星赛生物 FlowRACS 助力中国农业科学院资划所实现泛菌属的物种及菌株级快速精准鉴定

2026-03-19 14:00:05, 小赛青岛星赛生物科技有限公司

Anal Chem

近日，中国农业科学院农业资源与农业区划研究所联合星赛生物、中国农业科学院、中国科学院青岛生物能源与过程研究所等单位，利用星赛生物的高通量拉曼流式细胞分选仪（FlowRACS），将拉曼流式分选技术与深度残差网络算法相结合，构建了泛菌属专属参考拉曼组数据库与高精度分类模型，首次实现了分类学疑难类群泛菌属的物种及菌株级快速精准鉴定，破解了传统方法分辨率低、通量有限、依赖纯培养的技术瓶颈。

这一技术体系为环境与农业微生物的原位快速识别、功能菌株筛选提供了全新技术方案，也为复杂微生物群落的表型解析奠定了方法学基础。相关研究发表于Analytical Chemistry《分析化学》。

在微生物世界中，精准的物种鉴定是解锁其生态功能与应用价值的关键。然而传统方法要么依赖耗时耗力的纯培养技术，要么受限于分辨率不足的基因测序，难以满足科研与应用中的高效需求。

微生物鉴定之掣肘：泛菌属的分类难题

泛菌属（Pantoea spp.）是一类分布广泛、功能多样的微生物，既能促进植物生长、抑制病原菌，又能参与重金属螯合等生态过程，在农业、环境等领域具有重要应用潜力。但它同时也是分类学上的 “难题”：

表型可塑性强，不同环境下表型差异显著、功能表现多样，传统表型检测方法难以实现精准区分；
传统纯培养鉴定方法不仅培养周期长（需数天），还受限于自然环境中 < 1% 的可培养微生物比例，无法覆盖多数泛菌属菌株；
现有分子与质谱技术同样存在短板：物种间遗传相似度极高（ANI 值常超过 95%），传统 16S rRNA 测序难以区分相似度 > 98.7% 的物种；MALDI-TOF MS 因参考库不完善，对泛菌属的误判率高达 24%。

这些瓶颈导致泛菌属物种和菌株级的快速鉴定受限，严重阻碍了其资源开发与应用。

流式拉曼 + 深度学习的“双剑合璧”

针对这一挑战，研究团队开发了 “正介电电泳激活的拉曼分选（pDEP-RACS）+ ResNet 深度学习” 整合平台，而星赛生物 FlowRACS 高通量流式拉曼分选仪作为核心技术载体，为整个研究提供了关键支撑：

FlowRACS：打破拉曼检测的“通量-分辨率”悖论

传统拉曼技术要么通量低（如共聚焦拉曼显微镜），要么缺乏单细胞分辨率（如光纤探针拉曼），而 FlowRACS 通过三大核心优势实现突破：

超高通量捕获：可高效捕获流速 3.7 mm/s 的高速流动细胞，将捕获时间延长至 200 ms，实现 > 600 细胞 / 分钟的检测速度，每小时可获取 > 7200 个单细胞拉曼光谱（SCRS）。
高保真光谱获取：配备 532 nm 激光与高灵敏度 EMCCD，覆盖 400-1800 cm⁻¹ 的关键指纹区，通过石英微流控芯片减少背景干扰，确保光谱数据的可靠性。
灵活适配多种样本：支持细菌液体培养、固体菌落、营养饥饿菌株等多种样本类型的直接检测，无需复杂预处理，尤其适用于难培养微生物的分析。

从光谱库构建到精准分类

研究团队以 12 个泛菌属物种（22 株菌株）及 2 个近缘物种为研究对象，借助 FlowRACS 构建了包含 18 万个 SCRS 的参考拉曼组数据库，再通过 ResNet-18 深度学习模型进行分类建模：

样本预处理：通过标准化培养与饥饿处理，减少生理状态差异对光谱的干扰，其中饥饿处理样本的批间重现性最高（87.9%）。
光谱预处理：经异常过滤、宇宙射线去除、基线校正等步骤，进一步提升数据质量。
模型优化：当 SCRS 检测深度 > 1500 时，分类准确率达到 97.6%±2.0%，趋于稳定，最终模型实现 96.9% 的平均准确率和 97.3% 的召回率。

实战验证：从合成群落到天然样本

合成群落验证：精准量化物种丰度

在 1:1 至 9:1 等多种混合比例的合成群落中，该平台的物种鉴定绝对丰度误差≤3.21%，即使在 1:9 的极端比例下，次要物种也能被准确识别（平均绝对误差 5.36%），展现出强大的复杂群落解析能力。

水稻种子微生物组验证：实现原位物种级鉴定

在水稻种子内生微生物组的原位检测中，FlowRACS 结合模型分析得出泛菌属丰度为 34.8%，16S rRNA 测序结果为 45%。造成这一差异的原因可能在于，拉曼光谱主要检测代谢活跃的细胞，而测序技术会捕获活跃与非活跃细胞的遗传物质。这一现象也表明，在解析微生物群落特征时，不同研究方法能提供互补的信息。

更重要的是，该平台成功区分出 P. ananatis（15.7%）、P. agglomerans（7.6%）等核心物种，突破了 16S rRNA 测序仅能达到属级分辨率的局限，首次实现了复杂环境样本中泛菌属的物种级原位鉴定。

微生物鉴定的“速度与精度”

与传统方法相比，FlowRACS 赋能的这一技术平台展现出颠覆性优势：

全球协作赋能，助力iMAPS计划拓展研究范式

当前，单细胞原位代谢图谱科学计划（iMAPS；www.iMAPS.info）正在全球建设 70 余个微生物组代谢功能探测节点，旨在规模化、系统性地产出海量拉曼组 / 元拉曼组大数据，构建原位功能菌种库。本研究不仅解决了泛菌属分类的难题，更为其他“难分类”的微生物的鉴定提供了可复用的范式，在农业微生物资源筛选、环境微生物监测、临床病原诊断等领域具有广阔应用前景。

本研究是 iMAPS 五大板块中农业领域的重要应用范例，更为微生物鉴定的研究提供了一个可复制、可借鉴的研究思路与技术路径。