“更多領域的研究者們在不斷加入科研中，智慧育種的未來并不遙遠?！?/span>
9月15日，豐收節(jié)前夕，新一輪的南繁即將開啟。海南三亞，中國農業(yè)科學院國家南繁研究院，即將落成的作物基因編輯與表型鑒定創(chuàng)新中心外，作物表型組學研究團隊首席金秀良握著遙控器，再一次調試設備。
5.7米高，21米寬的鋼架，橫跨在金色的稻田中，仿佛一個小型的“龍門吊”，稻田四周布設的軌道，可以讓鋼架在田間自由移動，這是我國目前最專業(yè)、技術含量最高的田間“高通量植物表型平臺”，可以搭載十多種監(jiān)測儀器，監(jiān)測植物從播種到收獲全周期的表型數(shù)據(jù)。
“這個設備的安裝已經差不多到尾聲了，調試期間，還需要遙控器，正式運行后，就可以在電腦上一鍵操作了?！苯鹦懔颊f。
9月15日，海南三亞中國農科院南繁研究院，正在安裝調試的“高通量植物表型平臺”。新京報記者 周懷宗 攝
育種的基礎，先觀察作物生長狀況
“表型”，一個讓普通人似懂非懂的詞，它是一個生物可以被觀察或鑒定的所有特征，比如人的身高、血型，植物的株高、顏色等。
在農業(yè)育種中，鑒定表型是最基礎的工作，所有的育種家們，都要從田間觀察一株苗開始，記錄它們的每一個特征，植株高矮、莖稈粗細、節(jié)間長短、產量高低等，通過漫長的時間，在田間千萬個植株中，選擇各自最需要的那一株。
9月的三亞，即將迎來新一季南繁的高峰，來自全國各地的育種家們，即將帶著他們的種子，匯聚到這里，在海南溫暖的氣候下，加代種植。
很少有人了解，在這里有一群打破了“候鳥”式育種的南繁人，他們來自中國農科院的各個研究所，有多年從事育種的科學家，也有剛剛進入科學領域的研究生，他們常年在三亞的試驗田和實驗室中，做著最基礎的研究，推動著南繁育種的技術模式和育種方式的不斷更新。
“育種是一件極其繁雜、漫長的工作，作為育種的基礎，表型鑒定也同樣存在這樣的問題?！苯鹦懔冀榻B，“比如穗數(shù)、穗粒數(shù)等，是作物產量的重要指標，過去怎么得到這些數(shù)據(jù)呢？需要等到收獲之后，育種家們拿回去，一項項測量，大量的實驗材料，可能需要兩到三個月才能夠得到數(shù)據(jù)，所以更多時候，育種家們不但要自己干，還要雇工人幫助一起干?！?/p>
9月15日，金秀良在“高通量植物表型平臺”下介紹，新建的設備可以全天候全周期監(jiān)測作物生長和周邊環(huán)境。新京報記者 周懷宗 攝
有沒有一種方法，可以讓育種家們最快、最準確地得到他們需要的數(shù)據(jù)呢？
新技術的發(fā)展為他們帶來了改變現(xiàn)狀的契機。
“我們現(xiàn)在做的工作，可以稱為智慧育種，核心之一就是表型組學，此外還有基因組選擇、大數(shù)據(jù)算法等?！苯鹦懔冀榻B，他身邊正在安裝調試的“高通量植物表型平臺”就是智慧育種的重要工具，“它可以搭載激光雷達、高光譜相機、深度相機、各種傳感器，大約有十多種監(jiān)測設備，從作物種植到收獲，全周期全天候監(jiān)測作物生長情況，實時獲得倒伏性狀、抗旱性狀、抗病性狀等數(shù)十個指標數(shù)據(jù)，效率遠超人工，還可以做到人做不到的事情，比如搭載多光譜傳感器，就可以收集到人眼不可能觀察到的性狀。”
科技的時代，育種成為綜合學科
分子生物學、基因組學、大數(shù)據(jù)、人工智能……越來越多的科技成果在不斷進入育種領域。育種家們的試驗田中，不再只有農作物，還多了各種高科技的設備。
類似于“龍門吊”的“高通量植物表型平臺”，可以實時監(jiān)測1000多份實驗材料的數(shù)十種數(shù)據(jù)，同時配合安置在田間的監(jiān)測設備，還可以同步監(jiān)測溫度、濕度、病蟲害發(fā)生情況，乃至監(jiān)測到地表之下的土壤結構變化，還有無人機影像、衛(wèi)星遙感影像等。
“智慧育種中，作物被一個覆蓋天空地的監(jiān)測系統(tǒng)進行全生命周期的監(jiān)測，這為育種帶來了更多可靠和翔實的數(shù)據(jù)，同時極大地減少了人工投入?！苯鹦懔颊f，比如穗粒數(shù)，一張照片就解決了，機器深度學習之下，還可以得到許多動態(tài)發(fā)育中的數(shù)據(jù)，比如種子灌漿速率的變化，這是以前依靠人力不可能做到的。
9月15日，中國農業(yè)科學院南繁研究院科研人員正在介紹智慧育種相關情況。新京報記者 周懷宗 攝
天空地全程監(jiān)測的數(shù)據(jù)，如何幫助育種家們進行選擇？大量的數(shù)據(jù)如何處理？就在新建成的南繁院中，來自大數(shù)據(jù)智能設計育種團隊的一群年輕人，正在為這些數(shù)據(jù)設計算法和模型?！巴ㄟ^開發(fā)數(shù)量遺傳算法，幫助育種家們在眾多的表型數(shù)據(jù)中，挖掘出有價值的遺傳材料資源，通過大數(shù)據(jù)和人工智能結合，還可以幫助育種家們預測后代的表型，以此為參照，進行育種方案的設計?！眻F隊成員何坤輝介紹，“簡單來說，就像是一個解方程的過程，有現(xiàn)成的方程式，我們把海量的數(shù)據(jù)代入，包括作物本身數(shù)據(jù)，環(huán)境數(shù)據(jù)等，以此計算出結果，在眾多的結果中分析尋找最好的那一種可能?！?/p>
團隊的另外一名成員陳守坤告訴記者，他所在的團隊，集合了育種、分子生物學、計算機等多個專業(yè)的人才，是一個多學科交叉的團隊，“就和我們團隊一樣，智慧育種的時代，育種本身就已經成為了一個多學科交叉的領域?！?/p>
南繁的硅谷，高科技正盛裝登場
2015年，中國農科院棉花研究所副研究員劉記開始了他的南繁生涯，南繁是我國育種領域中重要的一環(huán)，利用海南的熱帶氣候特征，在冬季多種一季，加快育種速度。
南繁多年，劉記在這里度過了絕大部分時間，和農田、數(shù)據(jù)、實驗室為伴，從事分子育種的劉記，經歷了近年來育種科技的飛速變化。“今天的育種，和過去已經完全不一樣了?！?/p>
隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，海南三亞越來越成為我國育種科技的重地，2022年，中國農科院南繁院開始建設，開啟了南繁工作實體化的進程。
中國農科院南繁院院長彭軍介紹，中國農科院的科學家們，從1959年開始在海南加代育種，半個多世紀以來，在這里建立了12個育種基地，有1000多位育種家們，常年駐扎三亞，在三亞播下一季又一季的種子。
中國農科院南繁研究院院長彭軍介紹，和候鳥式的南繁不同，南繁研究院有數(shù)百位科研人員和學生，常年駐扎在海南，進行育種相關的工作。新京報記者 周懷宗 攝
最早開始建設的是表型基地，“表型鑒定是育種的前置條件，表型基地則是生物育種中的重大設施?！迸碥娊榻B，除了配套500畝大田之外，表型基地最主要的設施是兩棟實驗大樓，大樓中大部分都是實驗室，15個創(chuàng)新團隊常年駐扎在這里，60多位博士后、近300位研究生在這里學習和實驗。
在彭軍的設想中，這座位于三亞的南繁研究院，最終將成為“南繁硅谷”一樣的地方，這里將集合最頂尖的團隊，落地最頂尖的技術，成為未來智慧育種的孵化平臺。
“南繁院有三大任務，也可以看作是三期建設，第一是表型設施，配套有一流的作物表型鑒定、基因編輯儀器設備，目前已經接近尾聲，即將交付，開始安裝和調適設備?！迸碥娊榻B，“表型設施之外，南繁院還有種業(yè)創(chuàng)新和生物安全兩大任務，也會陸續(xù)建設專用實驗大樓。但同時，這些工作也一直在開展，比如生物安全方面，南繁院已經完成了農業(yè)農村部果品及苗木質量監(jiān)督檢驗測試中心等12個功能平臺的入駐，還為當?shù)仄髽I(yè)提供芒果品質及農藥殘留技術檢測等方面的服務。”
未來的育種，傳感器遍布在田間
從人工選育到智慧育種，追求更高產量、更好品質、更強適應性的品種，一直都是育種家們的目標，但育種的方式在不斷進步。
在表型鑒定創(chuàng)新中心，一個20多人的“智慧化數(shù)字化南繁技術團隊”，正在進行農業(yè)信息化的研究，這是一個年輕的團隊，他們更習慣于使用各種新的設備和技術，去改變傳統(tǒng)的育種方式。團隊成員賀子康介紹，他們開發(fā)了一套覆蓋天地空的物聯(lián)網感知與智慧管理系統(tǒng)，可以實時對農田進行環(huán)境監(jiān)測和分析，“比如蟲情監(jiān)測，過去依靠人力采取，人到地里去拍攝，拿回來分析，至少要一天，但通過我們的物聯(lián)網系統(tǒng)，一張實時的照片傳到后方，很短的時間內，人工智能就可以通過算法進行分析和判斷，并給出參考結論。”
高通量植物表型平臺，可以搭載十多種不同的監(jiān)測設備，比人工更高效、更準確。新京報記者 周懷宗 攝
在不遠的未來，這可能成為育種家們工作的常態(tài)，甚至可能進入到普通的農業(yè)科研和農業(yè)生產中。
今年剛剛考入中國農科院的研究生趙鴻鑫介紹，他入學的第一個課題，就是在田間布設傳感器，這些傳感器可以實時采集作物的表型信息，并將信息傳輸?shù)胶蠓剑ㄟ^算法，由人工智能進行分析和預判，“布設在地里的傳感器，有多種類型的，比如氣象站、蟲情監(jiān)測儀、高清攝像頭、孢子監(jiān)測儀等，可以全方位地監(jiān)測農田的變化，而在過去，這些都需要人每天去觀察?！?/p>
在海南三亞，還有許多年輕人，在做著和他們相類似的工作。陳守坤介紹，他所在的團隊有二十多人，平均年齡只有25歲左右，和傳統(tǒng)的育種家們相比，他們更善于接受和利用新的技術和知識，并以此一點一點地改變著育種模式。
新技術應用，三十分鐘處理數(shù)據(jù)
中國是農業(yè)大國，也是種業(yè)大國，2022年11月發(fā)布的《中國農業(yè)科技論文與專利全球競爭力分析》顯示，中國是全球最大的農業(yè)專利產出貢獻國，并以平均每年18.92%的高增長率逐年增長。
更多領域的研究者們在不斷加入科研中，智慧育種的未來并不遙遠。
金秀良告訴記者，新技術帶來的變化正在進入不同的應用場景，“比如表型鑒定中的株高調查，作物的株高和抗倒伏性狀有關，在過去，育種家們要到田地，一株一株測量株高，數(shù)百個地塊中的測量，是一件艱巨而復雜的工作，但通過田間無人機拍攝，可以一次性獲得整個小區(qū)域的數(shù)據(jù)，比人工快四到五倍，而且更準確。我們目前已經開發(fā)了相應的軟硬件，2023年為北京、陜西的育種企業(yè)提供了相應的技術服務，拍張照片，上傳到手機APP，30分鐘左右就能轉化成相應的數(shù)據(jù)。”
9月15日，中國農科院南繁院表型基地。新京報記者 周懷宗 攝
在室內實驗室中，新的傳感器技術可以做到更多人力難以做到的事情，金秀良介紹，“比如一盆實驗作物，通過傳感器進行360度掃描，就可以得到這株作物的三維圖像，以及相關的形狀數(shù)據(jù)，只要定期掃描，就可以實時更新這些數(shù)據(jù)。在育種中，實驗室培育同樣是重要的一環(huán)，而這種高通量的數(shù)據(jù)采集，可以極大地提高實驗數(shù)據(jù)采集的效率?！?/p>
在更多人眼無法觀測的微觀領域，智慧育種技術正在發(fā)揮著更重要的作用，“比如基因組配對，我們要選擇那些親本去雜交，才能得到更符合預期的后代？過去依靠的是人的經驗，但人工智能配合基因組學，就可以在基因層面作出選擇，不僅能幫助育種家篩選出最合適的配對，同時還可以預判雜交后的后代，適合在什么區(qū)域種植，而在過去，這樣的適應性試驗，要在不同的區(qū)域進行長時間的種植才能完成。”
