向定性優(yōu)勢和靶向的定量優(yōu)勢，采集信息全面，靈敏度高，高通量且穩(wěn)定
廣靶代謝組學(xué)結(jié)合了非靶和靶向代謝組學(xué)的優(yōu)勢，具有覆蓋度高、靈敏度高、定性定量準(zhǔn)確等優(yōu)勢。
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SCIEX應(yīng)用高分辨質(zhì)譜進行非靶向數(shù)據(jù)采集和鑒定，再根據(jù)保留時間和碎片離子將所發(fā)現(xiàn)代謝物轉(zhuǎn)化為分窗口多反應(yīng)監(jiān)測（Scheduled MRM）方法，從而進行高靈敏度和高通量檢測（圖3）。
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圖3. 廣靶代謝組學(xué)實驗流程
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擬南芥和番茄由于植株小、結(jié)實多、生命周期短、基因組簡單、遺傳操作簡便，作為生物學(xué)模式作物，是進行遺傳學(xué)研究的常用材料。
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SCIEX提供了擬南芥和番茄的廣靶代謝組分析方案，分別在擬南芥和番茄中鑒定到了538和330種代謝物，為作物品質(zhì)改良和植物代謝生物學(xué)研究提供了知識基礎(chǔ)和資源[7][8]。
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應(yīng)用領(lǐng)域四：EAD技術(shù)有效區(qū)分脂質(zhì)異構(gòu)，助力葉綠體細(xì)胞器間脂質(zhì)轉(zhuǎn)運機制研究
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方案優(yōu)勢：
·?高效-EAD 可獲得脂質(zhì)精細(xì)結(jié)構(gòu)，區(qū)分異構(gòu)體，無需衍生化等繁瑣操作
·?高水平結(jié)構(gòu)信息-EAD僅需改變自由電子能即可獲得重復(fù)性好、準(zhǔn)確度高的二級碎片信息
脂質(zhì)參與植物細(xì)胞膜形成、能量儲存和信號傳遞和生長調(diào)控等生理過程中有重要作用。而脂質(zhì)的類型，以及脂肪酸鏈的具體位置、碳碳雙鍵的數(shù)量和位置都與脂質(zhì)的功能息息相關(guān)。EAD碎裂生產(chǎn)的二級質(zhì)譜圖能夠提供豐富的碎片信息，實現(xiàn)包括脂肪酸位置、雙鍵位置、雙鍵順反等脂質(zhì)精細(xì)結(jié)構(gòu)的完整注釋（圖4）[9]。
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上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院薛紅衛(wèi)課題組與蘇州大學(xué)醫(yī)學(xué)院吳嘉煒課題組合作在PNAS發(fā)表了研究論文，通過高分辨質(zhì)譜7600的EAD技術(shù)判斷植物中 MGDG（甘油糖脂）sn1 和 sn2 脂肪酸的類型，對同分異構(gòu)體進行區(qū)分，并通過特征碎片的信息完成脂質(zhì)定量，為細(xì)胞器間脂質(zhì)轉(zhuǎn)運提供了模型，也為質(zhì)體內(nèi)共生進化理論提供了脂質(zhì)信號交流的分子證據(jù)[10]。
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圖4. EAD模式下脂質(zhì)分子精細(xì)結(jié)構(gòu)的注釋示意圖
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應(yīng)用領(lǐng)域五：SCIEX液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法定量植物激素、類胡蘿卜素分析方案
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方案優(yōu)勢：
·?靈敏度高-低定量下限滿足植物激素及類胡蘿卜素低含量分析要求
·?抗基質(zhì)干擾-離子源設(shè)計顯著降低污染和干擾
植物激素作為內(nèi)源性代謝物，是植物生長發(fā)育過程中的信號傳導(dǎo)因子，在植物適應(yīng)環(huán)境和應(yīng)對非生物及生物脅迫中起重要作用。然而，植物基質(zhì)成分復(fù)雜，可能存在大量其它物質(zhì)干擾植物激素的檢測。
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基于SCIEX液質(zhì)聯(lián)用系統(tǒng)，有研究者建立了植物內(nèi)源激素的定量方法，例如水稻中54種植物激素，包括細(xì)胞分裂素、生長素、水楊酸、茉莉酸、脫落酸及赤霉素的檢測，方法靈敏度高，定量下限0.005-10 ng/mL，可滿足復(fù)雜植物基質(zhì)中低含量植物激素的檢測需求[11][12]。
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類胡蘿卜素是植物光合作用和脂質(zhì)過氧化的關(guān)鍵物質(zhì)，其含量對果實的顏色和外觀有影響。由于植物中類胡蘿卜素含量低，且其離子化效率較低，建立準(zhǔn)確定量類胡蘿卜素的檢測方法仍具挑戰(zhàn)。
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四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院張陽課題組在New Phytologist發(fā)表研究論文，該研究報道到了一個新的調(diào)控番茄類胡蘿卜素類合成的轉(zhuǎn)錄因子SIWRKY35，并基于SCIEX液質(zhì)聯(lián)用系統(tǒng)對類胡蘿卜素進行定量，研究結(jié)果成功地應(yīng)用于葉黃素合成生物學(xué)研究，為以番茄為基礎(chǔ)的其它天然產(chǎn)物的代謝工程應(yīng)用研究提供了理論基礎(chǔ)[13]。
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?參考文獻?
[1] SCIEX 液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法對小麥苗中183種代謝物進行靶標(biāo)代謝組學(xué)分析，RUO-MKT-02-13585。
[2] SCIEX 液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法對水稻中220種代謝物進行靶標(biāo)代謝組學(xué)分析，RUO-MKT-02-13586。
[3] 利用SCIEX ZenoTOF? 7600質(zhì)譜建立玉米中小分子代謝物的分析方法，RUO-MKT-02-15366-ZH-A。
[4] 利用SCIEX ZenoTOF? 7600質(zhì)譜建立玉米脂質(zhì)成分的分析方法，RUO-MKT-02-15351-ZH-A。
[5] SCIEX X500R QTOF系統(tǒng)結(jié)合MS-DIAL軟件鑒定桃子中的脂質(zhì)成分，RUO-MKT-02-15689-ZH-A。
[6] 基于高分辨質(zhì)譜X500R QTOF系統(tǒng)油菜籽的代謝組和脂質(zhì)組學(xué)分析，RUO-MKT-02-15719-ZH-A。
[7] 基于ZenoTOF? 7600系統(tǒng)的高質(zhì)量二級質(zhì)譜數(shù)據(jù)建立擬南芥廣靶代謝組學(xué)檢測方法，RUO-MKT-02-14255-ZH-A。
[8] 基于高分辨質(zhì)譜X500R QTOF系統(tǒng)番茄廣靶代謝組學(xué)分析，RUO-MKT-02-15354-ZH-A。
[9] 應(yīng)用電子活化解離技術(shù)在一次實驗中完成脂質(zhì)結(jié)構(gòu)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).
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