摘要：今年8月，中国科学院遗传与发育生物学研究所许操团队研制世界首台智能育种机器人的相关论文在世界知名期刊发表。这台机器人将生物技术与人工智能技术融合，打破杂交育种和制种瓶颈，有望大幅降低育种成本、缩短育种周期。

许操在农业创新工场的温室里训练机器人

“农为邦本，本固邦宁。”

古人先贤很早以前就诠释了农业生产与安邦定国的密切关系。

“生人不能久生而五谷生之，五谷不能自生而生人生之。”

明代《天工开物》的首篇揭示了作物不能自己生长，需要人类培育、种植的道理，强调了农业生产中“人”的作用。

上世纪70年代，“杂交水稻之父”袁隆平用一粒种子，打破了世界水稻单产纪录，改变了世界。

古往今来，风云万变，但“民以食为天”的古谚永不过时。

“春种一粒粟，秋收万颗子。”一粒种子，浓缩着千万年的历史，也孕育着无尽的未来。

为培育出更完美的种子，我国科学家从未停止探索的脚步。

今年8月，中国科学院遗传与发育生物学研究所许操团队研制世界首台智能育种机器人的相关论文在世界知名期刊发表。这台机器人将生物技术与人工智能技术融合，打破杂交育种和制种瓶颈，有望大幅降低育种成本、缩短育种周期。

梦里花开

“一切都要从一朵小花讲起。”

在中国科学院遗传与发育生物学研究所的试验田里，一株番茄绽放着黄色的花朵。绿叶间，嫩黄的花瓣舒展地微微翘起，露出了花朵正中央圆锥形的花蕊。

这个小小的“圆锥”，其实是番茄花紧紧“拥抱”在一起的雄蕊以及包裹于其中的雌蕊。

许操解释，番茄花属于典型的“完全花”，在同一朵花中既包含雄蕊又包含雌蕊。雄蕊成熟时释放花粉，散落在雌蕊顶端的柱头上，完成授粉。

小巧而别致的花型，却给番茄的杂交育种和制种工作带来了许多麻烦。

许操介绍，杂交育种是提高作物产量和品质的重要途径。通过将不同亲本的优良基因聚合，后代可产生各取所长、超越双亲的“杂种优势”。“杂交育种通常需先对母本花朵去雄，再将父本花粉涂抹到母本花朵柱头上，整个过程都要在花朵绽放前的短暂时间窗口期完成。”因柱头内缩的闭合花型，番茄杂交育种和制种至今在全球都仍完全依赖人工进行授粉。

2017年，许操结束了海外的科研工作，归国任职于中国科学院遗传与发育生物学研究所。为了研制出具有更强环境适应性的新型作物，他奔波在全国近20个省份的农作物产区，实地勘察情况、深入了解需求。

走访过程中，他听到了许多种植户“倒苦水”：“一粒优质的进口番茄种子，售价已达15至20元，按重量算，价格是黄金的10倍。”

在种植户发愁找不到质优价廉种子的同时，育种专家也有着自己的苦恼——番茄的杂交种已占商品种的90%以上，“杂交授粉的人力成本占番茄总育种成本的25%以上，仅人工去雄一项就占番茄杂交授粉成本的40%。”

该怎么破解自花授粉带来的杂交难题？50多年前，袁隆平院士通过“遗传筛选”的方式，曾给出过答案。

水稻也是“雌雄同体”的作物。上世纪70年代，袁隆平院士科研团队在海南省发现了天然雄性不育的野生稻“野败”。以“野败”为母本培育的杂交水稻，不仅解决了困扰我国千年的饥馑难题，也为全人类解决粮食问题带来福音。

“遗传筛选”的培育方式，有赖于天然雄性不育株的寻得。茫茫稻海，如同大海捞针。身处科技飞速发展的时代，许操希望通过“基因编辑”的方式，交上能够带来巨变的答卷。

柱头外露而雄蕊不育，是育种专家梦寐以求的花型。“最开始，我们希望能够拉长雌蕊、缩短雄蕊，以培育出柱头外露的理想花型。”然而，说起来容易做起来难。要同时改变作物的两个性状，且不对其他性状产生巨大的“不良影响”，操作实在过于复杂。经过大量的试验，仍未能达成目的。

千头万绪之中，许操告诫自己，要遵循“第一性原理”，从最基本、最根本的规律出发思考问题。他决定从植物花器官发育的经典理论——“ABC模型”入手。根据该理论：植物花器官的发育由A、B、C三类基因控制。其中，B类基因的表达决定雄蕊的分化。

如果能通过精准调控B类基因来给雄蕊完美“整形”，不用拉长雌蕊，是不是也能实现柱头外露、雄性不育的目标？

带着疑问和期许，许操带领团队扎进实验室，开始了历时1年的基因编辑实验。

“对基因大删大改会带来不能承受的‘副作用’，比如植物花器官功能完全被破坏而无法结实。”经过反复试探，最终他们确定了保留编码区、精调非编码区的策略。许操解释：非编码区是基因表达的调控区。正是通过对其精准编辑，团队终于培育出了雄蕊卷曲开裂、花粉败育、柱头自然外露的“梦中情花”。

2019年，在遗传与发育生物学研究所旁的温室里，这朵育种家的“梦中情花”悄然绽放。

纤巧的黄色花心，雌蕊的柱头“一枝独秀”地伸展在外，而在它四周，雄蕊“像烫过的卷发”般裂开。育种专家们翘首以盼的、“结构型雄性不育”的花型终于实现了。

许操介绍，这一性状在512个番茄品种中均能稳定再现，且坐果率、种子质量不受影响。同时，他正在率领团队将这一技术应用在更多因自花授粉而存在杂交难题的作物种类上。

“比如大豆。由于花型闭合，大豆曾经一直无法利用杂交优势。如果能攻克杂交难题，全世界的大豆产量将至少有约30%的增长潜力。”许操说。

许操透露，不久前，第一朵柱头外露的大豆花已在团队位于昌平区北七家镇的试验田里悄然展颜，并成功结出了颗粒饱满的大豆。

梦里花开。每一朵花，似乎都在预言着一个丰盈美好的明天。

铁手拈花

在海淀区翠湖智慧农业创新工场的温室里，一位钢筋铁骨的“农人”穿梭在碧绿的番茄植株间，搜寻着正在开放的花朵，然后精准地伸出机械臂，轻柔地完成授粉……

这位“农人”正是许操团队日前在《细胞》杂志上公布的最新科研成果——全球首台智能育种机器人。

基因编辑技术的突破已经让杂交授粉“困难户”开出了“梦中情花”，大大降低了杂交育种的难度，研发智能育种机器还有必要吗？是不是为了蹭人工智能的“热度”？

项目起步阶段，许操耳边充斥着质疑的声音，但他始终坚定地向前看。

面对大家的疑问，他描绘了这样一幅画面：夏秋时节，番茄花开。在我国西北广阔无垠的番茄制种基地，上万亩田地里，数百万株番茄开着上亿朵花。

每朵花都有自己的开放时间。授粉工人每日逡巡在如海的番茄田，仔细拨开叶片，搜寻着新开放的细小花朵，小心翼翼地手动完成授粉……每个人，都有几十万朵花在等待。

“制种不同于育种，它是将育种后通过验证的优良品种进行规模化种子生产的过程，但它同样需要对作物的花朵进行杂交授粉。”许操介绍，目前，番茄等作物的制种主要依靠人工完成，这不仅是对体力与耐心的双重考验，还受到天气、人力等多种不可控因素的影响。同时，由于工作内容单调、重复，育种、制种相关工作难以获得年轻人的青睐，从业者年龄普遍偏大。

“此前，机器人已经遍布除育种、制种以外的农业生产全流程。如今，完美的柱头外露花型的出现，让机器人育种也成了可能。我想补上最后一块‘拼图’，打造完整的机器人农业生产版图。”许操说，他希望通过研制高度智能化的育种机器人来彻底解放人力，同时吸引更多年轻人加入农业生产。

为此，许操首次提出了作物-机器人协同设计理念。“也就是说，让机器人深度学习重新设计的结构型雄性不育系作物花型，最终达成机器人全流程替代人工育种、制种的目标。”他解释。

许操的想法得到了本所领导的支持，他找来中国科学院自动化所的杨明浩团队合作开展研究。这台机器人拥有一个移动底座，可在2米间距的番茄植株行间巡航。超宽带定位模块让它能在温室里进行高精度定位、测距和坐标计算。摄像头是它的“眼睛”，用来进行图像捕捉和识别。授粉臂、授粉爪夹持花粉刷，与柱头接触来完成授粉。

试验需要让机器人“跑”起来，这在摆满精密仪器、设备的实验室肯定不行。“项目之初，我们的‘试验田’就在科研楼一条较为空旷的走廊里。”纸板圈地、LED灯照明，机器人在其间来回穿梭，许操和团队成员们不舍昼夜地在这片人造“番茄田”间劳作。

“机械臂是一只‘铁手’。番茄花细小，花蕊极为柔弱。找不好力度，很容易戳断纤细的柱头。”为了使具有万钧之力的“铁手”能使出“拈花”的巧劲儿，许操团队不断调整程序，通过深度学习训练机器人。

许操团队一共拍摄了12800多张不同朝向、不同形态、不同遮挡情况的花型图片，训练机器人“按图索骥”地寻找花朵、精准地判断距离、恰到好处地“伸手”授粉。

终于，这只“铁手”练成了刚柔并济的“拈花指”。

目前，智能育种机器人柱头识别准确率可达85.1%，每授粉一个花朵仅耗时15秒，效率远高于人工授粉，单次巡航授粉实现了77.6%±9.4%的成功率。机器人可全天候24小时不间断地反复巡航，自动进行杂交授粉，确保每朵花成功授粉坐果，这极大地提高了生产效率、降低了生产成本。

“一台智能育种机器人的整机成本，远低于一名授粉工人一年的工资，而且它的零部件已达到百分之百国产化。”许操说，希望智能育种机器人的出现，能为我国乃至全球的农业育种带来全新的发展思路。

环境智能

“中国农业农情复杂，北京是最有望率先实现农业现代化的地区。”

许操说，北京有着全国最丰富的科技资源，而土地等资源则相对稀缺。“‘垂直农业’正逐步成为现代农业系统中不可或缺的补充形式。生物技术与人工智能的深度融合，可以为运营成本高、能源消耗大等困境提供破解思路。”他正在北京周边探索打造智能化、立体化、无人化的机器人育种工厂模板。

许操的机器人育种工厂“样板间”面积大约40平方米，生长着上千株番茄，相当于一个标准大小的农业大棚的容量。

在这个“样板间”内，LED灯提供的人造光源，每天照射22小时；上下三层的种植槽内，番茄静默无声，“日夜兼程”地茁壮生长；种植槽间的廊道上，机器人辛勤忙碌着，包办从育种到收获的各个环节；中控室内，大屏幕上显示着传感器反馈的通风、温度、水量、营养等数据，智慧控制系统针对每个情况都会做出自动应对……这个机器人育种工厂“样板间”将番茄的育种节奏从“三年六代”提升至“一年六代”。

除此之外，许操团队还利用植物生理学经典的“源库理论”，找到了不同作物通用的高产稳产快速育种新策略——环境智能型高产-稳产作物育种技术体系。

许操介绍：在全球气候变化的背景下，我国每年因气象灾害导致的粮食减产超过1000亿斤。“实践过程中，我们发现农业减产的重要原因在于农作物很‘敏感’，稍有风吹草动就会影响产量。”比如，高温就可能导致番茄落花落果，玉米秃尖，小麦、水稻秃穗瘪壳……

在许操看来，让作物变得更加“聪明”、皮实、“有自主性”，是解决大规模减产难题的“破局”之道。

“源库理论”是植物光合作用产物分配和作物产量形成的生理学基础，指植物体内碳同化物蔗糖等光合产物从叶片等“源”器官向根、茎、果实、种子等“库”器官运输与分配的过程。

“高温等农业逆境会抑制碳同化物从源器官到库器官的分配，从而造成作物落花落果或籽粒空瘪，这是导致农业灾害减产的主要原因。”许操团队从“源库理论”出发，找到了作物源库关系调控的“枢纽”基因——细胞壁蔗糖转化酶，并为其植入了在植物基因中广泛存在的热响应元件分子开关。“这个‘开关’让作物获得感应温度变化、自动‘扩库畅流’的能力，帮助它自动优化营养分配，保证作物体内各器官‘高温不断供’。”

多年多点单产测试发现：顺境条件下，该技术可使不同番茄产量提高14%至47%，水稻产量提高7%至13%；高温逆境下，该技术可挽回56.4%至100%的番茄产量损失，可挽回41%的稻米产量损失。同时，许操团队也已在大豆、小麦、玉米等作物的育种研究上应用该策略，有望快速培育顺境高产、逆境稳产的新种质。

不久前，这项最新的研究成果也刊发在了世界顶刊《细胞》杂志上。业内专家评论称，“该研究开辟了环境智能精准设计育种新路径，将为突破作物高产稳产育种瓶颈、保障粮食安全提供全新育种策略。”

为作物改造“完美”花型、世界首创智能育种机器人、给作物安上环境智能“开关”……许操说，他的研究在设想之初，时常被同行视为“天方夜谭”。每当这时，两位老师曾说过的话，总是回响在他的耳畔。

许操赴美深造之前，他的导师、我国著名植物分子遗传学家李家洋院士曾叮嘱他：“我国园艺产业规模很大，但育种技术仍相对落后。希望你学成归国，能助力国家填满优质的‘菜篮子’‘果盘子’。”

在美国冷泉港实验室开展科研工作期间，他时常在食堂遇到实验室主任、“DNA之父”詹姆斯·杜威·沃森。年逾九旬的老先生总是提醒这个来自中国的年轻人：“要将眼光放远，要做就做大事。”

受两位巨擘的影响，许操确定了人生的信条：“要搞‘顶天立地’的农业。”

在科研路上，许操始终心无旁骛、笃定前行。曾被旁人视为“天马行空”的设想，在他和团队“脚踏实地”的不懈努力下，一一实现。

许操相信，生物技术+人工智能的“组合拳”很快会走出试验田，走向真正的田间地头，为北京种业之都的航船再添助力之帆。

来源：北京日报客户端