科學與健康丨幫助作物“優(yōu)生優(yōu)育”！首臺全流程智能育種機器人來了
科幻的場景，變成現(xiàn)實。11日晚間，全球首臺全流程智能育種機器人“吉兒”（GEAIR）登上國際學術(shù)期刊《細胞》雜志，標志著我國在農(nóng)業(yè)智能育種創(chuàng)新中率先實現(xiàn)生物技術(shù)與人工智能深度融合，農(nóng)業(yè)育種有望從“經(jīng)驗農(nóng)業(yè)”走向“精準工業(yè)”。
打破雜交育種和制種瓶頸
與公眾熟悉的雜交水稻相比，“吉兒”可以運用從頭馴化、育種加速器等新一代育種技術(shù)，實現(xiàn)優(yōu)異品種的快速定制。比如，在大豆育種中，首次實現(xiàn)結(jié)構(gòu)型大豆雄性不育系快速創(chuàng)制，有望突破大豆雜交育種的瓶頸，大幅提高單產(chǎn)。
論文通訊作者、中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所研究員許操表示，這項研究開辟了“生物技術(shù)筑基+人工智能賦能+機器人勞作”的智能育種模式，標志著我國率先完成智能機器人育種閉環(huán)技術(shù)體系構(gòu)建，展現(xiàn)了“人工智能驅(qū)動的科學研究”（AI for science）在生物育種領(lǐng)域的應用前景。
《細胞》雜志審稿人對該研究給予高度評價，稱贊其為一項令人振奮的創(chuàng)新性突破，具有廣闊的應用前景。
圖為“吉兒”智能育種機器人。（科研團隊提供）
“定制化”智能育種
雜交育種如同讓作物“優(yōu)生優(yōu)育”，是提高作物產(chǎn)量品質(zhì)的重要途徑。通過將不同親本的優(yōu)良基因聚合，比如具有抗病性的父本基因和高產(chǎn)量的母本基因，后代可產(chǎn)生各取所長、超越雙親的“雜種優(yōu)勢”。
“雜交育種和制種通常需先對母本花朵去雄，再將父本花粉涂抹到母本花朵柱頭上，整個過程依賴熟練工人在花朵綻放前的短暫窗口期操作。”許操說，雜交育種需要使用不同親本重復這項操作，而雜交制種則使用固定親本大批量重復這項操作，耗時耗力。
以番茄為例，雜交種已占商品種的90%以上，但因柱頭內(nèi)縮的閉合花型，全球番茄雜交育種和制種至今仍完全依賴人工進行雜交授粉，這項工作的人力成本已占番茄總育種成本的25%以上，僅人工去雄一項就占番茄雜交授粉成本的40%。
“更重要的是，一些花型閉合的作物（如大豆）因雜交制種成本過高，至今仍無法利用雜種優(yōu)勢。”許操說，通過基因編輯重塑作物花型，使雄蕊自然開裂敗育、柱頭外露，就像給機器人定制的“接口”，同時通過人工智能視覺識別和先進定位技術(shù)，能夠更好使機器人在作物間穿梭、授粉，提高育種效率。
圖為“吉兒”智能育種機器人。（科研團隊提供）
激發(fā)未來農(nóng)業(yè)無限可能
從袁隆平院士提出水稻“三系配套”的雜交育種技術(shù)路線，到如今我國科研團隊成功打造全流程智能育種機器人“吉兒”……一代代中國科技工作者扎根農(nóng)業(yè)生產(chǎn)一線，用科技突破耕地與自然的限制，在田間地頭收獲創(chuàng)新碩果。
“當生物技術(shù)同人工智能攜手，將激發(fā)無限可能。”論文共同第一作者、中國科學院自動化研究所副研究員楊明浩介紹，未來，這一智能育種新模式有望應用于更多場景和空間。
“比如機器人更加適應密閉環(huán)境操作，這為將來在月球甚至火星上建造溫室提供了育種方案，為在太空中發(fā)展農(nóng)業(yè)奠定了堅實基礎。同時面對可能滅絕的野生作物，快速馴化技術(shù)和智能育種新模式有望成為種質(zhì)資源搶救的新方案。”楊明浩說。
“當機器人能讀懂每一朵花，育種就從‘經(jīng)驗農(nóng)業(yè)’走向‘精準工業(yè)’。”許操表示，只有堅持以創(chuàng)新為引領(lǐng)，向科學要方法、要答案，“中國飯碗”才能端得更穩(wěn)更牢。
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