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中国科学家开创杂交育种AI时代
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番茄是很多人喜爱的蔬菜，不过你可能不知道，1克“高端”番茄种子的售价是黄金价格的5倍，而且主要“贵”在杂交育种流程上。如何让这一过程更加智能高效是全球科学家一直希望解决的难题。中国科学家日前在国际顶级期刊《细胞》上发表的一项番茄育种研究，通过全新的技术手段解决了这个难题。那么，新研究采用的技术能否大范围推广？这一成果对于其他作物的杂交育种又有哪些借鉴意义？我们请中国科学院西南生物多样性中心生物学博士刘耀文来聊一聊。 “成也驯化败也驯化”的番茄 在生物学上，不同的种属或者品种的交配被称为杂交，杂交种的第一代在生长、抗逆、品质、产量等诸多生物学性能方面优于亲本，这种现象就叫作杂种优势。杂交番茄具有产量高、质量好、早熟和抗逆性高等优势，比如，它的产量要比常规品种高出20%至30%。正因如此，目前全球商业化种植的番茄中90%都是杂交番茄品种，占据绝对的市场优势。2024年，番茄杂交种的市值是85.4亿元，预计到2030年这个数字将增至150.5亿元。 前面提到，1克“高端”番茄种子的售价远超黄金，原因是生产杂交番茄种子的成本实在是太高。番茄花的柱头内缩，为闭合花型，更适合自花授粉，想要杂交种就需要人工去除番茄花里的雄蕊，再引入外源花粉进行杂交。可是，番茄花的直径仅1厘米且开花时间不一致，花期又短，必须赶在花粉成熟前操作，人工杂交的劳动量有多大可想而知，一不小心还容易损伤花的其他结构，影响其后续发育。所以，杂交番茄育种的人工成本一直很高，达到了总成本的25%，其中，光是“去雄”这个环节就占据了授粉成本的40%。 为什么会出现这种状况？说起来，是“成也驯化败也驯化”。 原始的番茄花本来是柱头外露的，方便借助昆虫或者风力进行异花授粉，这样的生存策略在野生的自然环境下优缺点兼备，优点是通过杂交实现遗传多样性增强，缺点是授粉成功率容易受到环境因素如恶劣天气、媒介缺乏等影响导致产量不稳定。因此，人类祖先开始驯化番茄的时候，为了让番茄性状一致、降低传粉失败的风险，选择了“闭花授粉”的路子，而由于隔绝了外来花粉，还可以确保子代和亲本性状一致，这种近交策略可以说是当年农业驯化的核心（类似于保证血统的纯粹）。但是，这种策略也阻碍了番茄享受杂种优势，当人们想要实现杂种优势时，就不得不人工“去雄”以实现杂交，成本随之剧增。 现在，科学水平大幅提高并拥有先进的生物技术，于是科学家思考：能否解决这个问题让番茄杂交更加智能高效呢？ 基因编辑成功“定制”杂交优种 要想让番茄杂交更加顺利，需要同时具备两种特点：首先是雄性不育，避免番茄自交；其次是柱头外露，让人工授粉更加便捷。这相当于至少需要实现两种生物性状，难度自然不低。 一朵常见的花通常有4种结构，从外到内依次是萼片、花瓣、雄蕊和心皮，负责这4种结构的决定基因却只有3类。A类基因负责萼片和花瓣的发育，B类基因控制花瓣和雄蕊的发育，C类基因控制雄蕊和心皮的发育。这就是植物遗传发育学领域著名的“ABC模型”。其中，B类基因在花瓣和雄蕊的发育上起着关键性的作用。 中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员许操团队决定对番茄B类基因进行基因操作。他们选定了一个叫作GLO2的基因，该基因属于花器官调控中的B类基因，可以调节花瓣和雄蕊的发育。通过基因编辑，出现了全新的番茄变异株，其雄蕊卷曲开裂且没有交织的绒毛，无法形成雄蕊锥而不能产生可育花粉，实现了雄性不育。同时，由于雄蕊的缩短和弯曲，实现了柱头外露，这就是育种家翘首以盼的“结构型雄性不育系”。 经过后续实验验证，这种基因编辑能够稳定遗传下去，在512个番茄品种中均可以稳定再现，且不影响坐果率、种子质量，至此，科学家成功开发出了柱头外露的雄性不育番茄品系。 智能育种机器人“吉儿”在北京的一个现代化商业温室中进行番茄自动杂交授粉操作 AI赋能机器人授粉更高效 解决了杂交育种植物本身的限制后，科学家期待进一步降低杂交育种的授粉成本。既然人工成本高，能不能用机器人代劳呢？ 想用机器人操作，研究人员需攻克三重技术壁垒。首先是要精准识别花朵。番茄花朵才1厘米大小，且花朵整株各个部位朝着各个方向开放，还可能被叶片、枝条和果实等遮掩。其次是要精准定位柱头来授粉，这对识别的要求更高，精度达毫米级。最后是控制好操作力度，既要实现授粉，又不能损伤柱头，影响坐果。 为了解决这些问题，最新的AI科技派上了用场。许操团队与中国科学院自动化研究所副研究员杨明浩和研究员韩华、上海交通大学教授连文昭、清华大学教授陶建华等合作进行AI训练。他们收集了12800张图像，并在每张图片中标记了边界、分割掩码（让图像中的对象能够从背景中精准分离出来）和所需要授粉的方向。然后，用7680张图像进行深度神经网络训练，通过深度学习模型处理，使AI能够在复杂环境中精准识别花朵，并定位到毫米级的柱头。 解决了精准识别花朵和柱头的难题后，接下来就是设计机器人。机器人授粉面临两个挑战，一个挑战是识别并接近花朵，这需要它能够找到所有成熟的花朵并对不同朝向的花朵精准靠近；另一个挑战是要短暂地接触柱头完成授粉，还得控制好力度不伤害花朵。最终，研究人员设计出一个智能育种机器人“吉儿”（英文缩写为GEAIR，意为基因编辑协同人工智能机器人）。 “吉儿”由多个部分组成：一个移动底座用于在2米间距的番茄行间巡航；一个超宽带定位模块让其可在温室里进行高精度定位、测距和坐标计算；一个RealSense D435i摄像头用来进行图像捕捉和识别；一套授粉设备（包括一个授粉臂、授粉夹爪）精准、轻柔地夹持花粉刷，与柱头接触来完成授粉；一个装花粉的容器。实践表明，智能育种机器人“吉儿”对柱头的识别准确率可达85.1%，每为一朵花授粉仅耗时15秒，效率远高于人类授粉。仅如此，“吉儿”的零部件国产化自主率已达95%以上，很大程度上消除了其在应用上的限制风险。如今，在北京昌平的实验基地和首农集团的现代化农业产业园，“吉儿”已经实现应用。 智能育种模式将成新农业趋势 基因编辑、人工智能和机器人技术的结合是一种范式革新。此次，中国研究团队打造的“生物技术（BT）筑基+AI赋能+机器人（ROBOT）劳作”的智能育种（BAR）模式是一套完整的体系，打通了从基础研究到应用实践的全过程。 中国研究团队还尝试把针对番茄的杂交策略应用到大豆上并获得成功，节省了76.2%的人工授粉操作时间，首次实现大豆雄性不育快速生产制造，有望让我国突破大豆杂交育种的瓶颈，大幅提高单产。同理，其他作物如土豆、茄子、辣椒等或许也可从中获益。随着这项技术的推广，杂交育种迎来新的生机，对于提高国家粮食、蔬菜的产量意义非常。 总之，智能育种（BAR）模式对于植物育种乃至农业应用来说都是一个巨大的突破，而受益于这项研究成果的远不止杂交番茄。未来，这种作物-机器人协同设计的“双向奔赴”将成为新农业的趋势，极大改善农业从育种到生产的过程，让“民以食为天”得到更好的保障。 |
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