機器人育種家“吉兒”給農(nóng)作物“牽紅線”

作物育種通過利用或創(chuàng)造遺傳變異改良農(nóng)藝性狀（農(nóng)作物在生長發(fā)育過程中展現(xiàn)出的生物學(xué)特征），以培育出優(yōu)良農(nóng)作物新品種。簡單來說，就是使用科學(xué)手段讓作物的優(yōu)良基因?qū)崿F(xiàn)優(yōu)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(jié)婚”，然后“生出”更強壯、更高產(chǎn)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(xué)家們做出這樣的設(shè)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(jié)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(guān)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(chǎn)、抗逆、口味佳的番茄種子，熟練工人需要進行大量重復(fù)的人工雜交授粉工作。如此耗時耗力，成本逐年升高，這導(dǎo)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(guī)模利用雜交育種優(yōu)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(guī)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(shù)就可以做到。以控制番茄雄蕊發(fā)育的SlGLO2基因來說，給這個基因動一個“小手術(shù)”，術(shù)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(zhì)量等其他性狀幾乎不會受到影響。

在此想法引導(dǎo)下，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所許操研究員團隊將“改寫”重點放在“只改變雄蕊”。經(jīng)過多年的試驗，團隊發(fā)現(xiàn)，512個不同番茄品種都能通過同一個基因編輯方法實現(xiàn)理想花型的創(chuàng)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(fā)育ABC模型B類多基因編輯，首次成功創(chuàng)制了柱頭外露型大豆雄性不育系。結(jié)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(nóng)作物“優(yōu)生優(yōu)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(xùn)練“吉兒”的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)YOLACT_Orient，經(jīng)過深度學(xué)習(xí)，“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(shù)學(xué)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(shù)據(jù)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(chǎn)化率可達100%，單臺設(shè)備成本低于一名授粉工人一年的工資。這意味著，育種學(xué)家和工人們可以從重復(fù)性的勞動中解脫出來，從事更具創(chuàng)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(xiàn)有栽培種以定制新品種，這樣一來，野生植物的抗病、耐旱、風(fēng)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(shù)結(jié)合：

從頭馴化：綜合應(yīng)用基因組編輯、合成生物學(xué)等現(xiàn)代生物技術(shù)，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(yōu)異基因得以充分利用。

育種加速器：通過人工調(diào)控植物生長環(huán)境，縮短植物的生長周期，加速世代交替。

結(jié)合這3項技術(shù)，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(xiàn)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(jīng)在番茄上進行了技術(shù)驗證，可以批量培育出風(fēng)味更濃、抗逆性更強的新種質(zhì)，為解決中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會發(fā)布的2025十大前沿科學(xué)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(xié)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(chǎn)權(quán)的智能機器人育種閉環(huán)技術(shù)體系構(gòu)建，在生物育種范式革新和催生新質(zhì)生產(chǎn)力方面展現(xiàn)了“AI for Science”（人工智能驅(qū)動的科學(xué)研究）的重大應(yīng)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”。“吉兒”的出現(xiàn)意味著，未來雜交育種可能會發(fā)展為“機器人配套”模式。通過基因編輯，讓作物展現(xiàn)出機器人能識別的“表型標記”?；蛟S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(yīng)對氣候變化的強大武器。

“吉兒”的誕生，標志著生物技術(shù)和人工智能的結(jié)合正引領(lǐng)農(nóng)業(yè)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(shù)和人工智能點燃。未來的農(nóng)業(yè)，將有望從基因編輯設(shè)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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