【科普访谈】探秘“农业金属组学”

2021-07-06
中国农业科学院农业质量标准与检测技术研究所“农产品质量安全风险评估”团队针对农业领域(类)金属元素的研究现状,5月28日在国际上首次提出了“农业金属组学”的概念及其英文词汇 “ Agrometallomics ”,并对农业金属组学相关的分析技术和手段进行了系统综述。该成果作为封面文章发表在*新一期的《农业食品化学》( Journal of Agricultural and Food Chemistry )。
该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国农业科学院创新工程项目的支持。
那么,何为“农业金属组学”,它的提出为什么会引起大家广泛的关注?它的科学奥秘究竟在哪里?

今天我们请来“农业金属组学”文章的通讯作者毛雪飞副研究员和**作者李雪博士进行本期科普访谈。




访谈



毛老师、李老师,您好!

Q:

金属元素广泛存在于农业领域的环境、动植物、农产品、肥料、饲料,乃至病原微生物等,“农业金属组学”的概念及其英文词汇“Agrometallomics”在国际上的首次提出代表着什么?

A:根据“金属组学”的概念,并结合“金属组学”在农业领域的实际应用情况,我们把“农业金属组学”定义为一类研究现代农业科学中金属组与农业生命和介质中基因、蛋白质、代谢物或其他生物分子的相互作用和功能性系统研究的交叉学科。

自2004年,日本科学家Haraguchi在国际上首次提出“metallomics”(金属组学)的概念,“金属组学”已然发展成为一门新兴的前言交叉学科,与“基因组学”、“转录组学”、“蛋白质组学”、“代谢组学”等多种组学并列为强有利的研究技术。而我们提出的“农业金属组学”的概念则属于“金属组学”的一个分支。首先,在这个概念之前,国际上并没有研究将这些农业领域有共性的研究手段予以归类和分析,导致许多情况下技术运用不合理、不充分,缺乏交叉互联分析,自然研究结果也不甚理想,而“农业金属组学”的内容基本覆盖了目前农业领域金属组相关的研究方法和研究技术,所以从小讲,“农业金属组学”概念的提出对于研究者选用合适的分析手段开展相关研究具有重要的指导价值。从大了讲,“农业金属组学”相关的系列分析技术对开展农业领域生命科学相关研究具有重要的意义,比如农产品产地溯源、重金属现场快速检测,农业环境保护、植物营养、疫病防控、食品安全等方方面面。

Q:

得出“农业金属组学”这个概念,这其中您和团队成员应该做了大量的工作?这是怎样的一个科研过程?

A:作为农科人,事实上在这个概念提出之前我们已经在农业领域从事了多年的元素相关的检测和研究工作,其实多多少少会涉及到广泛的组学概念,比如我们团队在食品安全检测方面利用电热蒸发以及微等离子体技术可以实现农产品中重金属汞、镉、砷、铅的快速检测;在产地溯源方面利用XRF的多元素快速分析能力开展并实现了大豆、茶叶等农产品的产地溯源;在重金属联合毒性评价中也用到了元素种类以及形态检测的质谱分析,色谱分离技术;在元素形态风险评估中我们团队于2012年就对全国主要稻米产区的1653份大米样品中的无机砷进行了含量检测和数据分析,同时也对大米中无机砷的非致癌性和致癌性进行了膳食暴露评估形成了一份针对性降低膳食暴露无机砷的建议;另外元素微区分析方面我们课题组目前以及探索了常见重金属在多种农产品,包括羊肚菌,小麦,水稻,玉米,大豆等样品的中分布及蓄积规律;关于金属纳米颗粒我们也正在尝试利用纳米粒子的表面等离子体性质实现对重金属含量的线性响应;还有为了解决一些微区分析中无法准确定量的难题,我们也正在尝试使用同位素标记分析技术来实现定量研究等等。

虽然目前的研究技术和研究方法具有多样性,但是依然面临着诸多系统性问题,比如分析方法选择不合理、针对性差、灵敏度不足、数据分析处理效率低等。“农业金属组学”不是一个简单的概念或者单一环节,而是贯穿整个农业领域生命或介质相关研究的全过程,因为几乎所有的生命活动都与金属元素相关。因此,我们意识到,系统性梳理和总结农业领域不同样品类型、不同目标需求、不同应用场景的元素分析技术,对推动“农业金属组学”概念的普及、技术的应用、学科的发展具有基础性意义。

基于此,我们根据大量的文献调研以及相关专家的咨询*终梳理出了“农业金属组学”的概念,并在文章中也详细介绍了多种金属分析方法在农业领域的应用情况及进展。在这些技术的整理阶段需要大量的文献阅读和整理,这个过程中论文的几位作者都展现了良好的基础知识、科研素养和前沿技术把握。

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Q:

“农业金属组学”已不仅仅是一个概念,对吗?

A:是的。前面介绍到,“农业金属组学”是在“金属组学”的基础上发展形成的一个分支,而我们提出“农业金属组学的概念则是基于目前农业领域金属检测技术在农业领域的应用现状予以的系统性的整理总结,所以对于”农业金属组学“其实是已经实实在在发生的科学活动。

本研究汇集了国内外现阶段在农业领域广泛使用的元素分析技术,这也恰恰说明了这些技术的发展和使用是走在概念前面,所以“农业金属组学”的概念是在大量已有研究基础上系统总结和归纳后提出的。

目前所有组学技术其实都属于多学科交叉的结果,“农业金属组学”也不例外。比如重金属检测*常用的ICP-MS技术在生命科学、纳米技术、矿物地质、化学化工等领域都有广泛的应用;再比如对于农产品的汞形态变化研究而言,如果要生物角度去探索其形态变化的原因,就需要使用到生命科学领域常用的基因分析手段(如PCR等)来探究农产品在基因表达水平的变化,比如hgc AB系列基因;再比如农业领域颇为关心的农产品溯源问题,也是要对分析技术给出的不同产地农产品的特征因子进行统计学算法的归类,以达到产地溯源的目的,这个过程就需要结合计算机学科强大的算法功能才能实现;还比如目前农产品投入品使用的一些添加纳米材料的化肥、农药就涉及到了纳米科学技术;还有在研究金属元素生物学效应时,有时候甚至需要综合多组学技术(包括:基因组学、转录组学、蛋白组学、代谢组学等)的优势才能实现。

所以“农业金属组学”不单单可以推动农业领域元素检测的发展,其与其他多学科的交融对多学科的发展也具有深远价值。

Q:

“农业金属组学”中包含许多现代分析方法,主要包括什么?这些技术方法对不同领域的科学研究能起到怎样的助力作用?

A:在对“农业金属组学”所涉及的元素分析技术进行归纳和分析时,我们主要是按照技术自身功能进行平行结构的归类;

包括可以进行元素高通量高灵敏度分析的ICP-MS、LIMS、GD-MS、SIMS、OES、INAA、XRF等,这些技术对元素的判别主要是基于不同元素相对原子质量或吸收/发射波长的不同予以分辨,特别是无机质谱技术在分析通量和灵敏度上具有绝对的优势;

其次是可以进行元素形态分析的技术,如LC-ICP-MS、GC-ICP-MS、CE-ICP-MS、XAS、XPS、XRD等,这些技术的主要原理是不同化合物结构性质的差异导致其在色谱柱中具有不同的保留时间,所以能够通过时间予以分离,再串联上面介绍的元素分析手段就可以达到元素形态分离和定量分析的目的;还有就是因为每个化合物不同的结构,原子所处的环境有很大差别,所以可以基于原子间键能的差别对元素形态予以判别。

*后,是空间分布和微区分布技术如LA-ICP-MS、ETV、LIBS、SP-ICP-MS、SC-ICP-MS等。这些技术的一个特点就是可以对微小区域内样品的元素进行定性和定量分析,涉及的视野通常是微米尺度,比如组织的微结构,如毛细血管、单个细胞;或比如植物籽粒的胚乳、胚芽、种皮等细微结构。

Q:

“农业金属组学”系列的现代分析技术可用于哪里?

A:“农业金属组学”一系列的分析技术不仅可以用于农产品产地溯源、重金属现场快速检测,还将对农业领域元素相关的生命活动、存在演化、富集迁移规律研究,乃至环境保护、植物营养、疫病防控、食品安全等诸多领域发展起到基础性和支撑性作用。

所以在农业领域,我们需要这样的一系列金属组学相关技术。

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光谱原理的元素测定

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键能反映原子环境

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色谱分离,质谱检测

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微区分析技术

Q:

目前,该项研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国农业科学院科技创新工程的支持。接下来对于“农业金属组学”的研究重点会在哪里?未来它会发挥出怎样的作用?

A:“农业金属组学”概念的提出,其实更像是一个抛砖引玉的指路灯,通过这篇综述我们不单单对现阶段农业领域的技术予以了归纳,更重要的是对每项技术在农业活动实际应用的优缺点都进行了评价。

农业金属组学相关的元素分析技术,它未来的发展重点可能会在以下几个方面:(1)进一步提高元素检测技术的分析灵敏度、元素覆盖范围、抗干扰能力,特别是基于ICP、激光、热解和放电源的无机质谱分析技术;(2)金属同位素分析技术是一个强有力的工具,可用于农业生命组成成分、产地溯源、土壤污染以及农业代谢组学相关的特殊有机成分标记;(3)进一步发展固体进样元素分析技术,例如电热蒸发、激光诱导击穿等,在农产品、土壤、水中有害重金属和其他元素的快速检测方面具有良好的应用潜力;(4)大力发展无损元素分析技术,例如X射线荧光、中子活化、同步辐射等,甚至可以用于活体动植物的金属元素分析,以探索农业生命活动过程中的元素规律;(5)进一步发展元素形态分析技术,例如同步辐射X射线吸收、X射线光电子能谱、X射线衍射或者色谱—原子光谱/无机质谱联用技术,可用于鉴别与分析金属元素化学形态、赋存形态等关键信息;(6)一些新兴的微颗粒或单细胞分析技术,例如激光烧蚀(LA)-ICP-MS、激光诱导击穿(LIBS)、微X射线荧光(micro-XRF),可以提供元素存在空间分布信息,有利于解析农业生命或介质中的元素规律;(7)要配套解决大量元素数据的处理技术,上述分析方法在探索农业生命活动过程中会产生大量的数据,如何利用现代计算机和数学统计技术进行数据挖掘和分析,将是未来“农业金属组学”与基因组学、代谢组学、蛋白组学等协同发展的关键技术平台。

关论文链接

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jafc.1c00275


团队介绍

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本团队属于中国农业科学院“农产品质量安全风险评估”创新团队,团队成员包括:团队首席钱永忠研究员、刘霁欣教授级高工、毛雪飞副研究员、李雪博士,以及团队的学生。本团队的研究方向之一是从事农业领域重金属检测与风险评估技术的开发和应用研究。


以上访谈感谢毛雪飞、李雪老师!


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生态环境探索微平台出品

2021.7


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