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精准识别花朵、伸出机械臂轻柔完成杂交授粉……温室里,一位“钢筋铁骨”的机器人在花丛中轻盈穿梭,代替工人完成全流程育种工作。
科幻的场景,变成现实。11日晚间,全球首台全流程智能育种机器人“吉儿”(GEAIR)登上国际学术期刊《细胞》杂志,标志着我国在农业智能育种创新中率先实现生物技术与人工智能深度融合,农业育种有望从“经验农业”走向“精准工业”。
打破杂交育种和制种瓶颈
与公众熟悉的杂交水稻相比,“吉儿”可以运用从头驯化、育种加速器等新一代育种技术,实现优异品种的快速定制。比如,在大豆育种中,首次实现结构型大豆雄性不育系快速创制,有望突破大豆杂交育种的瓶颈,大幅提高单产。
论文通讯作者、中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员许操表示,这项研究开辟了“生物技术筑基+人工智能赋能+机器人劳作”的智能育种模式,标志着我国率先完成智能机器人育种闭环技术体系构建,展现了“人工智能驱动的科学研究”(AIforscience)在生物育种领域的应用前景。
《细胞》杂志审稿人对该研究给予高度评价,称赞其为一项令人振奋的创新性突破,具有广阔的应用前景。
“定制化”智能育种
杂交育种如同让作物“优生优育”,是提高作物产量品质的重要途径。通过将不同亲本的优良基因聚合,比如具有抗病性的父本基因和高产量的母本基因,后代可产生各取所长、超越双亲的“杂种优势”。
“杂交育种和制种通常需先对母本花朵去雄,再将父本花粉涂抹到母本花朵柱头上,整个过程依赖熟练工人在花朵绽放前的短暂窗口期操作。”许操说,杂交育种需要使用不同亲本重复这项操作,而杂交制种则使用固定亲本大批量重复这项操作,耗时耗力。
以番茄为例,杂交种已占商品种的90%以上,但因柱头内缩的闭合花型,全球番茄杂交育种和制种至今仍完全依赖人工进行杂交授粉。这项工作的人力成本已占番茄总育种成本的25%以上,仅人工去雄一项就占番茄杂交授粉成本的40%。
“更重要的是,一些花型闭合的作物(如大豆)因杂交制种成本过高,至今仍无法利用杂种优势。”许操说,通过基因编辑重塑作物花型,使雄蕊自然开裂败育、柱头外露,就像给机器人定制的“接口”,同时通过人工智能视觉识别和先进定位技术,能够更好使机器人在作物间穿梭、授粉,提高育种效率。
激发未来农业无限可能
从袁隆平院士提出水稻“三系配套”的杂交育种技术路线,到如今我国科研团队成功打造全流程智能育种机器人“吉儿”……一代代中国科技工作者扎根农业生产一线,用科技突破耕地与自然的限制,在田间地头收获创新硕果。
“当生物技术同人工智能携手,将激发无限可能。”论文共同第一作者、中国科学院自动化研究所副研究员杨明浩介绍,未来,这一智能育种新模式有望应用于更多场景和空间。
“比如机器人更加适应密闭环境操作,这为将来在月球甚至火星上建造温室提供了育种方案,为在太空中发展农业奠定了坚实基础。同时面对可能灭绝的野生作物,快速驯化技术和智能育种新模式有望成为种质资源抢救的新方案。”杨明浩说。
“当机器人能读懂每一朵花,育种就从‘经验农业’走向‘精准工业’。”许操表示,只有坚持以创新为引领,向科学要方法、要答案,“中国饭碗”才能端得更稳更牢。
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