丰收背后，我国育种开启“智慧时代”

9月15日，丰收节前夕，新一轮的南繁即将开启。海南三亚，中国农业科学院国家南繁研究院，即将落成的作物基因编辑与表型鉴定创新中心外，作物表型组学研究团队首席金秀良握着遥控器，再一次调试设备。

5.7米高，21米宽的钢架，横跨在金色的稻田中，仿佛一个小型的“龙门吊”，稻田四周布设的轨道，可以让钢架在田间自由移动，这是我国目前最专业、技术含量最高的田间“高通量植物表型平台”，可以搭载十多种监测仪器，监测植物从播种到收获全周期的表型数据。

“这个设备的安装已经差不多到尾声了，调试期间，还需要遥控器，正式运行后，就可以在电脑上一键操作了。”金秀良说。

育种的基础，先观察作物生长状况

“表型”，一个让普通人似懂非懂的词，它是一个生物可以被观察或鉴定的所有特征，比如人的身高、血型，植物的株高、颜色等。

在农业育种中，鉴定表型是最基础的工作，所有的育种家们，都要从田间观察一株苗开始，记录它们的每一个特征，植株高矮、茎秆粗细、节间长短、产量高低等，通过漫长的时间，在田间千万个植株中，选择各自最需要的那一株。

9月的三亚，即将迎来新一季南繁的高峰，来自全国各地的育种家们，即将带着他们的种子，汇聚到这里，在海南温暖的气候下，加代种植。

很少有人了解，在这里有一群打破了“候鸟”式育种的南繁人，他们来自中国农科院的各个研究所，有多年从事育种的科学家，也有刚刚进入科学领域的研究生，他们常年在三亚的试验田和实验室中，做着最基础的研究，推动着南繁育种的技术模式和育种方式的不断更新。

“育种是一件极其繁杂、漫长的工作，作为育种的基础，表型鉴定也同样存在这样的问题。”金秀良介绍，“比如穗数、穗粒数等，是作物产量的重要指标，过去怎么得到这些数据呢？需要等到收获之后，育种家们拿回去，一项项测量，大量的实验材料，可能需要两到三个月才能够得到数据，所以更多时候，育种家们不但要自己干，还要雇工人帮助一起干。”

有没有一种方法，可以让育种家们最快、最准确地得到他们需要的数据呢？

新技术的发展为他们带来了改变现状的契机。

“我们现在做的工作，可以称为智慧育种，核心之一就是表型组学，此外还有基因组选择、大数据算法等。”金秀良介绍，他身边正在安装调试的“高通量植物表型平台”就是智慧育种的重要工具，“它可以搭载激光雷达、高光谱相机、深度相机、各种传感器，大约有十多种监测设备，从作物种植到收获，全周期全天候监测作物生长情况，实时获得倒伏性状、抗旱性状、抗病性状等数十个指标数据，效率远超人工，还可以做到人做不到的事情，比如搭载多光谱传感器，就可以收集到人眼不可能观察到的性状。”

科技的时代，育种成为综合学科

分子生物学、基因组学、大数据、人工智能……越来越多的科技成果在不断进入育种领域。育种家们的试验田中，不再只有农作物，还多了各种高科技的设备。

类似于“龙门吊”的“高通量植物表型平台”，可以实时监测1000多份实验材料的数十种数据，同时配合安置在田间的监测设备，还可以同步监测温度、湿度、病虫害发生情况，乃至监测到地表之下的土壤结构变化，还有无人机影像、卫星遥感影像等。

“智慧育种中，作物被一个覆盖天空地的监测系统进行全生命周期的监测，这为育种带来了更多可靠和翔实的数据，同时极大地减少了人工投入。”金秀良说，比如穗粒数，一张照片就解决了，机器深度学习之下，还可以得到许多动态发育中的数据，比如种子灌浆速率的变化，这是以前依靠人力不可能做到的。

天空地全程监测的数据，如何帮助育种家们进行选择？大量的数据如何处理？就在新建成的南繁院中，来自大数据智能设计育种团队的一群年轻人，正在为这些数据设计算法和模型。“通过开发数量遗传算法，帮助育种家们在众多的表型数据中，挖掘出有价值的遗传材料资源，通过大数据和人工智能结合，还可以帮助育种家们预测后代的表型，以此为参照，进行育种方案的设计。”团队成员何坤辉介绍，“简单来说，就像是一个解方程的过程，有现成的方程式，我们把海量的数据代入，包括作物本身数据，环境数据等，以此计算出结果，在众多的结果中分析寻找最好的那一种可能。”

团队的另外一名成员陈守坤告诉记者，他所在的团队，集合了育种、分子生物学、计算机等多个专业的人才，是一个多学科交叉的团队，“就和我们团队一样，智慧育种的时代，育种本身就已经成为了一个多学科交叉的领域。”

南繁的硅谷，高科技正盛装登场

2015年，中国农科院棉花研究所副研究员刘记开始了他的南繁生涯，南繁是我国育种领域中重要的一环，利用海南的热带气候特征，在冬季多种一季，加快育种速度。

南繁多年，刘记在这里度过了绝大部分时间，和农田、数据、实验室为伴，从事分子育种的刘记，经历了近年来育种科技的飞速变化。“今天的育种，和过去已经完全不一样了。”

随着现代科技的发展，海南三亚越来越成为我国育种科技的重地，2022年，中国农科院南繁院开始建设，开启了南繁工作实体化的进程。

中国农科院南繁院院长彭军介绍，中国农科院的科学家们，从1959年开始在海南加代育种，半个多世纪以来，在这里建立了12个育种基地，有1000多位育种家们，常年驻扎三亚，在三亚播下一季又一季的种子。

最早开始建设的是表型基地，“表型鉴定是育种的前置条件，表型基地则是生物育种中的重大设施。”彭军介绍，除了配套500亩大田之外，表型基地最主要的设施是两栋实验大楼，大楼中大部分都是实验室，15个创新团队常年驻扎在这里，60多位博士后、近300位研究生在这里学习和实验。

在彭军的设想中，这座位于三亚的南繁研究院，最终将成为“南繁硅谷”一样的地方，这里将集合最顶尖的团队，落地最顶尖的技术，成为未来智慧育种的孵化平台。

“南繁院有三大任务，也可以看作是三期建设，第一是表型设施，配套有一流的作物表型鉴定、基因编辑仪器设备，目前已经接近尾声，即将交付，开始安装和调适设备。”彭军介绍，“表型设施之外，南繁院还有种业创新和生物安全两大任务，也会陆续建设专用实验大楼。但同时，这些工作也一直在开展，比如生物安全方面，南繁院已经完成了农业农村部果品及苗木质量监督检验测试中心等12个功能平台的入驻，还为当地企业提供芒果品质及农药残留技术检测等方面的服务。”

未来的育种，传感器遍布在田间

从人工选育到智慧育种，追求更高产量、更好品质、更强适应性的品种，一直都是育种家们的目标，但育种的方式在不断进步。

在表型鉴定创新中心，一个20多人的“智慧化数字化南繁技术团队”，正在进行农业信息化的研究，这是一个年轻的团队，他们更习惯于使用各种新的设备和技术，去改变传统的育种方式。团队成员贺子康介绍，他们开发了一套覆盖天地空的物联网感知与智慧管理系统，可以实时对农田进行环境监测和分析，“比如虫情监测，过去依靠人力采取，人到地里去拍摄，拿回来分析，至少要一天，但通过我们的物联网系统，一张实时的照片传到后方，很短的时间内，人工智能就可以通过算法进行分析和判断，并给出参考结论。”

在不远的未来，这可能成为育种家们工作的常态，甚至可能进入到普通的农业科研和农业生产中。

今年刚刚考入中国农科院的研究生赵鸿鑫介绍，他入学的第一个课题，就是在田间布设传感器，这些传感器可以实时采集作物的表型信息，并将信息传输到后方，通过算法，由人工智能进行分析和预判，“布设在地里的传感器，有多种类型的，比如气象站、虫情监测仪、高清摄像头、孢子监测仪等，可以全方位地监测农田的变化，而在过去，这些都需要人每天去观察。”

在海南三亚，还有许多年轻人，在做着和他们相类似的工作。陈守坤介绍，他所在的团队有二十多人，平均年龄只有25岁左右，和传统的育种家们相比，他们更善于接受和利用新的技术和知识，并以此一点一点地改变着育种模式。

新技术应用，三十分钟处理数据

中国是农业大国，也是种业大国，2022年11月发布的《中国农业科技论文与专利全球竞争力分析》显示，中国是全球最大的农业专利产出贡献国，并以平均每年18.92%的高增长率逐年增长。

更多领域的研究者们在不断加入科研中，智慧育种的未来并不遥远。

金秀良告诉记者，新技术带来的变化正在进入不同的应用场景，“比如表型鉴定中的株高调查，作物的株高和抗倒伏性状有关，在过去，育种家们要到田地，一株一株测量株高，数百个地块中的测量，是一件艰巨而复杂的工作，但通过田间无人机拍摄，可以一次性获得整个小区域的数据，比人工快四到五倍，而且更准确。我们目前已经开发了相应的软硬件，2023年为北京、陕西的育种企业提供了相应的技术服务，拍张照片，上传到手机APP，30分钟左右就能转化成相应的数据。”

在室内实验室中，新的传感器技术可以做到更多人力难以做到的事情，金秀良介绍，“比如一盆实验作物，通过传感器进行360度扫描，就可以得到这株作物的三维图像，以及相关的形状数据，只要定期扫描，就可以实时更新这些数据。在育种中，实验室培育同样是重要的一环，而这种高通量的数据采集，可以极大地提高实验数据采集的效率。”

在更多人眼无法观测的微观领域，智慧育种技术正在发挥着更重要的作用，“比如基因组配对，我们要选择那些亲本去杂交，才能得到更符合预期的后代？过去依靠的是人的经验，但人工智能配合基因组学，就可以在基因层面作出选择，不仅能帮助育种家筛选出最合适的配对，同时还可以预判杂交后的后代，适合在什么区域种植，而在过去，这样的适应性试验，要在不同的区域进行长时间的种植才能完成。”