2025-08-15 10:38:46
溫室大棚里，一株株番茄藤蔓間，零星能看到黃色的花朵正在綻放。與普通番茄花有雄蕊和雌蕊不同，這里的番茄花雄蕊開裂、花粉敗育，只有雌蕊（柱頭）裸露在外——這是育種中經(jīng)常使用的雄性不育系親本。智能育種機(jī)器人“吉兒”行走其間，精準(zhǔn)地識(shí)別出花朵，機(jī)械臂伸出，輕輕觸碰雌蕊的柱頭，僅需十幾秒，一次雜交授粉就完成了。
這是中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所許操研究員帶領(lǐng)的智能育種攻關(guān)團(tuán)隊(duì)將生物技術(shù)（BT）與人工智能（AI）深度融合，首次提出作物—機(jī)器人協(xié)同設(shè)計(jì)理念的寫照。通過基因編輯重新設(shè)計(jì)作物花型，快速精準(zhǔn)創(chuàng)制“機(jī)器人友好”的結(jié)構(gòu)型雄性不育系，再運(yùn)用深度學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)研制可自動(dòng)巡航雜交授粉的智能育種機(jī)器人“吉兒”，打造“智能機(jī)器人育種工廠”，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異品種的智能快速定制。
這一創(chuàng)新開辟了“BT筑基+AI賦能+機(jī)器人勞作”的智能育種模式，標(biāo)志著我國(guó)率先完成自主產(chǎn)權(quán)的智能機(jī)器人育種閉環(huán)技術(shù)體系構(gòu)建。此舉打破了雜交育種和制種瓶頸，有望大幅降低育種成本、縮短育種周期、提高育種效率。相關(guān)成果已發(fā)布在《細(xì)胞》雜志上。
傳統(tǒng)的雜交育種和制種通常需先對(duì)母本花朵去雄，再將父本花粉涂抹到母本花朵柱頭上，整個(gè)過程依賴熟練工人，要在花朵綻放前的短暫窗口期完成操作。柱頭外露的結(jié)構(gòu)型雄性不育系則可以免除上述操作，一直是雜交育種和制種夢(mèng)寐以求的性狀。
育種機(jī)器人在首農(nóng)翠湖工場(chǎng)的溫室中自動(dòng)巡航雜交授粉
然而，以番茄為例，它屬于柱頭內(nèi)縮的閉合花型，使得全球番茄雜交育種和制種至今仍完全依賴人工進(jìn)行雜交授粉，這項(xiàng)工作的人力成本已占番茄總育種成本的25%以上，僅人工去雄一項(xiàng)就占番茄雜交授粉成本的40%。另一些花型閉合的作物因雜交制種成本過高，至今仍無法利用雜種優(yōu)勢(shì)，大豆就是其中的典型代表。盡管雜交種有30%以上的增產(chǎn)潛力，但大豆花高度閉合，雜交授粉操作極其困難，無法進(jìn)行雜交制種。
許操研究員團(tuán)隊(duì)精準(zhǔn)創(chuàng)制了番茄的結(jié)構(gòu)型雄性不育系，雄蕊花粉敗育，柱頭無須伸長(zhǎng)便可自然外露，在重新設(shè)計(jì)花型的同時(shí)，還不影響番茄果實(shí)產(chǎn)量和種子質(zhì)量。柱頭外露型雄性不育系的產(chǎn)生掃除了人工智能機(jī)器人進(jìn)行雜交授粉操作的最大障礙，使得機(jī)器人代替人工進(jìn)行智能自動(dòng)化雜交育種和制種成為可能。
然而，要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人雜交授粉，還需攻克三重技術(shù)難關(guān)：須有效排除干擾，花朵與葉片、枝條等混在一起，且朝向多變，不僅要識(shí)別出花朵，還要準(zhǔn)確定位花朵方向；識(shí)別精度要高，花朵和柱頭等操作對(duì)象微小，要能夠在復(fù)雜背景下，在毫米級(jí)精度實(shí)時(shí)定位微小的柱頭；操作力度要得當(dāng)，柱頭僅能承受輕柔短暫的觸碰，力度過大會(huì)導(dǎo)致柱頭挫傷、折斷無法坐果。
許操研究員與中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化所的楊明浩副研究員團(tuán)隊(duì)合作，攻克上述技術(shù)難題：用12,800張圖像訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，花朵檢測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)82.0%；運(yùn)用偽雙目測(cè)距策略，通過SURF特征匹配與RANSAC算法計(jì)算柱頭3D坐標(biāo)，使定位誤差控制在7.67 毫米內(nèi)；采用螺旋伺服授粉策略結(jié)合輕量級(jí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，確?；ǚ勰軌驕?zhǔn)確輕柔地遞送至柱頭表面。團(tuán)隊(duì)研發(fā)出的智能授粉機(jī)器人“吉兒”，柱頭識(shí)別準(zhǔn)確率可達(dá)85.1%，每授粉一個(gè)花朵僅耗時(shí)15秒，單次巡航授粉實(shí)現(xiàn)了77.6%±9.4%的成功率，零部件國(guó)產(chǎn)化自主率已達(dá)95%以上。在首農(nóng)翠湖工場(chǎng)商業(yè)化溫室中試運(yùn)行，可以全天候不間斷進(jìn)行反復(fù)巡航雜交授粉，從而確保每朵花成功授粉坐果。
研究人員進(jìn)一步將“吉兒”機(jī)器人與“從頭馴化”育種技術(shù)以及“快速育種”技術(shù)結(jié)合，建立了智能育種工廠，使得近緣野生種的育種利用周期由原來的5年縮短為1年且節(jié)省人工，釋放了作物野生近緣種在提升栽培種抗逆和口感特性的育種潛力，可批量快速培育風(fēng)味濃郁的口感番茄和抗逆豐產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)番茄新種質(zhì)。研究人員將“吉兒”系統(tǒng)應(yīng)用于大豆，成功創(chuàng)制柱頭外露的大豆雄性不育系，可節(jié)省76.2%人工授粉操作時(shí)間。
“運(yùn)用前沿生物技術(shù)精準(zhǔn)創(chuàng)制結(jié)構(gòu)型雄性不育系，柱頭外露的雄性不育花型具備區(qū)別于可育植株的‘表型標(biāo)記’，可以被機(jī)器人準(zhǔn)確識(shí)別，無需使用分子標(biāo)記的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)來鑒定不育系。機(jī)器人可以自動(dòng)完成‘恢復(fù)系’和‘保持系’對(duì)‘不育系’的雜交授粉，以‘機(jī)器人配套’的方式實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)化雜交育種?！痹S操介紹。
《細(xì)胞》雜志審稿人稱贊：“一項(xiàng)令人振奮的創(chuàng)新性突破，通過‘BT+AI’交叉融合解決重大科技問題和產(chǎn)業(yè)難題的典范，具有廣闊的應(yīng)用前景?！痹摮晒芍袊?guó)科學(xué)院遺傳發(fā)育所聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所、上海交通大學(xué)、清華大學(xué)組成的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)聯(lián)合攻關(guān)取得。
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