【育种创新加速器】安捷伦元素分析为育种研究提供关键技术支撑

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

元素分析/元素组学是生物育种的核心技术之一，用于解析矿质元素累积规律、揭示逆境下元素转运机制、依托元素指纹保障品种真实性，为育种研究提供关键数据支撑。

核心仪器：ICP-OES、ICP-MS、ICP-MS/MS

核心技术：元素高通量、高灵敏度分析；元素形态分析；元素空间分布和单细胞分析

核心优势：全场景适配的元素分析方案矩阵；精准匹配高通量及高灵敏度分析场景；技术延伸性强—色谱联用/元素空间分布/单细胞分析

代谢组学关键应用场景与案例

图 2. 元素分析在生物育种中的应用场景

一、辅助基因挖掘与遗传改良

矿质元素的累积的遗传规律，是作物营养强化、抗逆育种的关键。通过元素表型与 GWAS（全基因组关联分析）结合，可快速定位调控元素累积的基因位点，加速育种进程。

在一项水稻籼粳亚种元素累积差异的遗传解析的研究中^[1]，研究团队用 ICP-MS/MS 搭配 ICP-OES，精准测定 575 份水稻籽粒中 11 种微量矿物质（As、Cd、Cr、Cu、Fe 等）的含量，结合 GWAS 分析，鉴定出 96 个与元素累积相关的显著关联位点，定位到 6 个已知功能候选基因（如调控 Zn 累积的 OsZIP 家族基因）。该研究揭示了水稻籼粳亚种元素差异的遗传基础，为通过分子标记辅助育种改良水稻矿质营养品质提供了精准靶点。

图 3. （左图）不同亚种多种元素含量的箱线图；（右图）元素间 Pearson 相关系数矩阵^[1]

在另一项挖掘小麦锌、铁等矿物质的遗传基础研究中^[2]，通过 ICP-MS/MS 测定 330 份小麦材料（籽粒和穗轴）中 Zn、Fe、Cu、Mn、P 5 种矿物质的含量，发现不同小麦材料的元素含量存在显著遗传变异。结合 GWAS 检测到大量显著标记-性状关联位点，鉴定出生物强化育种的核心标记，为培育高锌、高铁小麦品种提供了遗传依据和筛选工具。

图 4. 成熟小麦籽粒中 5 种营养素含量及千粒重的频率分布图 ^[2]

二、培育营养强化作物品种

通过元素分析精准调控作物的矿质营养含量，培育富硒、富锌等营养强化品种，是解决膳食营养缺乏的重要途径。

硒、碘缺乏是全 球公共卫生问题，培育双强化作物是有效解决方案。在一项分析硒碘双强化萝卜幼苗元素形态与生物可及性的研究中^[3]，通过营养液添加硒、碘，培育硒碘双强化萝卜幼苗，用 ICP-MS/MS 测定总含量，结合 HPLC-ICP-MS 分析形态（有机/无机），发现萝卜幼苗能将无机硒、碘转化为有机形态（如硒代半胱氨酸、碘代酪氨酸），且经模拟消化后生物可及性高。该研究证实萝卜幼苗可作为硒碘缺乏地区的膳食补充来源，为双营养强化蔬菜育种供了成功范例。

图 5. 蛋白酶水解后萝卜幼苗的 HPLC-ICP-MS 色谱图 ^[3]

三、抗逆性鉴定与适应性筛选

逆境（如重金属污染、盐胁迫）下，作物的元素吸收与转运能力直接影响抗逆性。安捷伦元素分析方案能精准解析作物抗逆机制，助力筛选抗逆品种。

镉污染土壤种植的水稻易积累镉，危害人体健康。在一项水稻抗镉育种的研究中^[4]，通过将耐镉水稻品种 Pokkali 的 OsNramp5 基因（锰/镉转运蛋白基因）导入优良品种 Koshihikari，利用 ICP-MS/MS 测定水稻根、茎、籽粒及木质部汁液中 Cd、Mn 含量，发现改良后水稻籽粒 Cd 含量显著降低（降幅达70%），且不影响 Mn 吸收和产量、食味品质；利用 LA-ICP-MS 可视化 Cd 在根系的分布，证实 OsNramp5 基因重复能增强根系对 Cd 的截留能力。该研究为水稻抗镉育种提供了关键基因和验证方法，助力污染区安全水稻生产。

图 6. 水稻根中 Cd/Mn 分布的 LA-ICP-MS 成像 ^[4]

四、产品产地溯源和真实性鉴定

不同产地的土壤、气候条件导致农产品的矿质元素“指纹图谱”存在差异。安捷伦元素分析方案能精准捕捉这种差异，为农产品产地溯源、真伪鉴别提供客观依据。

在一项针对黑龙江水稻产地的多年份元素指纹验证的研究中^[5]，团队基于多年份、大样本量，用 ICP-MS/MS 测定黑龙江建三江、五常、查哈阳三大产区水稻中 33 种矿物元素的含量，发现不同产区水稻的矿物元素指纹存在显著差异。基于多年数据建立的产地判别模型准确率高于单一年份模型（达 94%），为水稻产地溯源的标准化、规模化应用提供了数据支持和方法参考。

图 7. 2020 vs 2018-2020 年水稻样本判别函数得分图 ^[5]

五、单细胞 SC-ICP-MS 方案

在生物育种的前沿研究中，单细胞水平的元素分析能揭示细胞间的元素含量差异，为精准育种提供更精细的数据。有望用于筛选元素累积能力均一的作物细胞系，或解析逆境下单个细胞的元素响应差异，为细胞工程育种提供单细胞层面的量化依据。安捷伦将高灵敏度、低背景和较短的驻留时间（0.1 ms）相结合，实现了快速时间分辨（TRA）模式，可有效应用在 SC-ICP-MS 多元素分析。

在安捷伦与客户合作的一项应用案例中^[6]，利用 SC-ICP-MS 开发了一种准确的定量方法，成功测定酵母、绿藻、血红细胞中 Mg、P、Fe、Zn 等元素含量，结果与传统方法一致，且能额外获取细胞个体间的元素差异信息。

图 8. 酵母、绿藻和红细胞的单细胞和整体细胞中元素含量以及使用 SC-ICP-MS 测得的红细胞中 Fe 的质量（红框中）^[6]

结语

在生物育种向精准化、高通量、多维度升级的进程中，安捷伦元素分析方案以全场景适配能力，成为解锁育种核心需求的关键支撑。从 ICP-OES 的高通量筛查、ICP-MS/MS 的高灵敏精准定量，到 LA-ICP-MS 的空间分布可视化与 SC-ICP-MS 的单细胞解析，技术矩阵全面覆盖基因挖掘、营养强化、抗逆筛选、产地溯源等核心场景。未来，安捷伦将持续深化元素分析与多组学技术的融合创新，以更先进的仪器平台、更完善的解决方案，助力科研人员攻克育种关键难题。

参考文献

[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

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