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。”
还没有评论,快来发表第一个评论!