2025-08-15 10:38:46
溫室大棚里，一株株番茄藤蔓間，零星能看到黃色的花朵正在綻放。與普通番茄花有雄蕊和雌蕊不同，這里的番茄花雄蕊開裂、花粉敗育，只有雌蕊（柱頭）裸露在外——這是育種中經(jīng)常使用的雄性不育系親本。智能育種機器人“吉兒”行走其間，精準地識別出花朵，機械臂伸出，輕輕觸碰雌蕊的柱頭，僅需十幾秒，一次雜交授粉就完成了。
這是中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所許操研究員帶領的智能育種攻關團隊將生物技術（BT）與人工智能（AI）深度融合，首次提出作物—機器人協(xié)同設計理念的寫照。通過基因編輯重新設計作物花型，快速精準創(chuàng)制“機器人友好”的結構型雄性不育系，再運用深度學習和人工智能技術研制可自動巡航雜交授粉的智能育種機器人“吉兒”，打造“智能機器人育種工廠”，實現(xiàn)了優(yōu)異品種的智能快速定制。
這一創(chuàng)新開辟了“BT筑基+AI賦能+機器人勞作”的智能育種模式，標志著我國率先完成自主產(chǎn)權的智能機器人育種閉環(huán)技術體系構建。此舉打破了雜交育種和制種瓶頸，有望大幅降低育種成本、縮短育種周期、提高育種效率。相關成果已發(fā)布在《細胞》雜志上。
傳統(tǒng)的雜交育種和制種通常需先對母本花朵去雄，再將父本花粉涂抹到母本花朵柱頭上，整個過程依賴熟練工人，要在花朵綻放前的短暫窗口期完成操作。柱頭外露的結構型雄性不育系則可以免除上述操作，一直是雜交育種和制種夢寐以求的性狀。
育種機器人在首農(nóng)翠湖工場的溫室中自動巡航雜交授粉
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(yōu)勢，大豆就是其中的典型代表。盡管雜交種有30%以上的增產(chǎn)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(chuàng)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(chǎn)量和種子質量。柱頭外露型雄性不育系的產(chǎn)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，要實現(xiàn)機器人雜交授粉，還需攻克三重技術難關：須有效排除干擾，花朵與葉片、枝條等混在一起，且朝向多變，不僅要識別出花朵，還要準確定位花朵方向；識別精度要高，花朵和柱頭等操作對象微小，要能夠在復雜背景下，在毫米級精度實時定位微小的柱頭；操作力度要得當，柱頭僅能承受輕柔短暫的觸碰，力度過大會導致柱頭挫傷、折斷無法坐果。
許操研究員與中國科學院自動化所的楊明浩副研究員團隊合作，攻克上述技術難題：用12,800張圖像訓練深度學習神經(jīng)網(wǎng)絡模型，花朵檢測準確率達82.0%；運用偽雙目測距策略，通過SURF特征匹配與RANSAC算法計算柱頭3D坐標，使定位誤差控制在7.67 毫米內；采用螺旋伺服授粉策略結合輕量級神經(jīng)網(wǎng)絡，確?；ǚ勰軌驕蚀_輕柔地遞送至柱頭表面。團隊研發(fā)出的智能授粉機器人“吉兒”，柱頭識別準確率可達85.1%，每授粉一個花朵僅耗時15秒，單次巡航授粉實現(xiàn)了77.6%±9.4%的成功率，零部件國產(chǎn)化自主率已達95%以上。在首農(nóng)翠湖工場商業(yè)化溫室中試運行，可以全天候不間斷進行反復巡航雜交授粉，從而確保每朵花成功授粉坐果。
研究人員進一步將“吉兒”機器人與“從頭馴化”育種技術以及“快速育種”技術結合，建立了智能育種工廠，使得近緣野生種的育種利用周期由原來的5年縮短為1年且節(jié)省人工，釋放了作物野生近緣種在提升栽培種抗逆和口感特性的育種潛力，可批量快速培育風味濃郁的口感番茄和抗逆豐產(chǎn)的優(yōu)質番茄新種質。研究人員將“吉兒”系統(tǒng)應用于大豆，成功創(chuàng)制柱頭外露的大豆雄性不育系，可節(jié)省76.2%人工授粉操作時間。
“運用前沿生物技術精準創(chuàng)制結構型雄性不育系，柱頭外露的雄性不育花型具備區(qū)別于可育植株的‘表型標記’，可以被機器人準確識別，無需使用分子標記的生物學實驗來鑒定不育系。機器人可以自動完成‘恢復系’和‘保持系’對‘不育系’的雜交授粉，以‘機器人配套’的方式實現(xiàn)智能自動化雜交育種?！痹S操介紹。
《細胞》雜志審稿人稱贊：“一項令人振奮的創(chuàng)新性突破，通過‘BT+AI’交叉融合解決重大科技問題和產(chǎn)業(yè)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(fā)育所聯(lián)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(lián)合攻關取得。
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