南繁，在育種科學(xué)家心目中是一個(gè)近乎神圣，又充滿希翼的詞匯。無論是雜交水稻，還是耐密玉米，或是高油大豆，亦或高產(chǎn)長絨棉，幾乎每一種作物的改良都經(jīng)歷了南繁的洗禮。
過去的南繁，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院的科研人員疲于奔波，匆匆來到海南完成一個(gè)生育周期的培育，又匆匆趕回北方栽種下一季，以驗(yàn)證選種的性狀。
兩年多前，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院國家南繁研究院（以下簡(jiǎn)稱南繁院）的成立改變了這一切。如今的南繁，新平臺(tái)、新基地、新技術(shù)、新領(lǐng)域逐一呈現(xiàn)。
在南繁院院長彭軍的設(shè)想中，這座位于海南三亞的研究院，最終將成為“南繁硅谷”一樣的地方，集合最頂尖的團(tuán)隊(duì)、落地最頂尖的技術(shù)、成為未來智慧育種的孵化平臺(tái)。
野生稻基地：種質(zhì)創(chuàng)新的平臺(tái)
53年前，海南三亞南紅農(nóng)場(chǎng)，“雜交水稻之父”袁隆平團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一株雄性不育的野生稻，被稱為“野敗”，打開了雜交水稻的大門。
50年前，我國最早的雜交水稻宣布培育成功。
50年過去，在我國南繁育種核心區(qū)海南三亞崖州灣，建起了一座全球最大的野生稻種質(zhì)資源圃，目前這里活體保存著1萬多份野生稻。
野生稻種質(zhì)圃建設(shè)的發(fā)起者中國科學(xué)院院士、南繁院研究員錢前介紹，資源圃從2021年開始籌備建設(shè)，面積180畝，可容納4萬份野生稻，是全球最大的野生稻種質(zhì)圃。自建設(shè)之初，就同步開始在這里保存野生稻。
錢前在三亞野生稻資源圃。李晨攝
中國是水稻的發(fā)源地，海南是水稻的故鄉(xiāng)之一，我國水稻育種中利用最多的“普通野生稻”，在海南就多有發(fā)現(xiàn)。尤其是在中國雜交水稻的發(fā)展史中，野生稻是不可或缺的力量。
錢前介紹，在人類長期的馴化和選育中，栽培水稻的遺傳基因會(huì)出現(xiàn)明顯的同質(zhì)化，豐富性和多樣性變得匱乏。表面上看，它們的產(chǎn)量更高，甚至品質(zhì)也更好，但長遠(yuǎn)看，它們實(shí)際上缺乏應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的能力，也缺少大幅度提升的空間。
而野生稻長期生活在自然界，能夠繁衍至今，本身就有很多特殊的本領(lǐng)，比如普通野生稻是匍匐的，結(jié)實(shí)不多，有落粒問題；而水稻栽培種被馴化選育成直立的株型，從低產(chǎn)變成高產(chǎn)，但抗病性等本領(lǐng)卻丟失了。
“野生稻是中國最古老的稻子，許多野生稻傳承了五千年以上。它們?cè)谧匀唤缰薪?jīng)歷風(fēng)吹雨打，在殘酷的物競(jìng)天擇中生存了下來，必然有他們獨(dú)特的本領(lǐng)。今天的育種家們就是要找到這些獨(dú)特之處，變成現(xiàn)在育種的資源和材料。”錢前告訴《中國科學(xué)報(bào)》。
從上世紀(jì)中葉開始，我國科學(xué)家就有意搜尋和收集野生稻。錢前介紹，我國在廣西、廣東和云南分別建有野生稻種質(zhì)圃，同時(shí)在國家種質(zhì)資源庫中，還以種子的形式保存著10萬份水稻資源。待海南三亞的野生稻種質(zhì)資源圃建成后，將會(huì)對(duì)上述三個(gè)野生稻種質(zhì)圃進(jìn)行備份。
“和種子相比，活體野生稻的生物多樣性、遺傳基因豐富性等更好，因此活體保存一直都是最好的保存方法。”錢前說，但這種保存方法要耗費(fèi)巨大的人力物力，面對(duì)很多不可抗的未知風(fēng)險(xiǎn)。
三亞野生稻種質(zhì)資源圃面積為180畝，并分為若干功能區(qū)域。在這里，野生稻可以實(shí)現(xiàn)周年生長，這也帶來了新的保存問題。“有些野生稻我們需要它的種子，就會(huì)收集一部分；有些不需要，只是保存資源，就會(huì)定期給它們‘理發(fā)’，將長高的野生稻剪短，過一段時(shí)間它們還會(huì)再長起來?！蹦戏痹貉芯繂T鄭曉明說，一部分野生稻還被種植在水泥池子中，以防止野生稻通過根系繁殖。
栽種于水泥池子中的野生稻。李晨攝
鄭曉明常年從事野生稻種質(zhì)資源的搜集、保護(hù)和利用工作，圃中有許多材料都是她親自搜集而來的。她說，未來野生稻種質(zhì)資源圃將實(shí)現(xiàn)全程智能化保存、管理、鑒定等，真正成為精準(zhǔn)育種的平臺(tái)。
表型鑒定：新技術(shù)推動(dòng)育種加速
在南繁研究院作物基因編輯與表型鑒定創(chuàng)新中心（以下簡(jiǎn)稱表型中心）大樓外，有一片水稻田。一座5.7米高、21米寬的“龍門架”橫跨在金色的稻田中。稻田四周布設(shè)的軌道可以讓“龍門架”自由移動(dòng)，調(diào)控“龍門架”上的設(shè)備，可以監(jiān)測(cè)掃描到稻田里任何一個(gè)點(diǎn)位。
這就是南繁院的田間“高通量植物表型平臺(tái)”，可以搭載十多種監(jiān)測(cè)儀器，監(jiān)測(cè)植物從播種到收獲全周期的表型數(shù)據(jù)。
“我們之所以在南繁院建設(shè)這個(gè)表型平臺(tái)，是因?yàn)楹Ｄ系臍夂驐l件允許我們?cè)谌甑臅r(shí)間段都進(jìn)行大田表型數(shù)據(jù)收集和分析，比國內(nèi)其他地方可利用的時(shí)間長很多?！迸碥姼嬖V《中國科學(xué)報(bào)》。
南繁院作物表型組學(xué)研究團(tuán)隊(duì)首席金秀良在接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說，表型是指生物可以被觀察或鑒定的所有特征，比如人的身高、血型，植物的株高、花色等。
在農(nóng)業(yè)育種中，鑒定表型是最基礎(chǔ)的工作。所有的育種家都要從田間觀察一株苗開始，記錄它們的每一個(gè)特征，如植株高矮、莖稈粗細(xì)、節(jié)間長短、產(chǎn)量高低等。通過漫長的選擇，在田間千萬個(gè)植株中找到最需要的那一株。
高通量植物表型平臺(tái)。李晨攝
“比如水稻的穗數(shù)、穗粒數(shù)等，是作物產(chǎn)量的重要指標(biāo)，過去怎么得到這些數(shù)據(jù)呢？需要等到收獲之后，育種家們拿回去，一項(xiàng)項(xiàng)測(cè)量。大量的實(shí)驗(yàn)材料可能要兩到三個(gè)月才能夠得到數(shù)據(jù)?！苯鹦懔颊f，這制約了育種的效率和精度。
表型鑒定技術(shù)的發(fā)展為科學(xué)家?guī)砹烁淖儸F(xiàn)狀的契機(jī)。
金秀良介紹，高通量植物表型平臺(tái)可以搭載激光雷達(dá)、高光譜相機(jī)、深度相機(jī)，以及各種傳感器，從作物種植到收獲全周期全天候監(jiān)測(cè)作物生長情況，實(shí)時(shí)獲得倒伏性狀、抗旱性狀、抗病性狀等數(shù)十個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)?！靶蔬h(yuǎn)超人工，還可以做到人做不到的事情，比如搭載多光譜傳感器，就可以收集到人眼不可能觀察到的性狀，如籽粒的灌漿情況和飽滿程度?！?/p>
“這幾天臨近收獲季節(jié)，學(xué)生們都派到全國各地的合作單位去采集作物表型信息了?！苯鹦懔紡?qiáng)調(diào)，除了利用“龍門架”這種固定設(shè)施高速、大量地鑒定作物性狀，表型鑒定技術(shù)還可借助無人機(jī)、衛(wèi)星遙感影像等靈活機(jī)動(dòng)地監(jiān)測(cè)任意田塊或果園里的作物生長性狀，從而達(dá)到提高育種效率和精度的服務(wù)目標(biāo)。
智慧育種：開辟種業(yè)競(jìng)爭(zhēng)新“戰(zhàn)場(chǎng)”
“智慧育種的核心之一就是表型組學(xué)?！苯鹦懔颊f，在分子生物學(xué)、基因組學(xué)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)的不斷加持下，育種正成為數(shù)字化、智能化的綜合學(xué)科，開辟了一個(gè)種業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的新“戰(zhàn)場(chǎng)”。
育種家們的試驗(yàn)田中，不再只有農(nóng)作物，還多了各種高科技的設(shè)備。在表型鑒定創(chuàng)新中心，一個(gè)20多人的“智慧化數(shù)字化南繁技術(shù)團(tuán)隊(duì)”正在進(jìn)行農(nóng)業(yè)信息化的研究。
團(tuán)隊(duì)成員賀子康介紹，他們開發(fā)了一套覆蓋天地空的物聯(lián)網(wǎng)感知與智慧管理系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)對(duì)農(nóng)田進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)和分析。
“比如蟲情監(jiān)測(cè)，過去依靠人力采集信息，人到地里去拍攝，拿回來分析，至少要一天。但通過我們的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，一張實(shí)時(shí)的照片傳到后方，人工智能在很短的時(shí)間內(nèi)就可以通過算法進(jìn)行分析和判斷，并給出參考結(jié)論?！辟R子康說。
該團(tuán)隊(duì)成員趙鴻鑫介紹，“布設(shè)在地里的傳感器有多種類型，比如氣象站、蟲情監(jiān)測(cè)儀、高清攝像頭、孢子監(jiān)測(cè)儀等，可以全方位地監(jiān)測(cè)農(nóng)田的變化?！?/p>
然而，天空地全程監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，如何幫助育種家們進(jìn)行選擇？大量的數(shù)據(jù)如何處理？
在南繁院，來自大數(shù)據(jù)智能設(shè)計(jì)育種團(tuán)隊(duì)的一群年輕人，正在為這些數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)算法和模型。
“通過開發(fā)數(shù)量遺傳算法，幫助育種家們?cè)诒姸嗟谋硇蛿?shù)據(jù)中挖掘出有價(jià)值的遺傳材料資源。通過大數(shù)據(jù)和人工智能結(jié)合，還可以幫助育種家們預(yù)測(cè)后代的表型，以此為參照，進(jìn)行育種方案的設(shè)計(jì)。”團(tuán)隊(duì)成員何坤輝介紹，“簡(jiǎn)單來說，就像是一個(gè)解方程的過程，我們把海量的數(shù)據(jù)代入現(xiàn)成的方程式，包括作物的表型數(shù)據(jù)、環(huán)境參數(shù)等，以此計(jì)算出結(jié)果，在眾多的結(jié)果中分析尋找最好的那一種可能?！?/p>
該團(tuán)隊(duì)博士后陳守坤告訴《中國科學(xué)報(bào)》，他所在的團(tuán)隊(duì)集合了育種、分子生物學(xué)、計(jì)算機(jī)等多個(gè)專業(yè)的人才，是一個(gè)多學(xué)科交叉的團(tuán)隊(duì)。“就和我們團(tuán)隊(duì)一樣，智慧育種的時(shí)代，育種本身就已經(jīng)成為了一個(gè)多學(xué)科交叉的領(lǐng)域?！?/p>
彭軍告訴《中國科學(xué)報(bào)》，南繁院成立兩年多以來，已經(jīng)集聚了15個(gè)團(tuán)隊(duì)，160多位科研人員，未來，更多領(lǐng)域的研究者在不斷加入南繁院的科研隊(duì)伍，智慧育種的未來并不遙遠(yuǎn)。
“南繁院更是我國農(nóng)業(yè)科研推進(jìn)國際合作的橋頭堡，未來將集聚國際優(yōu)勢(shì)創(chuàng)新資源，打造國際種業(yè)科技創(chuàng)新高地，促進(jìn)水稻、玉米、小麥等產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，共同維護(hù)世界糧食安全。”彭軍說。
