入冬時(shí)節(jié)，在位于安徽省合肥市長豐縣雙鳳開發(fā)區(qū)的中科合肥智能育種加速器創(chuàng)新研究院內(nèi)，科研人員正在緊張有序地忙著育種工作。
不久前，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院智能機(jī)械研究所(以下簡稱“合肥物質(zhì)院智能所”)和中科合肥智能育種加速器創(chuàng)新研究院在這里聯(lián)合宣布：全鏈條機(jī)器人育種家“小海”與“海霸設(shè)施”小麥快速育種商業(yè)化服務(wù)平臺同步啟動。它們的問世，標(biāo)志著我國在智能育種裝備與工程化應(yīng)用上取得了關(guān)鍵突破。
曾經(jīng)，培育一個優(yōu)良作物品種需要“十年磨一劍”的漫長等待。如今，中國科學(xué)家團(tuán)隊(duì)用機(jī)器人與人工智能，將這一進(jìn)程壓縮至短短兩三年。
涵蓋育種全鏈條關(guān)鍵環(huán)節(jié)
走進(jìn)中科合肥智能育種加速器創(chuàng)新研究院科研大樓，墻上的標(biāo)語“一粒種子可以改變一個世界”格外醒目。
這里沒有傳統(tǒng)農(nóng)田的泥土氣息，取而代之的是一種充滿未來感的科技氛圍。數(shù)個以“艙”命名的獨(dú)立空間井然有序，構(gòu)成一個完整的育種生態(tài)系統(tǒng)。這也是全鏈條機(jī)器人育種家“小海”的“主場”。
“小海”并非一個具象機(jī)器人，而是一套高度集成化、智能化的育種系統(tǒng)。它由逆境艙、表型艙、加代艙、離子艙等部分組成，如同一位身懷絕技的科學(xué)家，在實(shí)驗(yàn)室里執(zhí)行著精密任務(wù)。
在逆境艙里，麥苗們正經(jīng)歷著“魔鬼訓(xùn)練”。合肥物質(zhì)院智能所助理研究員曹明輝介紹，逆境艙的主要作用是選種，通過精準(zhǔn)模擬極端天氣、極端土壤以及生物逆境，來篩選具備強(qiáng)大抗逆性的優(yōu)秀種質(zhì)。
在加代艙內(nèi)，生長著處于不同生長階段的小麥。現(xiàn)場工作人員無需進(jìn)入艙內(nèi)，通過操控智能機(jī)器人即可完成播種、管理、觀測等一系列作業(yè)，整個作業(yè)過程高效快捷。
2022年起，合肥物質(zhì)院智能所智能育種團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出“生物育種工程化”理念，推進(jìn)“合肥智能育種加速器”(海霸設(shè)施)大科學(xué)裝置建設(shè)。“我們旨在通過技術(shù)裝備創(chuàng)新，驅(qū)動育種全鏈條的機(jī)械化、自動化、數(shù)字化、智能化和標(biāo)準(zhǔn)化，從根本上解決育種效率低、周期長的行業(yè)痛點(diǎn)。”合肥物質(zhì)院智能所副研究員湯才國說。
湯才國介紹，機(jī)器人育種家“小海”涵蓋“種質(zhì)創(chuàng)制—種質(zhì)鑒定—種質(zhì)穩(wěn)定”育種全鏈條關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是“海霸設(shè)施”大科學(xué)裝置關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)示范和概念驗(yàn)證的微縮版。
具備三大核心加速能力
“我們的育種效率是傳統(tǒng)人工育種的60倍以上。”合肥物質(zhì)院智能所副所長黃河說。效率提升的背后是“小海”和“海霸設(shè)施”所具備的三大核心加速能力。
在加速種質(zhì)創(chuàng)新方面，傳統(tǒng)雜交育種或等待自然變異，如同大海撈針，過程漫長且充滿不確定性。“小海”則另辟蹊徑，利用載能離子誘變育種技術(shù)，并結(jié)合AI技術(shù)，開辟了一條非基因編輯的高效基因資源發(fā)掘新路徑。這種方法能主動、快速地創(chuàng)造大量變異，再由AI進(jìn)行高效篩選，將基因挖掘效率提升了10倍以上，極大地豐富了育種的家底。
在加速種質(zhì)鑒定方面，一個品種是否優(yōu)秀，不僅要看它在風(fēng)調(diào)雨順時(shí)的表現(xiàn)，更要看它在逆境中的生存能力。“小海”重點(diǎn)建設(shè)的逆境篩選平臺，正是為此而生。它能精準(zhǔn)、快速地鑒定出哪些種質(zhì)抗寒、哪些耐鹽、哪些抗病，實(shí)現(xiàn)抗逆種質(zhì)的定向、通量篩選。這滿足了市場對“穩(wěn)產(chǎn)品種”的迫切需求，為保障國家糧食安全筑起了一道堅(jiān)實(shí)的科技屏障。
在加速種質(zhì)穩(wěn)定方面，“小海”構(gòu)建面向多作物多品種的一年多代快速育種體系。
同步啟動的“海霸設(shè)施”小麥快速育種商業(yè)化服務(wù)平臺，通過智能環(huán)境控制，可實(shí)現(xiàn)春小麥年繁6—7代、冬小麥4—5代，將傳統(tǒng)8—10年的育種周期大幅壓縮至2—3年。平臺建立了基于中國小麥微核心種質(zhì)、不同生態(tài)區(qū)代表性品種的春化模型、加代環(huán)境智能控制模型、花期調(diào)控模型等智能加代技術(shù)，并研發(fā)了適合不同應(yīng)用場景的加代艙裝備。
“當(dāng)前，中科合肥智能育種加速器創(chuàng)新研究院合肥本部與煙臺分中心年服務(wù)能力達(dá)20萬株。育種中試基地落成后，中科合肥智能育種加速器創(chuàng)新研究院年服務(wù)能力將突破300萬株，具備規(guī)模化和商業(yè)化服務(wù)能力，將直接賦能種業(yè)企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)。”黃河說。
多學(xué)科協(xié)同攻克技術(shù)壁壘
這些成果的背后，是科研團(tuán)隊(duì)無數(shù)個日夜的攻堅(jiān)克難。將理念變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，他們需要跨越的，是多學(xué)科之間的巨大鴻溝。
項(xiàng)目涉及人工智能、機(jī)器人、生物技術(shù)、農(nóng)學(xué)、信息科學(xué)等多個領(lǐng)域。黃河坦言，他們面臨的首要挑戰(zhàn)就是多學(xué)科技術(shù)的深度交叉與融合。“我們需要讓搞算法的科學(xué)家、設(shè)計(jì)機(jī)器人的工程師和精通遺傳育種的專家坐在一起，講同一種‘語言’，將不同領(lǐng)域的技術(shù)串聯(lián)成一個高效、協(xié)同的閉環(huán)系統(tǒng)。這本身就是一個極高的挑戰(zhàn)。”黃河說。
當(dāng)技術(shù)壁壘被逐步打破，數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)又接踵而至。從誘變開始，他們需要處理海量的基因組數(shù)據(jù)、高精度的環(huán)境控制數(shù)據(jù)，以及來自各種傳感器的多模態(tài)表型數(shù)據(jù)。如何讓機(jī)器人理解這些數(shù)據(jù)，并像經(jīng)驗(yàn)豐富的育種專家一樣去思考、篩選、決策？這需要用大樣本訓(xùn)練出強(qiáng)大而精準(zhǔn)的人工智能算法。
“這不僅僅是用機(jī)器代替原本繁重的人類勞動，更是將人類的育種經(jīng)驗(yàn)和智慧，轉(zhuǎn)化為機(jī)器可以理解和執(zhí)行的算法與模型。”黃河說，正是在攻克一個又一個難題的過程中，“小海”從藍(lán)圖走向了現(xiàn)實(shí)，中國智能育種的工程化之路也越走越寬。
此次“小海”與“海霸設(shè)施”的啟動，是我國搶占國際種業(yè)科技制高點(diǎn)、服務(wù)國家種業(yè)振興與糧食安全戰(zhàn)略的重要舉措。它不僅用“60倍效率”為中國種子裝上了強(qiáng)大的科技引擎，也為合肥建設(shè)“種業(yè)之都”注入澎湃動能。
