轉基因作物光譜檢測方法研究進展

摘" 要：隨著現代農業生物科技的發展，轉基因技術映入眼簾，轉基因作物種植面積日益增加使得人們對轉基因的安全問題也有爭議，從而導致轉基因作物檢測方法備受注目。國內外學者對于轉基因作物檢測領域的研究主要體現在光譜檢測方法和傳統檢測方法兩方面。為避免傳統檢測中高成本，低準確率的狀況，學者在光譜檢測領域上做出多項研究。兩類檢測方法均被廣泛應用于各行各業，但在兩者研究中仍然存在著不足之處需要改進。

關鍵詞：轉基因作物；傳統檢測方法；光譜檢測方法；研究進展；現代生物技術

中圖分類號：S188" " " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-9902（2023）15-0087-04

Abstract： With the development of modern agricultural biotechnology， genetically modified technology has emerged， and the increasing planting area of genetically modified crops has led to controversy over the safety issues of genetically modified crops， hence the attention paid to the detection methods of genetically modified crops. Domestic and foreign scholars' research in the field of genetically modified crop detection is mainly reflected in two aspects： spectral detection methods and traditional detection methods. In order to reduce the high cost and low accuracy of traditional detection， scholars have conducted multiple studies in the field of spectral detection. Both types of detection methods are widely used in various industries， but there are still shortcomings that need to be improved in their research.

Keywords： genetically modified crops; traditional detection methods; spectral detection methods; research progress; modern biotechnology

隨著世界人口膨脹、水資源匱乏及氣候變化等多重因素的共同作用，以轉基因技術為核心的現代農業生物技術已經逐漸成為世界各國增強農業競爭力的核心焦點，轉基因技術所培育的高產、優質、多抗、高效新品種，可以有效降低農藥使用率、減少肥料的投入，緩解資源約束，使生態環境得到保護的同時產品品質也得到了提升。

迄今為止轉基因技術在現代農業生物技術中已經占據主要地位，發展十分迅速，具有很大影響力的同時應用范圍也逐步擴大。在農業領域，國際上已經培育出了具有抗蟲害、抗病毒、耐除草劑及抗逆等性狀的轉基因作物新品種。目前隨著各國相繼成立的轉基因制度和大眾對轉基因作物關注度的提升，使得人們對轉基因農作物檢測技術的準確度和靈敏性提出了更為嚴格的要求。由于轉基因作物的種類繁多，過于深度的處理會使轉基因的成分出現部分或者完全的降解，導致檢測難度有了大幅度的提升，因此各種轉基因作物檢測技術就成了學者目前所研究的熱點。

1" 常規檢測方法

目前國內外常規檢測轉基因作物的方法分為兩類：一是基于外源插入核酸（DNA）的檢測方法；二是基于外源插入基因表達蛋白的檢測方法[1]。

1.1" 蛋白檢測

在對轉基因作物進行檢測的技術中，酶聯免疫吸附法、快速檢測試劑條法和蛋白質印跡法（表1）是最為常見的蛋白質檢測技術。其中ELISA和膠體金試紙條法是目前應用最為廣泛的轉基因作物檢測方法。

其他方法還有試紙條法、聚丙烯酸胺凝膠電泳法、蛋白芯片檢測法等。

1.2" 以核酸為檢測對象的檢測技術

隨著分子生物學技術的發展，核酸檢測已被廣泛應用。主要包括PCR技術（表2）、等溫擴增和基因芯片技術3類。核酸檢測技術具有適用范圍廣、靈敏度高和重復性好等特點，己廣泛應用于轉基因檢測。

其他方法還有高效液相色譜法、質譜法、基因芯片檢測等，與分子雜交技術和PCR技術相同，關鍵性的步驟都是分離和提純制得高質量[7]的DNA。

2" 光譜檢測方法

傳統的檢測方法會存在一定程度轉基因成分的損傷，因此我國學者就通過光譜檢測技術展開了多維度、多角度的探討與研究，并且取得了一定的成果，近年來被廣泛應用于轉基因作物的鑒別和品質分析的檢測中。光譜檢測方法具有檢測時長短、便于應用、準確性高、成本低廉及無損樣品等優點。隨著光譜儀器的不斷進步，以及光譜技術與化學計量學的結合使得光譜檢測方法得到了廣泛的應用，國內外學者也對轉基因作物的品種鑒別與品質檢測進行了分析。

2.1" 近紅外光譜技術

近紅外光譜分析技術有效地將光譜測量技術和化學計量學技術結合，也因此成為近年來最令人關注的光譜分析技術，現已成功地應用于農業科學領域。轉基因作物的迅速發展，使轉基因作物鑒別的報道中相繼出現了近紅外光譜技術的身影。

早在2001年Roussel等[8]用NIRS對傳統大豆和轉基因大豆完成初步分辨。Lee等[9]運用NIRS結合PCA以及偏最小二乘判別（PLS-DA）準確地分辨出轉基因大豆和非轉基因大豆。吳江等[10]用近紅外光譜結合PCA和BP神經網絡的預測模型準確地鑒別出轉基因大豆，成功地做到了無損鑒別的可行性。Hao等[11]應用NIRS技術經過標準正態變量結合支持向量機（Supportvector machines，SVM）和PLS-DA兩個模型對轉基因水稻進行鑒別，鑒別準確率為100%。彭城等[12]通過NIRS技術對轉基因玉米進行鑒別，最終以主成分分析（PCA）降維結合SVM對建模集和預測集的識別正確率為100%。

2.2" 高光譜技術

高光譜成像技術是利用非常多窄波段的光譜按照成像的方式獲取待測物特性有關數據，其將圖像技術與光譜技術二者有效地結合在一起，成功地做到了圖譜合一，其與化學計量學方法相結合在目前鑒別轉基因作物方面也有成效。王海龍等[13]通過高光譜成像技術結合PLS-DA模型對不同非轉基因親本大豆及其轉基大豆進行鑒別，取得了較好的判別正確率，同時證明了此方法的可行性。Feng等[14]通過近紅外（NIR）范圍（874.41～1 733.91 nm）的高光譜成像結合化學計量學數據分析，采用主成分分析（PCA）對超立方體數據進行分析，建立了全波段和特征波段的判別模型，分別結合了支持向量機（SVM）和偏最小二乘判別分析（PLS-DA）兩種算法，根據對比度對轉基因玉米籽粒進行分類。結果表明，無損檢測方法可以很容易地顯示轉基因和非轉基因作物之間的明顯差異，并且可以實現良好的分類效果，計算和預測精度幾乎達到100%。

2.3" 太赫茲光譜技術

太赫茲光譜技術是近幾年迅速發展起來的新興檢測技術，具有良好的穿透性、強大的安全性及瞬息性，正是其獨特的優勢使得其在轉基因農作物鑒別中得到了廣泛應用。Liu等[15]采用主成分分析（PCA）提取特征數據，應用支持向量機（SVM）方法鑒別轉基因玉米樣品，鑒別準確率接近92.08%，有效地檢測了玉米的轉基因成分，表明將太赫茲光譜技術與PCA-SVM相結合的方法對于玉米轉基因成分的識別是有效和實用的。聶君揚等[16]采用PCA方法提取太赫茲原始譜線，建立轉基因大豆模式識別（BPN）模型，通過兩者結合驗證了太赫茲光譜技術對于轉基因作物的無損檢測的可行性。Xiao等[17]通過太赫茲光譜分析了轉基因和非轉基因大豆。通過區間偏最小二乘（iPLS）方法去除干擾譜帶，選擇合適的光譜區間后經過iPLS和均值中心預處理技術，網格搜索SVM識別模型的識別效果最好，總準確率為98.25%（轉基因識別率為96.15%，非轉基因識別率為100%）。

2.4" 多光譜成像技術

多光譜成像可以同時獲得樣本的空間和光譜信息，是一種無損檢測技術，它將傳統的成像技術和光譜技術完美結合。多光譜成像分析具有簡單、快速、非破壞性的特點，無需樣品預處理，更加適合在線過程監測和質量控制。Liu等[18]使用最小二乘支持向量機（LS-SVM）模型和標準正態變量（SNV）變換預處理方法可以很容易地顯示抗草甘膦、雜交后代和傳統非轉基因大豆種子之間的明顯差異，并具有良好的分類效果（驗證集的準確率為88.33%）。

2.5" 激光誘導擊穿光譜技術

激光誘導擊穿光譜技術是基于原子發射光譜的一種很有前途的檢測技術。激光用于燒蝕樣品目的是產生等離子體，通過分析等離子體所發射的光譜信號來檢測元素。與傳統的元素檢測方法相比，LIBS具有樣品預處理簡單、多元素同時分析和快速響應能力的優點。因此，LIBS技術已廣泛應用于各個領域。Liu等[19]將LIBS技術與化學計量學方法相結合，對轉基因玉米進行鑒定。證明了PCA加ELM模型最適合轉基因玉米的實際應用，在校準集和預測集的識別準確率均為100%。

2.6" 拉曼光譜技術

拉曼光譜是一種非侵入性和非破壞性的光譜技術，能夠提供來自樣品中能量交換和分子振動的非彈性散射光的信息。Dib等[20]利用拉曼光譜和化學計量學工具對轉基因玉米進行了鑒定。評估了不同的光譜預處理以及變量選擇算法，最佳分類器的預測準確率為87.5%。

拉曼光譜雖然可以通過探索分子的振動來表征樣品，但其他因素，如物質本身的物理和化學性質以及一些實驗因素，可以掩蓋拉曼光譜信息，導致一些誤差的可能性，會對分析結果產生一定的影響。

3" 結束語

轉基因作物檢測的研究是當下不可忽視的一個問題，圍繞如何提高檢測精度，節省人力物力，學者們從不同的處理方法、分類方法以及建模方法中不斷試驗，從而達到準確度的提升，在目前收集到的資料中看，雖然眾多學者對于轉基因作物進行了多方面研究，但在這些研究中仍然不足的地方。傳統方法檢測轉基因雖然準確性和靈敏度較高，但也伴隨著破壞樣品、檢測耗時長、操作過程復雜、檢測成本較高、非專業人員難以進行等問題，采用光譜檢測技術不僅可以使轉基因作物成本有效降低，而且提高了檢驗效率，目前光譜檢測技術廣泛應用于工業、農業、醫藥及食品中，整體發展趨勢正在從實驗室向實際應用轉變，國內已經開始生產光譜儀，但是其核心部件依然需要進口，購買成本比較昂貴，光譜設備的國產化、低成本化將是未來發展的一個重要方向，同時應加強光譜數據庫的建設，為模型建立提供數據支持，開發更加適用于光學數據處理的模式識別方法，提高算法精度、效率和適用性。在實際的檢測中，并非任何一種方法對轉基因作物的檢測都有效，應該根據轉基因作物具體的種類和所需檢測的具體內容類型的不同，選擇最有效的檢測方法。

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