南繁，在育種科學家心目中是一個近乎神圣，又充滿希翼的詞匯。無論是雜交水稻，還是耐密玉米，或是高油大豆，亦或高產長絨棉，幾乎每一種作物的改良都經歷了南繁的洗禮。
過去的南繁，中國農業科學院的科研人員疲于奔波，匆匆來到海南完成一個生育周期的培育，又匆匆趕回北方栽種下一季，以驗證選種的性狀。
兩年多前，中國農業科學院國家南繁研究院（以下簡稱南繁院）的成立改變了這一切。如今的南繁，新平臺、新基地、新技術、新領域逐一呈現。
在南繁院院長彭軍的設想中，這座位于海南三亞的研究院，最終將成為“南繁硅谷”一樣的地方，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。
野生稻基地：種質創新的平臺
53年前，海南三亞南紅農場，“雜交水稻之父”袁隆平團隊發現了一株雄性不育的野生稻，被稱為“野敗”，打開了雜交水稻的大門。
50年前，我國最早的雜交水稻宣布培育成功。
50年過去，在我國南繁育種核心區海南三亞崖州灣，建起了一座全球最大的野生稻種質資源圃，目前這里活體保存著1萬多份野生稻。
野生稻種質圃建設的發起者中國科學院院士、南繁院研究員錢前介紹，資源圃從2021年開始籌備建設，面積180畝，可容納4萬份野生稻，是全球最大的野生稻種質圃。自建設之初，就同步開始在這里保存野生稻。
錢前在三亞野生稻資源圃。李晨攝
中國是水稻的發源地，海南是水稻的故鄉之一，我國水稻育種中利用最多的“普通野生稻”，在海南就多有發現。尤其是在中國雜交水稻的發展史中，野生稻是不可或缺的力量。
錢前介紹，在人類長期的馴化和選育中，栽培水稻的遺傳基因會出現明顯的同質化，豐富性和多樣性變得匱乏。表面上看，它們的產量更高，甚至品質也更好，但長遠看，它們實際上缺乏應對風險的能力，也缺少大幅度提升的空間。
而野生稻長期生活在自然界，能夠繁衍至今，本身就有很多特殊的本領，比如普通野生稻是匍匐的，結實不多，有落粒問題；而水稻栽培種被馴化選育成直立的株型，從低產變成高產，但抗病性等本領卻丟失了。
“野生稻是中國最古老的稻子，許多野生稻傳承了五千年以上。它們在自然界中經歷風吹雨打，在殘酷的物競天擇中生存了下來，必然有他們獨特的本領。今天的育種家們就是要找到這些獨特之處，變成現在育種的資源和材料。”錢前告訴《中國科學報》。
從上世紀中葉開始，我國科學家就有意搜尋和收集野生稻。錢前介紹，我國在廣西、廣東和云南分別建有野生稻種質圃，同時在國家種質資源庫中，還以種子的形式保存著10萬份水稻資源。待海南三亞的野生稻種質資源圃建成后，將會對上述三個野生稻種質圃進行備份。
“和種子相比，活體野生稻的生物多樣性、遺傳基因豐富性等更好，因此活體保存一直都是最好的保存方法?！卞X前說，但這種保存方法要耗費巨大的人力物力，面對很多不可抗的未知風險。
三亞野生稻種質資源圃面積為180畝，并分為若干功能區域。在這里，野生稻可以實現周年生長，這也帶來了新的保存問題。“有些野生稻我們需要它的種子，就會收集一部分；有些不需要，只是保存資源，就會定期給它們‘理發’，將長高的野生稻剪短，過一段時間它們還會再長起來。”南繁院研究員鄭曉明說，一部分野生稻還被種植在水泥池子中，以防止野生稻通過根系繁殖。
栽種于水泥池子中的野生稻。李晨攝
鄭曉明常年從事野生稻種質資源的搜集、保護和利用工作，圃中有許多材料都是她親自搜集而來的。她說，未來野生稻種質資源圃將實現全程智能化保存、管理、鑒定等，真正成為精準育種的平臺。
表型鑒定：新技術推動育種加速
在南繁研究院作物基因編輯與表型鑒定創新中心（以下簡稱表型中心）大樓外，有一片水稻田。一座5.7米高、21米寬的“龍門架”橫跨在金色的稻田中。稻田四周布設的軌道可以讓“龍門架”自由移動，調控“龍門架”上的設備，可以監測掃描到稻田里任何一個點位。
這就是南繁院的田間“高通量植物表型平臺”，可以搭載十多種監測儀器，監測植物從播種到收獲全周期的表型數據。
“我們之所以在南繁院建設這個表型平臺，是因為海南的氣候條件允許我們在全年的時間段都進行大田表型數據收集和分析，比國內其他地方可利用的時間長很多?！迸碥姼嬖V《中國科學報》。
南繁院作物表型組學研究團隊首席金秀良在接受《中國科學報》采訪時說，表型是指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、花色等。
在農業育種中，鑒定表型是最基礎的工作。所有的育種家都要從田間觀察一株苗開始，記錄它們的每一個特征，如植株高矮、莖稈粗細、節間長短、產量高低等。通過漫長的選擇，在田間千萬個植株中找到最需要的那一株。
高通量植物表型平臺。李晨攝
“比如水稻的穗數、穗粒數等，是作物產量的重要指標，過去怎么得到這些數據呢？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要兩到三個月才能夠得到數據?！苯鹦懔颊f，這制約了育種的效率和精度。
表型鑒定技術的發展為科學家帶來了改變現狀的契機。
金秀良介紹，高通量植物表型平臺可以搭載激光雷達、高光譜相機、深度相機，以及各種傳感器，從作物種植到收獲全周期全天候監測作物生長情況，實時獲得倒伏性狀、抗旱性狀、抗病性狀等數十個指標數據?！靶蔬h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，如籽粒的灌漿情況和飽滿程度?！?/p>
“這幾天臨近收獲季節，學生們都派到全國各地的合作單位去采集作物表型信息了?！苯鹦懔紡娬{，除了利用“龍門架”這種固定設施高速、大量地鑒定作物性狀，表型鑒定技術還可借助無人機、衛星遙感影像等靈活機動地監測任意田塊或果園里的作物生長性狀，從而達到提高育種效率和精度的服務目標。
智慧育種：開辟種業競爭新“戰場”
“智慧育種的核心之一就是表型組學?！苯鹦懔颊f，在分子生物學、基因組學、大數據、人工智能等新技術的不斷加持下，育種正成為數字化、智能化的綜合學科，開辟了一個種業競爭的新“戰場”。
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。在表型鑒定創新中心，一個20多人的“智慧化數字化南繁技術團隊”正在進行農業信息化的研究。
團隊成員賀子康介紹，他們開發了一套覆蓋天地空的物聯網感知與智慧管理系統，可以實時對農田進行環境監測和分析。
“比如蟲情監測，過去依靠人力采集信息，人到地里去拍攝，拿回來分析，至少要一天。但通過我們的物聯網系統，一張實時的照片傳到后方，人工智能在很短的時間內就可以通過算法進行分析和判斷，并給出參考結論?！辟R子康說。
該團隊成員趙鴻鑫介紹，“布設在地里的傳感器有多種類型，比如氣象站、蟲情監測儀、高清攝像頭、孢子監測儀等，可以全方位地監測農田的變化。”
然而，天空地全程監測的數據，如何幫助育種家們進行選擇？大量的數據如何處理？
在南繁院，來自大數據智能設計育種團隊的一群年輕人，正在為這些數據設計算法和模型。
“通過開發數量遺傳算法，幫助育種家們在眾多的表型數據中挖掘出有價值的遺傳材料資源。通過大數據和人工智能結合，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。”團隊成員何坤輝介紹，“簡單來說，就像是一個解方程的過程，我們把海量的數據代入現成的方程式，包括作物的表型數據、環境參數等，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>
該團隊博士后陳守坤告訴《中國科學報》，他所在的團隊集合了育種、分子生物學、計算機等多個專業的人才，是一個多學科交叉的團隊?！熬秃臀覀儓F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。”
彭軍告訴《中國科學報》，南繁院成立兩年多以來，已經集聚了15個團隊，160多位科研人員，未來，更多領域的研究者在不斷加入南繁院的科研隊伍，智慧育種的未來并不遙遠。
“南繁院更是我國農業科研推進國際合作的橋頭堡，未來將集聚國際優勢創新資源，打造國際種業科技創新高地，促進水稻、玉米、小麥等產業可持續發展，共同維護世界糧食安全?！迸碥娬f。
