海南三亞崖州區(qū)，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院國(guó)家南繁研究院，一個(gè)5.7米高、21米寬的“龍門(mén)吊”在試驗(yàn)田中緩緩移動(dòng)，根據(jù)科研人員輸入的指令，有序掃描田間的作物。
“龍門(mén)吊”學(xué)名叫軌道式高通量植物表型采集平臺(tái)，沿著布設(shè)的軌道，可以到達(dá)田間任何一個(gè)點(diǎn)位。這塊試驗(yàn)田面積近1.5畝，種著水稻、大豆、玉米、棉花等1000多份育種材料，“龍門(mén)吊”約30秒就可以完成一個(gè)種質(zhì)材料的采集。
“龍門(mén)吊”的核心是一臺(tái)表型采集設(shè)備。“該設(shè)備集成了多光譜等6種高精度的圖像采集傳感器，掃描時(shí)，它們就像6雙‘眼睛’，實(shí)時(shí)采集植物的表型數(shù)據(jù)。”中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院國(guó)家南繁研究院作物表型組學(xué)研究團(tuán)隊(duì)首席專家金秀良說(shuō)，“整個(gè)過(guò)程就像給植物照‘CT’。”
表型是植物可以被觀察或鑒定的特征，包括高矮、莖稈粗細(xì)、節(jié)間長(zhǎng)短、產(chǎn)量高低等。農(nóng)業(yè)育種，觀察、了解作物生長(zhǎng)情況是最基礎(chǔ)的工作。掌握豐富、可靠的表型數(shù)據(jù)，育種家才能通過(guò)篩選，找出所需的育種材料。
為什么要布置高通量植物表型采集設(shè)備？原來(lái)，傳統(tǒng)育種主要靠人工，從株苗開(kāi)始，在田間觀察、記錄成千上萬(wàn)個(gè)植株的每一個(gè)特征，這一過(guò)程效率低，也難以持續(xù)觀測(cè)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。“為了滿足現(xiàn)代育種需求，表型采集必須高效、精準(zhǔn)。”金秀良說(shuō)。
試驗(yàn)田上還盤(pán)旋著一架無(wú)人機(jī)，它不時(shí)變換位置，拍攝作物影像。“無(wú)人機(jī)靈活、覆蓋范圍廣，‘龍門(mén)吊’采集信息精細(xì)、針對(duì)性強(qiáng)，再加上衛(wèi)星遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)，我們能夠全周期、全天候監(jiān)測(cè)作物的生長(zhǎng)情況。”作物表型組學(xué)研究團(tuán)隊(duì)成員李藝超測(cè)算，借助高通量、智能化設(shè)備，表型采集效率是人工方法的4至5倍。
采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析中心，供科研人員查閱、分析和處理。“瞧，這是我們‘拍’的作物三維圖像，一些表型數(shù)據(jù)清晰可見(jiàn)。”金秀良指著電腦屏幕說(shuō)，“傳感器還能發(fā)現(xiàn)人工采集不到的信息。”
金秀良團(tuán)隊(duì)通過(guò)操作“龍門(mén)吊”持續(xù)監(jiān)測(cè)玉米生長(zhǎng)過(guò)程。干旱是玉米減產(chǎn)的重要因素，他們?cè)噲D通過(guò)分析玉米的表型數(shù)據(jù)，找出產(chǎn)量高、抗旱性能好的遺傳材料資源。
要想利用好表型采集技術(shù)，還需要處理數(shù)據(jù)的科學(xué)方法。研究團(tuán)隊(duì)的另一項(xiàng)重要工作是：基于表型數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)算法和模型，來(lái)指導(dǎo)育種工作。
中國(guó)農(nóng)科院南繁院副院長(zhǎng)李慧慧是金秀良的合作者之一，她正帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)基因組選擇模型、全流程智慧育種平臺(tái)等算法工具。
“我們初步取得了一些成果，比如，將機(jī)器學(xué)習(xí)算法和表型數(shù)據(jù)等融合，識(shí)別出控制作物抗逆和高產(chǎn)的關(guān)鍵基因。”李慧慧說(shuō)。
借助大數(shù)據(jù)和人工智能手段，金秀良和團(tuán)隊(duì)還希望找到估算作物動(dòng)態(tài)表型性狀和產(chǎn)量的方法。
“有了這個(gè)方法，我們就能精準(zhǔn)預(yù)測(cè)作物后代表型，優(yōu)化育種方案。”金秀良說(shuō)，過(guò)去尋找理想遺傳材料可能需要監(jiān)測(cè)上萬(wàn)個(gè)材料，提前了解材料表型能大幅減少工作量，將來(lái)只需要觀察500個(gè)左右，極大提升育種效率。
目前，中國(guó)農(nóng)科院南繁院已聚集18支科研團(tuán)隊(duì)、200多名科研人員。科研樓里人來(lái)人往，智慧育種“新賽道”，在這里越走越寬。
《 人民日?qǐng)?bào) 》（ 2025年02月17日 08 版）