機器人育種家“吉兒”給農作物“牽紅線”

作物育種通過利用或創造遺傳變異改良農藝性狀（農作物在生長發育過程中展現出的生物學特征），以培育出優良農作物新品種。簡單來說，就是使用科學手段讓作物的優良基因實現優化重組。而雜交育種，就是通過人工雜交授粉的方式讓不同作物品種“結婚”，然后“生出”更強壯、更高產的后代。但“亂點鴛鴦譜”，不是所有的作物都樂意接受。于是，科學家們做出這樣的設想：有沒有什么辦法能讓不喜歡“包辦婚姻”的作物自己長出愿意“結婚”的花型？如果再來一個不知疲倦的機器“媒人”，那就更好了！

于是，機器人育種家“吉兒”（GEAIR）誕生了。

人工雜交授粉困境

像番茄和大豆這類自花授粉的作物，生來就不喜歡被強迫安排“婚姻”關系。拿番茄來說，它的雄蕊彼此緊密連接在一起，形成的雄蕊錐將雌蕊包裹在里面。想給番茄進行雜交授粉，需要熟練工人拿著小鑷子，先輕輕依次剝開幼小花蕾的花瓣、雄蕊，再小心翼翼摘掉全部雄蕊，最后給雌蕊蘸上外來花粉——不夸張地說，整個過程比繡花還精細，而且還必須搶在花朵開放前的短暫窗口期完成，一旦授粉失敗，前功盡棄。為了獲得一粒高產、抗逆、口味佳的番茄種子，熟練工人需要進行大量重復的人工雜交授粉工作。如此耗時耗力，成本逐年升高，這導致一些潛力巨大的作物（如大豆）因為授粉難、人工授粉成本過高，至今無法大規模利用雜交育種優勢。

打造育種理想花型

對于育種專家而言，夢寐以求的是柱頭外露型雄性不育系，即雄蕊開裂不育，不會自花授粉；而柱頭則自然伸出，方便接受外來花粉。過去，要得到這樣的柱頭外露型雄性不育系，只能依靠自然變異或大規模誘變篩選，效率極低。

那么有沒有這樣一種工具，能像我們平時在紙上修改文字那樣在DNA上“做修改”呢？基因編輯技術就可以做到。以控制番茄雄蕊發育的SlGLO2基因來說，給這個基因動一個“小手術”，術后的番茄花雄蕊開裂不育，柱頭自然外露。同時，植株株高、開花時間、果實大小和種子質量等其他性狀幾乎不會受到影響。

在此想法引導下，中國科學院遺傳與發育生物學研究所許操研究員團隊將“改寫”重點放在“只改變雄蕊”。經過多年的試驗，團隊發現，512個不同番茄品種都能通過同一個基因編輯方法實現理想花型的創制。不僅如此，研究團隊還將這套方法推廣到大豆上。通過大豆花發育ABC模型B類多基因編輯，首次成功創制了柱頭外露型大豆雄性不育系。結果顯示，這種“理想花型”能讓人工授粉操作時間減少76.2%，大幅提高了大豆雜交育種和制種的可行性。

“吉兒”讓農作物“優生優育”

有了適合機器操作的花型，那誰來當不知疲倦的“媒人”？

機器人育種家“吉兒”（GEAIR）。GEAIR的名字取自基因編輯（Genome Editing）+人工智能（AI）+機器人（Robots），是全球首臺可以自動巡航、精準雜交授粉的智能育種機器人。

“媒人”工作流程

“吉兒”授粉過程分為3步

1

/ 找花 /

用1.28萬張圖像訓練“吉兒”的神經網絡YOLACT_Orient，經過深度學習，“吉兒”能夠識別花朵并判斷柱頭的朝向，單幀分析只需0.06秒，準確率達82%。

2

/ 定位 /

通過偽雙目測距和數學算法（SURF特征匹配與RANSAC算法），“吉兒”能在三維空間里精確定位柱頭，誤差僅7.67mm。

2

/ 授粉 /

“螺旋伺服”讓“吉兒”的機械臂輕柔地將花粉遞送到柱頭表面，避免損傷柱頭。

實驗數據顯示，“吉兒”的授粉成功率接近80%，而且可以全天候不停歇地工作。其零部件國產化率可達100%，單臺設備成本低于一名授粉工人一年的工資。這意味著，育種學家和工人們可以從重復性的勞動中解脫出來，從事更具創造性的工作。

打造智能育種工廠

造出一個不知疲倦的“媒人”不是終點。許操團隊的目標是利用作物野生近緣種，快速改良現有栽培種以定制新品種，這樣一來，野生植物的抗病、耐旱、風味基因就能迅速被利用起來。許操團隊進一步把“吉兒”與兩項前沿技術結合：

從頭馴化：綜合應用基因組編輯、合成生物學等現代生物技術，把野生近緣種快速改造成適合栽培的新作物，讓野生種的優異基因得以充分利用。

育種加速器：通過人工調控植物生長環境，縮短植物的生長周期，加速世代交替。

結合這3項技術，團隊提出智能育種工廠模式。在該育種模式下，過去利用野生種基因資源往往需要5年的時間，而現在只要1年就能完成。

“吉兒”育種策略與智能育種工廠

目前，該模式已經在番茄上進行了技術驗證，可以批量培育出風味更濃、抗逆性更強的新種質，為解決中國科學技術協會發布的2025十大前沿科學問題之一的“作物野生近緣種在提升栽培種抗逆特性的育種潛力”，提供智能育種全新科技方案。

作物-機器人協同的無限可能

該研究開辟了“BT筑基+AI賦能+機器人(Robot)勞作”的智能育種(BAR)模式，標志著我國率先完成擁有自主知識產權的智能機器人育種閉環技術體系構建，在生物育種范式革新和催生新質生產力方面展現了“AI for Science”（人工智能驅動的科學研究）的重大應用前景。

過去雜交育種是“多系配套”，例如水稻的“三系法”“兩系法”?！凹獌骸钡某霈F意味著，未來雜交育種可能會發展為“機器人配套”模式。通過基因編輯，讓作物展現出機器人能識別的“表型標記”。或許在不久的將來，我們餐桌上的食物都離不開“吉兒”的默默工作。對我們來說，有了更豐富、更美味、更安全的食物；對人類社會來說，則是保障糧食安全、應對氣候變化的強大武器。

“吉兒”的誕生，標志著生物技術和人工智能的結合正引領農業進入一個全新的時代。如果說第一次綠色革命是依靠化肥和機械化，那么新一輪綠色革命則可能是由生物技術和人工智能點燃。未來的農業，將有望從基因編輯設計作物花型，機器人自動完成雜交授粉，智能育種工廠批量培育新品種開始。

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