《Journal of Agriculture and Food Research》：Harnessing Foodomics for Next-Generation Crop Breeding: Advancing Sustainable Agrifood Systems and One Health
摘要：对农食系统可持续性和营养质量的担忧正推动作物改良研究朝着“同一健康”原则的方向发展，该原则认识到人类、动物和环境健康之间的相互关联。在这一框架内推进全球粮食安全需要采用整合性方法，超越基因组和表型组育种，以解决粮食生产和消费带来的更广泛后果。食品组学整合多种组学技术，以全面表征食品的分子组成，并追踪作物遗传变异、环境互作、食品加工、消化、微生物组介导的代谢以及宿主生物学反应之间的联系。通过生成连接这些过程的功能分子表型，食品组学为将营养质量和健康相关性状纳入下一代作物育种提供了一个机制框架。由此，它可以将作物中的分子变异与从田间到生理学的下游效应联系起来，将食品组学定位为农食系统转型的战略组成部分。然而，标准化方法的缺乏、可互操作数据框架的缺失，以及可及性和可扩展性方面的挑战，目前限制了以应对全球挑战所需规模进行食品组学数据的生成和整合。在此，研究人员探讨了食品组学作为一种基于系统的框架在连接作物育种、环境互作、食品加工和健康结果方面的潜力，并考虑了实现其对面向“同一健康”作物改良做出贡献所需的进展。
1. 引言
农食系统在支持健康饮食方面正面临日益严峻的挑战，这一局面由一系列全球危机驱动，包括慢性疾病、水和粮食不安全，以及供应和贸易的中断。COVID-19大流行期间供应链崩溃的后果表明，粮食系统极其脆弱，甚至有人称之为“破碎的”系统。与此同时，世界正面临隐性饥饿和与饮食相关的心血管代谢疾病（CMDs）的大流行，如糖尿病和脂肪肝。CMDs威胁着公共卫生和经济稳定，93%的美国成年人处于风险之中，并造成每年4.1万亿美元的经济负担。此外，与饮食相关的健康问题占全球农食系统隐性成本的70%。在人类健康之外，农食系统还对地球健康构成威胁，因为不可持续的集约化作物生产和农业生物多样性的下降显著加剧了农业生态系统的退化。这些相互关联的影响凸显了“同一健康”框架内更广泛的危机，其中人类、动物和环境的健康日益受到威胁。
作物育种代表了一个改善粮食供应营养质量的具体机会。然而，当前农食系统中的许多问题可追溯到作物育种历史上对产量和最大化生产以满足快速增长人口的卡路里需求的关注。所谓的“巨型品种”，即在跨越多个国家和大陆的广阔区域种植的遗传上统一的作物品种，已经主导了全球农业景观。现代育种中对少数优良亲本的依赖侵蚀了作物生产的遗传基础。这种侵蚀因不鼓励异质品种的监管框架以及为标准化、统一原料而优化的食品工业加工系统而进一步加剧。
越来越清楚的是，应对当前农食系统的挑战需要对粮食的生产、加工和消费方式进行根本性变革。全球农食系统与人类和环境健康、经济韧性和农村活力 deeply 相互关联，需要反映“同一健康”原则的协调、系统级方法。鉴于这些挑战的规模和复杂性，可能需要变革性的“登月”式举措，并辅以持续的科学承诺、跨部门合作以及与所要解决问题规模相称的投资。
应对这些挑战需要建立一个连接农业、食品成分和“同一健康”结果的综合性科学框架。食品组学提供了这样一个框架。在此，我们将食品组学定义为组学技术的整合应用，以表征食品的分子组成，并追踪食品来源分子如何通过生产、加工、消化、微生物组介导的代谢和宿主生理过程被塑造和转化。而传统的代谢组学通常表征特定生物学样本或系统内的代谢物谱，食品组学则延伸至这些相互关联的领域，将作物基因型和环境互作与下游生物学功能联系起来，以生成功能分子表型。
在本综述中，研究人员认为这些分子表型提供了作物育种与“同一健康”结果之间缺失的一环。通过用食品组成和下游生物学反应的直接测量来补充基因组和常规表型组数据，食品组学可以提供将育种目标更直接地与食品质量、营养价值和健康相关结果联系起来的选择标准。虽然本文强调的示例主要聚焦于人类和环境健康，但同一框架可以通过作物组成和生产实践对饲料质量和农业生态系统互作的影响来涵盖动物健康。
首先，研究人员追溯了作物育种的历史，并审视了其传统关注点如何导致当前农食系统中生物多样性的丧失。然后，探讨了新兴的食品组学技术及其拓宽作物改良范围的潜力。最后，考虑了如何在整个育种流程中整合食品组学技术，从预育种种质资源表征和性状发现，到选择和选择后验证，以补充基因组和表型组方法，并支持开发具有改进营养质量和环境性能的作物。
2. 探讨工业农业对生物多样性和人类健康的影响
目前，小型家庭农场生产了世界约35%的粮食，而仅1%的农场却控制了全球70%的农田。这种农业用地和生产的集中伴随着作物多样性的更广泛下降，据估计，在过去一个世纪中，先前栽培作物约四分之三的遗传多样性已从农民田间消失，这一过程被称为遗传侵蚀。这种收窄在全球粮食供应中同样明显。尽管存在超过25,000种可食用植物物种，但只有不到350种对全球农食系统有显著贡献，其中仅9种就占植物性粮食生产的66%。
马铃薯是这九种主要作物之一，说明了农业市场中多样性的收窄。尽管全球存在超过5,000个可食用马铃薯品种，但相对较少的市场类别和广泛种植的“巨型品种”（如Russet和yellow）主导了主要产区的生产和贸易。同样，尽管全球存在超过1,000个香蕉品种，但Cavendish品种占全球香蕉产量和市场份额的一半以上。这种单一市场的脆弱性由Gros Michel所证明，它是Cavendish在全球商业生产中的前身，在20世纪中叶毁灭性的尖孢镰刀菌（如巴拿马病）爆发后基本被取代。
森林和牧场向农业用地的转变也与牲畜、传粉媒介和微生物组多样性的下降有关，使农食系统成为全球生物多样性丧失的主要驱动因素。曾被視为最大化生产力所必需的工业化单一种植的长期可持续性正受到越来越多的审视（图1）。作为回应，国际自然保护联盟（IUCN）和国际农业研究磋商组织（CGIAR）等全球组织已发起重大倡议，以保护并重新引入农业生物多样性。然而，恢复韧性并将农业生物多样性整合到粮食系统中仍然是一项重大挑战。
以下为图1说明文字。图1.（上图）混合农业系统生产种类繁多的食物，包括多样的动植物物种，有助于更健康、更营养均衡的饮食。（中图）旨在提高粮食产量的育种策略——如农艺选择、针对特定市场需求的选择，以及选择遗传统一性以支持机械化农业——推动了单一种植农业的兴起。（下图）虽然这些方法通过强化使用农药和化肥提高了产量，但也导致以超加工产品为主导的同质化食品供应。这降低了膳食多样性，并导致营养不良和与饮食相关的慢性代谢疾病（CMDs）发病率上升。食品组学通过识别和选择营养有益性状，同时仍与市场和消费者需求保持一致，为恢复膳食多样性提供了一条途径。
历史上对同质化大规模食品生产的重视也促成了将补贴导向少数高热量、通常低营养食品（如精制谷物和含糖饮料）中广泛使用的作物的政策。作物育种同样强调生产效率，可能收窄了现代农食系统中可获得的营养素、植物化学物质和其他生物活性化合物的多样性。图1说明了从多样化、小规模生产向以增加产量、更大作物统一性和更多依赖“超加工”和营养有限食品为特征的工业化农业系统的更广泛转变。如今，营养不良涵盖热量和营养素摄入的不平衡，包括营养不足和肥胖。肥胖可能与微量营养素缺乏共存，例如，据报道，约50%有CMDs风险的肥胖个体缺乏维生素A、D、B1、B9和B12，以及铁、钙和镁等必需矿物质。除维生素和矿物质外，纤维和植物化学物质（如花青素、类胡萝卜素）摄入不足也是世界许多人口关注的问题。
膳食多样性现在被广泛认为是饮食质量的重要预测指标，植物性食品提供大量营养素、微量营养素、益生元和植物化学物质的多样组合，共同支持最佳人类健康。然而，膳食多样性的益处不仅仅来自所消费作物物种的数量，还来自这些食物为饮食贡献的分子多样性。作物物种、品种和基因型拥有独特的化学特征，包括植物化学物质、纤维、大量营养素和其他生物活性成分的差异，这些共同定义了独特的食品基质。这些基质影响消化、营养素和植物化学物质的生物利用度及生物活性，同时也塑造与肠道微生物组的相互作用。反过来，食物来源化合物的微生物转化产生代谢物和后生元产物，可差异性地影响宿主代谢、免疫功能和其他生理过程。因此，恢复农食系统中的生物多样性不仅需要增加作物物种多样性，还需要恢复和保存在育种和农业集约化过程中可能已减少的有益代谢物、植物化学物质、益生元和其他功能性食品成分的遗传变异。实现这一目标将需要同时考虑分子组成和农艺表现的作物改良策略。食品组学提供了一种识别和表征这些组成性和功能性重要性状的方法，为将营养质量纳入育种决策提供了新的机会。将此类分子表型整合到作物开发中，因此有助于构建同时促进生物多样性、营养质量和“同一健康”结果的农食系统。
3. 通过作物育种实现环境和营养目标的挑战
在上个世纪，常规作物育种发展为满足不断增长人口的卡路里需求，主要关注产量和抗病性等性状。然而，随着时间的推移，育种目标已扩展到强调更广泛的表现型性状，包括口味和营养价值。虽然先进技术（如杂交育种和高通量表型分析）提高了筛选效率，但跨不同杂交种和环境识别目标表型仍然是一个重大挑战。大规模测序和基因组选择等工具有助于通过提高选择精度来应对其中一些障碍。这些工具能够在早期阶段识别理想后代，无需等待完全成熟即可评估复杂性状。这种优化增强了育种决策，并促进了利用CRISPR等技术跨物种转移基因或等位基因。
一个典型的例子是生物强化研究，如CGIAR的HarvestPlus：生物强化挑战计划。该倡议旨在用必需微量营养素（维生素和矿物质）丰富主粮作物，在过去二十年中在30个国家发布了超过280个生物强化品种。一个值得注意的成功是通过常规和基因组辅助育种提高了热带玉米中原维生素A类胡萝卜素的含量。橙色、富含原维生素A的玉米已被证明是赞比亚农村儿童饮食中β-胡萝卜素的有效来源，并代表了撒哈拉以南非洲农食系统的一个有前景的补充。
这些成功证明了针对特定营养性状进行育种的力量，但也突显了关注预定义微量营养素集合的局限性。基因组辅助育种极大地改善了有利等位基因的识别和选择，然而基因组信息预测的是遗传潜力，而非直接测量最终决定食品营养和功能特性的分子组成。因此，许多生物活性代谢物、植物化学物质、益生元、风味相关化合物和其他功能相关成分在很大程度上仍处于常规育种目标之外。将育种目标从单一营养素扩展到涵盖更广泛的食品分子表型，因此代表了作物改良的一个重要机会。食品组学可以通过直接表征将遗传变异与食品质量、功能性和下游健康相关结果联系起来的组成性状来支持这一转变。
这些局限性不仅限于性状选择，还延伸到育种流程的最后阶段，即品种审定程序，其通过偏爱统一、稳定和高产的品种可能进一步限制多样性。此类要求导致了正式发布品种组合的逐步同质化，并可能不利于遗传异质材料，包括传统品种混合物和通过进化育种计划开发的群体。尽管这些材料可能为膳食多样性、产量稳定性和适应能力提供益处，但它们通常不符合围绕遗传和表型统一品种设计的常规监管要求。因此，育种和发布计划可能优先考虑表型统一性而非组成多样性，限制了开发和部署具有更广泛营养和功能性状的品种的机会。
尽管现代育种和生物强化取得了成功，但同时优化营养品质、风味、环境适应性和农艺表现仍然在技术上复杂且资源密集。许多这些性状在化学上复杂，对环境有响应，并且难以仅通过常规表型分析捕获，限制了它们在选择中的常规应用。因此，育种计划可能忽略促成风味、纤维含量和生物活性植物化学物质的组成变异。番茄提供了一个充分表征的例子，其中现代品种已丢失与传家宝品种中受重视的风味化合物相关的等位基因。在马铃薯中，淀粉含量、加工品质以及生物活性或抗营养化合物同样代表了需要在农艺表现之外考虑的组成复杂性状。这些例子强调了需要可扩展的分子表型分析方法，以便能够与常规育种目标一起评估多种组成性状。
4. 食品组学：作物育种的变革性方法
食品组学可以在整个作物育种流程中整合，以生成功能分子表型，在品种开发的多个阶段补充基因组和农艺信息（图1）。在预育种阶段，种质资源的分子表征可以揭示组成多样性，并识别可能否则无法检测到的新型营养和功能性状。在选择阶段，分子表型可以与基因组数据整合，以加强性状预测并优先推进育种品系。在验证阶段，食品组学可以评估这些性状在不同环境和生产条件下的稳定性，同时评估加工、消化和下游生物学反应的影响。总之，这些应用将作物改良从预测遗传潜力和常规农艺表现扩展到直接评估影响食品品质、营养价值和生物学功能的分子属性。
作物的化学成分反映了其遗传组成和与环境因素（包括土壤和水分组成、相关微生物组以及肥料和农药施用等管理实践）的相互作用。这些关系是双向的，作物也影响周围的农业生态系统。因此，育种决策可能产生超出作物本身性能的影响，改良品种的引入可能改变生产系统内的生态和社会经济相互作用。这些有害影响类似于人体慢性疾病的进展；最初微妙且难以察觉，直到数年后才以重大后果出现。表征这些基因型×环境关系因此不仅对于理解食品组成变异很重要，而且对于在“同一健康”框架内评估作物改良的更广泛后果也很重要。
收获后过程可进一步改变食品的化学组成。加工范围从最小化准备（如烹饪）到工业加工或特定生物活性化合物的浓缩，每一步都可能改变食物来源分子的丰度、生物利用度或转化（图2）。马铃薯提供了一个有用的例子。基因型在化学组成（包括多酚谱）上存在差异，营养属性也可能随制备方法（如煮 vs. 微波）而变化。总之，基因型×环境互作和收获后转化创造了多个食品组学衍生的分子表型可以为育种决策提供信息的点。
以下为图2说明文字。图2. 食品组学作为一座重要桥梁，连接农食系统中的分子水平相互作用。该方法能够表征不同植物基因型中的生物活性化合物和关键代谢物，及其与环境的双向相互作用。通过捕获食品加工过程中的分子变化，食品组学为食物中存在什么、在体内去向何方以及如何转化提供了独特见解。在临床前和临床研究中，食品组学用于表征食品与微生物组相互作用对健康的影响。食品组学是连接技术，可以在“同一健康”框架内为作物育种提供信息以优化健康结果。
先前的研究说明了可以将这些分子表型纳入育种决策的几种方式（表1）。代谢物连锁遗传作图支持恢复番茄风味相关性状而不影响产量，而代谢组全基因组关联研究（mGWAS）已识别出控制水稻次生代谢物变异的基因组位点，可作为可选择的靶标。在燕麦中，整合代谢组和基因组数据的预测模型改善了种子营养性状跨环境的预测；而在玉米中，非靶向代谢组学分析已表征了籽粒品质化合物的基因型和环境依赖性变异，为未来基于组成的选育提供了基础。
表1. 食品组学整合到作物选择和育种中的示例。
作物 | 食品组学方法 | 靶标性状 | 育种相关结果
番茄 | 代谢物连锁遗传作图（挥发性和糖QTL） | 风味相关挥发物和糖 | 识别风味位点并用于指导在不牺牲产量的情况下恢复风味的育种
水稻 | 代谢组全基因组关联研究（mGWAS） | 次生代谢物（如酚类） | 识别控制代谢物变异的基因组位点作为直接选择靶标
燕麦 | 多组学预测（代谢组学+基因组学） | 种子营养组成 | 与仅基因组数据相比，提高了营养性状跨环境的预测准确性
玉米 | 非靶向代谢组学分析 | 籽粒品质和组成性状 | 表征基因型和环境依赖性代谢物变异，作为基于组成的选育基础
小麦 | 基于代谢物的全基因组关联研究（mGWAS） | 籽粒黄酮含量 | 在42个位点识别出控制黄酮修饰的26个候选基因；其中两个经酶学验证，为黄酮相关品质性状提供了可选择的标记
这些能力转化为作物改良的三个直接应用。首先，在性状发现期间，非靶向分子谱分析可以揭示先前未表征的代谢物、生物活性化合物或组成特征作为候选育种靶标，将选择扩展到常规生物强化中强调的预定义性状之外。其次，在基因型选择期间，分子表型可用于根据营养或功能相关组成对种质进行排序，即使在潜在遗传结构尚未完全解析的情况下也能识别优良品系。第三，在基因型×环境（G×E）评估期间，食品组学可以确定营养和功能性状如何响应生长环境和管理实践，有助于区分组成稳定型性状和高度背景依赖型性状。将这些分子表型与基因组和农艺信息整合，因此创造了从作物遗传变异到食品品质的更直接途径，并为育种者提供了选择能够提供一致营养和功能效益的品种的可操作信息。
虽然基因型、环境和加工方法共同塑造了作物的化学组成，但评估这些组成差异是否能转化为有意义的健康结果需要额外的生物学验证层。营养研究依赖于体外、临床前和临床方法的连续体来评估食物来源化合物的生物活性、代谢和生理效应（图2）。食品组学通过能够全面表征食物消费的分子反应而延伸了这些方法，而非将评估限制在一组有限的常规生物标志物如血糖或胆固醇上。食品组学内的专业领域（如代谢组学、蛋白质组学、糖组学、脂质组学）可以捕获跨多个生物学途径的变化，并帮助解析整个食品基质的成分（包括植物化学物质、纤维和其他生物活性化合物）如何促成生理反应。例如，某些植物化学物质（如黄酮类和花青素）可以调节血糖调节和脂质代谢，而益生元底物的微生物代谢产生后生元生物活性化合物（如短链脂肪酸），进一步修饰宿主生理。通过同时捕获食物来源化合物及其下游微生物和宿主代谢物，食品组学提供了一种追踪组成差异如何影响生物学功能的手段。
这种能力与心血管代谢疾病（CMD）尤其相关，其长期生活方式因素，特别是饮食，促成代谢功能障碍，可能在临床症状出现前数年就发展。因此，检测早期代谢改变可以提供对疾病机制的洞察，识别饮食反应的生物标志物，并揭示在明显疾病发展之前进行干预的机会。食品组学方法可以检测胆汁酸、脂质介质和其他信号分子等代谢物类别中微妙的、饮食反应性变化，这些可能无法通过空腹血糖或低密度脂蛋白胆固醇等标准临床生物标志物捕获。将这些早期代谢特征与特定饮食暴露联系起来，也有助于识别具有相似生物学反应的个体群体。这些信息为精准营养策略奠定了基础，该策略考虑了宿主遗传学、肠道微生物组组成、生命阶段、健康状态和环境暴露的变异，而非仅依赖全人群范围建议。
总之，这些应用将食品组学从表征作物组成扩展到评估育种衍生的组成性状是否能转化为生物学功能和健康相关反应。通过将作物基因型和环境与食品组成、微生物代谢和宿主反应联系起来，食品组学可以提供育种决策与“同一健康”结果之间可测量的联系。然而，在与育种相关规模上实现这一潜力仍然是一个重大的实施挑战。
5. 最大化食品组学在作物育种中的潜力
尽管食品组学正在迅速发展，但若干技术、计算和后勤挑战继续限制其在作物育种中的广泛应用。一个主要障碍是整个分析工作流程中缺乏标准化分析方案，包括样品采集、化学提取、分析数据收集和数据处理。任何这些阶段的变异都会显著影响测量的化学谱，限制跨研究的可重复性和可比性。因此，标准化对于生成能够可靠整合到育种计划中的稳健分子表型至关重要。当食品组学数据与基因组学、转录组学、表型组学和环境数据集结合时，会出现额外挑战。这些异质数据类型在维度、规模、结构上不同，需要专门的统计方法、机器学习方法和生物信息学专业知识来识别生物学上有意义的关系并将其转化为可操作的育种决策。
成本和可扩展性构成了额外障碍。全面的食品组学平台通常依赖昂贵的分析仪器，包括高分辨率质谱、核磁共振波谱，以及大量计算基础设施和技术专长。这些要求可能限制可及性，特别是对于公共部门育种计划和中低收入国家的计划。扩大共享分析设施的访问、降低每样本成本、开发靶向工作流程对于更广泛的实施至关重要。可扩展性同样关键。虽然全面分析对于研究群体是可行的，但育种计划可能需要评估跨多个环境和生长季节的数千个育种品系。将食品组学纳入常规选择将需要高通量、可重复且成本效益高的方法。一个有前景的策略是在发现期间使用全面分析来识别信息丰富的分子性状，然后将这些发现转化为靶向代谢物组合或预测模型，可以在更大规模上部署。
应对这些挑战需要协调努力，以生成、协调和共享跨作物、环境和地理区域的可比较食品组学数据。诸如食品元素周期表倡议（PTFI）等举措为推进标准化方法来综合分析食品组成和扩大可互操作数据集访问提供了框架。然而，仅技术实施并不能确保影响。为了使食品组学有意义地影响作物育种，数据和工具还必须对植物育种者、食品生产者、营养研究人员、行业利益相关者和其他最终用户可访问和可解释。转化也不能以识别营养或功能上优越的作物品种而结束，这些品种还必须为目标人群所接受、可获取和相关。因此，将文化饮食习惯、感官偏好、可负担性和制备要求纳入作物开发和部署将是必不可少的。育种者、分析科学家、营养研究人员、政策制定者、教育者、行业和消费者之间的参与可以帮助确保通过食品组学识别的组成创新转化为食品系统和公共卫生的实际改善。
6. 结论
本综述将食品组学定位为连接作物遗传学和环境互作与食品组成及下游生物学反应的机制框架。通过生成揭示营养和功能相关性状及其潜在遗传和环境驱动因素的分子表型，食品组学可以补充基因组和表型组方法，并将作物改良扩展到营养和“同一健康”结果。
在整个育种流程中整合，食品组学可以支持性状发现、选择和验证，同时将评估扩展到作物本身之外。分子谱分析可以确定基因型、环境和管理如何塑造食品组成，评估理想性状在不同环境和加工条件下的稳定性，并通过体外、临床前和临床研究评估这些性状是否能转化为有意义的生物学反应。通过这种方式，食品组学将育种决策与食品实现中的营养和功能特性联系起来。
实现这一潜力将需要在分析标准化、数据整合、计算基础设施、可及性和可扩展性方面持续取得进展。合作倡议、共享分析资源、可互操作数据平台以及将全面分子分析转化为实用育种工具的工作流程，对于将食品组学从发现导向研究推进到常规实践至关重要。
重要的是，该框架不应被视为从作物育种到人类健康的线性进展，而应被视为一个迭代系统，其中信息在农食连续体的各个阶段流动。来自临床或营养研究的证据可以为育种计划中的性状优先级提供信息，环境研究可以识别影响营养表达和稳定性的基因型×环境互作，加工研究可以揭示理想性状在消费前是否被保留、转化或丢失。这些反馈循环允许根据下游产生的证据不断完善育种目标。将食品组学嵌入这一动态框架中，因此可以实现更知情和依赖语境的作物改良，帮助将育种优先事项与营养品质、环境韧性、消费者需求和更广泛的“同一健康”目标保持一致。
