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yexuqing木蟲(chóng)之王 (文學(xué)泰斗)
太陽(yáng)系系主任
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[交流]
中國(guó)科學(xué)家開(kāi)創(chuàng)雜交育種AI時(shí)代
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番茄是很多人喜愛(ài)的蔬菜，不過(guò)你可能不知道，1克“高端”番茄種子的售價(jià)是黃金價(jià)格的5倍，而且主要“貴”在雜交育種流程上。如何讓這一過(guò)程更加智能高效是全球科學(xué)家一直希望解決的難題。中國(guó)科學(xué)家日前在國(guó)際頂級(jí)期刊《細(xì)胞》上發(fā)表的一項(xiàng)番茄育種研究，通過(guò)全新的技術(shù)手段解決了這個(gè)難題。那么，新研究采用的技術(shù)能否大范圍推廣？這一成果對(duì)于其他作物的雜交育種又有哪些借鑒意義？我們請(qǐng)中國(guó)科學(xué)院西南生物多樣性中心生物學(xué)博士劉耀文來(lái)聊一聊。 “成也馴化敗也馴化”的番茄 在生物學(xué)上，不同的種屬或者品種的交配被稱為雜交，雜交種的第一代在生長(zhǎng)、抗逆、品質(zhì)、產(chǎn)量等諸多生物學(xué)性能方面優(yōu)于親本，這種現(xiàn)象就叫作雜種優(yōu)勢(shì)。雜交番茄具有產(chǎn)量高、質(zhì)量好、早熟和抗逆性高等優(yōu)勢(shì)，比如，它的產(chǎn)量要比常規(guī)品種高出20%至30%。正因如此，目前全球商業(yè)化種植的番茄中90%都是雜交番茄品種，占據(jù)絕對(duì)的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。2024年，番茄雜交種的市值是85.4億元，預(yù)計(jì)到2030年這個(gè)數(shù)字將增至150.5億元。 前面提到，1克“高端”番茄種子的售價(jià)遠(yuǎn)超黃金，原因是生產(chǎn)雜交番茄種子的成本實(shí)在是太高。番茄花的柱頭內(nèi)縮，為閉合花型，更適合自花授粉，想要雜交種就需要人工去除番茄花里的雄蕊，再引入外源花粉進(jìn)行雜交。可是，番茄花的直徑僅1厘米且開(kāi)花時(shí)間不一致，花期又短，必須趕在花粉成熟前操作，人工雜交的勞動(dòng)量有多大可想而知，一不小心還容易損傷花的其他結(jié)構(gòu)，影響其后續(xù)發(fā)育。所以，雜交番茄育種的人工成本一直很高，達(dá)到了總成本的25%，其中，光是“去雄”這個(gè)環(huán)節(jié)就占據(jù)了授粉成本的40%。 為什么會(huì)出現(xiàn)這種狀況？說(shuō)起來(lái)，是“成也馴化敗也馴化”。 原始的番茄花本來(lái)是柱頭外露的，方便借助昆蟲(chóng)或者風(fēng)力進(jìn)行異花授粉，這樣的生存策略在野生的自然環(huán)境下優(yōu)缺點(diǎn)兼?zhèn)洌瑑?yōu)點(diǎn)是通過(guò)雜交實(shí)現(xiàn)遺傳多樣性增強(qiáng)，缺點(diǎn)是授粉成功率容易受到環(huán)境因素如惡劣天氣、媒介缺乏等影響導(dǎo)致產(chǎn)量不穩(wěn)定。因此，人類(lèi)祖先開(kāi)始馴化番茄的時(shí)候，為了讓番茄性狀一致、降低傳粉失敗的風(fēng)險(xiǎn)，選擇了“閉花授粉”的路子，而由于隔絕了外來(lái)花粉，還可以確保子代和親本性狀一致，這種近交策略可以說(shuō)是當(dāng)年農(nóng)業(yè)馴化的核心（類(lèi)似于保證血統(tǒng)的純粹）。但是，這種策略也阻礙了番茄享受雜種優(yōu)勢(shì)，當(dāng)人們想要實(shí)現(xiàn)雜種優(yōu)勢(shì)時(shí)，就不得不人工“去雄”以實(shí)現(xiàn)雜交，成本隨之劇增。 現(xiàn)在，科學(xué)水平大幅提高并擁有先進(jìn)的生物技術(shù)，于是科學(xué)家思考：能否解決這個(gè)問(wèn)題讓番茄雜交更加智能高效呢？ 基因編輯成功“定制”雜交優(yōu)種 要想讓番茄雜交更加順利，需要同時(shí)具備兩種特點(diǎn)：首先是雄性不育，避免番茄自交；其次是柱頭外露，讓人工授粉更加便捷。這相當(dāng)于至少需要實(shí)現(xiàn)兩種生物性狀，難度自然不低。 一朵常見(jiàn)的花通常有4種結(jié)構(gòu)，從外到內(nèi)依次是萼片、花瓣、雄蕊和心皮，負(fù)責(zé)這4種結(jié)構(gòu)的決定基因卻只有3類(lèi)。A類(lèi)基因負(fù)責(zé)萼片和花瓣的發(fā)育，B類(lèi)基因控制花瓣和雄蕊的發(fā)育，C類(lèi)基因控制雄蕊和心皮的發(fā)育。這就是植物遺傳發(fā)育學(xué)領(lǐng)域著名的“ABC模型”。其中，B類(lèi)基因在花瓣和雄蕊的發(fā)育上起著關(guān)鍵性的作用。 中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員許操團(tuán)隊(duì)決定對(duì)番茄B類(lèi)基因進(jìn)行基因操作。他們選定了一個(gè)叫作GLO2的基因，該基因?qū)儆诨ㄆ鞴僬{(diào)控中的B類(lèi)基因，可以調(diào)節(jié)花瓣和雄蕊的發(fā)育。通過(guò)基因編輯，出現(xiàn)了全新的番茄變異株，其雄蕊卷曲開(kāi)裂且沒(méi)有交織的絨毛，無(wú)法形成雄蕊錐而不能產(chǎn)生可育花粉，實(shí)現(xiàn)了雄性不育。同時(shí)，由于雄蕊的縮短和彎曲，實(shí)現(xiàn)了柱頭外露，這就是育種家翹首以盼的“結(jié)構(gòu)型雄性不育系”。 經(jīng)過(guò)后續(xù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這種基因編輯能夠穩(wěn)定遺傳下去，在512個(gè)番茄品種中均可以穩(wěn)定再現(xiàn)，且不影響坐果率、種子質(zhì)量，至此，科學(xué)家成功開(kāi)發(fā)出了柱頭外露的雄性不育番茄品系。 智能育種機(jī)器人“吉兒”在北京的一個(gè)現(xiàn)代化商業(yè)溫室中進(jìn)行番茄自動(dòng)雜交授粉操作 AI賦能機(jī)器人授粉更高效 解決了雜交育種植物本身的限制后，科學(xué)家期待進(jìn)一步降低雜交育種的授粉成本。既然人工成本高，能不能用機(jī)器人代勞呢？ 想用機(jī)器人操作，研究人員需攻克三重技術(shù)壁壘。首先是要精準(zhǔn)識(shí)別花朵。番茄花朵才1厘米大小，且花朵整株各個(gè)部位朝著各個(gè)方向開(kāi)放，還可能被葉片、枝條和果實(shí)等遮掩。其次是要精準(zhǔn)定位柱頭來(lái)授粉，這對(duì)識(shí)別的要求更高，精度達(dá)毫米級(jí)。最后是控制好操作力度，既要實(shí)現(xiàn)授粉，又不能損傷柱頭，影響坐果。 為了解決這些問(wèn)題，最新的AI科技派上了用場(chǎng)。許操團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所副研究員楊明浩和研究員韓華、上海交通大學(xué)教授連文昭、清華大學(xué)教授陶建華等合作進(jìn)行AI訓(xùn)練。他們收集了12800張圖像，并在每張圖片中標(biāo)記了邊界、分割掩碼（讓圖像中的對(duì)象能夠從背景中精準(zhǔn)分離出來(lái)）和所需要授粉的方向。然后，用7680張圖像進(jìn)行深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，通過(guò)深度學(xué)習(xí)模型處理，使AI能夠在復(fù)雜環(huán)境中精準(zhǔn)識(shí)別花朵，并定位到毫米級(jí)的柱頭。 解決了精準(zhǔn)識(shí)別花朵和柱頭的難題后，接下來(lái)就是設(shè)計(jì)機(jī)器人。機(jī)器人授粉面臨兩個(gè)挑戰(zhàn)，一個(gè)挑戰(zhàn)是識(shí)別并接近花朵，這需要它能夠找到所有成熟的花朵并對(duì)不同朝向的花朵精準(zhǔn)靠近；另一個(gè)挑戰(zhàn)是要短暫地接觸柱頭完成授粉，還得控制好力度不傷害花朵。最終，研究人員設(shè)計(jì)出一個(gè)智能育種機(jī)器人“吉兒”（英文縮寫(xiě)為GEAIR，意為基因編輯協(xié)同人工智能機(jī)器人）。 “吉兒”由多個(gè)部分組成：一個(gè)移動(dòng)底座用于在2米間距的番茄行間巡航；一個(gè)超寬帶定位模塊讓其可在溫室里進(jìn)行高精度定位、測(cè)距和坐標(biāo)計(jì)算；一個(gè)RealSense D435i攝像頭用來(lái)進(jìn)行圖像捕捉和識(shí)別；一套授粉設(shè)備（包括一個(gè)授粉臂、授粉夾爪）精準(zhǔn)、輕柔地夾持花粉刷，與柱頭接觸來(lái)完成授粉；一個(gè)裝花粉的容器。實(shí)踐表明，智能育種機(jī)器人“吉兒”對(duì)柱頭的識(shí)別準(zhǔn)確率可達(dá)85.1%，每為一朵花授粉僅耗時(shí)15秒，效率遠(yuǎn)高于人類(lèi)授粉。僅如此，“吉兒”的零部件國(guó)產(chǎn)化自主率已達(dá)95%以上，很大程度上消除了其在應(yīng)用上的限制風(fēng)險(xiǎn)。如今，在北京昌平的實(shí)驗(yàn)基地和首農(nóng)集團(tuán)的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園，“吉兒”已經(jīng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。 智能育種模式將成新農(nóng)業(yè)趨勢(shì) 基因編輯、人工智能和機(jī)器人技術(shù)的結(jié)合是一種范式革新。此次，中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)打造的“生物技術(shù)（BT）筑基+AI賦能+機(jī)器人（ROBOT）勞作”的智能育種（BAR）模式是一套完整的體系，打通了從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用實(shí)踐的全過(guò)程。 中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)還嘗試把針對(duì)番茄的雜交策略應(yīng)用到大豆上并獲得成功，節(jié)省了76.2%的人工授粉操作時(shí)間，首次實(shí)現(xiàn)大豆雄性不育快速生產(chǎn)制造，有望讓我國(guó)突破大豆雜交育種的瓶頸，大幅提高單產(chǎn)。同理，其他作物如土豆、茄子、辣椒等或許也可從中獲益。隨著這項(xiàng)技術(shù)的推廣，雜交育種迎來(lái)新的生機(jī)，對(duì)于提高國(guó)家糧食、蔬菜的產(chǎn)量意義非常。 總之，智能育種（BAR）模式對(duì)于植物育種乃至農(nóng)業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)都是一個(gè)巨大的突破，而受益于這項(xiàng)研究成果的遠(yuǎn)不止雜交番茄。未來(lái)，這種作物-機(jī)器人協(xié)同設(shè)計(jì)的“雙向奔赴”將成為新農(nóng)業(yè)的趨勢(shì)，極大改善農(nóng)業(yè)從育種到生產(chǎn)的過(guò)程，讓“民以食為天”得到更好的保障。 |
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