【育种创新加速器】安捷伦代谢组学方案解锁育种核心场景

2026-02-03 15:29:00, 安捷伦科技安捷伦科技（中国）有限公司

在“2035 年远景目标纲要”聚焦生物育种的政策东风下，育种技术正朝着高精度、高通量、多组学融合的方向加速升级。安捷伦整合代谢组学、元素分析、细胞成像、核酸分析等核心技术，打造覆盖生物育种核心流程的多组学解决方案。

图 1. 安捷伦多组学综合解决方案

代谢组学作为多组学融合的关键纽带，已渗透育种全链条，从基因-代谢-表型关联到品种鉴定，发挥不可替代的作用。

安捷伦核心仪器：液质联用系统、气质联用系统、PIDESI 质谱成像系统

安捷伦核心技术：靶向/非靶向/拟靶向代谢组学、脂质组学、代谢流分析、AI 辅助未知物解析、空间代谢组学

安捷伦核心优势：全流程代谢组学解决方案，整合液质和气质联用系统，分析不同极性和结构的代谢物；基于深度学习算法的质谱注释工具 SIRIUS，可以有效对未知物进行结构分析；PIDESI 质谱成像实现极性/非极性化合物同步可视化，信号强度提升两个量级以上

代谢组学关键应用场景与案例

图 2. 代谢组学在生物育种中的应用场景

一、代谢与表型关联——找到性状差异的“代谢根源”

通过代谢组学对比不同表型作物的代谢差异，能直接锁定影响性状的关键物质，为品质改良、抗逆育种提供明确方向。

如在一项针对小麦耐低温的代谢标记物筛选研究中^[1]，对比耐低温与冷敏感品种，明确了两类特征标记物，即渗透调节物质（敏感品种特有）和高不饱和脂质（耐低温品种特有），这些标记可作为耐低温 / 抗冻性表型标记。文章中采用液质（分析氨基酸、脂质组、植物激素等）和气质（糖、有机酸等）来实现代谢组靶向分析。

图 3. 冷胁迫下小麦旗叶初级代谢物 Log₂ 变化热图^[1]

在另一项对早期小麦籽粒产量研究中^[2]，多组织多时间点代谢分析发现，小麦早期籽粒代谢谱由受精后天数主导，且旗叶和颖壳代谢功能存在差异。另外，夜间高温导致蔗糖、脯氨酸含量下降，最终降低籽粒重量，为抗高温小麦育种提供代谢干预方向。其中，相关代谢物由气质检测来实现代谢组非靶向分析。

图 4. 小麦 4 种组织代谢组的主成分分析图^[2]

二、基因与代谢/表型关联——锁定调控性状的“关键基因”

将代谢组数据与基因组数据关联（如 mGWAS/mQTL），能精准定位调控关键代谢物的基因位点，为分子标记育种提供“精准靶点”。

在一项鉴定影响苹果营养品质的代谢物数量性状位点（mQTL）研究中^[3]，通过对 124 个苹果基因型进行 mGWAS 分析，鉴定出 200+ 个 mQTL，其中 17 号染色体上的 mQTL 可显著调控绿原酸含量，结合转录组验证该基因直接影响苹果营养品质。其中液质主导代谢物检测与 mQTL 鉴定，为基于代谢物的苹果改良育种提供策略。

图 5. 绿原酸的 mGWAS 曼哈顿图（LC-MS 正负离子模式）^[3]

另一项揭示水稻香味的遗传调控位点研究中^[4]，通过对 204 份水稻群体籽粒进行挥发组学分析、香味评分和分子对接等技术手段，发现 2-乙酰基-1-吡咯啉（2-AP）和脂肪酸衍生的挥发性代谢物对稻米香味的贡献极显著，其中挥发组学检测使用了气质技术。同一团队在 24 年建立了新一代广泛靶向植物挥发组学方法^[5]，也使用安捷伦气质平台进行分析。

图 6. 水稻香气关键贡献者的鉴定^[4]

三、遗传改造品种表征——给“定制作物”做精准“体检”

通过转基因、基因编辑、过表达等技术改造的品种，需要确保其代谢层面已经达到育种目标，为品种落地提供可靠数据支撑。为解决菊花受棉蚜侵害的问题，一项研究将除虫菊中合成除虫菊酯的关键酶基因（TcCHS）导入菊花并过表达^[6]。通过 GC-QTOF 检测到挥发性代谢物“菊花醇”，该物质可有效驱避蚜虫；利用 LC-QTOF 结合 NMR 技术，鉴定出非挥发性成分“菊花醇糖苷”，能抑制蚜虫取食。双重代谢物调控构建了高效抗蚜系统，安捷伦双平台检测为基因功能验证与代谢机制解析提供了关键数据。

图 7. （左图）菊花挥发性代谢物的 GC-MS 分析；（右图）菊花非挥发性代谢物的 LC-MS 分^[6]

四、品种鉴别与评价——用代谢指纹“锁定”优良品种

品种的品质差异、产地溯源、真伪鉴别，都藏在代谢物的“指纹图谱”中。代谢组学技术能精准捕捉品种间的代谢差异，为品种评价与质量控制提供客观标准。在一项不同产地黑茶风味差异的研究中^[7]，通过 HS-SPME（顶空固相微萃取）结合气质检测技术，分析 5 种不同产地黑茶的挥发性成分，筛选出 18 种关键香气化合物（如苯乙醇、香叶醇），这些化合物可作为产地分类的潜在指标。通过化学计量学分析建立了黑茶产地判别模型，为黑茶产地溯源、品质评价及造假检测提供了数据支持和技术方法。

图 8. 不同产地黑茶挥发物的分类与含量分析^[7]

五、空间代谢组学——让代谢物在组织中 “可视化”

空间代谢组学是整合质谱成像和代谢组学 (Metabolomics) 技术，对动/植物组织中代谢物的种类、含量和空间分布进行精准测定的技术。安捷伦与维科托联合开发的 PIDESI-QTOF 质谱成像平台即可开展空间代谢组学研究。一项对植物叶片代谢物空间分布的研究中得知^[8]，与传统 DESI 技术相比，PIDESI 成功检测到 80 余种额外代谢物，包括萜类（如鼠尾草中的迷迭香酸）、黄酮类（银杏叶中的槲皮素苷）、脂质（茶叶中的磷脂酰胆碱）。在负离子模式下，多数代谢物信号强度提升 1 个数量级，例如茶叶中茶多酚在叶肉细胞的分布浓度，通过成像可清晰区分叶脉与叶肉的含量差异。

图 9. PIDESI 检测鼠尾草、银杏、茶叶的叶片代谢物 ^[7]

结语

在生物育种迈向精准化、高通量、多组学融合的浪潮中，安捷伦代谢组学方案以全链条技术覆盖，成为育种创新的核心引擎。依托液质、气质联用系统的协同优势，结合 AI 辅助未知物解析与 PIDESI 空间代谢组学可视化技术，方案实现了不同极性代谢物的全面捕获与精准分析。未来，安捷伦将持续深耕多组学整合创新，以更高效、智能的解决方案，助力科研人员加速优良品种培育，为生物育种产业高质量发展注入强劲动力。

参考文献

[1] https://doi.org/10.1007/s11306-019-1606-2

[2] https://doi.org/10.1186/s12870-024-05190-6

[3] https://doi.org/10.1111/nph.17693

[4] https://doi.org/10.1016/j.molp.2024.11.002

[5] https://doi.org/10.1016/j.molp.2024.04.012

[6] https://doi.org/10.1111/pbi.12885

[7] https://doi.org/10.1016/j.foodres.2024.114928

[8] https://doi.org/10.1021/acs.analchem.2c03329

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