高通量种子切片技术研究及其在作物育种中的应用

高通量种子切片技术

分子标记辅助选择育种是利用分子标记与目标性状基因紧密连锁的特点，从育种群体中筛选具有目的性状的个体，可有效减少育种个体数量，缩短育种周期，从根本上解决了传统育种性状鉴定不准确、成本高和周期长的问题。在 21 世纪初，国际种业公司如孟山都、先锋公司等已经采用新一代的单核苷酸多态性（SNP）分子标记检测技术，它具有检测快速、成本低、通量大的特点。随着分子检测技术的发展和育种规模的扩大，群体取样已经成为分子标记辅助选择育种的瓶颈。田间叶片取样存在着效率低、易出错的问题，并且在田间种植的育种群体中有 80% 以上植株在苗期被丢弃，严重地浪费了育种资源。在播种前，利用种子切片技术对种子进行微量取样，通过分析样品可获得种子的遗传信息，而后将所期望基因型的种子种植于田间，这样则大大缩小了群体种植规模。

自动种子切片技术与高通量分子检测技术相结合，已经形成一种新的育种模式，从而可从数万籽粒中选出最优的一粒参与育种，使育种效率和规模成倍提高。规模化育种群体产生的种子数量巨大，而其中的优质种子极少，这就要求种子切片机自动化程度高，能从大量的种子中分离出单粒种子；然后对单粒种子逐一进行准确识别和特定部位精确切割，以保证后期种子较高的成活率；最后对取得的微量样品和切片后的种子准确无误地进行一一对应收集，以保证通过样品获得的基因型和种子相对应。

一个典型的全自动种子切片设备主要包括自动供料装置、种子方向识别装置、种子抓取转移装置、取样装置、样品收集装置以及控制和信息管理系统 6 个部分（图 2）。在信息管理控制的指挥下，自动供料装置从批量的种子中分离出单粒种子；再经过种子方向识别后，调整种子方向运输至取样平台；然后对种子进行精确取样，收集装置将样品和微创种子一一对应进行收集。

自动供料装置。自动供料装置将待取样种子批量装载，并进行单粒种子分离运输至种子识别平台。其最主要的功能是单粒种子分离，主要采用的方法有旋转盘分离法和振动盘分离法。旋转盘分离法是通过圆盘旋转把其凹槽中的单粒种子从批量种子中分离出来^[7,20,21]，但这种方法仅适用于形状较为规则、颗粒较大的种子，如玉米和大豆等；而振动分离盘很好地解决了种子外形的问题，它利用螺旋转盘高频振动使批量种子处于单层平面排列状态，然后通过转盘的螺旋转动使种子由平面排列变为线性排列，单粒种子逐渐分离出来（图 3）。

种子方向识别装置。对单粒种子进行方向识别，以利于随后操作过程中种子抓取、定位和精确切割。主流的种子方向识别方法是通过计算种子外形某些特征来判断方向。这种方法主要用于形状规则且特征明显的种子，但对于玉米穗两端籽粒、籼稻籽粒等外形不规则或特征不明显的种子并不适用，而最新的图像智能识别技术可以解决这一问题。李广伟等利用神经网络模式识别工具箱建立的模型，对玉米种子姿态识别准确率达 99% 以上，中玉金标记利用人工智能识别技术对籼稻籽粒方向进行识别，准确率达 99%（内部数据）。先锋公司在玉米激光切片技术上采用另一种方式，在种子顶端涂抹铁基粉，通过磁性吸附种子顶端直接调整玉米种子方向。