摘要：现代育种的本质，是通过科学手段使作物的优良基因实现优化重组。而杂交育种和制种则是通过人工杂交选育的方式，让不同品种的作物“结亲”，重组优异性状，它们的后代往往会更强壮、更高产，这种现象叫“杂种优势”。但这个过程一点也不轻松。
现代育种的本质，是通过科学手段使作物的优良基因实现优化重组。而杂交育种和制种则是通过人工杂交选育的方式，让不同品种的作物“结亲”，重组优异性状，它们的后代往往会更强壮、更高产，这种现象叫“杂种优势”。但这个过程一点也不轻松。
杂交育种和制种通常需先对母本花朵去雄（去除雄蕊），防止自交授粉，再将父本花粉涂抹到母本花朵柱头上。这工作精细得像绣花，操作人员必须抢在花朵刚刚开放的短暂窗口期完成，否则授粉失败，前功尽弃。
无论是杂交育种（使用不同亲本重复操作）还是杂交制种（使用固定亲本大批量重复操作），这项工作都耗时耗力。正因如此，为了获得一粒高产、抗逆、好吃的作物种子，研究人员需要进行大量的人工杂交授粉。
然而，随着人口老龄化，熟练授粉工人越来越少，人工成本逐年升高。更严重的是，一些增产潜力巨大的作物（如大豆）因为授粉难、成本高，至今无法大规模利用杂种优势，这无疑是农业育种领域的一大挑战。
根据统计，2024年全球杂交种子市场规模达3830亿元，预计到2029年将达到5904亿元[1]。以番茄为例，杂交种已占商品种的90%以上，但因柱头内缩的闭合花型，全球番茄杂交育种和制种至今仍完全依赖人工，这项工作的人工费用已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%[2-4]。大豆杂交种有30%以上的增产潜力，但大豆花高度闭合，杂交授粉操作极其困难，无法进行规模化杂交制种[5]。
于是，科学家们一直在思考：有没有可能让作物自己长出更“适合相亲”的花型，再请一个不知疲倦的机器人来当红娘？
Part.1
柱头外露型雄性不育系
杂交育种和制种的“梦中情花”
杂交育种是现代农业的核心技术之一，杂种优势的利用为提高作物单产、保障粮食安全做出了重大贡献。该技术已在水稻、玉米和小麦等不同作物上取得了巨大成功。
20世纪60年代，李振声院士利用普通小麦与长穗偃麦草进行远缘杂交，成功培育出抗病、高产、优质的小麦新品种“小偃6号”。以此为基础育成的一系列新品种得以大面积推广，获得了显著的增产效果。
20世纪70年代，袁隆平院士基于天然雄性不育的野生稻“野败”，提出水稻“三系配套”的杂交育种技术路线。这项突破将杂种优势理论成功应用于自花授粉的水稻，培育出多个高产杂交水稻品种，为中国杂交水稻的研究与推广奠定了坚实的基础。
随着社会发展，人们对育种效率的要求越来越高，作物花型已经成为限制杂种优势利用、提高育种效率的一大瓶颈。以番茄为例，它的雄蕊像一个“锥形”的小灯笼，雄蕊锥把雌蕊紧紧包裹，几乎不给外来花粉“插足”的机会。大豆更是“铁桶阵”，龙骨瓣紧紧包裹，柱头完全藏在其中，人工授粉不仅耗时，还常常失败(图1)。
对于育种家而言，大家梦寐以求的是一种柱头外露型雄性不育系。它的花粉不育，不能自花授粉；而柱头自然伸出，方便接受外来花粉。这样一来，就不用人工去雄，也不用精细操作授粉，育种效率大大提高。这种“柱头外露型雄性不育系”，是育种家心中的“梦中情花”。
Part.2
生物技术筑基：
基因编辑量身打造理想花型
过去，要得到这样的柱头外露型雄性不育系，只能靠自然变异或大规模诱变筛选，效率极低，几乎是“碰运气”。中国科学院遗传与发育生物学研究所许操研究员带领的智能育种科研团队选择了另一条道路：基因编辑——这是一种可以像“修改文字”一样，在DNA上精准“改字”的工具。
团队瞄准了一个叫GLO2的基因，它控制着番茄雄蕊的发育。研究团队巧妙地在这个基因上动了一个“小手术”，获得了结构变异的基因型。这样，做完“手术”的番茄花雄蕊会开裂卷曲像“烫发”、花粉败育，而柱头自然外露(图2)。令人惊喜地是，其他性状——比如植物株高、开花时间、果实大小和种子质量——几乎不受影响。也就是说，科研人员只改变了“花蕊的发型”，没有动摇整株植物的基础性能。这项技术的普适性也很强。在512个不同番茄品种里，都能通过同一个基因编辑方法实现这种理想花型的创制。
不仅如此，研究团队还把这套策略推广到大豆上。大豆的花原本极难杂交授粉，而通过多基因编辑，首次成功创制了柱头外露型大豆雄性不育系(图2)。结果显示，这种“理想花型”能让人工授粉操作时间减少76.2%，有望快速推动大豆杂交育种和制种。
Part.3
AI赋能：机器人“吉儿”劳作
工业革命通常与农业革命相伴相生，深刻影响性状选择偏好和农业生物育种路径。比如机械工业技术和化工技术促进了宜机收获、宜施肥的半矮秆小麦育种和第一次绿色革命[6]。如今，生物技术与人工智能的结合，正在推动新一轮绿色革命。
有了适合机器操作的花型，接下来的问题是：谁来当这位永不疲倦的授粉工？答案就是——“吉儿”机器人。
“吉儿”的全名是GEAIR，意思是“基因编辑（Genome Editing）+人工智能（AI）+机器人（Robots）”。它是全球首台可以自动巡航、精准授粉的智能育种机器人(图3)。
“吉儿”机器人授粉过程可以分为三步：
找花：科研团队用12,800张图像训练深度学习神经网络YOLACT_Orient，让机器人能够识别花朵并判断柱头的朝向。准确率达82%，单帧分析只需0.06秒。
定位：通过伪双目测距和数学算法（SURF特征匹配RANSAC算法），机器人能在三维空间里精确定位柱头，误差仅7.67毫米。
授粉：使用“螺旋伺服”策略，机械臂轻柔地将花粉递送到柱头表面，既确保授粉成功，又避免损伤柱头。
实验数据显示，“吉儿”的授粉成功率接近80%，单朵花只需15秒，而且可以24小时不停歇地巡航工作。其零部件可实现100%国产化，成本低于一名授粉工人一年的工资。这意味着，我们的育种家和工人们就可以从重复性的劳动中解脱出来从事更具创造性的劳动。
Part.4
智能育种工厂：
“吉儿”+从头驯化+快速育种
“吉儿”可不是单打独斗！团队并不满足于只解决授粉问题。他们进一步把“吉儿”与两项前沿技术结合：
从头驯化（de novo domestication）：综合应用基因组编辑、合成生物学等现代生物技术，把野生近缘种快速改造成适合栽培的新作物。这样一来，野生植物中的抗病、耐旱、风味基因就能迅速被利用[7]。
快速育种（Speed breeding）：通过使用人造光源和人工调控植物生长环境，缩短植物的生长周期，加速世代交替[8]。
结合这三项技术，团队提出了“智能育种工厂（Breeding factory）”模式。在这一全新的育种模式下，可大幅节省人工和时间；传统种植模式下每平方米只能种植3-5株番茄，这里可以种植100株；平时一年只能种2茬，这里可连续种5-6茬；平时依赖大量人工劳作，这里则由“吉儿”机器人全天候自动运行。过去利用野生番茄的基因资源往往需要5年，而现在只要1年就能完成(图4)。
这种模式已经在番茄上获得成功，可批量快速培育风味浓郁的口感番茄和抗逆丰产的优质番茄新种质。为解决中国科协2025十大前沿科学问题“作物野生近缘种在提升栽培种抗逆特性的育种潜力”提供智能育种全新科技方案。
Part.5
协同设计的无限可能
“吉儿”系统的核心思想是作物-机器人协同设计。过去的杂交育种是“多系配套”，比如水稻的“三系法”、“两系法”。而未来，可能会发展成“机器人配套”的杂交育种模式。通过基因编辑，科学家能让植物展现出机器人能识别的“表型标记”，比如柱头外露的花型。这样，机器人不仅能区分不育系和保持系，还能自动完成授粉操作。
许操研究员团队的这一研究开辟了“BT筑基+AI赋能+机器人(Robot)劳作”的智能育种(BAR)模式，标志着我国率先完成自主产权的智能机器人育种闭环技术体系构建，在生物育种范式革新和催生新质生产力方面展现了“AI for Science”的重大应用前景。
这种模式未来可以扩展到辣椒、茄子、马铃薯、棉花、大豆等更多作物。届时，机器人将在温室里穿梭，把作物一代又一代改良得更高产、更美味、更耐逆。或许在不久的将来，不论是让我们“吃好”的番茄酱、豆浆、辣椒酱，还是让我们“穿暖”的长绒棉，这背后都有“吉儿”的一份功劳。它不仅是一台机器人，更是新一轮绿色革命的“冲锋号”！
Part.6
结语
“吉儿”的诞生，标志着生物技术+人工智能的结合正引领农业进入一个全新的时代。如果说第一次绿色革命是依靠化肥和机械化，那么新一轮绿色革命则可能是由生物技术和人工智能点燃。未来的农业，将有望从基因编辑设计作物花型，机器人自动完成授粉，智能育种工厂批量培育新品种开始。
在这样的场景中，育种不再是一项需要耗费数十年的劳动密集型工程，而已成为人工智能驱动的高效协同过程。对每位消费者来说，这意味着更丰富、更美味、更安全的食物和农产品。而对人类社会来说，它更是保障粮食安全、应对气候变化的强大武器。
“吉儿”，正让作物走上智能化的“相亲”之路。
参考文献:
[1] Hybrid Seeds Global Market Report 2025.
[2] Analysis report on the development opportunities and competitive risks in the tomato seed industry in 2024.
[3] Kumar, S., and Singh, P. K. (2005). Mechanisms for hybrid development in vegetables. J. New Seeds. 6, 381-407.
[4] Cheema, D.S., and Dhaliwal, M.S. (2005). Hybrid Tomato Breeding. J. New Seeds. 6, 1-14.
[5] Guard, A.T. (1931). Development of floral organs of the soybean. Bot. Gaz.91, 0097-0102.
[6] Shah, L., Yahya, M., Shah, S.M.A., Nadeem, M., Ali, A., Ali, A., Wang, J., Riaz, M.W., Rehman, S., Wu, W.X., et al. (2019). Improving lodging resistance: Using wheat and rice as classical examples. Int. J. Mol. Sci. 20, 4211.
[7] Li, T.D., Yang, X.P., Yu, Y., Si, X.M., Zhai, X.W., Zhang, H.W., Dong, W.X., Gao, C.X., and Xu, C. (2018). Domestication of wild tomato is accelerated by genome editing. Nat. Biotechnol. 36, 1160-1163.
[8] Watson, A., Ghosh, S., Williams, M.J., Cuddy, W.S., Simmonds, J., Rey, M.D., Hatta, M.A.M., Hinchliffe, A., Steed, A., Reynolds, D., et al. (2018).Speed breeding is a powerful tool to accelerate crop research and breeding. Nat. Plants 4, 23-29.
出品：科普中国
作者：张廷浩、谢跃、许操（中国科学院遗传与发育生物学研究所）
来源：新浪财经