高通量種子切片技術(shù)

分子標(biāo)記輔助選擇育種是利用分子標(biāo)記與目標(biāo)性狀基因緊密連鎖的特點(diǎn)，從育種群體中篩選具有目的性狀的個體，可有效減少育種個體數(shù)量，縮短育種周期，從根本上解決了傳統(tǒng)育種性狀鑒定不準(zhǔn)確、成本高和周期長的問題。在?21?世紀(jì)初，國際種業(yè)公司如孟山都、先鋒公司等已經(jīng)采用新一代的單核苷酸多態(tài)性（SNP）分子標(biāo)記檢測技術(shù)，它具有檢測快速、成本低、通量大的特點(diǎn)。隨著分子檢測技術(shù)的發(fā)展和育種規(guī)模的擴(kuò)大，群體取樣已經(jīng)成為分子標(biāo)記輔助選擇育種的瓶頸。田間葉片取樣存在著效率低、易出錯的問題，并且在田間種植的育種群體中有?80%?以上植株在苗期被丟棄，嚴(yán)重地浪費(fèi)了育種資源。在播種前，利用種子切片技術(shù)對種子進(jìn)行微量取樣，通過分析樣品可獲得種子的遺傳信息，而后將所期望基因型的種子種植于田間，這樣則大大縮小了群體種植規(guī)模。

自動種子切片技術(shù)與高通量分子檢測技術(shù)相結(jié)合，已經(jīng)形成一種新的育種模式，從而可從數(shù)萬籽粒中選出最優(yōu)的一粒參與育種，使育種效率和規(guī)模成倍提高。規(guī)模化育種群體產(chǎn)生的種子數(shù)量巨大，而其中的優(yōu)質(zhì)種子極少，這就要求種子切片機(jī)自動化程度高，能從大量的種子中分離出單粒種子；然后對單粒種子逐一進(jìn)行準(zhǔn)確識別和特定部位精確切割，以保證后期種子較高的成活率；最后對取得的微量樣品和切片后的種子準(zhǔn)確無誤地進(jìn)行一一對應(yīng)收集，以保證通過樣品獲得的基因型和種子相對應(yīng)。

一個典型的全自動種子切片設(shè)備主要包括自動供料裝置、種子方向識別裝置、種子抓取轉(zhuǎn)移裝置、取樣裝置、樣品收集裝置以及控制和信息管理系統(tǒng)?6?個部分（圖?2）。在信息管理控制的指揮下，自動供料裝置從批量的種子中分離出單粒種子；再經(jīng)過種子方向識別后，調(diào)整種子方向運(yùn)輸至取樣平臺；然后對種子進(jìn)行精確取樣，收集裝置將樣品和微創(chuàng)種子一一對應(yīng)進(jìn)行收集。

自動供料裝置。自動供料裝置將待取樣種子批量裝載，并進(jìn)行單粒種子分離運(yùn)輸至種子識別平臺。其最主要的功能是單粒種子分離，主要采用的方法有旋轉(zhuǎn)盤分離法和振動盤分離法。旋轉(zhuǎn)盤分離法是通過圓盤旋轉(zhuǎn)把其凹槽中的單粒種子從批量種子中分離出來^[7,20,21]，但這種方法僅適用于形狀較為規(guī)則、顆粒較大的種子，如玉米和大豆等；而振動分離盤很好地解決了種子外形的問題，它利用螺旋轉(zhuǎn)盤高頻振動使批量種子處于單層平面排列狀態(tài)，然后通過轉(zhuǎn)盤的螺旋轉(zhuǎn)動使種子由平面排列變?yōu)榫€性排列，單粒種子逐漸分離出來（圖?3）。

種子方向識別裝置。對單粒種子進(jìn)行方向識別，以利于隨后操作過程中種子抓取、定位和精確切割。主流的種子方向識別方法是通過計(jì)算種子外形某些特征來判斷方向。這種方法主要用于形狀規(guī)則且特征明顯的種子，但對于玉米穗兩端籽粒、秈稻籽粒等外形不規(guī)則或特征不明顯的種子并不適用，而最新的圖像智能識別技術(shù)可以解決這一問題。李廣偉等利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別工具箱建立的模型，對玉米種子姿態(tài)識別準(zhǔn)確率達(dá)?99%?以上，中玉金標(biāo)記利用人工智能識別技術(shù)對秈稻籽粒方向進(jìn)行識別，準(zhǔn)確率達(dá)?99%（內(nèi)部數(shù)據(jù)）。先鋒公司在玉米激光切片技術(shù)上采用另一種方式，在種子頂端涂抹鐵基粉，通過磁性吸附種子頂端直接調(diào)整玉米種子方向。