近日，中国农业科学院农业资源与农业区划研究所联合星赛生物、中国农业科学院、中国科学院青岛生物能源与过程研究所等单位，利用星赛生物的高通量拉曼流式细胞分选仪（FlowRACS），将拉曼流式分选技术与深度残差网络算法相结合，构建了泛菌属专属参考拉曼组数据库与高精度分类模型，首次实现了分类学疑难类群泛菌属的物种及菌株级快速精准鉴定，破解了传统方法分辨率低、通量有限、依赖纯培养的技术瓶颈。这一技术体系为环境与农业微生物的原位快速识别、功能菌株筛选提供了全新技术方案，也为复杂微生物群落的表型解析奠定了方法学基础。相关研究发表于Analytical Chemistry《分析化学》。
在微生物世界中，精准的物种鉴定是解锁其生态功能与应用价值的关键。然而传统方法要么依赖耗时耗力的纯培养技术，要么受限于分辨率不足的基因测序，难以满足科研与应用中的高效需求。
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表型可塑性强，不同环境下表型差异显著、功能表现多样，传统表型检测方法难以实现精准区分；
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传统纯培养鉴定方法不仅培养周期长（需数天），还受限于自然环境中 < 1% 的可培养微生物比例，无法覆盖多数泛菌属菌株；
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现有分子与质谱技术同样存在短板：物种间遗传相似度极高（ANI 值常超过 95%），传统 16S rRNA 测序难以区分相似度 > 98.7% 的物种；MALDI-TOF MS 因参考库不完善，对泛菌属的误判率高达 24%。
这些瓶颈导致泛菌属物种和菌株级的快速鉴定受限，严重阻碍了其资源开发与应用。
流式拉曼 + 深度学习的“双剑合璧”
针对这一挑战，研究团队开发了 “正介电电泳激活的拉曼分选（pDEP-RACS）+ ResNet 深度学习” 整合平台，而星赛生物 FlowRACS 高通量流式拉曼分选仪作为核心技术载体，为整个研究提供了关键支撑：
FlowRACS：打破拉曼检测的“通量-分辨率”悖论
传统拉曼技术要么通量低（如共聚焦拉曼显微镜），要么缺乏单细胞分辨率（如光纤探针拉曼），而 FlowRACS 通过三大核心优势实现突破：
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超高通量捕获：可高效捕获流速 3.7 mm/s 的高速流动细胞，将捕获时间延长至 200 ms，实现 > 600 细胞 / 分钟的检测速度，每小时可获取 > 7200 个单细胞拉曼光谱（SCRS）。
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高保真光谱获取：配备 532 nm 激光与高灵敏度 EMCCD，覆盖 400-1800 cm⁻¹ 的关键指纹区，通过石英微流控芯片减少背景干扰，确保光谱数据的可靠性。
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灵活适配多种样本：支持细菌液体培养、固体菌落、营养饥饿菌株等多种样本类型的直接检测，无需复杂预处理，尤其适用于难培养微生物的分析。
从光谱库构建到精准分类
研究团队以 12 个泛菌属物种（22 株菌株）及 2 个近缘物种为研究对象，借助 FlowRACS 构建了包含 18 万个 SCRS 的参考拉曼组数据库，再通过 ResNet-18 深度学习模型进行分类建模：
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样本预处理：通过标准化培养与饥饿处理，减少生理状态差异对光谱的干扰，其中饥饿处理样本的批间重现性最高（87.9%）。
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光谱预处理：经异常过滤、宇宙射线去除、基线校正等步骤，进一步提升数据质量。
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模型优化：当 SCRS 检测深度 > 1500 时，分类准确率达到 97.6%±2.0%，趋于稳定，最终模型实现 96.9% 的平均准确率和 97.3% 的召回率。
实战验证：从合成群落到天然样本
合成群落验证：精准量化物种丰度
在 1:1 至 9:1 等多种混合比例的合成群落中，该平台的物种鉴定绝对丰度误差≤3.21%，即使在 1:9 的极端比例下，次要物种也能被准确识别（平均绝对误差 5.36%），展现出强大的复杂群落解析能力。
水稻种子微生物组验证：实现原位物种级鉴定
在水稻种子内生微生物组的原位检测中，FlowRACS 结合模型分析得出泛菌属丰度为 34.8%，16S rRNA 测序结果为 45%。造成这一差异的原因可能在于，拉曼光谱主要检测代谢活跃的细胞，而测序技术会捕获活跃与非活跃细胞的遗传物质。这一现象也表明，在解析微生物群落特征时，不同研究方法能提供互补的信息。
更重要的是，该平台成功区分出 P. ananatis（15.7%）、P. agglomerans（7.6%）等核心物种，突破了 16S rRNA 测序仅能达到属级分辨率的局限，首次实现了复杂环境样本中泛菌属的物种级原位鉴定。
与传统方法相比，FlowRACS 赋能的这一技术平台展现出颠覆性优势：
全球协作赋能，助力iMAPS计划拓展研究范式
当前，单细胞原位代谢图谱科学计划（iMAPS；www.iMAPS.info）正在全球建设 70 余个微生物组代谢功能探测节点，旨在规模化、系统性地产出海量拉曼组 / 元拉曼组大数据，构建原位功能菌种库。本研究不仅解决了泛菌属分类的难题，更为其他“难分类”的微生物的鉴定提供了可复用的范式，在农业微生物资源筛选、环境微生物监测、临床病原诊断等领域具有广阔应用前景。本研究是 iMAPS 五大板块中农业领域的重要应用范例，更为微生物鉴定的研究提供了一个可复制、可借鉴的研究思路与技术路径。
星赛生物的 FlowRACS 以其高通量、高分辨率、低干扰的技术优势，成为连接微生物表型与分类学的关键桥梁。这项研究的成功，不仅验证了拉曼流式技术在微生物分类中的巨大潜力，更彰显了国产高端仪器在生命科学研究中的核心支撑作用。未来，随着参考光谱库的不断扩充与技术的持续优化，FlowRACS 将助力更多未知微生物资源的挖掘与利用，推动微生物研究进入 “精准、快速、无培养” 的新时代。
鲁公网安备37021202001515
