我國自(zi)主產權智能育種系(xi)統“吉兒(er)”問(wen)世
來源：農民日報客戶端 作者：安瀾 2025-08-14 23:07:00
溫室大棚(peng)里，一株(zhu)(zhu)株(zhu)(zhu)番茄(qie)藤蔓間，零星能看到(dao)黃色的花朵(duo)正在綻(zhan)放(fang)。與(yu)普通番茄(qie)花有雄蕊(rui)(rui)和雌(ci)(ci)蕊(rui)(rui)不(bu)同，這(zhe)里的番茄(qie)花雄蕊(rui)(rui)開(kai)裂、花粉敗育(yu)，只有雌(ci)(ci)蕊(rui)(rui)（柱頭(tou)(tou)）裸露在外——這(zhe)是育(yu)種中(zhong)經(jing)常使用的雄性不(bu)育(yu)系親(qin)本。智能育(yu)種機(ji)器人(ren)“吉兒”行走其間，精準地(di)識別出花朵(duo)，機(ji)械臂伸出，輕輕觸碰(peng)雌(ci)(ci)蕊(rui)(rui)的柱頭(tou)(tou)，僅需(xu)十(shi)幾秒，一次雜(za)交授粉就完成(cheng)了。
這是中國科學(xue)(xue)院遺(yi)傳與發育生物(wu)學(xue)(xue)研究所許(xu)操研究員帶領的(de)(de)智(zhi)能育種攻關團隊將生物(wu)技(ji)術（BT）與人(ren)(ren)工(gong)智(zhi)能（AI）深(shen)度融合，首次(ci)提出作物(wu)—機器(qi)(qi)人(ren)(ren)協同設(she)(she)計理念的(de)(de)寫照。通過基(ji)因編輯(ji)重新設(she)(she)計作物(wu)花型，快速精準(zhun)創制(zhi)“機器(qi)(qi)人(ren)(ren)友好”的(de)(de)結構型雄(xiong)性不育系，再(zai)運用深(shen)度學(xue)(xue)習和(he)人(ren)(ren)工(gong)智(zhi)能技(ji)術研制(zhi)可自動(dong)巡航雜交授粉(fen)的(de)(de)智(zhi)能育種機器(qi)(qi)人(ren)(ren)“吉兒”，打造“智(zhi)能機器(qi)(qi)人(ren)(ren)育種工(gong)廠(chang)”，實現(xian)了(le)優異品種的(de)(de)智(zhi)能快速定制(zhi)。
這一創新(xin)開辟了(le)“BT筑基+AI賦能(neng)+機器(qi)人(ren)(ren)勞作”的智(zhi)(zhi)能(neng)育(yu)(yu)(yu)種(zhong)模(mo)式(shi)，標志(zhi)著我(wo)國(guo)率(lv)先完成自主產權(quan)的智(zhi)(zhi)能(neng)機器(qi)人(ren)(ren)育(yu)(yu)(yu)種(zhong)閉環技術體系構(gou)建(jian)。此舉打(da)破了(le)雜交(jiao)育(yu)(yu)(yu)種(zhong)和制種(zhong)瓶(ping)頸(jing)，有望大(da)幅降(jiang)低育(yu)(yu)(yu)種(zhong)成本、縮短育(yu)(yu)(yu)種(zhong)周(zhou)期(qi)、提高育(yu)(yu)(yu)種(zhong)效率(lv)。相關成果已(yi)發(fa)布在《細胞》雜志(zhi)上。
傳統的雜(za)(za)交育(yu)種(zhong)(zhong)和制種(zhong)(zhong)通常需先對母(mu)本(ben)(ben)花(hua)朵(duo)(duo)去(qu)雄(xiong)，再將父(fu)本(ben)(ben)花(hua)粉涂抹到(dao)母(mu)本(ben)(ben)花(hua)朵(duo)(duo)柱頭(tou)上，整個過程依(yi)賴熟練工人(ren)，要在花(hua)朵(duo)(duo)綻放(fang)前的短(duan)暫窗口(kou)期完成(cheng)操(cao)作(zuo)。柱頭(tou)外露的結構型雄(xiong)性不(bu)育(yu)系(xi)則可以免除上述(shu)操(cao)作(zuo)，一直(zhi)是雜(za)(za)交育(yu)種(zhong)(zhong)和制種(zhong)(zhong)夢寐以求的性狀。
育種(zhong)機器人在首農(nong)翠(cui)湖工場的溫(wen)室中自動巡航雜交(jiao)授粉
然而，以番茄為例，它屬于柱頭內縮的閉合花型，使得全球番茄雜交育種和制種至今仍完全依賴人工進行雜交授粉，這項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勢，大豆就是其中的典型代表。盡管雜交種有30%以上的增產潛力，但大豆花高度閉合，雜交授粉操作極其困難，無法進行雜交制種。
許操研究員團隊精準創制了番茄的結構型雄性不育系，雄蕊花粉敗育，柱頭無須伸長便可自然外露，在重新設計花型的同時，還不影響番茄果實產量和種子質量。柱頭外露型雄性不育系的產生掃除了人工智能機器人進行雜交授粉操作的最大障礙，使得機器人代替人工進行智能自動化雜交育種和制種成為可能。
然而，要(yao)實現機器人雜(za)交(jiao)授(shou)粉，還需攻(gong)克三重技(ji)術難關(guan)：須有效排(pai)除干擾，花(hua)朵與葉片(pian)、枝條(tiao)等混(hun)在(zai)一起，且朝(chao)向多變，不僅要(yao)識別出(chu)花(hua)朵，還要(yao)準確(que)定(ding)位花(hua)朵方向；識別精(jing)度要(yao)高(gao)，花(hua)朵和柱頭(tou)等操作對(dui)象微小(xiao)，要(yao)能(neng)(neng)夠在(zai)復雜(za)背景下，在(zai)毫(hao)米級精(jing)度實時(shi)定(ding)位微小(xiao)的柱頭(tou)；操作力度要(yao)得當(dang)，柱頭(tou)僅能(neng)(neng)承受輕柔短暫(zan)的觸碰，力度過大(da)會導致柱頭(tou)挫傷、折斷無法(fa)坐果。
許操研究(jiu)員與(yu)中國科學院自動化(hua)所的楊明浩副研究(jiu)員團隊(dui)合作，攻(gong)克上述技(ji)術難題：用12,800張(zhang)圖像訓練深度學習神(shen)經網絡(luo)模(mo)型，花(hua)朵(duo)檢(jian)測準確(que)(que)率達82.0%；運用偽雙(shuang)目測距策(ce)略(lve)，通過SURF特征匹(pi)配(pei)與(yu)RANSAC算法計算柱頭3D坐標(biao)，使定位誤差控制在(zai)7.67 毫米內(nei)；采用螺旋(xuan)伺服授粉(fen)(fen)(fen)策(ce)略(lve)結合輕量級神(shen)經網絡(luo)，確(que)(que)保花(hua)粉(fen)(fen)(fen)能(neng)夠準確(que)(que)輕柔地遞送至柱頭表面。團隊(dui)研發出的智能(neng)授粉(fen)(fen)(fen)機器(qi)人“吉兒”，柱頭識別準確(que)(que)率可達85.1%，每授粉(fen)(fen)(fen)一(yi)個花(hua)朵(duo)僅耗時15秒，單(dan)次巡航授粉(fen)(fen)(fen)實現了77.6%±9.4%的成功率，零(ling)部件國產化(hua)自主率已達95%以上。在(zai)首農翠湖工(gong)場商業化(hua)溫(wen)室中試運行(xing)，可以全天候不間(jian)斷進(jin)行(xing)反復(fu)巡航雜交授粉(fen)(fen)(fen)，從而確(que)(que)保每朵(duo)花(hua)成功授粉(fen)(fen)(fen)坐果(guo)。
研究人員進一步將(jiang)“吉兒”機器(qi)人與“從頭馴化”育(yu)種(zhong)技術以及“快速育(yu)種(zhong)”技術結合，建立了智能育(yu)種(zhong)工廠，使得近緣野生種(zhong)的(de)(de)育(yu)種(zhong)利(li)用周期由原來的(de)(de)5年(nian)縮短為1年(nian)且節省(sheng)人工，釋放了作(zuo)物(wu)野生近緣種(zhong)在提升栽培種(zhong)抗逆(ni)和(he)口(kou)感特(te)性的(de)(de)育(yu)種(zhong)潛力，可批量快速培育(yu)風味(wei)濃郁的(de)(de)口(kou)感番(fan)茄(qie)和(he)抗逆(ni)豐(feng)產(chan)的(de)(de)優質(zhi)番(fan)茄(qie)新種(zhong)質(zhi)。研究人員將(jiang)“吉兒”系統應用于(yu)大(da)豆(dou)，成功(gong)創制柱頭外露的(de)(de)大(da)豆(dou)雄性不育(yu)系，可節省(sheng)76.2%人工授粉(fen)操(cao)作(zuo)時間。
“運(yun)用前沿生物技術精準創制結(jie)構型雄(xiong)性(xing)不育(yu)(yu)系(xi)(xi)(xi)，柱頭外露的(de)雄(xiong)性(xing)不育(yu)(yu)花(hua)型具備區別于可育(yu)(yu)植株(zhu)的(de)‘表(biao)型標記’，可以(yi)被機(ji)器人準確識(shi)別，無需使用分子標記的(de)生物學(xue)實(shi)(shi)驗來鑒(jian)定不育(yu)(yu)系(xi)(xi)(xi)。機(ji)器人可以(yi)自動完成‘恢復系(xi)(xi)(xi)’和‘保持系(xi)(xi)(xi)’對‘不育(yu)(yu)系(xi)(xi)(xi)’的(de)雜交授(shou)粉，以(yi)‘機(ji)器人配套’的(de)方式實(shi)(shi)現智能自動化雜交育(yu)(yu)種。”許操(cao)介紹。
《細胞》雜志審稿人稱贊：“一項令人振奮的創新性突破，通過‘BT+AI’交叉融合解決重大科技問題和產業難題的典范，具有廣闊的應用前景。”該成果由中國科學院遺傳發育所聯合中國科學院自動化研究所、上海交通大學、清華大學組成的跨學科團隊聯合攻關取得。
