氣候變(bian)化日益加劇，作物育(yu)種能否更快、更精準(zhun)？最新的(de)一(yi)項文理交叉學科研究，用三(san)個環(huan)環(huan)相扣的(de)成果(guo)給出了肯定的(de)答案。
這項劍指(zhi)全球糧食(shi)(shi)安全直面(mian)育(yu)種迫切(qie)需(xu)求的(de)研究(jiu)，綜合(he)運用大數據科(ke)學(xue)、植物(wu)科(ke)學(xue)、生命科(ke)學(xue)、農業經濟學(xue)等多學(xue)科(ke)交叉的(de)研究(jiu)方法和(he)數據，提(ti)出(chu)一種新的(de)作物(wu)生態適宜區(qu)劃(hua)分(fen)工具(ju)，識別出(chu)六個非連(lian)續但環境類(lei)型顯著差異的(de)區(qu)域，提(ti)出(chu)三項育(yu)種策略(lve)。這項為育(yu)種家們(men)提(ti)供行動指(zhi)南還可以(yi)優化(hua)糧食(shi)(shi)生產資源配置的(de)成果，近日在Molecular Plant上刊發。
論文在線刊(kan)發（受訪者 供圖）
為了玉米單產水平提升，他們不謀而合
2022年春天的一(yi)個(ge)中午，華(hua)中農(nong)業大(da)學竹苑食(shi)堂的用餐人群中，有兩個(ge)人熱(re)切交流著我國玉(yu)米育(yu)種與生產面(mian)臨(lin)的挑戰。
這次(ci)“午餐會”的發起者，是經(jing)濟(ji)管理學(xue)院副(fu)教(jiao)授(shou)唐川。他主要(yao)(yao)研究(jiu)農(nong)業(ye)資(zi)源與(yu)環境(jing)(jing)經(jing)濟(ji)等，曾(ceng)任國際種(zhong)業(ye)企(qi)業(ye)全球環境(jing)(jing)數據科學(xue)家，主要(yao)(yao)負責作(zuo)物(wu)產(chan)量預測與(yu)環境(jing)(jing)影響分析。應邀赴會的是作(zuo)物(wu)遺傳改良(liang)全國重點(dian)實驗室教(jiao)授(shou)嚴建兵，專注于玉米高(gao)產(chan)高(gao)蛋白宜機收(shou)的科學(xue)研究(jiu)與(yu)應用，彼時正領銜推進交叉科學(xue)研究(jiu)工作(zuo)。
武漢經開區(qu)鄧(deng)南街道撈子湖村，玉米(mi)籽(zi)粒收獲機收割高蛋白玉米(mi)（湖北日報）
唐(tang)川認為，隨著全(quan)球(qiu)氣候(hou)變化愈加顯著，農作(zuo)物生長環境(jing)變得更為復雜(za)和不(bu)確定，在缺乏(fa)深刻理解(jie)目標品種對具(ju)體區(qu)(qu)域(yu)環境(jing)適(shi)應性的(de)前(qian)提下，大規模投(tou)入(ru)玉(yu)米(mi)分子育種資源(yuan)，可(ke)能難以實現(xian)預期的(de)產量(liang)提升(sheng)與(yu)穩定性改進。他說：“從(cong)國(guo)家層(ceng)面進行作(zuo)物育種體系(xi)和糧食生產資源(yuan)的(de)統籌優(you)化，也(ye)離不(bu)開對玉(yu)米(mi)品種與(yu)生態環境(jing)相(xiang)互適(shi)應關系(xi)的(de)定量(liang)評估與(yu)區(qu)(qu)域(yu)劃分。”
嚴建兵一直(zhi)思考玉(yu)米產量提(ti)升問(wen)題，希望在既有(you)的(de)研究(jiu)范式中(zhong)找到創(chuang)新(xin)破題方案，他當即邀請唐川參加玉(yu)米團(tuan)隊課題組例會。隨后的(de)玉(yu)米團(tuan)隊組會上，唐川提(ti)出可以融合農(nong)業環境大數(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)據(ju)分(fen)析技術與(yu)(yu)農(nong)業經(jing)濟學中(zhong)的(de)計量建模方法，構建跨(kua)越(yue)生(sheng)物信息(xi)(xi)與(yu)(yu)環境信息(xi)(xi)的(de)數(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)據(ju)分(fen)析框架，從而實現(xian)對玉(yu)米育種實驗(yan)及區試試驗(yan)數(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)據(ju)、農(nong)業氣象數(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)據(ju)與(yu)(yu)地理信息(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)據(ju)的(de)集成分(fen)析，識別不同玉(yu)米基(ji)因型與(yu)(yu)區域(yu)環境之(zhi)間的(de)適宜耦合關(guan)系，進而精(jing)準劃定(ding)我(wo)國玉(yu)米的(de)生(sheng)態類型適宜種植(zhi)區。
嚴建兵（右(you)二）和(he)團(tuan)隊師生(sheng)在海南南繁基(ji)地（蔣朝(chao)常(chang) 攝(she)）
作(zuo)物遺傳(chuan)改良全國重(zhong)點實驗(yan)室教授郭婷(ting)婷(ting)主(zhu)要研究(jiu)玉(yu)米(mi)(mi)基因型與環境互作(zuo)等，彼時已啟動了一(yi)個(ge)玉(yu)米(mi)(mi)育種區劃觀測點的項目，把30個(ge)玉(yu)米(mi)(mi)品(pin)種種在18個(ge)省份。“不(bu)(bu)謀而合(he)。不(bu)(bu)過唐老師用大數據，而我就(jiu)想實打實地去種玉(yu)米(mi)(mi)。”讓(rang)郭婷(ting)婷(ting)記憶猶新的是，唐川分享(xiang)完(wan)畢，嚴(yan)建兵(bing)表示(shi)：“我們來一(yi)個(ge)從宏觀、中觀到微觀的大跨度科研合(he)作(zuo)吧！”
在嚴建(jian)兵(bing)的組織(zhi)領導下，唐(tang)川與郭婷婷作(zuo)為項目主要執(zhi)行人，正式啟動了研究工作(zuo)。根據課題需要，植物科學(xue)技術學(xue)院教授肖英杰、經濟管理學(xue)院教授李曉云和熊濤等也應邀加(jia)入(ru)項目團隊。“嚴老師(shi)要求快速(su)推進。”唐(tang)川說，大(da)家(jia)每兩周碰面討論一次。
尊(zun)重專(zhuan)業差異，彼(bi)此求同存異盡力融合
“我(wo)的專業(ye)知識可能只允許我(wo)提出解決方(fang)案，但不足以(yi)將(jiang)這項研究的深層內涵和價值充分挖掘出來(lai)。”唐川表(biao)示，糧(liang)食(shi)安全和“三農”問題本身(shen)就(jiu)具有交叉(cha)學(xue)科(ke)屬性，交叉(cha)學(xue)科(ke)融(rong)合是破題的必(bi)然選(xuan)擇，同(tong)時也(ye)能帶來(lai)更(geng)全面的解決思路和方(fang)法。他認(ren)為，這次主(zhu)動尋求多學(xue)科(ke)交叉(cha)融(rong)合，有望實(shi)現基因—環境—經濟之間的有機聯合，彌補單一(yi)學(xue)科(ke)在(zai)理(li)論闡釋與實(shi)踐(jian)應(ying)用上的短板(ban)，推動科(ke)學(xue)問題從局部走向整體、從機理(li)走向政策。
作物遺傳改良全國重點實驗室成立30周年，玉米團隊創新成果之神奇玉米種子展示（周紅桃 攝）
研究期間，項(xiang)目團隊充分(fen)依托多學科(ke)協同合作優勢(shi)，優化了(le)數據基礎與(yu)方法體系建設(she)。其(qi)中(zhong)，肖英(ying)杰(jie)提(ti)(ti)供了(le)長江流域(yu)玉米育種表(biao)型試驗(yan)數據，提(ti)(ti)升(sheng)了(le)研究結果(guo)的(de)廣(guang)泛代表(biao)性與(yu)生物學基礎的(de)科(ke)學性；熊濤圍繞(rao)環(huan)境大數據的(de)處理與(yu)機器(qi)學習方法的(de)集成應用提(ti)(ti)供了(le)系統優化與(yu)技術指導，提(ti)(ti)升(sheng)了(le)模型的(de)預測性能(neng)與(yu)分(fen)析的(de)穩健性；李曉云在研究的(de)總(zong)體架構設(she)計(ji)、結果(guo)的(de)宏觀解讀以(yi)及政策內涵的(de)提(ti)(ti)煉等方面提(ti)(ti)供了(le)重(zhong)要(yao)支(zhi)持。
按照(zhao)計劃，唐川(chuan)前(qian)期帶領(ling)研究(jiu)生(sheng)進行數(shu)(shu)據(ju)收(shou)集(ji)、整(zheng)理(li)、分(fen)析(xi)，在每兩周一次的(de)(de)組(zu)會上(shang)匯報(bao)并討(tao)論。正當他們完成了初步分(fen)析(xi)，以為很快可以結題時(shi)(shi)，郭(guo)婷婷發(fa)現當時(shi)(shi)的(de)(de)數(shu)(shu)據(ju)只(zhi)覆(fu)蓋(gai)了長江流域，不能作為全國范圍(wei)分(fen)析(xi)的(de)(de)依據(ju)。后(hou)來，唐川(chuan)帶領(ling)研究(jiu)生(sheng)王春(chun)萌費(fei)盡(jin)周折拿到了全國玉米(mi)區(qu)(qu)(qu)域試(shi)驗（區(qu)(qu)(qu)試(shi)）數(shu)(shu)據(ju)，生(sheng)成了系統性的(de)(de)電子化(hua)數(shu)(shu)據(ju)表格，其(qi)中覆(fu)蓋(gai)了多個年度、全國范圍(wei)多地(di)區(qu)(qu)(qu)和多品種(zhong)的(de)(de)玉米(mi)區(qu)(qu)(qu)試(shi)表現，為后(hou)續(xu)的(de)(de)大(da)數(shu)(shu)據(ju)分(fen)析(xi)和模型構建提(ti)供了堅實基礎。
為了(le)更好(hao)地理解和推進研究，唐(tang)川花了(le)很(hen)多(duo)(duo)時間去學(xue)(xue)習和了(le)解交叉領(ling)域(yu)(yu)，郭婷(ting)(ting)婷(ting)(ting)也(ye)總是(shi)(shi)慷(kang)慨分享文(wen)(wen)(wen)獻(xian)給(gei)他(ta)。開始著(zhu)手論(lun)文(wen)(wen)(wen)初稿(gao)時，唐(tang)川還(huan)是(shi)(shi)感(gan)受(shou)到了(le)前(qian)所(suo)未有(you)的(de)挑戰，“每寫一句話，我(wo)都要看兩到三(san)篇植物(wu)(wu)科(ke)學(xue)(xue)的(de)文(wen)(wen)(wen)章(zhang)來(lai)印證是(shi)(shi)否論(lun)述正確。”他(ta)說(shuo)(shuo)，一度(du)非常擔心犯(fan)下低(di)級錯誤而(er)影(ying)響多(duo)(duo)方合作。此間，嚴建兵親(qin)自(zi)對(dui)文(wen)(wen)(wen)章(zhang)初稿(gao)進行了(le)兩輪審(shen)稿(gao)并提(ti)了(le)很(hen)多(duo)(duo)具體意見，但唐(tang)川還(huan)是(shi)(shi)覺得自(zi)己對(dui)于很(hen)多(duo)(duo)涉及植物(wu)(wu)科(ke)學(xue)(xue)領(ling)域(yu)(yu)和育種的(de)觀點“如鯁在喉，怎么(me)都提(ti)不出來(lai)。”因此，唐(tang)川主動提(ti)出，希望由(you)郭婷(ting)(ting)婷(ting)(ting)來(lai)操刀修(xiu)改論(lun)文(wen)(wen)(wen)，他(ta)說(shuo)(shuo)：“我(wo)非常希望站(zhan)在自(zi)然(ran)科(ke)學(xue)(xue)家的(de)角度(du)看這個問題(ti)。”
郭婷(ting)婷(ting)在學術合作會議中(zhong)（杜乂旻 攝）
對于以唐川為主要執行人構建的多維環境區劃分（Multi-Dimensional Environment zoning, 簡稱 MDE）并(bing)在全(quan)(quan)國范(fan)圍識別(bie)出(chu)六個非連續但環境類型顯著差異的MDE區域(yu)等成果(guo)及相關(guan)工作，郭婷婷表(biao)示(shi)“充分相信”，“我(wo)把關(guan)的就是(shi)(shi)，他(ta)做出(chu)來的圖別(bie)人能不能看(kan)懂。至(zhi)于(yu)分區之后的育(yu)種策略、成果(guo)價值和意義等內容，唐老師(shi)就完(wan)全(quan)(quan)尊重我(wo)的建(jian)議。”她說，盡管這是(shi)(shi)第一次跟人文(wen)社(she)科學者合作，受(shou)益于(yu)一直堅持廣泛閱讀，所以理(li)解和溝通上(shang)并(bing)沒有太大的障(zhang)礙(ai)，“我(wo)們都(dou)是(shi)(shi)盡力去(qu)融(rong)合”。
教育教學過程中將更加注重學科交叉融合
“讓育種(zhong)更快、更精準，這(zhe)篇論文能夠提(ti)供很(hen)大的幫助。”歷時三年多的研究(jiu)成果終(zhong)于發表，郭婷(ting)婷(ting)最大的感受(shou)是(shi)“踏實”，她說(shuo)：“這(zhe)應該是(shi)我近幾(ji)年來寫得最好的一篇文章了。”而唐川(chuan)也對這(zhe)次合作及所取得的成果，表示(shi)“很(hen)滿意”。
這個(ge)(ge)研究(jiu)打破自1980年以來一(yi)(yi)直沿用至今的中國玉(yu)米種植適宜區(qu)框(kuang)架(jia)，構(gou)建(jian)了一(yi)(yi)套基于(yu)多維環(huan)境(jing)大數據的作物適宜區(qu)劃分(fen)方(fang)法，旨(zhi)在提升區(qu)劃結(jie)果對真實農業生態系統(tong)的反(fan)映能力。該方(fang)法綜(zong)合利(li)用了涵蓋玉(yu)米整個(ge)(ge)生育(yu)期、分(fen)布于(yu)多個(ge)(ge)關鍵生育(yu)階段的環(huan)境(jing)變量數據，總計多達165項環(huan)境(jing)指標(biao)。所使(shi)用的環(huan)境(jing)因子包括氣溫、降(jiang)水(shui)量、光(guang)照(zhao)、氣象極值(zhi)、土壤類型等變量，均與(yu)作物的生長(chang)發育(yu)過程和最終產量具有顯著相關性。
華中農業(ye)大(da)學襄陽黃集千(qian)畝玉米實(shi)驗基地（張建 供圖）
“通過對高時(shi)空分(fen)辨率、多(duo)尺(chi)度環境(jing)因(yin)子的(de)系統(tong)整合與(yu)分(fen)析(xi)，從而實現對生(sheng)態(tai)種植區(qu)(qu)的(de)更精準(zhun)劃分(fen)。”唐川表示，與(yu)傳(chuan)統(tong)依(yi)賴經驗和(he)行政邊界的(de)靜態(tai)區(qu)(qu)劃方(fang)(fang)法相比(bi)，該方(fang)(fang)法從生(sheng)態(tai)環境(jing)本身出發，具(ju)有更強的(de)科學(xue)性(xing)(xing)、代表性(xing)(xing)與(yu)動態(tai)適應能力。基于這個(ge)方(fang)(fang)法，該研究在全國范圍識(shi)別出六個(ge)非(fei)連續但環境(jing)類型(xing)顯著差(cha)異(yi)的(de)MDE區(qu)(qu)域(yu)，并(bing)提出三項基于MDE分(fen)區(qu)(qu)的(de)育(yu)種策略(lve)，以充分(fen)利用MDE分(fen)區(qu)(qu)工具(ju)提升作(zuo)物產量潛力，包括建立(li)代表性(xing)(xing)測(ce)試網絡、精細(xi)化區(qu)(qu)域(yu)育(yu)種目標定制、玉米品種遷移路徑設計(ji)等。
（文章中截圖）
“未(wei)來也許可以做成(cheng)一個基(ji)于(yu)(yu)環境特(te)征(zheng)的分(fen)區(qu)(qu)電(dian)子地(di)圖，真正服(fu)務(wu)于(yu)(yu)智慧農業發展。”唐川表示(shi)，目前已(yi)經有育種(zhong)企(qi)業對于(yu)(yu)研究成(cheng)果感興(xing)趣，后續(xu)還(huan)可以把(ba)分(fen)區(qu)(qu)方法運(yun)用到更多作物，他說：“基(ji)于(yu)(yu)全(quan)球氣候(hou)變化的大背景，我們肯定會(hui)繼續(xu)在(zai)相關領域深挖。”
唐(tang)川（左一）在云南調研設施農業（受訪(fang)者 供圖）
“沒有郭老師(shi)和其他自然科學領域老師(shi)們(men)的(de)(de)幫(bang)助(zhu)，這項(xiang)研(yan)究很可能就沒辦(ban)法順利(li)完(wan)成。”對(dui)(dui)于本次跨(kua)學科合(he)作，唐川認為除(chu)了(le)科研(yan)上的(de)(de)收獲和啟發之外，也(ye)堅定了(le)自己(ji)在今后的(de)(de)教(jiao)育(yu)教(jiao)學過程中更加注(zhu)重學科交叉融(rong)合(he)。“人工智能時代，我們(men)絕對(dui)(dui)不能簡單地把自己(ji)定義為文科生或理科生。”他說，以解決農業問題為例，從具(ju)體(ti)的(de)(de)種(zhong)植、育(yu)種(zhong)，到農業管理和產品銷(xiao)售，都(dou)應該是一個交叉學科綜合(he)知(zhi)識運用的(de)(de)過程。
來(lai)源：MPlant植物科(ke)學等
