透过观察窗,技术人员正用超薄切片机处理一片植物根尖样本,刀刃落下时几乎无声,但显示屏上瞬间跳出的组织截面图令人不由得屏住呼吸——原本肉眼难辨的根尖,在屏幕上化作层层叠叠的彩色网格,像一幅抽象派油画。这是近日记者在位于青岛的山东极智生物科技有限公司(以下简称“极智生物”)实验室看到的一幕。
“这是空间条形码芯片,每一个点对应组织的一个坐标点。切片后,RNA会带着‘地址标签’进入测序仪,我们能还原出基因表达在空间上的‘热力图’。”技术员潘宏伟表示。这种时空转录组切片技术是一种结合空间位置信息和高通量基因测序分析的前沿技术,凭借植物样本处理技术优势、多组学整合能力、产学研协同创新及成本控制策略,在国内动植物时空转录组切片领域稳居第一梯队。
打通精准育种“任督二脉”
作为基因检测领域的高新技术企业,极智生物主要从事数字育种CRO(合同研发组织)服务以及高产优质+耐逆+抗病小麦新品种创制研发,在全国布局了14个销售区域,构建了覆盖全国的育种研发和销售服务网络。
在技术攻关的过程中,极智生物面临着诸多难题。以时空转录组切片技术为例,样本处理环节就困难重重。植物组织的结构复杂,不同细胞类型和组织层次紧密相连,在切片过程中极易造成组织变形、RNA降解等问题,这严重影响后续基因表达信息的准确获取。在基因检测技术平台搭建方面,数据处理和分析也是一大挑战。海量的基因数据如同杂乱无章的信息海洋,如何从其中快速准确地筛选出与育种相关的关键信息,以及如何将基因数据与传统育种表型数据有效整合,是亟待解决的问题。此外,AI驱动的精准育种预测算法开发也困难重重,算法不仅要适应不同物种的遗传特性,还要具备高度的准确性和预测性,这需要深厚的生物学知识、数学建模能力以及大量的数据训练。
展开剩余72%面对样本处理难题,极智生物技术团队进行了上百次实验。受访者提供
面对样本处理难题,极智生物的技术团队进行了上百次实验。他们尝试了多种切片方法和样本固定液配方,最终找到了一种能够最大程度保持组织形态完整、减少RNA降解的处理方案。针对数据处理和分析问题,极智生物组建了一支跨学科团队,成员包括生物信息学专家、数据科学家和育种专家。他们自主开发了一套数据预处理和分析流程,利用先进的数据挖掘算法和机器学习技术,能够高效地从海量基因数据中提取关键信息,并将其与表型数据进行深度融合。在AI育种预测算法开发上,团队收集了大量不同物种的基因和表型数据,不断优化算法模型,经过反复测试和调整,最终使算法达到了较高的精准度,能够为育种提供可靠的预测支持。
“我们的数字育种CRO服务,基于自主搭建的功能基因位点数据库、先进的基因检测技术平台和AI驱动的精准育种预测算法以及快速繁育平台,为科研机构和种企提供‘基因型体检-最优亲本组配-快速纯合-GS品种早期选择’的精准育种解决方案,助力育种企业极大程度地缩短育种周期,降低育种成本,提高育种效率。”极智生物总经理徐凤凤介绍。
为育种提供全流程智能支持
攻克这些技术后,极智生物取得了显著成果。时空转录组切片技术的成功应用,使科研人员能够深入了解植物基因在不同组织和发育阶段的表达模式,为揭示植物生长发育机制和应对环境胁迫的分子机制提供了关键技术支持。例如,在研究小麦应对干旱胁迫时,通过该技术可以精准定位到哪些基因在根部的特定区域表达上调或下调,从而为培育耐旱小麦品种提供理论依据。基因检测技术平台和AI育种预测算法的完善,实现了育种过程的精准化和智能化。育种企业可以根据基因检测结果,对育种材料进行精准筛选,避免了传统育种中大量的盲目试错过程,大大缩短了育种周期,降低了育种成本。以前,培育一个新品种可能需要8至10年,现在借助极智生物的技术,育种周期可以缩短至3至5年,育种成本降低约30%至50%。
以基因检测产品为例,极智生物基于自主开发的液相芯片捕获技术开发了多款液相育种芯片,涉及主粮作物、杂粮、果蔬、林木、畜牧等多个物种领域,共为全国百余个科研单位、高校和种业公司育种团队提供检测服务,累计检测样本超万份。同时,对已发表的物种文献进行手工筛选、位点校正,并通过表型验证确定功能位点。建立了小麦、玉米、水稻、大豆等主粮作物的功能基因库,能够对育种材料,进行精准的基因型“体检”。
凭借时空转录组切片技术，极智生物稳居第一梯队。受访者提供
此外,极智生物还自主研发了适用于多物种的智能育种分析平台,该平台集本地化高性能计算、分布式文件存储、数据管理系统、智能计算调度模块及生物信息应用于一体。针对不同的育种应用场景,整合了物种功能位点数据库,搭建了基因型分析、表型分析、遗传多样性评估、全基因组关联分析(GWAS)、分子标记辅助选择、全基因组选择、最优亲本组配及品种相似性分析等多种分析功能模块,依托可视化云端交互界面,可为育种专家提供从数据解析到育种决策的全流程智能支持。
赋能中国种业“翻身仗”
徐凤凤表示,种源位于农业产业链上游,是农业科技进步的最重要载体。2023年中央一号文件首次提出加快生物育种商业化步伐,要重视生物育种带来的产业变革。种子技术研发能力是种业竞争的核心,目前部分发达国家已经逐渐进入育种4.0时代,而我国仍处于以杂交育种和分子技术辅助选育为主的“2.0时代”到“3.0时代”之间。中国农业长期重生产、轻育种,中国种业企业育种研发薄弱,研发投入与海外种业国际公司相比差距较大,呈现“企业数量多、规模小、研发能力弱”等特点,缺乏规模化的、商业化的、有组织的育种团队。在此背景下,“我们正努力通过整合各方面资源,建立一个全链条系统化工程化的育种系统,为种企提供育种检测服务、关键共性技术支持、商业品种授权等方式提升种企育种效率、分散风险,推动中国种业分子育种技术应用发展。”徐凤凤说。
（大众新闻·风口财经记者 娄花）
编辑：刘建
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